Організація самостійної роботи

 

1.1.1 Завдання до самостійної підготовки до роботи

Ознайомитися з лабораторним завданням та вказівками до його виконання.

Ознайомитися з правилами експлуатації, технічними та метрологічними характеристиками засобів вимірювальної техніки, що використовуються в лабораторній роботі для експериментальних досліджень [1 – 2].

Вивчити методи вимірювань параметрів елементів електричних та радіотех­нічних кіл [3 – 5].

Вивчити методи повірки омметрів [6].

Вивчити методики проведення вимірювань параметрів елементів електрорадіокіл стандартною вимірювальною апаратурою, що використовується в лабораторній роботі .

 

1.1.2 Методичні вказівки до самостійної підготовки

1.1.2.1 Еквівалентні схеми елементів електрорадіокіл

Електричні та радіотехнічні кола містять пасивні двополюсники (ДП) із зосередженими сталими – резистори, котушки індуктивності, конденсатори, що характеризуються певними технічними параметрами та властивостями. Передача електричної енергії крізь електричне коло супроводжується складними процесами утворення електричних та магнітних полів й перетворенням енергії. За деякими припущеннями, електричне коло можна розглядати як коло, що складається з ідеальних елементів , , , у кожному з яких відбуваються електромагнітні явища одного типу.

Властивості електричних пасивних ДП досліджують, впливаючи на них синусоїдальним струмом, а як узагальнені характеристики використовують комплексний опір або комплексну провідність . Отже, результати вимірювань узагальнених характеристик залежать від параметрів еквівалентної схеми ДП та частоти, на якій проводять вимірювання.

У будь-якого ДП, окрім його основних параметрів, існують паразитні, значення яких залежать від конструкції, використаних матеріалів, технології виготовлення.

Для визначення впливу паразитних параметрів на роботу ДП розглянемо еквівалентні схеми ДП (див. рис. 1.1). Для резисторів (рис. 1.1, а) основним параметром є опір електричному струму , а паразитними – індуктивність обмоткових проводів та виводів, а також ємність між витками та виводами. При постійному струмі або струмі низької частоти паразитні параметри не впливають на точність вимірювань або їхній вплив незначний.

 

 

 

а) б) в)

 

г) ґ)

 

Рисунок 1.1 – Еквівалентні схеми заміщення ДП

 

Для котушки індуктивності (рис. 1.1, б, в) основним параметром є індуктив­ність , паразитними – опір втрат та власна ємність котушки . Замість опору втрат котушки індуктивності зазвичай характеризуються добротністю

 

,

 

де – колова частота.

Важливою характеристикою котушки є її власна резонансна частота

 

.

 

Котушки індуктивності зазвичай застосовуються на частотах, нижчих від резонансної. У цьому випадку параметром можна знехтувати й еквівалентну схему подати як послідовне або паралельне з’єднання індуктивності та опору .

Для конденсатора основний параметр – ємність , а паразитними парамет­рами є індуктивність пластин і виводів та опір втрат у діелектрику. Існують дві схеми заміщення конденсатора:

– із послідовним з’єднанням ємності та опору втрат (рис. 1.1, г), якщо втрати конденсатора незначні;

– із паралельним з’єднанням (рис. 1.1, ґ), якщо втрати конденсатора великі.

У більшості конденсаторів параметр , що визначається здебільшого індуктивністю виводів, впливає до частот 50 – 100 МГц лише незначною мірою, і ним можна знехтувати.

Для врахування опору втрат конденсатора вводиться поняття кута втрат , який доповнює до зсув фаз між струмом, що протікає крізь конденсатор, і прикладеною до конденсатора напругою. В ідеального конденсатора . На практиці використовують не самий кут втрат, а величину . Для схеми заміщення рис.1.1, г

 

,

 

а для схеми рис.1.1, ґ

 

.

 

Параметри ДП вимірюють:

1) методом перетворення вимірюваного параметра на струм або напругу;

2) методом зрівноважених кіл;

3) резонансним методом;

4) генераторним методом;

5) методом дискретного рахування.

