Микрофарадметры с равномерной шкалой

⇐ ПредыдущаяСтр 29 из 54Следующая ⇒

Микрофарадметр с равномерной шкалой может быть выполнен по схеме, аналогичной схемам ёмкостных частотомеров, в принципе отличаясь от последних лишь тем, что объектом измерений является не частота, а ёмкость. Действие таких приборов базируется на измерении среднего значения тока заряда или разряда проверяемого конденсатора, перезаряжаемого напряжением известной частоты.

На рис. 6, а, приведена схема измерительного блока микрофарадметра, питаемого импульсным напряжением _u прямоугольной формы. Во время действия импульса через диод Д происходит заряд конденсатора С_х до максимального напряжения U_м. В интервале между импульсами конденсатор разряжается через измеритель (магнитоэлектрический микроамперметр) _И до начального напряжения U_н. В установившемся режиме при частоте повторения входных импульсов f и их амплитуде U_п= U_м - U_н среднее значение протекающего через измеритель тока I_x = C_xU_пf. При фиксированных значениях U_п и f измеритель можно снабдить равномерной шкалой с отсчётом в значениях С_х в соответствии с формулой

C_х = I_х /(U_пf).

Предельное значение измеряемых ёмкостей

C_п = I_и/(U_пf),

где I_и - ток полного отклонения измерителя. Для сглаживания пульсаций и устранения колебаний стрелки измерителя служит конденсатор С, сопротивление которого при частоте f должно быть значительно меньшим сопротивления R_и измерителя.

Результаты не изменятся, если измеритель включить в цепь зарядного тока последовательно с диодом Д2 (рис. 6, б); тогда разрядный ток конденсатора С_x будет замыкаться через диод Д1. При измерении малых ёмкостей иногда применяют двухполупериодную схему включения измерителя (рис. 6, в). В этом случае через измеритель протекают и зарядный и разрядный токи, что позволяет получить требуемый предел измерений при напряжении U_п или частоте f, вдвое меньших, чем в схемах с однополупериодным включением измерителя.

Рис. 6. Схемы измерительных блоков микрофарадметров с равномерной шкалой

Пределы измерений прибора задаются значениями С_п и для их обеспечения при переключении пределов изменяют частоту повторения импульсов источника питания, определяемую формулой

f = I_и(U_пC_п). (6)

Перед началом измерений на каждом пределе должна производиться калибровка микрофарадметра, для чего к нему нажатием кнопки Кн присоединяют конденсатор ёмкостью С_о = С_п (рис. 6, а); при этом добиваются отклонения стрелки измерителя до конца шкалы посредством плавной регулировки частоты f, амплитуды импульсов U_п или чувствительности измерителя (например, с помощью шунтирующего реостата R_ш). Поскольку шкала прибора равномерна, то погрешность измерения ёмкостей в основном определяется погрешностью подбора опорной ёмкости С_о, отклонение которой от требуемого номинала (С_п) не должно превышать 1...5%.

Для получения правильных результатов измерений необходимо, чтобы за один период входного напряжения и конденсатор С_x успевал полностью зарядиться и разрядиться (в пределах напряжений U_м - U_н). Легче всего это обеспечивается при прямоугольной форме входных импульсов и надлежащем выборе частоты их повторения f.

Как известно, в цепи, состоящей из элементов R и С, длительность заряда (разряда) конденсатора С до значения приложенного к этой цепи постоянного напряжения определяется постоянной времени τ = RC и практически не превосходит 5τ. Для того чтобы заряд (разряд) заканчивался в течение полупериода T/2 напряжения частоты f, необходимо выполнение условия

5RС = 5 τ < = T/2 = 1/(2*f),

которое удовлетворяется при частоте

f < = 1/(10*RС). (7)

Принимая максимально возможное сопротивление цепей заряда и разряда R = 10 кОм (с учётом выходного сопротивления Rвых генератора импульсов), получаем практическую формулу для выбора частоты повторения импульсов (в килогерцах):

f ≤ 10⁴ / С_п (8)

(где С_п - в пикофарадах). В последнем условии часто принимают знак равенства. Тогда верхним пределам измерений С_п - 100, 1000, 10 000 пФ и 0, 1 мкФ будут соответственно отвечать частоты f = 100, 10, 1 и 0, 1 кГц.

