Організація самостійної роботи. 1.1.1 Завдання до самостійної підготовки до роботи

1.1.1 Завдання до самостійної підготовки до роботи

Ознайомитися з лабораторним завданням та вказівками до його виконання.

Ознайомитися з правилами експлуатації, технічними та метрологічними характеристиками засобів вимірювальної техніки, що використовуються у лабораторній роботі для експериментальних досліджень [1-2].

Вивчити методи вимірювань параметрів елементів електричних та радіотехнічних кіл [3-5].

Вивчити методи повірки омметрів [6].

Вивчити методики проведення вимірювань параметрів елементів електрорадіокіл стандартною вимірювальною апаратурою, що використовується в лабораторній роботі.

1.1.2 Методичні вказівки до самостійної підготовки

1.1.2.1 Еквівалентні схеми елементів електрорадіокіл

Електричні та радіотехнічні кола містять пасивні двополюсники (ДП) із зосередженими постійними – резистори, котушки індуктивності, конденсатори, що характеризуються своїми технічними параметрами та властивостями. Передача електричної енергії крізь електричне коло супроводжується складними процесами утворення електричних та магнітних полів й перетворенням енергії. При деяких припущеннях електричне коло можна розглядати як коло, що складене з ідеальних елементів , , , у кожному з яких відбуваються електромагнітні явища одного типу.

Властивості електричних пасивних ДП досліджують шляхом впливу на них синусоїдального струму, а в якості узагальнених характеристик використовують комплексний опір або комплексну провідність . Отже, результати вимірювань узагальнених характеристик залежать від параметрів еквівалентної схеми ДП та частоти, на якій проводять вимірювання.

У будь-якого ДП, окрім його основних параметрів, існують паразитні, значення яких залежать від конструкції, матеріалів, що використовуються, технології виготовлення.

Для визначення впливу паразитних параметрів на роботу ДП розглянемо еквівалентні схеми ДП (див. рис. 1.1).

Для резисторів (рис. 1.1 а)) основним параметром є опір електричному струму , а паразитними – індуктивність дротів обмотки та виводів, а також ємність між витками та виводами. При постійному струмі або струмі низької частоти паразитні параметри не впливають на точність вимірювань або їх вплив незначний.

а) б) в)

г) д)

Рисунок 1.1 – Еквівалентні схеми заміщення двополюсників

Для котушки індуктивності (рис. 1.1 б) та в))основним параметром є індуктивність , паразитними – опір втрат та власна ємність котушки . Замість опору втрат котушки індуктивності зазвичай характеризуються добротністю

,

де – кругова частота.

Важлива характеристика котушки – її власна резонансна частота

.

Котушки індуктивності зазвичай застосовуються на частотах нижче резонансної. У цьому випадку параметром можна зневажити і еквівалентну схему представити як послідовне або паралельне з’єднання індуктивності та опору .

Для конденсатора основний параметр – ємність , а паразитними параметрами є індуктивність пластин і виводів та опір втрат у діелектрикові. Існують дві схеми заміщення конденсатора:

- із послідовним з’єднанням ємності та опору втрат (рис. 1.1. г)), якщо втрати конденсатора малі;

- із паралельним з’єднанням(рис. 1.1 д)), якщо втрати конденсатора великі.

У більшості конденсаторів параметр , що визначається здебільшого індуктивністю виводів, мало впливає до частот 50 – 100 МГц й ним можна зневажити.

Для врахування опору втрат конденсатора вводиться поняття кут втрат , що доповнює до зсув фаз між струмом, що протікає крізь конденсатор, і прикладеною до конденсатора напругою. У ідеального конденсатора . На практиці використовують не самий кут втрат, а величину . Для схеми заміщення рис.1.1 г)

,

а для схеми рис.1.1 д)

.

Параметри ДП вимірюють наступними методами:

1) перетворення вимірюваного параметру в струм або напругу;

2) урівноважених кіл;

3) резонансним;

4) генераторним;

5) дискретного рахунку.