1.1.2.2 Метод перетворення вимірюваного параметра на струм або напругу

Це – різновид методу амперметра-вольтметра, у якому одна з величин підтримується постійною. Метод застосовується здебільшого для вимірювання опорів на постійному, але останнім часом – і для вимірювань параметрів елементів кіл на змінному струмі.

Найчастіше застосовуються схеми омметрів – схеми електромеханічних омметрів із послідовним (рис. 1.2, а) та паралельним (рис.1.2, б) увімкненням вимірюваного опору .

 

а) б)

 

 

в) г)

 

Рисунок 1.2 – Схеми омметрів

 

Для омметрів із послідовною схемою кут відхилу стрілки вимірювального перетворювача визначається за виразом

 

,

 

де – чутливість магнітоелектричного перетворювача до струму;

– змінний резистор; – опір вимірювача.

Для омметрів із паралельною схемою

 

.

Якщо в процесі вимірювання прикладена напруга підтримується постійною, то кут відхилу в обох випадках є функцією . Зазвичай як джерело напруги в електромеханічних омметрах використовуються гальванічні елементи. Оскільки їх напруга під час експлуатації зменшується, то перед вимірюванням необхідне ручне регулювання, що здійснюється за допомогою змінного резистора .

В омметрах із послідовною схемою напруга установлюється при закорочених затискачах , що відповідає максимальному значенню струму, тому нульове значення має бути приписане крайній правій позначці (зворотна шкала). В омметрах із паралельним увімкненням напруга регулюється при
розімкнутих затискачах установленням стрілки на (пряма шкала).

Омметр із послідовним увімкненням має властивості двозатискового приєднувального кола, тому він не придатний для вимірювань малих опорів, оскільки на результат вимірювань впливатимуть опори провідників та контактів.

Особливістю омметра із паралельною схемою приєднання є те, що опір проводів та перехідних контактів слабко впливає на результат вимірювання, тому що вони ввімкнені послідовно із опором джерела та з великим вхідним опором вольтметра. Таким чином схема має властивості чотиризатискового приєднувального кола та застосовується для вимірювання малих опорів в оммет­рах та міліомметрах.

Недоліками розглянутих вище омметрів є значна похибка (1,5 – 5 %) та необхідність ручного регулювання.

В омметрах зі схемою, наведеною на рис. 1.2, в, за допомогою електронного вольтметра з великим вхідним опором вимірюється спад напруги на або на зразковому опорах

 

; .

 

Під час вимірювання малих опорів, коли , зазвичай вимірюють , а під час вимірювання великих опорів, коли , вимірюють . Зазначений омметр на практиці використовується як електронний тераомметр.

Схема, наведена на рис. 1.2, г, може застосовуватися як на постійному, так і на змінному струмі. Основним вузлом є операційний підсилювач із глибоким негативним зворотним зв’язком. При достатньо глибокому зворотному зв’язку напруга на виході підсилювача є прямо пропорційною вимірюваному опору , якщо вимірюваний ДП увімкнений у коло зворотного зв’язку (), або провідності , якщо ДП увімкнений на вході підсилювача (). Схема має властивості тризатискового кола, тому що вхідний та вихідний опори підсилювача, охопленого глибоким негативним зворотним зв’язком, малі на постійному струмі. Наведена схема використовується зазвичай у серійних вимірювачах великих опорів Е6-17, а також у вимірювачах опорів у складі цифрових універсальних вольтметрів.

На змінному струмі схема, наведена на рис. 1.2, г, використовується в цифрових вимірювачах опору або провідності інтегрувального типу.

1.1.2.3 Метод зрівноважених вимірювальних кіл

З методів зрівноважених кіл для вимірювання параметрів ДП найчастіше застосовуються чотириплечові мостові кола (рис.1.3). Вони можуть використовуватися як на постійному (мости постійного струму), так і на змінному струмі (мости змінного струму).

