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=Zejφ.
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): .
.