1.1.2.2 Метод перетворювання вимірюваного параметру в струм або напругу

Це різновид методу амперметра-вольтметра, у якому одна з величин підтримується постійною. Метод застосовується здебільшого для вимірювання опорів постійному, але в останній час – також і для вимірювань параметрів елементів кіл на змінному струмі.

Найчастіше застосовні схеми омметрів – схеми електромеханічних омметрів з послідовним (рис. 1.2 а)) та паралельним (рис.1.2 б)) включенням вимірюваного опору .

Для омметрів із послідовною схемою кут відхилення стрілки вимірювального перетворювача визначається виразом

,

де – чутливість магнітоелектричного перетворювача до струму; – змінний резистор; – опір вимірювача.

Для омметрів з паралельною схемою

.

а) б)

г) д)

Рисунок 1.2 – Схеми омметрів

Якщо в процесі вимірювання прикладена напруга підтримується постійною, то кут відхилення в обох випадках є функцією . Зазвичай в якості джерела напруги в електромеханічних омметрах застосовуються гальванічні елементи. Оскільки їх напруга при експлуатації зменшується, то перед вимірюванням необхідне ручне регулювання, що здійснюється за допомогою змінного резистора .

В омметрах із послідовною схемою напруга встановлюється при закорочених затискачах , що відповідає максимальному значенню струму, тому нульове значення повинно бути приписане крайній правій позначці (зворотна шкала).в омметрах із паралельним включенням напруга регулюється при розімкнутих затискачах встановленням стрілки на (пряма шкала).

Омметр із послідовним включенням має якості двозатискового приєднувального кола, тому не придатний для вимірювань малих опорів, оскільки на результат вимірювань будуть впливати опори провідників та контактів.

Особливістю омметра з паралельною схемою приєднання є те, що опір проводів та перехідних контактів слабо впливає на результат вимірювання, тому що вони включені послідовно із опором джерела та з великим вхідним опором вольтметра. Таким чином схема має якості чотиризатискового приєднувального кола та застосовується для вимірювання малих опорів в омметрах та міліомметрах.

Недоліки розглянутих вище омметрів – велика похибка (1,5 – 5 %) та необхідність ручного регулювання.

В омметрах зі схемою рис. 1.2 в) за допомогою електронного вольтметра з великим вхідним опором вимірюється падіння напруги на або зразковому опорах

; .

При вимірюванні малих опорів, коли , зазвичай вимірюють , а при вимірюванні великих опорів, коли , вимірюють . Означений омметр на практиці використовується як електронний тераомметр.

Схема рис. 1.2 г) може застосовуватись як на постійному, так і на змінному струмі. Основним вузлом є операційний підсилювач з глибоким негативним зворотним зв’язком. При достатньо глибокому зворотному зв’язку напруга на виході підсилювача прямо пропорційна вимірюваному опору , якщо вимірюваний ДП включений у коло зворотного зв’язку (), або провідності , якщо ДП включений на вході підсилювача (). Схема має якості тризатискового кола, тому що вхідний та вихідний опори підсилювача, що охоплений глибоким негативним зворотним зв’язком, малі на постійному струмі. Наведена схема використовується зазвичай у серійних вимірювачах великих опорів Е6-17, а також у вимірювачах опорів в складі цифрових універсальних вольтметрів.

На змінному струмі схема рис. 1.2 г) використовується у цифрових вимірювачах опору або проводимості інтегруючого типу.

1.1.2.3 Метод врівноважених вимірювальних кіл

З методів врівноважених кіл для вимірювання параметрів ДП найчастіше застосовуються чотириплечові мостові кола (рис.1.3). вони можуть використовуватися як на постійному (мости постійного струму), так і на змінному струмі (мости змінного струму).

