11. Вимірювання складових комплексного електричного опору.

При дослідженні комплексних опорів в колах змінного струму  вимірюваними величинами є ємність, індуктивність L, активний опір R, а також тангенс кута діелектричних втрат конденсатора  tgδ , добротність котушки індуктивності Q і стала часу резистора τ.

Чисто ємнісних і чисто індуктивних приймачів не існує, обов’язково існує ще й активний опір. Тоді комплексний опір подають еквівалентною схемою заміщення: або послідовною або паралельною.

Еквівалентні схеми заміщення і векторні діаграми конденсатора: а.б – послідовна, в,г – паралельна.

Струм, що споживає конденсатор, випереджує напругу не на 90, а на кут φ, що різниця δ=90-φ називається кутом діелектричних втрат. Тому конденсатори характеризуються двома параметрами: ємністю С і тангенсом кута діелектричних втрат . З векторної діаграми для першого і другого випадку:

Еквівалентні схеми заміщення і векторні діаграми котушки: а.б – послідовна, в,г – паралельна.

При вимірювання котушок виділяють параметри: значення індуктивності L і опору R або частіше добротність Q.

Для послідовної схеми:   (відношення індуктивного опору котушки до активного).

Для паралельної:  .

Найчастіше для вимірювань цих параметрів  використовують мости змінного струму.

 Мостовий метод вимірювання комплексних опорів є найбільш досконалим і точним Найпоширеніші – чотири плечі мости.

.

Умова рівноваги : z1z3=z2z4. z=Ze.

При цьому необхідно враховувати співвідношення характеру (ємнісного активного чи індуктивного) і фазових зсувів елементів окремих плеч φ1+φ3=φ2+φ4. Для цього необхідно змінювати по черзі значення двох регулювальних елементів плеч моста – активного і реактивного опорів

 

1.Вимірювання ємності.

- Вимірювання ємності фарадомером  – прилад безпосередньої оцінки (логометри електродинамічної системи) – дія базується на залежності струму в колі змінного струму від значення ввімкненої ємності: Послідовно до рухомих котушок логометра вмикають зразкову Со і вимірювану  Сх ємності, тоді кут відхилення логометра залежить від співвідношення струмів, що проходять по котушках: . Прилади мають низьку точність та обмежений діапазон вимірювання, а покази залежать від частоти.

- Вимірювання ємності балістичним гальванометром – дія заснована на вимірюванні гальванометром заряду, що накопичується конденсатором під час його вмикання під напругу.

 В положенні перемикача SA 1 конденсатор заряджається до напруги U, що вимірюється вольтметром. В положенні 2, конденсатор розряджається  через балістичний гальванометр, вказівник якого починає відхилятись до деякого значення . Знаючи постійну гальванометра Сб (з паспорта) можна визначити ємність: .

- Якщо непотрібна висока точність, то використовують непрямий метод вимірювання за допомогою амперметра і вольтметра.  Якщо через конденсатор протікатиме струм при частоті ω, то , якщо конденсатор має порівняно великі активні втрати необхідно ввімкнути ще й ватметр:

.

 

2.Вимірювання індуктивності.

Враховуючи що повний опір котушки індуктивності , де  і  -еквівалентний опір визначається вимірюванням потужності , що споживається котушкою при заданому струмі І, то індуктивність за показами амперметра, вольтметра і ватметра:

 

 

 

Резонансний метод:

Вимірювальне коло живиться від джерела регульованої напруги, значення якої вимірюється електронним вольтметром V1. Для виникнення резонансу використовують конденсатор змінної ємності Со. Наявність резонансу фіксують за максимальним показом вольтметра V2. Тоді: , або за показами конденсатора проградуйованого в одиницях індуктивності для заданої частоти напруги джерела.

Вимірювання індуктивності резонансним методом.

 

Метод перетворення комплексного опору в напругу.

Метод заснований на перетворенні складових комплексного опору в пропорційну їм напругу з подальшим її вимірюванням. Для створення таких перетворювачів використовуються операційні підсилювачі створені на базі засобів мікроелектроніки, які мають значний коефіцієнт підсилення, великий вхідний і малий вихідний опори, широкий частотний діапазон.

Вимірювальні підсилювачі (масштабні перетворювачі) – це ЗВТ, призначені для підсилення електричних сигналів, підвищення чутливості засобів вимірювання, послаблення впливу неінформативних сигналів. Виконуються у вигляді інтегральних мікросхем (операційні підсилювачі ОП) – елемент з двома входами інвертуючим та неінвертуючим до яких підключають напруги  Uвх1 і Uвх2.

Основна функція – підсилення різниці вхідних напруг Uвх1 і Uвх2 з коефіцієнтом підсилення кU: евих=- кU(Uвх1 - Uвх2 ), через наявність вихідного опору ОП Zвих реальна напруга буде дещо відрізнятись від теоретичної.

Структурна та еквівалентна схеми ОП

Для підвищення стабільності коефіцієнта підсилення у вибраній частотній смузі вхідних сигналів і наближення значень вхідних і вихідних опорів до ідеальних ОП охоплюють колами зворотнього зв’язку.

Найпростіші схеми інвертуючого і неінвертуючого підсилювачів.

Якщо вважати ОП ідеальним, то вхідна напруга Uвх прикладається до резистора R1, що викликає появу струму Iвх= Uвх/ R1. Останній компенсується струмом, утвореним спадом вихідної напруги Uвих на резисторі R2. Тому Uвх/ R1= Uвих/ R2, звідки Uвих=-( R2/ R1) Uвх.

Отже вихідна напруга буде протилежної полярності до вхідної (при змінній напрузі – у протифазі) і більша в к=-R2/R1 раз.

В неінвертуючому підсилювачі вихідна напруга ділиться за допомогою дільника напруги R2 і R1, частина якої Uвх= R1/( R1+ R2) Uвих прикладається до інвертую чого входу ОП. Отже Uвих = ( 1+ R2/ R1) Uвх. Uвх збігається в фазі з Uвих а коефіцієнт підсилення К=1+ R2/ R1.

Для регулювання коефіцієнта підсилення в схемах замість одного з резисторів використовують кодокерований магазин опорів.

При незмінних значеннях напруги живлення U, частоти ω і зразкового опору R синфазна з напругою живлення складова напруги пропорційна активній складовій комплексного опору, а квадратурна – реактивній (cх1): .

 

 

 

.