Мости постійного струму застосовуються для вимірювання активних опорів. Найпоширенішими є одинарні та подвійні мости постійного струму з ручним або автоматичним зрівноваженням. Під час вимірювання міст балансується (отримують нульові показання індикатора) зміною опору одного з плечей (як плече використовується магазин опорів). Межі вимірювань збільшуються зміною відношення опорів двох інших плечей. Вимірюваний опір визначають за умовою рівноваги мосту.

Для мосту постійного струму умова рівноваги

 

.

 

 

Рисунок 1.3 – Чотириплечове мостове коло

 

Якщо невідомий опір, то .

Похибка мостів постійного струму визначається чутливістю індикатора та похибкою опорів плечей і складає ±(0,01…0,5) % при вимірюванні опорів від
5 Ом та вище.

Рівновага чотириплечового мосту змінного струму настає при виконанні умови

 

,

 

тобто необхідно зрівноважувати як активну, так і реактивну складові плечей.

Зі зміною значень активної та реактивної складових одночасно змінюються модуль та фаза, тому міст змінного струму зрівноважують методом послідовних наближень до одержання мінімальних показань індикатора. Параметри вимірюваних елементів визначають за умовою рівноваги мостів, прирівнюючи окремо уявні та дійсні частини. Чотириплечові мости забезпечують вимірювання при дво-, три- та чотиризатисковому ввімкненні вимірюваного ДП. Чотириплечові мости зазвичай використовуються на низьких частотах.

Умова рівноваги для схеми мосту змінного струму для вимірювання параметрів котушок індуктивності (рис. 1.4, а) визначається за формулою:

 

,

 

для схеми мосту змінного струму для вимірювання параметрів конденсаторів (рис. 1.4, б) за формулою

 

.

 

Параметри вимірюваних елементів, отримані за умовою рівноваги, для схеми, наведеної на рис. 1.4, а:

 

; ; ;

 

для схеми, наведеної на рис. 1.4, б:

 

; ; .

 

 

 

 

а) б)

 

а) для вимірювання параметрів котушок індуктивності;

б) для вимірювання параметрів конденсаторів

Рисунок 1.4 – Спрощені принципові схеми мостів змінного струму

 

1.1.2.4 Резонансний метод

Резонансний метод використовується для вимірювання параметрів ДП на високих частотах. Його покладено в основу роботи куметрів – приладів для вимірювання добротності. Побічно ці прилади дозволяють вимірювати інші параметри котушки індуктивності , , а також параметри конденсаторів , , . Одна з можливих спрощених схем куметра зображена на рис. 1.5.

Принцип вимірювання добротності заснований на тому, що при настроюванні послідовного контуру в резонанс вихідна напруга , що вимірюється на конденсаторі (або індуктивності), є більшою за вхідну у разів. Підтримуючи значення вхідної напруги постійною, шкалу індикатора резонансу (як індикатор резонансу використовується електронний вольтметр ) можна проградуювати в одиницях добротності.

 

 

Рисунок 1.5 – Спрощена схема куметра

 

Параметри котушки індуктивності визначають зазвичай безпосередньо резонансним методом. При цьому вимірювану котушку приєднують до затискачів 1 – 2 (рис. 1.5) та настроюють контур у резонанс зміною частоти генератора або ємності зразкового конденсатора . Добротність контуру в цьому випадку визначається практично лише добротністю котушки, тому що втратами застосованих у куметрі високодобротних конденсаторів та шунтувальною дією другого вольтметра можна знехтувати. З цієї причини добротність котушки визначається безпосередньо за шкалою вихідного індикатора. Значення індуктивності та активного опору відповідно обчислюють за виразами:

 

; (1.1)

 

. (1.2)

Власну ємність котушки індуктивності визначають за допомогою сукупних вимірювань, для чого контур настроюють у резонанс на різних частотах та й отримують значення ємності зразкового конденсатора та . Значення власної ємності котушки обчислюють за формулою

 

, (1.3)

 

де .

