Измерение активных сопротивлений
Лабораторная работа
МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ ЛИНЕЙНЫХ РЕЗИСТОРОВ И ХАРАКТЕРИСТИК НЕЛИНЕЙНЫХ
ЭЛЕМЕНТОВ
Цель: Ознакомиться с существующими методами измерения сопротивлений линейных резисторов и характеристик нелинейных элементов. Освоить практические навыки по выполнению эксперимента и обработке результатов измерений.
Оборудование: Лабораторная установка, содержащая средства измерений:
• мультиметры М830В;
• мост переменного тока Р 333;
• источник электропитания ВСП - 30.
Теоретическая часть
Электрические цепи представляют совокупность соединенных определенным образом источников электрической энергии и нагрузок, по которым протекает постоянный или переменный ток. С точки зрения соотношения размеров цепей и рабочей длины волны электрических колебаний, имеющих в них, место, различают цепи с сосредоточенными и распределенными параметрами (постоянными).
Радиоэлектронные цепи, размеры которых гораздо меньше рабочей длины волны, называются цепями с сосредоточенными параметрами. Свойства данных цепей практически не зависят от конфигурации выводов (электродов) активных и пассивных элементов и размеров соединительных проводов. Радиоэлектронные цепи, физические размеры которых соизмеримы с рабочей длиной волны колебаний, относятся к цепям с
распределенными параметрами. Каждый элемент или соединительный провод такой цепи обладает сопротивлением (активными, т.е. невозвратимыми, потерями мощности), индуктивностью и емкостью. Такие цепи часто называют длинными линиями или СВЧ-трактами.
|
|
|
В электрических цепях с сосредоточенными параметрами широко применяются линейные компоненты общего назначения: резисторы, катушки индуктивности и конденсаторы. При определенных допущениях эти элементы можно рассматривать как линейные пассивные двухполюсники, характеризуемые некими идеальными параметрами — сопротивлением R (величина, обратная сопротивлению — проводимость Y), индуктивностью L, емкостью С.
При измерении, однако, не всегда удается определить значение того или иного параметра, соответствующее идеальному, совершенному виду элемента. Поэтому требуется знать ряд вторичных параметров элементов, например: добротность Q, тангенс угла потерь δ, характеристическое сопротивление ρ.
Методы измерения электрических параметров цепей с сосредоточенными параметрами очень разнообразны, а приборный состав включает в себя в основном электронные приборы, поэтому обозначение средств измерений может быть различным в зависимости от применяемой системы. Наиболее часто отечественные электронные измерители параметров цепей обозначаются как Е6 — Е7. Большая группа приборов (некоторые мосты и измерительные линии) обозначаются буквой «Р».
|
|
|
В зависимости от вида измеряемой величины, требуемой точности результата, диапазона рабочих частот и других условий для измерения параметров элементов с сосредоточенными постоянными применяют различные методы и средства измерений. Наиболее распространенными методами измерения здесь являются: метод амперметра — вольтметра, метод непосредственной оценки, мостовой метод, резонансный метод и метод
дискретного счета (цифровой метод).
Основными параметрами длинных линий, по аналогии с цепями с сосредоточенными постоянными, являются погонные активное сопротивление, индуктивность и емкость. Однако, в отличие от цепей с сосредоточенными постоянными, эти параметры не имеют такого четкого физического смысла, и поэтому не измеряются. В то же время все основные элементы СВЧ-трактов являются аналогами двух- и четырехполюсников, из которых состоят цепи с сосредоточенными постоянными. Эта аналогия позволяет рассматривать параметры СВЧ-трактов как параметры двух- и четырехполюсников. Приборы, предназначенные для измерения параметров цепей с распределенными постоянными, классифицируются в зависимости от характера конкретных измерений и вида измеряемых величин.
|
|
|
Измерение активных сопротивлений
Величины измеряемых активных сопротивлений лежат в пределах от 10 8 до 1010 Ом; выпускаемые серийные приборы чаще охватывают диапазон от 0,001 до 109 Ом. Активное сопротивление может измеряться как на постоянном, так и на переменном токе. Измерение активного сопротивления на переменном токе оказывается целесообразным в цепях, где есть потери при перемагничивании (цепи со стальными сердечниками — катушки индуктивности, дроссели, трансформаторы).
Среди промышленных способов измерения активных сопротивлений на постоянном токе можно выделить следующие:
•методы, основанные на использовании одного амперметра или вольт метра (могут быть электромеханические или электронные приборы);
• логометрические методы;
• мостовые методы (аналоговые и цифровые приборы).
Метод амперметра - вольтметра основан на использовании закона Ома. На рис.1 представлена реализация этого метода.
а) б)
|
|
|
Рис. 1.
Измерение активных сопротивлений методом амперметра-вольтметра
В схеме на рис.1, а, отклонение стрелки магнитоэлектрического миллиамперметра пропорционально току (напряжению источника Е)
(1)
и обратно пропорционально измеряемому сопротивлению Rx. Этой схемой измеряют достаточно большие сопротивления (от 1 Ом до 200 МОм). Перед измерениями зажимы 
замыкают ключом К и резистором 
устанавливают такой ток, чтобы стрелка отклонилась на всю шкалу, что соответствует точке 0 Ом. Подобная схема измерения активного сопротивления широко используется в комбинированных приборах — так называемых тестерах.
