Схеми заміщення

Схеми заміщення реальних котушок індуктив­ності, обмоток, соленоїдів. Індуктивність — це фізич­на величина, яка характеризує властивість електротех­нічних пристроїв (котушок, обмоток, дроселів, соле­ноїдів тощо) нагромаджувати енергію в магнітному полі під час проходження по них електричного струму.

У реальних котушках, обмотках, соленоїдах, крім на­громадження енергії в магнітному полі, відбувається втрата електричної енергії на нагрівання, тому вони ха­рактеризуються двома параметрами: індуктивністю і активним опором.

На рисунку 7.15 наведено послідовну, а на рисун­ку 7.16 — паралельну схему заміщення реальної котуш-

ки чи обмотки. Добротність котушки Q— це параметр, який характеризує ступінь наближення реальної котуш­ки до ідеальної і обчислюється за формулою:

Q=ωL_x/R_x (7.22)

Схеми заміщення реальних конденсаторів. Єм­ність — це фізична величина, яка характеризує здатність фізичних тіл нагромаджувати електричний заряд. Реаль­ний конденсатор, крім ємності, характеризується втрата­ми енергії і тому має схему заміщення з двох ідеальних елементів: ідеальних ємнісного та резистивного, які мо­жуть з'єднуватися або послідовно (рис. 7.17) — послідо­вна схема заміщення, або паралельно (рис. 7.18) — пара­лельна схема заміщення.

Параметри схеми заміщення (С_х та G_х для паралельної і С_х та R_х для послідовної) вимірюють у більшості ви­падків за допомогою мостів змінного струму. Для конден­саторів з великими втратами доцільно застосовувати пер­шу схему (див. рис. 7.17), а для конденсаторів з Рисими втратами — другу (див. рис.7.18).

Мости змінного струму

Застосування мостів для вимірювання параметрів конденсаторів. Міст (рис. 7.19) врівноважують, змінюю­чи ступенями ємність послідовно за декадами, почина­ючи зі старшої і закінчуючи молодшою. Після зрівнова­ження моста вихідні напруги вимірювальних перетворю­вачів U_х і U_n стануть однаковими:

U_х= U_n (7.23)

Виразивши напруги U_х і U_n через параметри моста і підставивши їх у попереднє рівняння, отримаємо:

Точність вимірювання С_х і R_х залежить від співвідно­шення опорів R1 і R2 і від точності, з якою відомі опір Rn та ємність і не залежить від напруги живлення. Ана­логічні залежності можна отримати і для іншої схеми (рис. 7.20).

Трансформатор напруги і компаратор струмів зібрані на тороїдальних феритових магнітопроводах з відносною магнітною проникністю, що перевищує 10000.

Струм, який проходить через вимірюваний об'єкт:

Вимірювання індуктивності і добротності. За допо­могою моста (рис. 7.22) параметри реальної котушки L_х і R_х вимірюють методом порівняння зі зразковою котушкою з відомими параметрами Ln і Rn. Врівноважують такий міст зміною опору резистора R, який можна ввімкнути послідовно зі зразковою або із досліджуваною котушкою. У зрівноваженому мості параметри L_х і R_х досліджуваної

котушки визначаються за параметрами зразкової котушки Ln і Rn згідно з залежностями:

L_x=R₁/R₂*L_n; (7.30)

R_x=R₁/R₂*(R_n+R) (7.31)

Крім зразкової котушки, часто використовують також зразковий конденсатор, ємність якого зручніше змінювати ступенями, ніж індуктивність котушок (рис. 7.23). Врівно­важують міст зміною опору R_n і ємності C_n. Параметри досліджуваної котушки визначаються за формулами:

L_x=C_nR₁R₁; (7.32)

R_x=(R₁*R₂)/R_n. (7.33)

Останнім часом дедалі частіше застосовують універсальні мости, за допомогою яких можна вимірювати такі параметри, як опір, ємність, індуктивність, втрати в конденсаторах, добротності котушок тощо. Такі мости, як правило, автоматичні, тобто врівноважування такого мостаздійснюється не вручну, а автоматично - під керуванням мікропроцесора.

Тема 2.4 Вимірювання частоти і інтервалів часу, вимірювання фазового зсуву, вимірювання спектру сигналів, вимірювання амплітудно- частотних характеристик

2.4.1 Електромеханічні частотоміри

Для вимірювання частоти у вузькому діапазоні (45...55Гц) з невисокою точністю (одиниці процентів) за­стосовуються електродинамічні й електро­магнітні частотоміри.

