Микрофарадметры с последовательной и параллельной схемами измерения

⇐ ПредыдущаяСтр 28 из 54Следующая ⇒

Приборы, у которых оценка измеряемых ёмкостей производится непосредственно по шкале стрелочного измерителя, называются микрофарадметрами. Действие этих приборов может базироваться на использовании зависимости тока или напряжения в цепи, питаемой источником переменного тока, от значения измеряемой ёмкости включённого в неё конденсатора. Схемы таких приборов во многом аналогичны схемам омметров и мегомметров.

Микрофарадметры могут иметь последовательную или параллельную схему измерения. Последовательная схема (рис. 3) применяется для измерения ёмкостей средних значений (примерно от 100 пФ до 10 мкФ). Напряжение U частоты F подводится от источника к цепи, в которой последовательно включены конденсатор опорной ёмкости С_о, испытуемый конденсатор С_x и микро- (или милли) амперметр переменного тока mA. Перед началом измерений при коротком замыкании входных зажимов (что эквивалентно С_x = ∞ ) реостатом R устанавливают в цепи микроамперметра mA ток полного отклонения I_п; это обеспечивается при выборе ёмкости опорного конденсатора

C₀ ≥ I_п(2*π *F*U). (3)

При подключении конденсатора С_x ток через микроамперметр снизится до некоторого значения I_x, тем меньшего, чем меньше ёмкость С_x, что позволяет измеритель снабдить шкалой с отметками значений измеряемых ёмкостей. Градуировочная характеристика прибора не зависит от частоты и формы кривой напряжения питания и приближённо определяется формулой

I_x/I_п ≈ С_х/(С_о + С_x), (4)

идентичной формуле, определяющей градуировочную характеристику параллельных схем омметров. Аналогично изменяется и погрешность измерений: наименьшая в середине шкалы, она возрастает к её краям. Середине шкалы соответствует ёмкость С_x ≈ С_о, а диапазон измерений ограничивается значениями 0, 1 С_о и 10 С_о. Необходимое напряжение питания определяется из условия

U ≥ I_п/(2*π *F*C_о).

Например, при I_п = 1 мА, F = 50 Гц и С_о = 20000 пФ источник питания должен обеспечивать напряжение U ≥ 160 В, но если частота колебаний источника F = 1000 Гц, то потребное напряжение питания снижается до 8-10 В.

Для измерения ёмкостей в широком диапазоне микрофарадметр должен иметь несколько пределов измерений, которые целесообразно задавать средними значениями шкалы С_о при переходном коэффициенте N, кратном 10.

Рис. 3. Последовательная схема микрофарадметра с измерителем тока

Наиболее удобным источником питания микрофарадметра является сеть переменного тока частотой 50 Гц, позволяющая с помощью малогабаритного трансформатора получить любое требуемое напряжение. Высокое значение последнего необходимо лишь на пределах с самыми малыми ёмкостями С_о. Если ограничить максимальное напряжение питания значением 200 В, то при наличии выпрямительного микроамперметра mA на 100 мкА можно получить, согласно (3), ёмкость С_о да 1600 пФ. Высоковольтное питание допустимо включать лишь после разряда конденсатора С_о и присоединения к схеме испытуемого конденсатора. Для замыкания входных зажимов с целью установки стрелки измерителя на отметку «∞ » желательно использовать кнопку. Конденсаторы С_о и С_x должны быть рассчитаны на рабочее напряжение, не меньшее испытательного. Для предотвращения повреждения измерителя в случае пробоя конденсатора С_о, последний целесообразно составлять из двух последовательно включённых конденсаторов, каждый ёмкостью 2С_о. Возможно также включение в цепь питания ограничительного резистора с сопротивлением, в 5-10 раз меньшим ёмкостного сопротивления конденсатора С_о.