Параметри конденсатора вимірюють методом заміщення. До затискачів 1 – 2 підключають зразкову котушку індуктивності. Змінюючи частоту генератора або ємность зразкового конденсатора, настроюють контур у резонанс і отримують значення та . Після цього залежно від значення ємності вимірюваного конденсатора підключають його паралельно (якщо ) або послідовно (якщо ) у контур та, не змінюючи частоти генератора, знову настроюють контур у резонанс зміною ємності зразкового конденсатора , отримують значення та. Параметри конденсаторів визначають за такими виразами:

– при паралельному вмиканні

 

; (1.4)

 

; (1.5)

 

– при послідовному вмиканні

 

; (1.6)

 

. (1.7)

 

Основними факторами, що впливають на похибку вимірювання куметром, є похибка визначення точки резонансу, нестабільність частоти, похибка градуювання частотної шкали генератора, похибка градуювання та відліку шкали зразкового конденсатора, а також похибка, викликана паразитними елементами, оскільки в куметрі реалізується двозатискова схема вмикання. Зниження похиб­ки за рахунок паразитних елементів здійснюється конструктивними методами. Похибка вимірювання складає (2…5) %.

Застосовуються куметри в діапазоні частот від десятків (іноді одиниць) кілогерц приблизно до 250 МГц. На низьких частотах резонансні явища виявляються слабко, унаслідок чого точність вимірювань є недостатньою для практичних цілей. Верхня межа обмежена труднощами конструювання коливального контуру на зосереджених елементах.

1.1.2.5 Генераторний метод

Генераторний метод базується на зміні частоти генератора під час вмикання у вимірювальний контур досліджуваних індуктивності та ємності й застосовується для вимірювання малих індуктивностей та ємностей із малими втратами.

Похибка методу визначається неточністю настроювання на нульові биття, нестабільністю параметрів зразкового та вимірювального контуру, неточністю відліку ємності конденсатора зразкового контуру та впливом паразитних параметрів, оскільки метод реалізує двозатискову схему вмикання. Похибка методу складає ± (1,5…2,5) %. Метод реалізовано в приладі Е7-9.

1.1.2.6 Метод дискретного рахування

Метод дискретного рахування під час вимірювання параметрів елементів електрорадіокіл полягає в аналоговому перетворенні вимірюваного параметра на часовий інтервал із подальшим його вимірюванням методом дискретного рахування.

1.1.2.7 Повірка омметрів

Омметри, як і інші вимірювальні прилади, потребують метрологічного забезпечення, однією з найважливіших складових якого є повірка.

Повірка – це встановлення придатності засобів вимірювальної техніки, на які поширюється державний метрологічний нагляд, до застосування на підставі результатів контролю їх метрологічних характеристик.

Повірка омметрів регламентується [6].

Періодична повірка омметра передбачає зовнішній огляд, випробування, а також визначення метрологічних характеристик (основної похибки та варіації показань).

Під час зовнішнього огляду необхідно встановити:

– відсутність зовнішніх пошкоджень корпусу та пошкоджень покриття шкали, незадовільного кріплення скла, сторонніх предметів усередині корпусу;

– чіткість усіх написів;

– надійність кріплення деталей електричних з’єднань;

– укомплектованість приладу запасними частинами й приладдям, необхідними для здійснення повірки.

Під час випробування омметра необхідно переконатися в чіткій фіксації положень перемикачів, можливості їх установлення в кожне з передбачених положень, справності знімних частин елементів комутації, плавності ходу органів плавного регулювання. Також потрібно перевірити роботу механічного коректора та можливість установлення електричного нуля на всіх піддіапазонах вимірювання. Після підготовки приладу до роботи та підключення до його входу робочого еталона-міри слід переконатися в можливості переміщення покажчика вздовж усієї шкали та у відсутності затирань рухомої частини вимірювального механізму. Прилад має бути працездатним на всіх піддіапазонах вимірювання.

Для однодіапазонних омметрів основна похибка визначається за всіма числовими позначками шкали. Для багатодіапазонних – за всіма числовими позначками одного довільно обраного діапазону, а для решти діапазонів – лише у двох точках (у точках, у яких зафіксовано найменшу та найбільшу похибки під час повірки за всіма числовими позначками першого діапазону).

