Измерение индуктивностей методом вольтметра - амперметра

⇐ ПредыдущаяСтр 24 из 54Следующая ⇒

Метод вольтметра - амперметра применяется для измерения сравнительно больших индуктивностей при питании измерительной схемы от источника низкой частоты F = 50...1000 Гц.

Схема измерений представлена на рис. 3, а. Полное сопротивление Z катушки индуктивности рассчитывается по формуле

Z = (R2+X2)^{0, 5} = U/I

на основе показаний приборов переменного тока V_~ и mA_~. Верхний (по схеме) вывод вольтметра присоединяют к точке а при Z < < Z_в и к точке б при Z > > Z_a, где Z_в и Z_a - полные входные сопротивления соответственно вольтметра V_~ и миллиамперметра mA_~. Если потери малы, т. е. R < < X = 2*π *F*L_x, то измеряемая индуктивность определяется формулой

L_x ≈ U/(2*π *F*I).

Катушки большой индуктивности с целью уменьшения их габаритов обычно изготовляются со стальными сердечниками. Наличие последних приводит к нелинейной зависимости магнитного потока от тока, протекающего через катушку. Эта зависимость становится особенно сложной для катушек, работающих с подмагничиванием, через обмотки которых протекают одновременно переменный и постоянный токи. Поэтому индуктивность катушек со стальными сердечниками зависит от значения и характера протекающего через них тока. Например, при большой постоянной составляющей тока происходит магнитное насыщение сердечника и индуктивность катушки резко уменьшается. Кроме того, проницаемость сердечника и индуктивность катушки зависят от частоты переменного тока. Отсюда следует, что измерение индуктивности катушек со стальными сердечниками необходимо проводить в условиях, близких к их рабочему режиму. В схеме на рис. 3, а это обеспечивается при дополнении её цепью постоянного тока, показанной штриховой линией. Необходимый ток подмагничивания устанавливается реостатом R2 по показаниям миллиамперметра постоянного тока mA. Разделительный конденсатор С и дроссель Др разделяют цепи питания постоянного и переменного тока, устраняя взаимное влияние между ними. Приборы переменного тока, применяемые в данной схеме, не должны реагировать на постоянные составляющие измеряемого ими тока или напряжения; для вольтметра V_~ это легко обеспечивается посредством включения последовательно с ним конденсатора ёмкостью в несколько микрофарад.

Рис. 3. Схемы измерения индуктивности методом вольтметра - амперметра.

Другой вариант измерительной схемы, позволяющий обойтись без миллиамперметра переменного тока, приведён на рис. 3, б. В этой схеме реостатами R1 и R2 (их можно заменить потенциометрами, включёнными параллельно источникам питания) устанавливают требуемый режим испытания по переменному и постоянному току. В положении 1 переключателя В вольтметр V_~ измеряет переменное напряжение U₁ на катушке L_x. При переводе переключателя в положение 2 фактически контролируется значение переменного тока в цепи по падению напряжения U₂ на опорном резисторе R_о. Если потери в катушке малы, т. е. R < < 2*π *F*L_x, то измеряемую индуктивность можно рассчитать по формуле

L_x ≈ U1*R_о/(2*π *F*U₂).

Мостовой метод измерения параметров катушек индуктивности. Универсальные измерительные мосты

Мосты, предназначенные для измерения параметров катушек индуктивности, формируются из двух плеч активного сопротивления, плеча с объектом измерений, сопротивление которого в общем случае является комплексным, и плеча с реактивным элементом - конденсатором или катушкой индуктивности.

Рис. 4. Схема магазинного моста для измерения индуктивностей и сопротивлений потерь.

В измерительных мостах магазинного типа в качестве реактивных элементов предпочитают использовать конденсаторы,

поскольку в последних потери энергии могут быть сделаны пренебрежимо малыми, а это способствует более точному определению параметров исследуемых катушек. Схема такого моста представлена на рис. 4. Регулируемым элементом здесь является конденсатор С2 переменной ёмкости (или магазин ёмкостей), зашунтированный переменным резистором R2; последний служит для уравновешивания фазового сдвига, создаваемого сопротивлением потерь R_x в катушке с индуктивностью L_x. Применяя условие равновесия амплитуд (Z₄Z₂ = Z₁Z₃), находим:

(R_x² + (2*& pi*F*L_x)²)^{0, 5}: ((1/R₂)² + (2*& pi*F*C₂)²)^{0, 5} = R₁R₃.

Так как фазовые углы φ 1 = φ 3 = 0, то условие равновесия фаз (φ 4 +φ 2 =φ 1 + φ 3) можно записать в виде равенства φ 4 + φ 2 = 0, или φ 4 = -φ 2, или tg φ 4 = -tg φ 2. Учитывая, что для плеча с L_x справедлива формула (tg φ =X/R), а для плеча с ёмкостью С₂ - формула (tg φ =R/X) при отрицательном значении угла φ 2, имеем

2*& pi*F*L_x / R_x = 2*& pi*F*C₂R₂

Решая совместно приведённые выше уравнения, получим:

L_x = C₂R₁R₃; (1)
R_x = R₁R₃ / R₂. (2)

Из последних формул следует, что конденсатор С2 и резистор R2 могут иметь шкалы для непосредственной оценки значений L_x и R_x, причём регулировки амплитуд и фаз, производимые ими, взаимонезависимы, что позволяет быстро уравновешивать мост.