Для расширения диапазона измерений в сторону больших значений С_о в начале обычно уменьшают в N раз напряжение питания (пока оно не достигнет единиц вольт), используя отводы от обмоток силового трансформатора или с помощью резистивного делителя напряжения. Переход к пределам с ещё большим значением С_о может сопровождаться понижением чувствительности индикатора посредством его шунтирования, подобно тому, как это делается в многопредельных омметрах. Верхний предел измеряемых ёмкостей обычно не превосходит 1-10 мкФ, поскольку при сопротивлении конденсатора С_о, сравнимым с внутренним сопротивлением индикатора и цепи питания, сильно возрастает погрешность измерений.

При расширении диапазона измерений в сторону малых значений С_о для получения приемлемых значений напряжения питания U схему приходится питать от внутреннего или внешнего генератора - источника напряжения повышенной частоты F в тысячи герц. При этом необходимо принимать меры к устранению влияния собственных ёмкостей схемы и монтажа.

Схема микрофарадметра по рис. 3 будет действовать и при замене опорного конденсатора С_о на опорный резистор R_о. В этом случае выбранное среднее значение С_о шкалы измерения ёмкостей будет достигаться при сопротивлении

R_о ≈ ( 4*U² / I²_п - 1/(2*π *F*C_о)² )^{0, 5}

Такой прибор можно одновременно использовать и как омметр с последовательной схемой для приближённого измерения (на частоте F) активных сопротивлений при условии выполнения отсчёта по специальной шкале, сходной со шкалой ёмкостей, но обратного расположения.

Рис. 4. Последовательная схема многопредельного микрофарадметра с измерителем напряжения

При наличии электронного вольтметра переменного тока с большим входным сопротивлением R_в за основу микрофарадметра может быть принята схема, приведённая на рис. 4. Переменное напряжение U, стабилизированное цепочкой R1, Д1, Д2 и равное примерно пределу измерения U_п вольтметра V, при замыкании входных зажимов воздействует на вольтметр. Регулировкой чувствительности последнего добиваются отклонения стрелки его измерителя до конца шкалы. При включении в схему испытуемого конденсатора С_x образуется делитель напряжения R_о, С_x, с которого к вольтметру подводится напряжение U_x, тем меньшее, чем меньше ёмкость С_x. Выбранное среднее значение С_о шкалы ёмкостей будет достигаться при сопротивлении R_о ≈ 1/(11*F*C_о). Переключением резисторов R_о различных номиналов осуществляется смена пределов измерений ёмкостей. Минимально возможное значение ёмкости С_о ограничивается предельно допустимым значением сопротивления R_о ≈ 0, 1 R_о. Например, при R_о = 1 МОм и частоте F = 50 Гц получаем ёмкость С_о ≈ 1/(11*F*R_о) = 1820 пФ.

Микрофарадметр в рассматриваемом режиме его работы имеет крайние отметки шкалы ёмкостей «0» и «∞ ». Однако если использовать в приборе чувствительный милливольтметр с пределом измерения U_п < < U, допускающий кратковременную случайную перегрузку до напряжения, равного U, то верхние пределы измерения прибора могут быть ограничены выбранными значениями ёмкостей С_п, которым должны соответствовать сопротивления

R_о ≈ U_п/(U*2*π *F*C_п);

при этом значительно расширяется рабочий участок шкалы. В данном случае при допустимом сопротивлении R_о = 1 МОм, частоте F = 50 Гц и отношении напряжений U_п/U = 1/30 получаем С_п ≈ 100 пФ, что позволяет производить измерение ёмкостей от 10пФ и более. Если порядок измеряемой ёмкости С_xнеизвестен, то переключателем В следует первоначально установить предел измерений наибольших ёмкостей, при котором возможная перегрузка вольтметра ограничивается из-за возрастания падения напряжения на резисторе R1.

В микрофарадметре с ограниченными пределами измерения перед началом измерений необходимо производить калибровку прибора. В схеме на рис. 4 для этой цели служит цепочка R2, С1. При нажатии кнопки Кн с конденсатора С1 на вход вольтметра подаётся напряжение, при котором стрелка его измерителя должна отклоняться до конца шкалы (или до определённой метки на шкале), чего добиваются регулятором чувствительности. Обычно берут R2 равным сопротивлению R_о одного из пределов измерения, а С₁ равной ёмкости С_п того же предела.

