Лекция №23. ИЗМЕРЕНИЕ АКТИВНЫХ СОПРОТИВЛЕНИЙ

К линейным компонентам электрических и радиотехнических цепей с сосредоточенными постоянными относят резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности. Основными параметрами их являются соответственно сопротивление, емкость и индуктивность. В ряде случаев измеряют тангенс угла потерь конденсаторов и добротность катушек, полное (комплексное) сопротивление или полную проводимость цепи.

Для измерения перечисленных параметров используют следующие способы: 1) амперметра-вольтметра, основанный на законе Ома; 2) мостовой, при котором измеряемые активное и реактивное сопротивления сравнивают с сопротивлениями рабочих элементов, включенных в соответствующие плечи мостовой схемы; 3) резонансный, когда измерения производят при резонансной настройке измерительной схемы, выполненной в виде колебательного контура.

Выбор того или иного способа определяется требуемой точностью измерений и диапазоном частот, в котором исследуемые компоненты должны работать. С повышением частоты меняются методы измерения одних и тех же параметров. В частности, на высоких частотах необходимо учитывать собственную емкость катушек индуктивности и параметры измерительной схемы, которые на низких частотах не играют существенной роли.

Наиболее простой способ измерения – способ амперметра-вольтметра. Он заключается в измерении тока или напряжения, функционально связанного с измеряемым сопротивлением. Схемы, реализующие его, просты, но не обеспечивают высокой точности измерений. Способ амперметра-вольтметра используют в основном в омметрах – приборах для измерения электрического сопротивления на постоянном токе.

Характерные схемы электромеханических омметров приведены на рисунке 71, а, б. Они состоят из источника питания (обычно используют гальванические элементы или миниатюрные аккумуляторы), магнитоэлектрического измерительного механизма, отградуированного в единицах сопротивления, добавочного и калибровочного резисторов. В омметре по схеме на рисунке 71, а сопротивление включают последовательно с измерительным механизмом. При этом шкала получается обратной; нулевое отклонение стрелки соответствует , а максимальное – . Эту схему применяют для измерения больших сопротивлений: Ом. В омметре с параллельным включением измеряемого сопротивления (рисунок 71, б) шкала получается прямой, но не равномерной. Эту схему используют для измерения малых сопротивлений.

Нетрудно заметить, что градуировка омметров, выполненных по приведенным схемам, сильно зависит от напряжения источника питания. Поэтому перед началом измерений необходимо произвести калибровку прибора. Ее осуществляют изменением сопротивления калибровочного резистора .

В схеме на рисунке 71, а стрелку устанавливают на 0 при закороченных зажимах « », а в схеме на рисунке 71, б ее совмещают с отметкой «¥» при разомкнутых зажимах « ».

Необходимость калибровки является существенным недостатком рассмотренных схем. От этого недостатка свободны логометрические омметры, описанные ниже. Их показания определяются отношением токов в рамках и не зависят от значения питающего напряжения. Поэтому логометрические омметры не нуждаются в калибровке.

Электронные омметры выполняют на основе усилителя постоянного тока (УПТ) с большим коэффициентом усиления, охваченного отрицательной обратной связью (рисунок 72). Напряжение на выходе усилителя

, (1)

где k – коэффициент усиления УПТ без обратной связи; – коэффициент обратной связи.

При достаточно большом коэффициенте усиления УПТ и выражение (1) принимает вид

. (2)

Если измеряемое сопротивление включить в цепь обратной связи ( ), выходное напряжение будет пропорционально значению . Вольтметр можно отградуировать в единицах сопротивления. Шкала такого омметра получается равномерной.

Относительная погрешность не превышает обычно ±2,5%. Для расширения пределов измерения используют набор резисторов R₁.

В приборах для измерения особо больших сопротивлений – тераомметрах – сопротивление включают на входе УПТ. Как следует из формулы (2), шкала прибора получается обратной. Относительная погрешность возрастает до ±10% при измерении сопротивлений Ом.

Следует отметить важное свойство рассматриваемой схемы. Если в цепь обратной связи включить комплексное сопротивление , выходное напряжение в соответствии с формулой (2) также будет комплексным, пропорциональным его значению: . Это свойство используют в автоматических мостах переменного тока.

Логометры. Логометром (это название происходит, от греч. logos – отношение; логометр – измеритель отношения) называют измерительный механизм, показывающий отношение двух электрических величин, чаще всего двух токов.

В логометре противодействующий момент создают электрическим способом. Поэтому подвижная часть логометра состоит из двух жестко скрепленных между собой рамок с токами. Моменты, создаваемые рамками, направлены в противоположные стороны; хотя бы один из них должен зависеть от угла поворота подвижной части. Спиральные пружинки в логометре отсутствуют, а токи к рамкам подводятся по мягким безмоментным ленточкам.

Наиболее распространен логометр магнитоэлектрической системы (рисунок 73). Направление токов в рамках выбирают так, чтобы вращающие моменты были направлены в разные стороны. Магнитное поле в зазорах логометра должно быть неравномерным, что обеспечивается специальной формой полюсных наконечников или сердечника. На рисунке 73 показан логометр с эллиптическими полюсными наконечниками.

Магнитоэлектрический логометр измеряет отношение токов, протекающих через рамки. Это позволяет использовать его для измерения сопротивлений резисторов.

На рисунке 74 показана схема омметра, измерительным механизмом которого является магнитоэлектрический логометр. Измеряемое сопротивление включают в цепь одной из рамок.

Показания логометра являются функцией измеряемого сопротивления и не зависят от значения питающего напряжения. Шкалу логометра градуируют в единицах сопротивления. В общем случае она получается неравномерной, одна ко, подбирая форму сердечника и полюсных наконечников, можно придать ей желаемый характер, например, сделать логарифмической.

Электродинамический логометр (рисунок 75) состоит из неподвижной катушки возбуждения и двух жестко скрепленных между собой рамок, токи к которым подводятся по безмоментным ленточкам. Угол отклонения подвижной части определяется отношением токов в рамках и не зависит от тока в неподвижной катушке. Логометры электродинамической системы применяют для измерения фазового сдвига, емкости и индуктивности на низких частотах.