Мости постійного струму застосовуються для вимірювання активних опорів. Найбільш розповсюдженими є одинарні та подвійні мости постійного струму з ручним або автоматичним врівноваженням. При вимірюванні міст балансується (отримують нульові показання індикатору) зміною опору одного з плечей, в якості якого використовується магазин опорів. Межі вимірювань збільшуються зміною відношення опорів двох інших плечей. Вимірюваний опір визначають з умови рівноваги мосту.

Для мосту постійного струму умова рівноваги

.

Рисунок 1.3 – Чотирихплечове мостове коло

Якщо невідомим є опір, то .

Похибка мостів постійного струму визначається чутливістю індикатора та похибкою опорів плечей і складає ±(0,01…0,5) % при вимірюванні опорів від 5 Ом та вище.

Рівновага чотириплечового мосту змінного струму настає при виконанні умови

,

тобто необхідно врівноважувати як активну, так і реактивну складові плечей.

При зміні значень активної та реактивної складових одночасно змінюються модуль та фаза, тому міст змінного струму врівноважують методом послідовних наближень до одержання мінімальних показань індикатору. Параметри вимірюваних елементів визначають з умови рівноваги мостів, прирівнюючи окремо уявні та дійсні частини. Чотириплечові мости забезпечують вимірювання при двох-, трьо- та чотирьохзатисковому включенні вимірюваного ДП. Чотириплечові мости зазвичай використовуються на низьких частотах.

Умова рівноваги для схеми мосту змінного струму для вимірювання параметрів котушок індуктивності (рис. 1.4 а))

,

для схеми мосту змінного струму для вимірювання параметрів конденсаторів (рис. 1.4 б))

.

Параметри вимірюваних елементів, отримані з умов рівноваги, для схеми рис. 1.4 а)

; ; ;

для схеми рис. 1.4 б)

; ; .

а) б)

Рисунок 1.4 – Спрощені принципові схеми мостів змінного струму:

а) для вимірювання параметрів котушок індуктивності;

б) для вимірювання параметрів конденсаторів

1.1.2.4 Резонансний метод

Резонансний метод використовується для вимірювання параметрів ДП на високих частотах. Його покладено в основу роботи куметрів – приладів для вимірювання добротності. Побічним шляхом ці прилади дозволяють вимірювати інші параметри котушки індуктивності , , а також параметри конденсаторів , , . Одна з можливих спрощених схем куметра зображена на рис. 1.5.

Принцип вимірювання добротності оснований на тому, що при настройці послідовного контуру в резонанс вихідна напруга , що вимірюється на конденсаторі (або індуктивності), більша за вхідну в разів. Підтримуючи значення вхідної напруги постійною, шкалу індикатора резонансу, в якості якого застосовується електронний вольтметр , можна проградуювати в одиницях добротності.

Параметри котушки індуктивності визначають зазвичай безпосередньо резонансним методом. При цьому вимірювану котушку приєднують до затискачів 1-2 (рис. 1.5) та настроюють контур у резонанс зміною частоти генератора або ємності зразкового конденсатора . Добротність контуру в цьому випадку визначається практично лише добротністю котушки, тому що втратами застосованих в куметрі високодобротних конденсаторів та шунтуючою дією другого вольтметру можна зневажити. З цієї причини добротність котушки визначається безпосередньо за шкалою вихідного індикатора. Значення індуктивності та активного опору обчислюють з виразів

; (1.1)

. (1.2)

Рисунок 1.5 – Спрощена схема куметру

Власна ємність котушки індуктивності визначають за допомогою сукупних вимірювань, для чого контур настроюють в резонанс на різних частотах та і отримують значення ємності зразкового конденсатора та . Значення власної ємності котушки обчислюють за формулою

, (1.3)

де .