Для измерения небольших сопротивлений (0,01... 100 Ом) используется схема, изображенная на рис.1, б. Показания вольтметра определяются формулой
(2)
при условии, что 
, 
,т.е. имеет место прямая зависимость напряжения (показания вольтметра) от измеряемого сопротивления 
. Перед измерением стрелку на приборе совмещают с отметкой со при разомкнутых зажимах х.
Точность обоих методов невысока, погрешность измерения порядка 1,5...2%. Наблюдается прямая зависимость показаний от напряжения питания Е и его стабильности. Уменьшить влияние источника питания Е на точность измерения активных сопротивлений позволяет применение магнитоэлектрического логометра. Устройство и схема включения магнитоэлектрического логометра представлены на рис.2.
а) б)
Рис. 2.
Магнитоэлектрический логометр: а - устройство; б - схема включения.
Магнитоэлектрический логометр представляет систему из двух жестко скрепленных между собой рамок, помещенных в неравномерное поле постоянного магнита (рис.2, а). Неравномерность магнитного поля достигается за счет специальной конфигурации полюсных наконечников. Неравномерным поле делается для того, чтобы вращающие моменты, приложенные к рамкам, зависели не только от токов, протекающих в рамках, но и от положения рамок в магнитном поле, т.е
(3)
где I1, Ix - токи, протекающие в рамках; 
, 
— величины потокосцеплений с соответствующими им рамками. Поскольку вращающие моменты рамок с протекающим в них током направлены в противоположные стороны, положение равновесия наступит при условии, когда М1 = М2; 
= 
и, следовательно, угол отклонения подвижной системы определится отношением токов
. (4)
Для схемы на рис. 2, б
(5)
где 
- сопротивления рамок; 
— образцовое сопротивление.
Таким образом, показания логометра практически не зависят от колебания напряжения питания, так как
. (6)
Подобная линейная зависимость позволяет создавать лабораторные логометры с погрешностью измерений, не превышающей 0,5%. Нечувствительность логометра к колебаниям напряжения питания позволила также разработать класс приборов, питающихся от генераторов, ротор которых вращается вручную.
Еще одна реализация метода амперметра - вольтметра представлена на
рис. 3.
Рис.3.
Схемы измерения сопротивлений методом амперметра - вольтметра
Пользуясь законом Ома нетрудно получить искомое значение неизвестного сопротивления.
Для схемы рис. 3. а.
. (7)
Для схемы рис.3.б.
где: U, I - показания вольтметра и амперметра;
, (8)
, 
- внутренне сопротивления вольтметра и амперметра, соответственно.
При определении неизвестного сопротивления Rx методом амперметра - вольтметра имеет место методическая составляющая общей погрешности
(9)
где 
- истинное значение сопротивления резистора, за можно принять
результат измерения высокоточным средством измерения. На практике принимают метрологический запас (запас по точности) не менее трех крат. В этой работе для определения 
следует использовать мост Р 333.
Относительная методическая погрешность составит
. (10)
Мостовые схемы измерителей
Основными методами измерения параметров R, L, С на переменном
токе являются мостовые и резонансные. Мостовые методы измерения
являются более точными, но могут использоваться только в ограниченной
полосе частот. Существует несколько разновидностей мостовых схем:
четырехплечие, шестиплечие (двойные), уравновешенные,
неуравновешенные и процентные. Управление этими мостами может быть как ручным, так и автоматическим. Наибольшее распространение получили схемы четырехплечих уравновешенных мостов. Обобщенная структурная схема такого моста показана на рис.4, а.
 |
Рис. 4, а.
Обобщенная структурная схема четырехплечего моста
Сопротивления четырехплечего моста в общем случае носят комплексный характер:
. (11)
Условия равновесия такого моста будут определяться двумя уравнениями:
; (12)
. (13)
Для выполнения этих условий необходимо наличие в плечах моста двух элементов с регулируемыми параметров. Этими параметрами наиболее удобно сделать активные сопротивления. В качестве элемента, обеспечивающего необходимый фазовый сдвиг, используется эталонный конденсатор емкостью С0 с малыми потерями.
Упрощенная структурная схема четырехплечего уравновешенного моста для измерений активных сопротивлений представлена на рис.4, б.
 |
Магнитоэлектрический, электронный или цифровой нуль-индикатор (НИ) включается в диагональ моста, ток в которой в момент измерения должен быть установлен равным нулю. Согласно условию (12) равновесия моста необходимо, чтобы выполнялось равенство, откуда неизвестное сопротивление можно выразить следующей формулой:
. (14)
Для достижения равновесия моста достаточно иметь один регулируемый параметр (резистор R4),как показано на рис.4, б.Пределы измеряемых сопротивлений для подобных мостов составляют от 10 2 до 107 Ом. Погрешности измерения - от сотых долей процента до нескольких процентов в зависимости от диапазона измерения. Наименьшие погрешности лежат в диапазоне от 100 Ом до 100 кОм. При малых измеряемых сопротивлениях вклад в погрешность измерения вносят сопротивления соединительных проводов, при больших — сопротивления утечки.
Представленная на рис.4, бсхема может быть создана в цифровом варианте. Для этого регулируемый резистор изготавливается в виде набора ряда сопротивлений, выполненных в соответствии с двоично-десятичным кодом. Сопротивления поочередно включаются в плечо измерительного моста до тех пор, пока схема не уравновесится. Положение ключей характеризует собой код измеряемой величины, поступающий затем в цифровое отсчетное устройство.
Дата добавления: 2018-11-24; просмотров: 739; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!