Основні теоретичні відомості1) перед початком роботи переконайтеся, що прилад заземлений 2) не розбирайте самостійно ніякі частини приладу 3) не підключайте до приладу додаткові пристрої 4) оберігайте прилад від ударних навантажень і сильних механічних впливів 5) бережіть прилад від впливу граничних температур, потрапляння рідини 8) Умови експлуатації Прилад слід захищати від прямого потрапляння сонячних променів. Вимірювальний блок слід розміщувати на окремому столі, подалі від комп’ютера і моніторів, щоб позбутися електромагнітних перешкод. На роботу приладу негативно впливають теплові потоки, протяги, різкі зміни температурного фону і вологості. Для забезпечення нормальної роботи приладу рекомендується дотримуватися наступних умов експлуатації:
ЛАБОРАТОРНА РОБОТА N 8 ДОСЛІДЖЕННЯ ВИМІРЮВАЛЬНИХ МОСТІВ ЗМІННОГО СТРУМУ
Мета роботи: вивчити основи теорії, принцип дії, схеми, властивості і особливості експлуатації мостів змінного струму (МЗС). Провести дослідження властивостей мостів змінного струму.
При підготовці до виконання лабораторної роботи необхідно: - опрацювати опис цієї роботи та відповідні розділи рекомендованої літератури [4], [5]. Уміти відповідати на наступні запитання: 1. Які фізичні величини вимірюють за допомогою МЗС? 2. Чим відрізняються МЗС від мостів постійного струму?
3. Напишіть умови рівноваги МЗС у загальному вигляді (для рис. 8.1). Чим відрізняються умови рівноваги МЗС від умов рівноваги мостів постійного струму? 4. Як урівноважують МЗС? 5. Які нуль-індикатори застосовують у МЗС? 6. Як повинні бути розміщені активні та реактивні елементи в плечах МЗС, щоб його можна було врівноважити? 7. Чому для живлення МЗС застосовують джерела живлення (генератори) підвищеної частоти? 8. Які МЗС відносяться до частотозалежних і які - до частотонезалежних? Як це з'ясувати за умовами рівноваги?
9. Накресліть схему і виведіть умови рівноваги МЗС для вимірювання індуктивності і добротності за допомогою міри ємності. 10. Що таке добротність котушки і від чого вона залежить? 11. Накресліть схему і виведіть умови рівноваги МЗС для вимірювання ємності та tg δконденсатора з малими втратами. Нарисуйте і поясніть діаграму напруг. 12. Як вимірюють взаємну індуктивність двох котушок? 13. Як обчислюють активний опір котушки за результатами вимірювання її індуктивності та добротності? 14. Як обчислюють опір втрат діелектрика конденсатора? 15. В яких одиницях вимірюють індуктивність і ємність? Назвіть частинні одиниці індуктивності та єм 1. Основні теоретичні відомості Вимірювальні мости змінного струму (МЗС) застосовують для точних вимірювань індуктивності, добротності і взаємної індуктивності котушок, емності і тангенса кута втрат конденсатора, опорів змінному струмові у широкому діапазоні частот. Похибки вимірювань, виконаних за допомогою МЗС, залежать від значення вимірюваної величини і схеми моста. Для найбільш розповсюджених МЗС межа допустимої відносної основної похибки, за якою нормується клас точності моста, має порядок (0,1 - 0,2) % для неавтоматичних мостів, (0,5 - 2,0) % для автоматичних мостів із стрілковим покажчиком і (0,01 - 0,1) % для автоматичних цифрових мостів. Похибки при вимірюванні добротності і тангенса кута втрат tgd досягають 1%. В даній лабораторній роботі вивчаються тільки врівноважені МЗС, в яких застосовується нульовий метод вимірювань - метод порівняння з мірами. В комплекті з індуктивними або ємнісними датчиками МЗС використовують для вимірювань неелектричних величин. Автоматичні МЗС, наприклад, застосовують в авіаційних паливомірах.
Мости змінного струму за кількості плечей поділяють на дві групи: чотириплечі та багатоплечі, що мають п'ять і більше плечей а за видом використовуваних мір - на мости із мірами опору, ємності, індуктивності та взаємної індуктивності.
