2.5 Бірдей өлшемді шкалалы микрофарадметрлер

Бірдей өлшемді шкалалы микрофарадметр сыйымдылықты жиілікті өлшеуішке ұқсас схемалармен орындалуы мүмкін, негізінен соңғыларынан тек өлшеу объектісімен ғана ерекшеленеді, мұнда өлшеу объектісі жиілік емес, сыйымдылық болып табылады. Мұндай аспаптардың әрекеті орташа мәнді ток зарядын, тексерілетін конденсатор разрядын немесе жиілігі белгілі артық зарядталған кернеуді өлшеуге негізделеді.

2.5.1 (а) – суретте импульсті кернеумен қоректенетін формасы тікбұрышты өлшеуіш микрофарадметр блог схемасы келтірілген. Бұл кезде диод Д арқылы импульстің әрекетінен конденсатор С_х максимал кернеуге U_м дейін зарядталып шығады. Конденсатор импульстар аралығында өлшеуіш арқылы (магнитті электрлік микроамперметр) бастапқы кернеуге U_н дейін разрядталады. Жиілік кезінде орнатылған режимде кіріс импульстарының f қайталануы және олардың амплитудасының U_п= U_м - U_н орташа мәні ағып өтетін өлшеуіш ток арқылы I_x = C_xU_пf. U_п және f белгіленген мәндерінде өлшеуішті бірдей өлшемді шкала есебімен С_х мәнінде мына формулаға сәйкес жабдықтауға болады:

C_х = I_х /(U_пf) (2.5.1)

Өлшенетін сыйымдылықтардың шекті мәні

C_п = I_и/(U_пf) (2.5.2)

Мұндағы, I_и – өлшеуіштің толық ауытқу тогы. Пульсацияны икемдеу және өлшеуіштің тілін тербелістен жою үшін R_и өлшеуіштің кедергісінен f жиілік кезінде едәуір кіші болатын, конденсатор С қызмет етеді. Егер өлшеуішті диодпен Д2 тізбектей заряд тогына қоссақ, нәтижелер өзгермейді. (2.5.1 – (в) сурет); сол кезде конденсатордың разрядталатын тогы С_x диод Д1 арқылы тұйықталады. Өлшеуiштiң екi жартылай периодты қосу схемаларын аз сыйымдылықтарды өлшеуде кейде қолданады (2.5.1 – (в) сурет). Бұл жағдайда өлшеуіш арқылы зарядталған және разрядталған токтар ағады, бұл U_п кернеуде немесе жиілікте f бір жартылай периодты қосу схемаларынан екі есе кіші талап етiлетiн өлшеу шегiн алуға рұқсат бередi [5].

а)

б) в)

2.5.1 – сурет. Бiрдей өлшемдi шкаламен микрофарадметрдің блоктарын

өлшеу схемалары

Аспаптың өлшеу шектері С_п мәнімен беріледі және олар үшін шектерді ауыстырып қосуды қамтамасыз ету кезінде қоректендiру көзiнiң импульстары қайталау жиiлiгiн өзгертедi.

Ол мына формуламен анықталады:

f = I_и(Uп∙Cп) (2.5.3)

Әрбір шекте өлшеу басында микрофарадметр калибровкасы жүргізілуі керек, бұл үшін Кн кносапкасын басып конденсатор сыйымдылығын С_о = С_п жалғайды. Бұл ретте жиіліктің f бірқалыпты реттелуі импульстік амплитуда U_п арқылы шкала өлшеуіштің тілін ауытқу шегіне немесе өлшеуіштің сезгіштігіне дейін жеткізеді (мысалы, шунтирленген реостат көмегімен R_ш). Аспап шкаласы бірдей өлшемді болғандықтан, онда сыйымдылықты өлшеу қателігі негізгі талап етілетін номиналдан (С_п) ауытқуы 1...5% аспауы керек болатын сыйымдылықты С_о таңдап алудың қателігімен анықталады.

Өлшеудің дұрыс нәтижелерін алу үшін бір период ішінде кіріс кернеу және конденсатор С_х толық зарядталып және разрядталып (U_м - U_н кернеу шегінде) үлгеруі керек. Бұл формасы тік төртбұрышты кіріс импульстары және оларға тиісті қайталанатын жиілікті f таңдау кезінде оңай қамтамасыз етіледі.

Тізбекте белгілі R және С элементтерінен тұратын конденсатор С зарядының ұзақтығы бұл тізбекке қосымша тіркелген мәні тұрақты уақыт арқылы тұрақты кернеу анықталады τ = RC және бұл іс жүзінде 5τ аспауы керек. Жартылай период кезінде T/2 жиілік кернеуінің заряды аяқталуы үшін, мына шарт орындалуы тиіс 5RС = 5 τ <= T/2 = 1/(2∙f) бұл жиілік кезінде қанағаттандырады:

f <= 1/(10∙RС)   (2.5.4)

Заряд және разряд тізбектеріндегі максимальды мүмкін кедергіні R = 10 кОм қабылдай отырып, импульстарды қайталау жиілігін таңдау үшін іс жүзінде формуласын аламыз (килогерцте):

f ≤ 10⁴ / С_п       (2.5.5)

мұндағы С_п – пикофарад, соңғы шартта әдетте тепе – теңдік белгісі қабылданады. Сол кезде өлшеудің жоғарға шегі С_п - 100, 1000, 10 000 пФ и 0,1 мкФ сәйкесінше жиілікке жауап береді f = 100, 10, 1 и 0,1 кГц.