На рис. 5, а представлен один из вариантов параллельной схемы микрофарадметра. При свободных входных зажимах (что эквивалентно ёмкости С_x = 0) регулировкой чувствительности вольтметра V добиваются отклонения стрелки его измерителя до конца шкалы. Включение в схему конденсатора С_xприводит к тому, что напряжение на вольтметре, первоначально равное U_п, снижается до значения U_x, тем меньшего, чем больше ёмкость С_x. Градуировочная характеристика микрофарадметра определяется формулой

U_x/U_п ≈ C_о/(C_о + C_x), (5)

аналогичной формуле, определяющей градуировочную характеристику последовательных схем омметров.

Входное сопротивление вольтметра R_в и частота тока питания F ограничивают выбор опорной ёмкости конденсатора С_о, определяющей среднее значение шкалы, условием

C_о ≥ 1, 5/(F*R_в).

Например, при R_в = 1 МОм и F = 50 Гц получаем С_о ≥ 30000 пФ, т. е. прибор оказывается пригодным для измерения лишь сравнительно больших ёмкостей (не электролитических! ) При высокочастотном источнике питания возможно снижение допустимых значений С_о до сотен пикофарад, однако погрешность измерений может оказаться большой, если не учитывать входную ёмкость вольтметра.

Рис. 5. Параллельные схемы микрофарадметров

Для измерения ёмкостей электролитических конденсаторов пригодна схема на рис. 5, б. Благодаря включению диода Д на делителе напряжения R1, R2 действует пульсирующее напряжение U_о. При С_х = 0 с резистора R2 на вольтметр V (он может быть сравнительно низкоомным, например выпрямительным) подаётся напряжение полного отклонения U_п. Включение конденсатора С_х приводит к снижению напряжения на вольтметре в соответствии с формулой (5). При выбранном среднем значении шкалы ёмкостей С_о и частоте F = 50 Гц необходимые значения сопротивлений делителя напряжения определяются формулами:

R1 = U_о/ (U_п * 180*С_о); R2 = R1*U_п(U_о-U_п).

Изменение пределов измерений осуществляется посредством использования нескольких делителей напряжения с одинаковым коэффициентом деления U_о/U_а, но различными значениями сопротивлений R1 и R2. Вольтметр переменного тока V должен иметь закрытую схему входа, иначе напряжение на него следует подавать через электролитический конденсатор большой ёмкости.

Все рассмотренные схемы микрофарадметров позволяют измерять ёмкости конденсаторов с погрешностью 5-10%, а иногда и более. Выполнить их шкалу на основе расчёта градуировочной характеристики не всегда удаётся вследствие влияния различных трудно учитываемых факторов, например внутренних сопротивлений источника питания и измерительных приборов, нелинейности шкалы напряжений вольтметра и т. п. Поэтому при регулировке и градуировке микрофарадметров необходимо использовать магазины ёмкостей или наборы конденсаторов с допусками по ёмкости не более 5%.

Пример 1. Рассчитать последовательную схему микрофарадметра по рис. 3 на предел измерений от С_н = 200 пФ до С_м = 20000 пФ при условии, что напряжение питания не должно превышать 10 В. В приборе применить в качестве измерителя миллиамперметр на 1 мА.

Указание. Середине шкалы соответствует ёмкость С_о ≈ (С_нС_м)^{0, 5}.

Ответ: С_о = 2000 пФ, F ≥ 8 кГц. При выборе F = 10 кГц U ≥ 8В, R = 3...5 кОм

Пример 2. Рассчитать двухпредельный микрофарадметр, работающий по параллельной схеме на рис. 5, б, для измерения ёмкостей от 1 до 100 мкФ, если напряжения U_о = 20 В, a U_п = 1 В.

Ответ: С_о = 3 мкФ, R1 = 37 кОм, R2 = 2 кОм; С'_о = 30 мкФ, R'1 = 3, 7 кОм, R'2 ≈ 200 Ом.

⇐ Предыдущая 23 24 25 26 272829 30 31 32 Следующая ⇒