Рис. 8.1 Схема чотириплечого вимірювального моста змінного струму
Схема (рис. 8.1) і умови рівноваги чотириплечого МЗС подібні схемі і умовам рівноваги моста постійного струму, але у схемі і в умовах рівноваги моста змінного струму замість активних опорів використовують комплексні опори. Тобто плечі моста містять у собі окрім активних елементів - резисторів, також і реактивні елементи - котушки індуктивності та конденсатори. Умова рівноваги МЗС має вигляд: Z 1 Z 3 = Z 2 Z 4 (8.1) де Z 1 = R1 + jх1,.., Z 4 = R4 + jх4 - комплексні опори плечей моста. Комплексні опори можна подати також у показниковій формі: Z 1 = z1 е jj1,..., Z 4 = z4 е jj4, де z 1,..., z 4 - модулі повних опорів плечей моста; j 1,...j 4 - кути зсуву фаз між струмом і напругою у відповідних плечах моста. Після підстановки в умову рівноваги МЗС значень повних опорів плечей, поданих у показниковій формі, умова рівноваги моста набуде вигляду:
z 1 z 3 е j(j1 + j3) = z 2 z 4 е j(j2 + j4) (8.2)
Цей вираз можна подати як дві умови рівноваги МЗС: z1 z3 = z2 z4, j1 + j3 = j2 + j4 (8.3) Із цих рівнянь випливає, що МЗС досягне рівноваги, якщо одночасно буде забезпечена рівність добутків модулів опорів протилежних плечей і рівність сум зсувів фаз між струмом і напругою в протилежних плечах. Для врівноваженого моста використовують міри Rо,Со, Lо, Мо. Найбільш точними і стабільними мірами є вимірювальні резистори і конденсатори. Тому їх застосовують найчастіше. Міст знаходиться в стані рівноваги, коли напруга між точками с і d дорівнює нулю. Тоді нуль - індикатор (НІ) показує нуль. Урівноважування МЗС виконують регулюючи почергово два елементи схеми, активний та реактивний, що знаходяться в одному або в різних плечах моста, доки будуть виконані обидві умови рівноваги. Урівноважування моста починають із регулювання реактивного елемента (Со, Lо або Мо) до мінімальних показів НІ. Далі слід перейти до регулювання активного елементу - Rо і досягти ще менших показів НІ. Потім, при потребі збільшивши чутливість нуль-індикатора, знову регулювати реактивний елемент, домагаючись іще менших показів НІ Наступним кроком до рівноваги регулювати активний елемент і так далі, до повного врівноважування моста при максимальній чутливості НІ.У МЗС як НІ неможливо застосувати звичайний магнітоелектричний гальванометр, бо він не може діяти в ланцюгах змінного струму. Тому, найчастіше в сучасних МЗС НІ складається з підсилювача змінного струму з великим регульованим коефіцієнтом підсилення, випрямляча та магнітоелектричного вимірювального механізму Чутливість НІ регулюється зміною коефіцієнту підсилення підсилювача. Підсилювач селективний, тобто підсилює напругу тільки тієї частоти, яку продукує електронний генератор живлення моста. Завдяки цьому, завади інших частот, не впливають на дію моста. Із великої множини схем МЗС найпоширеніші на практиці мости містять у двох плечах активні опори, а у двох інших - реактивні, або такі, що складаються як з активних так і з реактивних елементів. У таких МЗС значно полегшується процес урівноважування. При розміщенні активних опорів у протилежних плечах, наприклад Z 2=R2 і Z 4 = R4 (рис.8.2), маємо j 2 = 0 і j 4 = 0, а фазова умова рівноваги матиме вигляд j 1 + j 3 = 0 + 0. Щоб виконати цю умову, опори двох протилежних плечей повинні мати рівні за значеннями, але протилежні за знаками зсуви фаз: j 1 = -j 3, тобто плечі Z1 і Z2 повинні мати в своєму складі різнорідні реактивні елементи: індуктивність у першому плечі та ємність у третьому плечі, або навпаки.
Рис. 8.2 Схема МЗС для вимірювання індуктивності Рис. 8.3. Схема МЗС для вимірювання ємності з використанням міри ємності з використанням міри ємності
При розміщенні активних опорів у плечах, розміщених поруч, наприклад Z 2=R2 і Z 3 = R4 (рис. 8.3), маємо j 2 = 0 і j 3 = 0. Фазова умова рівноваги набуде вигляду j 1 + 0 = 0 + j 4. Щоб виконати цю умову, опори двох інших плечей моста повинні бути рівними за модулями та за знаками зсуву фаз: j 1 = j 4, тобто плечі Z 1 і Z 4 повинні мати в своєму складі однорідні реактивні елементи - індуктивності або ємності, як у першому, так і в третьому плечах. Якщо ці вимоги не виконуються, то міст неможливо врівноважити. Здатність моста досягати стану рівноваги більшою або меншою кількістю переходів від регулювання реактивного елемента до регулювання активного елемента називають збіжністю моста. Мости змінного струму мають добру збіжність, якщо для врівноважування достатньо невеликої кількості таких переходів. При поганій збіжності час, необхідний для врівноважування моста, зростає. Збіжність залежить від схеми моста та від співвідношення активних і реактивних складових частин вимірюваного опору. Міст краще збігається, коли вимірюваний опір складається тільки з активного або тільки з реактивного