(2.5.5) шарт және (2.5.3) формула қажеттi импульстiк амплитудаларды анықтайды (вольтте):

U_п ≥ 0,1∙I_и (2.5.6)

мұндағы I_и – микроампер, мысалы толық ауытқу тогы бар өлшеуішпен жұмыс кезінде I_и = 100 мкА, U_п ≥ 10 В амплитуданы қажет етеді.

R_д + R_и тізбегіндегі өлшеуіш кедергісі тура диод Д кедергісі мәнінен артық болуы үшін R_д резистор кедергісі осылай алынады (2.5.1– (а) сурет). Оған қоса, бұл тізбектегі разрядтың ортақ кедергісін рұқсат етілген мәнінен (10кОм) артық үлкейтпеуі керек. Егер екі шартта бір уақытта қанағаттандырмаса, онда R_д резисторды ток разрядын өткізетін диодпен алмастырылады, бұл кезде өлшеуіш 2.5.1 – (б) суретіндегі схемаға сәйкес қосылған болады. Аспапты өлшеу кезінде схемаға тәуелді генератор тұрақты, реттелетін және сызықты емес болуы мүмкін және де генератор импульсінің шығыс кедергісі R_вых сипаттамасын ескереді.

Қарастырылып отырған микрофарадметр әдетте жоғарғы жиілікті қайталау және паразитті байланыс әсерінен, тік төртбұрышты импульсті шығарудың қиындығынан С_п 100пФ кем емес өлшеу шегінде болады.

Үлкен сыйымдылықты өлшеу ауқымын кеңейтуде қиындықтар пайда болады. Мысалы, (2.5.5) шартқа сәйкес жоғарғы шек мәнін таңдауда С_п = 1 и 10 мкФ, сәйкесiнше 10 және 1 гц қайталаудың жиiлiктерiмен импульсті сұлбаны қоектендіруді талап етедi, дегенмен өлшеуiш бойымен есептеу бұл ретте конденсатор сыйымдылығының көбеюімен және тілшенің қатты тербелуінен мүмкін емес болады.

Үлкен сыйымдылықты өлшеуіш схемасын өлшеу кезінде әдетте 50Гц қайталанатын жиілікті импульспен қоректендіреді (оларды айнымалы токтағы кернеу желісімен оңай алуға болады). Бірдей уақытта (2.5.4) шарттың орындалуы үшін тұрақты уақыттағы тізбек зарядын және разрядын төмендету ең төменгі импульс бастауындағы шығыс кедергісімен (ондық Ом) және шунтирленген өлшеуіш арқылы таңдалады. Соңғы өлшеуіштің тілшесі барлық шкалаға ауытқуын шақыратын разрядты токтың бірнеше миллиамперге көбеюіне әкеледі, бұл теңдіктің (2.5.3) орындалуын жеңілдетеді. Зарядтың және разрядтың коммутациялық тізбегі кіріс импульстарымен автоматты түрде басқарылуы керек.

Бірдей өлшемді сыйымдылық шкаласынан басқа, микрофарадметрлер бірдей өлшемді емес , көрсеткіші 0 мен ∞ арасындағы диапазонды шкалаға, және осындай параллельді омметр схемалар шкаласына ие болуы мүмкін. Шкала сипаттамасы (бірдей өлшемді – Р, бірдей өлшемді емес – Н) 2.5.1 – (а) суреттегі схемада ажыратып – қосқышты В1 орнатумен анықталады. Соңғы жағдайда «Н» сыналатын конденсатор аспаптың сыйымдылық қоятын өлшеу шегін және оның бірсызықты емес шкаласында шамамен сәйкес келетін С_х тірек конденсаторымен С_о тізбектей қосылады.

Бірдей өлшемді сыйымдылықты өлшеу шкаласы басқада әдістермен алынуы мүмкін. Егер мультивибратордың шығысына дифференциалдық тізбекті R, С_х қоссақ, онда резистордан R алынатын бір полярлы орташа кернеу импульсі сыйымдылыққа С_х пропорционал болады. Мұндай аспапта жұмыс істеу үшiн тұрақты токтың сезгiш милливольтметрi талап етіледi. R резистор кедергісі өлшеу шектерінде берілуі мүмкін. Импульсті қайталау жиілігінде

f = 100 кГц жоғары жиілікті өлшеу шегі С_п = 10 және 100 пФ алынған.

3 - мысал. Микрофарадметр өлшеуішінің блогы егер аспапты өлшеуіш мына мәндерге I_и = 50 мкА, R_и = 2600 Ом ие болса, бірдей өлшемді шкала есебін шамамен (2.5.1 – (а) сурет) жоғарғы шекті өлшеу үшін 300 және 3000 пФ, 0,03 және 0,3 мкФ.

Жауабы: 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.