Основну похибку омметра визначають шляхом вимірювання омметром опору робочого еталона-міри (магазина опорів), похибка якого не має перевищувати 0,2 межі припустимої основної похибки омметра. Робочий еталон має забезпечувати зміну опору ступенями, які не перевищують 0,1 межі припустимої основної похибки омметра. Якщо робочий еталон не задовольняє цій вимозі, послідовно з ним вмикають робочий еталон-міру з меншими дискретністю зміни опору та межею припустимої похибки.

Абсолютну основну похибку на певній поділці шкали визначають так. Магазин опорів підключають до затискачів омметра, який підлягає повірці. Змінюючи опір магазина, установлюють покажчик на поділку перевірюваної шкали, підводячи покажчик до цієї поділки спочатку з одного боку, а потім з іншого (при плавному переміщенні покажчика з одного боку стрілка не має переходити через перевірювану поділку). Визначають відповідно два значення абсолютної похибки та:

 

; , (1.8)

 

де – номінальне значення опору, що відповідає поділці шкали;

та – значення опорів магазина опорів при плавному переміщенні покажчика з одного та з другого боків.

За абсолютну основну похибку беруть найбільшу (за абсолютним значенням) різницю.

Зведену основну похибку розраховують для всіх перевірюваних поділок, з урахуванням особливостей нормування меж припустимої основної похибки омметрів різних типів.

Для омметрів, похибка яких нормована у відсотках від довжини всієї шкали (клас точності позначений значенням меж припустимої основної похибки з кутом під ним, наприклад ), зведена основна похибка визначається за формулою

 

, (1.9)

 

де – лінійно-зведена похибка (похибка, виражена у відсотках від довжини всієї шкали або її частини), %;

– довжина шкали, мм;

– чутливість омметра в даній поділці шкали, тобто довжина частини шкали , що припадає на одиницю опору біля перевірюваної поділки, .

Для омметрів, похибка яких нормована у відсотках від кінцевого значення діапазону вимірювання (клас точності позначений значенням меж припустимої похибки, 1,5), зведена основна похибка визначається за формулою

 

, (1.10)

 

де – зведена похибка, %;

– кінцеве значення діапазону вимірювання в тих самих одиницях, що й .

Для омметрів, похибка яких нормована у відсотках від робочої частини шкали, зведена основна похибка

 

, (1.11)

 

де – лінійно-зведена похибка робочої частини шкали, %;

– довжина робочої частини шкали, мм.

Варіацію показань визначають у процесі визначення абсолютної основної похибки на тих самих поділках шкали як різницю між двома значеннями абсолютної похибки та :

 

. (1.12)

 

Припустима варіація показань залежить не лише від класу точності приладу, але й від його стійкості до механічних впливів, а також від габаритів та деяких інших факторів. Варіація показань не має перевищувати:

1) – для:

– приладів, стійких до механічних впливів;

– щитових пристроїв із розміром фланця до 100 мм;

– переносних приладів із розміром лицевої частини до 150 мм;

– засобів вимірювальної техніки змінного струму класів точності 0,1 та вище;

2) – для:

– комбінованих засобів вимірювальної техніки, які мають рухому частину на розтяжках;

– будь-яких засобів вимірювальної техніки, атестованих як робочі еталони;

3) – для всіх інших приладів.

За результатами порівняння визначеної основної похибки та варіації показань із припустимими роблять висновок про придатність приладу до застосування.

За результатами повірки складають протокол, у якому зазначають:

– тип, назву та заводський номер приладу, що підлягав повірці;

– перелік робочих еталонів (з їхніми заводськими номерами);

– умови повірки;

– результати вимірювань та розрахунків метрологічних характеристик;

– висновки за результатами виконання кожної процедури.

Позитивні результати періодичної повірки оформлюють нанесенням на омметр печатки повірочного клейма. За негативних результатів повірки клейма гасять та видають власникові повідомлення про непрацездатність омметра із зазначенням причин.