Измерительная цепь и ее элементы

Определение измерительной цепи и ее типов. Главные элементы измерительной цепи

Согласно действующему в настоящее время ГОСТ IEC 60050-300—2015 измерительной цепью (ИЦ) называется ряд элементов измерительного прибора или системы, составляющих непрерывный путь прохождения измерительного сигнала одной физической величины от входа к выходу.

Различают в основном токовые ИЦ и цепи напряжения.

Согласно установившимся в измерительной технике понятиям токовые ИЦ трактуются как измерительные цепи, в которых проте-каемый ток или его часть формирует показание измеряемой величины, при этом обрыв цепи не должен приводить к опасности при эксплуатации измерительного прибора.

Под цепью напряжения соответственно подразумевается ИЦ, непосредственно или через добавочный резистор подключаемая к измеряемому напряжению, являющемуся главным фактором формирования напряжения измерительного прибора.

Главными элементами ИЦ являются измерительные резистор R, катушка L и конденсатор С.

Измерительный резистор — это мера электрического сопротивления в ИЦ, которая не должна вызывать фазовых сдвигов при измерении на переменном токе. Кроме того, сопротивление измерительного резистора не должно зависеть от температуры и термоэлектродвижущей силы (Т-ЭДС), его величина должна быть прецизионной (точной).

Измерительная катушка — это мера индуктивности в ИЦ, которая должна быть без потерь, точной и иметь хорошую экранировку на керамических или мраморных каркасах как без ферритовых, так и с ферритовыми сердечниками с большой магнитной проницаемостью ц > 1000.

Измерительный конденсатор — мера электрической емкости в ИЦ, с минимальными потерями и хорошей изоляцией, причем величина емкости конденсатора должна быть точной, независимой от температуры, частоты и формы кривой переменного тока, как в случае воздушной конструкции конденсатора, так и конденсатора с плоскими выводами.

Простейшие реальные R-, L-, C-элементы электрической цепи и их физический смысл

В теории линейных электрических цепей и теоретических основ электротехники (ТОЭ) простейшие Я-, ?-, С-элементы трактуются в идеализированной интерпретации исходя из смысла их физических величин: например — сопротивление, емкость, индуктивность.

Однако при этом неоправданно теряется их физический смысл как реальных элементов цепей измерительной техники, и как элементов радиоэлектронной аппаратуры (РЭА), функционирующих в широком диапазоне частот (например, от нулевой частоты до 100 МГц и выше). Далее дается определение реальным элементам К, С, Ь в этих цепях.

Резистор. На рис. 3.1 приведено графическое изображение резистора.

Рис. 3.1. Графическое изображение резистора

Резистор — это пассивный элемент электрической цепи, преобразующий электрическую энергию в тепловую, в результате чего создаются потери в электропроводности в виде сопротивления на пути электрического тока, определяемого формулой

где р — удельное сопротивление металлического проводника (материала резистора), измеряемое в системе СИ в Ом-м или в инженерной записи в Ом-мм²/м; I — его длина, м; 5 — площадь сечения, м² (или мм²).

Конденсатор. На рис. 3.2 приведено графическое изображение конденсатора.

Рис. 3.2. Графическое изображение конденсатора постоянной емкости по ГОСТ 2.728—74 ЕСКД

Конденсатор — это реактивный емкостной элемент электрической цепи, в которой энергия переменного тока колеблется, переходя от источника в электрическое поле конденсатора и обратно, в результате чего создается емкостное сопротивление Х_с =---(Ом),

и/С определяемое током і (зарядом) и напряжением и_с на элементе, т. е.

где С — емкость конденсатора в фарадах (Ф).

В таких цепях ток по фазе всегда опережает напряжение на 90° (рис. 3.3).

Рис. 3.3. Конденсатор в цепи переменного напряжения (а), его векторная (6) и временная (в) диаграммы

Конструктивно конденсатор (рис. 3.4) — это две электропроводящие обкладки с разноименными зарядами, разделенные диэлектриком, который и сохраняет этот заряд. Материалы диэлектрика: керамика, слюда, тантал и полистирол, а также такие изоляторы, как воздух, бумага и пластик, эффективно предотвращающие соприкосновение обкладок конденсатора друг с другом.

Рис. 3.4. Схематическое изображение заряженного конденсатора 68 мкФ х 400 В (слева) и его реальный вид (справа)

Единица емкости фарад достаточно велика, в инженерной практике в основном используются значения в микрофарадах (10^-6 Ф), нанофарадах (10~⁹ Ф), и пикофарадах (10~¹² Ф).

В цепи постоянного тока конденсатор (без утечки) имеет практически бесконечное сопротивление, т. е. представляет фактически «разрыв».

В условиях переходных процессов в такой цепи имеет место накопление заряда. Само понятие «емкость конденсатора» характеризует его способность накапливать электрический заряд.

Свойства заряда и разряда конденсаторов применяются во многих электронных промышленных и бытовых устройствах и цепях (например, в известных дифференцирующих (ДЦ) и интегрирующих (ИЦ) цепях, в формирователях импульсов различной формы, в простейших светодиодных фонарях и т. д).