Параметри конденсатора вимірюють методом заміщення. До затискачів 1-2 підключають зразкову котушку індуктивності. Змінюючи частоту генератора або ємность зразкового конденсатора, настроюють контур в резонанс і отримують значення та . Після цього в залежності від значення ємності вимірюваного конденсатора підключають його паралельно (якщо ) або послідовно (якщо ) в контур та, не змінюючи частоти генератора, знову настроюють контур в резонанс зміною ємності зразкового конденсатора , отримують значення та. параметри конденсаторів визначають з таких виразів:

- при паралельному включенні

; (1.4)

; (1.5)

- при послідовному включенні

; (1.6)

. (1.7)

Основними факторами, що впливають на похибку вимірювання куметром, є похибка визначення точки резонансу, нестабільність частоти, похибка градуювання частотної шкали генератора, похибка градуювання та відліку шкали зразкового конденсатора, а також похибка, викликана паразитними елементами, оскільки у куметрі реалізується двозатискова схема включення. Зниження похибки за рахунок паразитних елементів здійснюється конструктивними методами. Похибка вимірювання складає (2…5) %.

Застосовуються куметри в діапазоні частот від десятків (іноді одиниць) кілогерц приблизно до 250 МГц. На низьких частотах резонансні явища виявляються слабо, внаслідок чого точність вимірювань недостатня для практичних цілей. Верхня межа обмежена труднощами конструювання коливального контуру на зосереджених елементах.

1.1.2.5 Генераторний метод

Генераторний метод базується на зміні частоти генератора при включенні у вимірювальний контур досліджуваних індуктивності та ємності і застосовується для вимірювання малих індуктивностей та ємностей з малими втратами.

Похибка методу визначається неточністю настройки на нульові биття, нестабільністю параметрів зразкового та вимірювального контуру, неточністю відліку ємності конденсатора зразкового контуру та впливом паразитних параметрів, оскільки метод реалізує двохзатискову схему включення. Похибка методу складає ± (1,5…2,5) %. Метод реалізовано у приладі Е7-9.

1.1.2.6 Метод дискретного рахунку

Метод дискретного рахунку при вимірюванні параметрів елементів електрорадіокіл полягає в аналоговому перетворенні вимірюваного параметру у часовий інтервал з подальшим його вимірюванням методом дискретного рахунку.

1.1.2.7 Повірка омметрів

Омметри, як і інші вимірювальні прилади, потребують метрологічного забезпечення, однією з найважливіших складових якого є повірка.

Повірка засобів вимірювальної техніки – встановлення придатності засобів вимірювальної техніки, на які поширюється державний метрологічний нагляд, до застосування на підставі результатів контролю їх метрологічних характеристик.

Повірка омметрів регламентується [6].

Періодична повірка омметру передбачає здійснення зовнішнього огляду, випробування, а також визначення метрологічних характеристик: основної похибки та варіації показань.

При здійсненні зовнішнього огляду необхідно встановити:

- відсутність зовнішніх пошкоджень корпусу і пошкоджень покриття шкали, незадовільного кріплення скла, сторонніх предметів всередині корпусу;

- чіткість усіх надписів;

- надійність кріплення деталей електричних з’єднань;

- укомплектованість приладу запасними частинами і приладдям, необхідними для проведення повірки.

При випробуванні омметра необхідно переконатися у чіткій фіксації положень перемикачів, можливості їх встановлення у кожне з передбачених положень, справності зйомних частин елементів комутації, плавності ходу органів плавного регулювання. Також треба перевірити роботу механічного коректору та можливість встановлення електричного нуля на усіх піддіапазонах вимірювання. Після підготовки приладу до роботи та підключення до його входу робочого еталону-міри слід переконатися у можливості переміщення покажчика уздовж всієї шкали та у відсутності затирань рухомої частини вимірювального механізму. Прилад повинен бути працездатним на усіх піддіапазонах вимірювання.

Для однодіапазонних омметрів основна похибка визначається на всіх числових позначках шкали. Для багатодіапазонних – на всіх числових позначках одного довільно обраного діапазону, а на решті діапазонів – лише у двох точках, а саме у точках, в яких зафіксовано найменшу та найбільшу похибки при повірці на усіх числових позначках першого діапазону.