Условие (8) и формула (6) определяют необходимую амплитуду импульсов (в вольтах):

U_п ≥ 0, 1*I_и

(где I_и - в микроамперах). Например, при работе с измерителем, имеющим ток полного отклонения I_и = 100 мкА, требуется амплитуда U_п ≥ 10 В.

Сопротивление резистора R_д (рис. 6, а) берётся таким, чтобы сопротивление цепи измерителя R_д + R_и значительно превышало (по крайней мере, в десятки раз) прямое сопротивление диода Д; в то же время оно не должно увеличивать общее сопротивление цепи разряда сверх допустимого значения (10 кОм). Если оба условия не удаётся одновременно удовлетворить, то резистор R_д заменяют диодом, пропускающим ток разряда; при этом измеритель оказывается включённым по схеме на рис. 6, б. При расчёте прибора учитывают также характер выходного сопротивления R_вых генератора импульсов, которое в зависимости от схемы генератора может быть постоянным, регулируемым или даже нелинейным (большим во время действия импульса и малым в интервале между импульсами).

Микрофарадметры рассматриваемого типа обычно имеют верхние пределы измерений С_п не менее 100 пФ из-за трудности генерирования прямоугольных импульсов с высокой частотой повторения и влияния паразитных связей. Трудности возникают и при расширении диапазона измерений в сторону больших ёмкостей. Например, при выборе верхних значений пределов С_п = 1 и 10 мкФ, согласно условию (8), требуется питать схему импульсами с частотами повторения соответственно 10 и 1 Гц, однако при этом отсчёт по измерителю становится невозможным из-за сильных вибраций его стрелки, которые не удаётся устранить увеличением ёмкости конденсатора С. При измерении больших ёмкостей измерительную схему обычно питают импульсами с частотой повторения 50 Гц (их легко получить преобразованием напряжения сети переменного тока); одновременно для выполнения условия (7) уменьшают постоянные времени цепей заряда и разряда посредством выбора источника импульсов с весьма малым выходным сопротивлением (десятки Ом) и шунтирования измерителя. Последнее ведёт к возрастанию разрядного тока, вызывающего отклонение стрелки измерителя на всю шкалу, до нескольких миллиампер, что облегчает выполнение равенства (6). Коммутация цепей заряда и разряда должна автоматически управляться входными импульсами.

Помимо равномерной шкалы ёмкостей, микрофарадметры могут иметь неравномерную шкалу с диапазоном показаний от 0 до ∞, подобную шкалам параллельных схем омметров. Характер шкалы (равномерная - Р, неравномерная - Н) в схеме на рис. 6, а, определяется установкой переключателя B1. В положении последнего «Н» испытуемый конденсатор С_х включается последовательно с опорным конденсатором С_о, ёмкость которого задаёт предел измерений прибора и примерно соответствует середине его нелинейной шкалы.

Равномерная шкала измерения ёмкостей может быть получена и некоторыми другими методами. Так, если к выходу мультивибратора подключить дифференцирующую цепочку R, С_х, то среднее напряжение импульсов одной полярности, снимаемых с резистора R, оказывается пропорциональным ёмкости С_х. Для работы в таком приборе требуется чувствительный милливольтметр постоянного тока. Пределы измерений могут задаваться сопротивлениями резистора R. При частоте повторения импульсов f = 100 кГц были получены верхние пределы измерения ёмкостей С_п = 10 и 100 пФ.

Пример 3. Произвести ориентировочный расчёт измерительного блока микрофарадметра с равномерной шкалой (рис. 6, а) для измерения ёмкостей с верхними пределами 300 и 3000 пФ, 0, 03 и 0, 3 мкФ, если измеритель прибора имеет данные: I_и = 50 мкА, R_и = 2600 Ом.

Ответ: С_о = 300 и 3000 пФ, 0, 03 и 0, 3 мкФ; f = 30 и 3 кГц, 300 и 30 Гц; R_д = 1, 5 кОм; R_ш = 10 кОм; С = 5..10 мкФ; U_п = 5 В; R_вых ≤ 6 кОм.

⇐ Предыдущая 24 25 26 27 282930 31 32 33 Следующая ⇒