В електродинамічних часто­томірах застосовують логомет­ричний вимірювальний меха­нізм, який складається з двох рухомих котушок, закріплених на одній осі під деяким кутом одна до одної, яка може вільно обертатися у магнітному полі не­рухомої котушки (рис. 8.3). Па­раметри рухомої котушки та елементів добирають так, щоб резонансна частота

припадала на середину вимірю­ваного діапазону частот.

У разі відхилення вимірюваної частоти від середини діапазону змінюються опори реактивних елементів

і співвідношен­ня між струмами в котушках, унаслідок чого стрілка відхиляється на кут, пропорційний вимірюваній частоті . Аналогічно працює й електромагнітний частотомір. 2.4.2 Резонансний метод вимірювання частоти

Принцип дії аналогового резонансного частотоміра (рис. 8.5) ґрунтується на порівнянні вимірюваної ча­стоти з частотою резонансного контуру . Сигнал з частотою , яку необхідно виміряти, через взаємно індук­тивні елементи подається на коливальний контур Резонансну частоту контуру можна змінювати, змінюючи ємність конденсатора :

За допомогою індикатора резонансу контур налашто­вується у резонанс із вимірюваною частотою

 

Індуктивність заздалегідь відома із заданою точністю, а тому шкала конденсатора градуюється безпосередньо в одиницях частоти. На високих і надвисоких частотах коливальний контур частотоміра виготовляєтеся у вигляді відріз­ка коаксіальної лінії або об'єм­ного резонатора.

 

2.4.1 Цифрові методи вимірювання частоти, періоду, інтервалів часу

 

Останнім часом усі розглянуті вище аналогові методи і засоби вимірювання частоти витісняються цифровими. Це пояснюється розробкою і впровадженням високостабіль- них мір частоти і часу на основі кварцових резонаторів, цифрових мікросхем високого ступеня інтеграції, мікро­процесорів для обробки вимірювальної інформації.

Частота і період — це взаємно обернені величини , тому вони вимірюються, як правило, одним при­ладом — універсальним частотоміром, який та­кож може вимірювати відношення частот, відношення періодів, відхилення (девіацію) частот тощо.

За допомогою універсальних цифрових частотомірів здійснюють такідва основні методи вимірювання:

зіставлення періодів вимірюваної частоти з відомим з високою точністю інтервалом часу ;

зіставлення періодів зразкової частоти з одним або кількома періодами вимірюваної частоти .

 

Структура цифрового частотоміра, яким реалізу­ється перший метод, наведена на рисунку 8.7. Цифровий частотомір працює за таким принципом. Сигнал із часто­тою , яку потрібно виміряти, надходить на формувач імпульсів, який генерує прямокутні імпульси з періодом повторення , що дорівнює періоду повторення вхідних імпульсів і пов'язаний з вимірюваною частотою за­лежністю

 

 

 

Мірою частоти у цифровому частотомірі є кварцовий ге­нератор стабільної частоти . Високі метрологічні харак­теристики, зокрема високу стабільність частоти генерато­ра, забезпечує резонатор, виготовлений з кристала кварцу. Відносна нестабільність частоти кварцового резонатора . Імпульси кварцового генератора з періодом по­вторення подаються на подільник частоти. На ви­ході подільника частоти формується імпульс, тривалість якого в п разів більша за тривалість вхідного імпульсу. Цей імпульс на час вмикає перемикач, і імпульси з періодом надходять на вхід електронного лічильника імпульсів. Кількість імпульсів з періодом, що підрахову­ється лічильником упродовж часу, дорівнює:

 

 

Таким чином, число , зафіксоване лічильником, пря­мо пропорційне вимірюваній частоті.

На рисунку 8.8 наведено структуру цифрового хро­нометра, який реалізує другий метод вимірювання. На цифровий хронометр надходять старт-імпульс і стоп-ім- пульс. Інтервал часу між ними необхідно виміряти. Фор­мувач імпульсів формує імпульс, тривалість якого дорів­нює . Цей імпульс вмикає перемикач, і протягом часу на електронний лічильник імпульсів подаються імпуль­си з періодом повторення з кварцового генератора. Чи­сло , зафіксоване лічильником імпульсів, прямо про­порційне :

 

За своєю структурою прилади, наведені на рисун­ках 8.7 і 8.8, містять багато спільних елементів, і перехід від одного методу до другого можна здійснити за допомо­гою комутації.