елементів. Частоти джерел живлення МЗС можуть знаходитись у межах від 50 Гц до кількох мегагерців. Але треба мати на увазі, що кожний міст працює тільки на одній фіксованій частоті, (іноді на двох), які продукує його електронний генератор. У сучасних мостах генератор живлення і НІ містяться в загальному з іншими елементами МЗС корпусі. При вимірюванні малої індуктивності котушки L х і низькій частоті генератора повний опір котушки Z х = R х + jwL х складається, в основному, з активного опору R х (опір дроту, яким намотана котушка), бо реактивний опір wL х = 2pfL х малий, порівняно з активним, якщо і частота f і вимірювана індуктивність L х малі. Для підвищення точності вимірювань малих індуктивностей (менших десятків мілігенрі) необхідно збільшити частку реактивного опору в повнім опорі котушки, підвищуючи частоту генератора живлення моста. При вимірюванні малої ємності конденсатора Сх (кілька пікофарад і менше) при низькій частоті генератора повний опір конденсатора стає дуже великим і складається, в основному, з реактивної складової, яка може навіть перевищити опір ізоляції між частинами конструкції моста, що знаходяться під напругою. Для підвищення точності вимірювань малих ємностей необхідно зменшити реактивний опір конденсатора за рахунок збільшення частоти генератора. Міст називають частотонезалежних, якщо його рівновага, досягнута при одній частоті живлення, не буде порушена при зміні частоти. У таких МЗС частота не входить в умови рівноваги. Міст називають частотозалежним, якщо його рівновага порушується при зміні частоти. У таких МЗС частота входить в умови рівноваги, і вони потребують застосування генераторів зі стабілізацією частоти. На рис.8.2. зображена схема моста для вимірювання індуктивності за допомогою міри ємності Со, яку можна виготовити з більшою точністю, ніж міру індуктивності, Крім того, на ємність менше впливають зовнішні фактори - зміни температури і наявність зовнішніх магнітних полів. Опори плечей цього моста в комплексній формі мають значення: Z 1 = Z х = R х + jwL х, Z 2 = R2, Z 3 = R 0 /(1 + jwR 0 C 0); Z4 = R4 Після спрощення одержимо два комплексних числа, що дорівнюють один одному: R 0 (R х + jwL х) / (1 + jwR 0 C 0) = R2 R4. Після спрощення одержимо два комплексних числа, що дорівнюють одне одному: R 0 (R х + jwL х) / (1 + jwR 0 C 0) = R2 R4 Для виконання цього рівняння, необхідно, щоб дійсні та уявні частини цих чисел були однаковими: R 0 R х = R2 R4 і jwL х R 0 = jwR 0 C 0 R2 R4 звідси маємо дві умови рівноваги для даної конкретної схеми МЗС, який використовується для вимірювання індуктивності: R 0 R х = R2 R4 і jwL х R 0 = jwR 0 C 0 R2 R4 (8.4) В умовах рівноваги моста частота відсутня, тому він частотонезалежний. Котушки індуктивності характеризуються добротністю, яка дорівнює відношенню реактивного опору котушки до її активного опору Q = wL х / R х. Після підстановки значень L х і R х з формули 8.4 одержимо Q = wR 0 C 0. Взаємну індуктивність М двох котушок, розміщених поблизу одна одної, або намотаних на одному каркасі, визначають непрямим вимірюванням. Для цього спочатку вимірюють їх загальну індуктивність L' при послідовному узгодженому з'єднанні, коли кінець першої котушки з'єднують із початком другої (початки котушок, зазвичай, позначають зірочкою або крапкою). Потім вимірюють загальну індуктивність цих же котушок L" при їх послідовному зустрічному з'єднанні (кінець першої з'єднують із кінцем другої).
При узгодженому з'єднанні L' = L 1 + L2 + 2М. При зустрічному з'єднанні L" = L1 + L2 – 2М. Значення взаємної індуктивності обчислюють за формулою М = (L' – L") / 4 (8.5)
Реальний конденсатор можна зобразити еквівалентною схемою, в яку входять ідеальний конденсатор і резистор. Опір резистора імітує активні втрати в діелектрику конденсатора. Ідеальним вважають конденсатор, струм через який випереджає за фазою на 90 o напругу на конденсаторі, тобто в такому конденсаторі втрати в діелектрику відсутні. На рис.8.4 показані схема заміщення і діаграма напруг для конденсатора з малими втратами (чим менші втрати, тим менший опір резистора), а на рис.8.3 - схема МЗС для вимірювання ємності конденсатора з малими втратами. Умови рівноваги цього моста:
R х = R 0 R2 / R3, С х = С 0 R 0 / R2 (8.6)
Ці умови рівноваги виведені так, як і для схеми МЗС для вимірювання індуктивностей. Якість діелектрика конденсатора характеризується тангенсом кута діелектричних втрат: tg d = wC х R X = 2 p f C х R X (8.7) Промислові МЗС звичайно роблять універсальними, в них об'єднано декілька схем. Потрібну схему МЗС, в залежності від різновиду вимірюваної величини і її значення, обирають за допомогою перемикачів. Універсальні МЗС іноді називають універсальними вимірювачами R, L, С.
Рис. 8.4 Схема заміщення та діаграма напруг для конденсатора з малими втратами
|