Основну похибку омметра визначають шляхом вимірювання омметром опору робочого еталону-міри (магазину опорів), похибка якого не повинна перевищувати 0,2 межі допустимої основної похибки омметра. Робочий еталон повинен забезпечувати зміну опору степенями, які не перевищують 0,1 межі допустимої основної похибки омметра. Якщо робочий еталон не задовольняє цій вимозі, послідовно з ним включають робочий еталон-міру з меншими дискретністю зміни опору та межею допустимої похибки.

Абсолютну основну похибку на певній відмітці шкали визначають наступним чином. Магазин опорів підключають до зажимів омметра, що підлягає повірці. Змінюючи опір магазину, встановлюють покажчик на позначку шкали, що перевіряється, підводячи покажчик до цієї позначки спочатку з одного боку, а потім з іншого (при плавному переміщенні покажчика з однієї сторони стрілка не повинна переходити через позначку, що перевіряється). Визначають відповідно два значення абсолютної похибки та:

; , (1.8)

де – номінальне значення опору, що відповідає позначці шкали; та – значення опорів магазину опорів при плавному переміщенні покажчика з одного та другого боків.

За абсолютну основну похибку приймають найбільшу (за абсолютним значенням) різницю.

Приведену основну похибку розраховують для всіх позначок, що перевіряються, з урахуванням особливостей нормування меж допустимої основної похибки омметрів різних типів.

Для омметрів, похибка яких нормована у відсотках від довжини всієї шкали (клас точності позначено значенням меж допустимої основної похибки з кутом під ним, наприклад), наведена основна похибка

, (1.9)

де – лінійно-зведена похибка (похибка, що виражена у відсотках від довжини всієї шкали або її частини), %; – довжина шкали, мм; – чутливість омметра в даній позначці шкали, тобто довжина частки шкали , що приходиться на одиницю опору біля позначки, що перевіряється, .

Для омметрів, похибка яких нормована у відсотках від кінцевого значення діапазону вимірювання (клас точності позначено значенням меж допустимої похибки, 1,5), наведена основна похибка

, (1.10)

де – зведена похибка, %; – кінцеве значення діапазону вимірювання в тих самих одиницях, що й .

Для омметрів, похибка яких нормована у відсотках від робочої частини шкали, наведена основна похибка

, (1.11)

де – лінійно-приведена похибка робочої частини шкали, %; – довжина робочої частини шкали, мм.

Варіацію показань визначають в процесі визначення абсолютної основної похибки на тих самих позначках шкали як різницю між двома значеннями абсолютної похибки та

. (1.12)

Припустима варіація показань залежить не тільки від класу точності приладу, але й від його стійкості до механічних впливів, а також від габаритів та деяких інших чинників. Варіація показань не повинна перевищувати:

1) – для:

- приладів, стійких до механічних впливів;

- щитових приладів з розміром фланця до 100 мм;

- переносних приладів з розміром лицевої частини до 150 мм;

- засобів вимірювальної техніки змінного струму класів точності 0,1 та вище;

2) – для:

- комбінованих засобів вимірювальної техніки, які мають рухому частину на розтяжках;

- будь-яких засобів вимірювальної техніки, які атестовані як робочі еталони;

3) – для всіх інших приладів.

За результатами порівняння визначеної основної похибки та варіації показань з допустимими роблять висновок про придатність приладу до застосування.

За результатами повірки складають протокол, в якому вказують:

- тип, назву та заводський номер приладу, що підлягав повірці;

- перелік робочих еталонів (з їх заводськими номерами);

- умови повірки;

- результати вимірювань та розрахунків метрологічних характеристик;

- висновки за результатами виконання кожної процедури.

Позитивні результати періодичної повірки оформлюють нанесенням на омметр печатки повірочного клейма. За негативних результатів повірки клейма гасять та видають власникові повідомлення про непрацездатність омметра із зазначенням причин.

Дата добавления: 2014-10-15