Для расширения диапазона измеряемых величин один из резисторов R1 или R3 обычно выполняется в виде магазина сопротивлений.

При необходимости измерения параметров катушек со стальными сердечниками схема моста на рис. 4 дополняется источником постоянного напряжения U_о, реостатом R_о и миллиамперметром постоянного тока mA, служащими для регулировки и контроля тока подмагничивания, а также дросселем Др и конденсатором С, разделяющими цепи переменной и постоянной составляющих тока.

Рис. 5. Схема магазинного моста для измерения индуктивностей и добротностей

На рис. 5 приведена схема другого варианта магазинного моста, в которой конденсатор С2 имеет постоянную ёмкость, а резисторы R1 и R2 взяты переменными. Расширение диапазона измерений осуществляется посредством включения в мост резисторов R3 различных номиналов. Из формул (1) и (2) следует, что регулировки амплитуд и фаз в этой схеме оказываются взаимозависимыми, поэтому уравновешивание моста достигается путём попеременного изменения сопротивлений резисторов R1 и R2. Оценка индуктивностей L_x производится по шкале резистора R1 с учётом множителя, определяемого установкой переключателя В. Отсчёт по шкале резистора R2 обычно производится в значениях добротности катушек

Q_L = 2*π *F*L_x/R_x = 2*π *F*C₂R₂.

при частоте F источника питания. В справедливости последней формулы можно убедиться, если левую и правую части равенства (1) разделить на соответствующие части равенства (2).

При указанных на схеме данных измерительный мост позволяет измерять индуктивности примерно от 20 мкГн до 1, 10, 100 мГн; 1 и 10 Гн (без стальных сердечников) и добротности до значения Q_L ≈ 60. Источником питания служит транзисторный генератор с частотой колебаний F ≈ 1 кГц. Напряжение разбаланса усиливается транзисторным усилителем, нагруженным на телефоны Тф. Двойной Т-образный RC-фильтр, настроенный на частоту 2F ≈ 2 кГц, подавляет вторую гармонику колебаний источника, что облегчает уравновешивание моста и снижает погрешность измерений.

Мостовые измерители индуктивностей, ёмкостей и активных сопротивлений имеют ряд идентичных элементов. Поэтому они часто совмещаются в одном приборе - универсальном измерительном мосте. Универсальные мосты высокой точности базируются на магазинных схемах типа приведённых на рис. 5. Они содержат источник постоянного напряжения или выпрямитель (питающий схему измерения R_x), генератор низкой частоты с выходной мощностью в несколько ватт, многокаскадный усилитель напряжения разбаланса, нагруженный на магнитоэлектрический гальванометр; последний при измерении активных сопротивлений включается непосредственно в измерительную диагональ моста. Требуемая схема измерений формируется с помощью довольно сложной системы коммутации. В таких мостах иногда применяют индикаторы логарифмического типа, чувствительность которых резко падает, если мост не уравновешен.

Рис. 6. Схема универсального реохордного моста для измерения сопротивлений, ёмкостей и индуктивностей

Значительно проще универсальные мосты реохордного типа, измеряющие параметры радиодеталей с погрешностью порядка 5-15%. Возможная схема такого моста представлена на рис. 6. Мост питается при всех видах измерений напряжением с частотой примерно 1 кГц, которое возбуждается транзисторным генератором, выполненным по схеме индуктивной трёхточки. Индикатором баланса служит высокоомный телефон Тф. Резисторы R2 и R3 заменены проволочным реохордом (или, чаще, обычным потенциометром), позволяющим уравновешивать мост плавным изменением отношения сопротивлений R2/R3. Это отношение отсчитывается по шкале реохорда, диапазон показаний которой обычно ограничивается крайними значениями 0, 1 и 10. Измеряемая величина определяется при уравновешенном мосте как произведение отсчёта по шкале реохорда на множитель, определяемый установкой переключателя В. Каждому виду и пределу измерений отвечает включение в схему моста соответствующего опорного элемента требуемого номинала - конденсатора С_о (С1), резистора R_о (R4) или катушки индуктивности L_о (L4).

Особенностью рассматриваемой схемы является то, что измеряемые элементы R_x и L_x включаются в первое плечо моста (при опорных элементах R_о и L_о, находящихся в четвёртом плече), а С_х, наоборот, - в четвёртое плечо (при С_о - в первом плече). Благодаря этому оценка всех измеряемых величин производится по аналогичным формулам типа

A_X = A_о(R2/R3),

где А_х и А_о - значения величин соответствующих измеряемого и опорного элементов.

Переменный резистор R5 служит для компенсации фазовых сдвигов и улучшения балансировки моста при измерении индуктивностей. С той же целью иногда включают переменный резистор небольшого сопротивления в цепь опорного конденсатора С_о предела измерений больших ёмкостей, которые часто имеют заметные потери.

С целью исключения влияния руки оператора движок реохорда обычно соединяют с корпусом прибора.

⇐ Предыдущая 19 20 21 22 232425 26 27 28 Следующая ⇒