Катушка индуктивности. Графическое изображение катушки индуктивности приведено на рис. 3.5.

Рис. 3.5. Графическое изображение катушки постоянной индуктивности по ГОСТ 20718—75 ЕСКД

Катушка индуктивности — это реактивный индуктивный элемент электрической цепи, в которой энергия переменного тока колеблется, переходя от источника в энергию магнитного поля катушки и обратно, и создающий индуктивное сопротивление Х_ъ = - шЬ (Ом) переменному току за счет появления ЭДС самоиндукции вследствие колебания тока, т. е.

где I — индуктивность катушки, в генри (Гн); со — циклическая частота, 1/с (число колебаний за период частоты, т. е за 2 л/= 6,28 с).

В такой цепи ток в катушке по фазе всегда отстает от напряжения на 90° (рис. 3.6).

Рис. 3.6. Катушка индуктивности в цепи переменного напряжения (а), ее векторная (6) и временная (в) диаграммы

В цепях постоянного тока идеальная катушка индуктивности имеет очень малое омическое сопротивление, определяемое количеством витков катушки и диаметром провода намотки, т. е. при большом диаметре провода представляет практически короткое замыкание (КЗ).

Как и конденсатор, в условиях переходных процессов катушка имеет свойства накопления энергии, хотя в меньшей степени, чем конденсатор, что также используется во многих импульсных цепях и устройствах.

33. Измерение /?, і, С

Измерение сопротивлений. Следует знать методику правильного включения амперметра и вольтметра при измерении сопротивлений резисторов для эффективного уменьшения погрешности измерений. На рис. 3.7 приведены правильные схемы включения.

Рис. 3.7. Схемы включения амперметра и вольметра

Схема на рис. 3.7, а применима для измерения малых К_х <^Ку, т. е когда Ку уже не играет никакого значения (обычно Ку ~ 10— 100 кОм и выше). Здесь и ~ 11у~ и_х. Для этой схемы имеем

Схема на рис. 3.7, б применима для измерения больших К_х » К_А, т. е. когда К_А для К_х не будет играть никакой роли (К_А = 0,1—10 Ом и ниже). Для этой схемы имеем

Измерение индуктивности и емкости. Измерение индуктивности и емкости проводится методом ваттметра. Схема измерений приведена на рис. 3.8.

Для этой схемы имеем:

Рис. 3.8. Схема измерения индуктивности и емкости методом ваттметра

Мостовые схемы для точных измерений. Мостовые (нулевые) методы измерений относятся к наиболее точным методам, поскольку используют известное свойство равновесия моста: ток в диагонали моста равен нулю, если произведения противоположных плеч моста равны друг другу. Существует ряд модификаций для измерения параметров катушек индуктивности и емкости конденсаторов на переменном токе. Например, широко применяется схема для точного измерения емкости конденсатора, показанная на рис. 3.9.

Рис. 3.9. Мостовая схема измерения емкости методом амперметра.

Вариант 1

Для этой схемы имеем:

где Б._х — активная составляющая потерь (утечка) конденсатора;

С_о — образцовая (эталонная) емкость конденсатора.

Другая схема измерения индуктивности катушки и ее измеряемые параметры показаны на рис. 3.10.

Для этой схемы:

где С_о — образцовая (эталонная) емкость; Я_х — омическое сопротивление обмотки катушки.

Рис. 3.10. Мостовая схема измерения емкости методом амперметра. Вариант 2

Погрешность мостовых методов измерения составляет малую величину (порядка 1—3 %), пределы измерения индуктивности — 0,1— 1000 Гн, емкости — 0,1 нФ — 100 мкФ, сопротивлений резисторов — 0,1 Ом — 100 МОм.

Вопросы и задания для самоконтроля

• 1. Что называется измерительной цепью и какие различают их виды?
• 2. В чем заключается отличие обычной электрической цепи от измерительной?
• 3. Что называется резистором, конденсатором и катушкой индуктивности в измерительной цепи?
• 4. Что называется реальным (не идеальным) резистором электрической цепи и каково его сопротивление в общем случае для постоянного и переменного токов?
• 5. Что такое реальный (не идеальный) конденсатор электрической цепи и как определяется его емкостное сопротивление в цепи переменного тока?
• 6. Каким свойством обладает конденсатор в цепи постоянного тока и каково его свойство в режиме переходных процессов? Где часто используется данный режим?
• 7. Что такое реальная (не идеальная) катушка индуктивности электрической цепи и как определяется ее индуктивное сопротивление в цепи переменного тока?

• 8. Каким свойством обладает катушка индуктивности в цепи постоянного тока и каково ее свойство в режиме переходных процессов? Где может использоваться данный режим?
• 9. Как правильно включить ампереметр и вольтметр при измерении больших и малых сопротивлений резисторов для уменьшения погрешностей измерений?
• 10. Как правильно включить амперметр, вольтметр и ваттметр при измерении индуктивности и емкости методом ваттметра?
• 11. Изобразите одну из известных вам мостовых схем для точного измерения индуктивности или емкости методом амперметра. Чему равны С или Ь в этой схеме?