Выполнение лабораторной работы

1. По заданию преподавателя произвести измерение величин сопротивлений тремя ниже рассмотренными методами. По результатам измерения рассчитать абсолютную и относительную погрешности и определить, к какому классу точности можно отнести выданные преподавателем сопротивления по величине погрешности.

2. Найти опытным путем относительную чувствительность моста при измерении сопротивления. По результатам измерений чувствительности моста определить соответствующий ему класс точности

Содержание отчета

1. Цель работы.

2. Задание по работе.

3. Структурные схемы измерительных приборов, их технические характеристики.

4. Порядок выполнении работы, необходимые расчеты и таблицы.

5. Подробные выводы о проделанной работе.

58

Контрольные вопросы

1. Какие методы измерения сопротивления постоянному, току Вы знаете?

2. Объясните работу одинарного моста.

3. Что понимают под чувствительностью моста?

4. Чем отличается измерение сопротивлении с помощью омметра и измерение сопротивления с помощью моста?

5. Какие вида погрешности измерений сопротивлении Вы знаете?

6. Назовите косвенные виды измерения сопротивлений.

7. Что такое абсолютная методическая погрешность?

6. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №5

ИЗУЧЕНИЕ УНИВЕРСАЛЬНОГО МОСТА Е2 – 12

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Целью лабораторий работы является ознакомление с универсальным мостом Е2 – 12 и проведение с его помощью измерений основных параметров емкостей, индуктивностей и постоянных сопротивлений.

КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Универсальный мост типа E12-2 предназначен для измерения сопротивлений на постоянном токе, емкостей и тангенсов угла потерь на частотах 100 и 1000 Гц, индуктивностей и добротностей катушек на частотах 100 и 1000 Гц. Измерение индуктивностей можно производить также и на других частотах при питании моста от внешнего генератора.

Пределы величин, измеряемых прибором, перекрываются семью поддиапазонами (табл. 9)

Пределы измерений добротности - от 1 до 100, а тангенса угла потерь - от 0,002 до 0,1. Шкала переключателя поддиапазонов указывает наименование единицы измерения и множи-

59

тель, на который следует умножить отсчёт, производимой по нумератору и шкале плавной настройки

Таблица 9

Диапазон	Пределы измерений
	сопротивлений, Ом	ёмкостей, мкФ	индуктивностей, Гн
Весь диапазон
1-й поддиапазон
2-й поддиапазон
3-й поддиапазон
4-й поддиапазон
5-й поддиапазон
6-й поддиапазон
7-й поддиапазон

Измерение сопротивлений производится на постоянном токе. Измерение емкостей до 10 мкФ и индуктивностей до 1 Гн производится на частоте 1000 Гц, а свыше 10 мкФ и 1 Гн - на частоте 100 Гц. Измерение добротности (Q) и тангенса угла потерь ( ) и про­изводится на частотах 100 и 1000 Гц. Измерение Q в диапазоне 1-30 производится на частоте 1000 Гц.

Погрешность измерений приборов не превышает значений, указанных в табл.10.

При питании моста от внешнего генератора погрешность измерения индуктивностей в пределах Гн на часто-

60

тах 100-3000 Гц составляет не более , где L - измеряемая индуктивность.

Таблица 10

Измеряемая величина	Диапазон величин	Частота, Гц	Величина погрешности, %
Сопротивление, Ом		0	, где P - измеряемое сопротивление, Ом
		0
Ёмкость, мкФ		1000	, где С – измеряемая ёмкость, Ф
		100
Индуктивность, Гн		1000	, где L - измеряемая индуктивность, мкГн
		100
		100
Тангенс угла потерь		1000	, где - измеряемая величина тангенса угла потерь
Добротность		1000 100	, где Q - измеряемая величина добротности
		100

Питание прибора осуществляется от сети переменного то­ка напряжением 220В 10 % частотой 50 0,5 Гц.

Мощность, потребляемая от сети, не превышает 40 ВА.

Среднее время безотказной работы прибора (Тср) составляет 350 ч.

61

Принцип действия Е2 - 12.

Измерительная часть прибора представляет собой четырёхплечный мост (рис.10). Переключая соответствующим образом плечи моста, получают три основные измерительные схемы для измерения R, С и L, так называемые мосты R, С и L. При измерении сопротивления плечи моста представляют собой активные сопротивления. При измерении емкостей и индуктивностей два из четырех плеч моста являются комплексными. Все три моста имеют одно и то же отсчетное плечо, что дает возможность сделать для прибора единое отсчетное устрой­ство при измерении сопротивления, емкости и индуктивности. Плечо переключения поддиапазонов ("множитель") также является единым для всех мостов.

Мосты индуктивности и емкости отличаются друг от друга тем, что компенсация сдвига фаз находится у них в разных плечах (изменение схемы достигается простой коммутацией моста) и тем, что компенсация сдвига фаз для моста емкостей осуществляется плечом с последовательным соединением ёмкости и фазирующего сопротивления, а для моста индуктивности при измерении катушки индуктивности с добротностью до 30 - плечом о параллельным соединением емкости и фазирующего сопротивления.

Рис. 10. Измерительная часть Е2 - 12

При измерении катушек с добротностью свыше 30 применяется схема последовательного соединения ёмкости и фазирующего сопротивления.

62

Питание моста осуществляется переменным током частотой 100 или 1000 Гц или постоянным током (для моста сопротивлений).

При пользовании внешним генератором выход его присоединяется к зажимам прибора ВНЕШНИЙ ГЕНЕРАТОР.

При измерении сопротивлений равновесие достигается регулировкой ручек МНОЖИТЕЛЬ и ОТСЧЕТ, При измерении емкостей и индуктивностей равновесие моста достигается регулировкой соответствующих ручек МНОЖИТЕЛЬ, ОТСЧЕТ и « ».

Прибор собран по блочной системе и состоит из четырех блоков: генератора, выпрямителя, индикатора и блока мостов.

При измерении сопротивлений применяется схема одинарного четырёхплечевого моста постоянного тока.

Принципиальная схема моста для измерения сопротивлений на постоянном токе (мост R) показана на рис. 11.

Рис. 11. Мост для измерения сопротивлений.

Измеряемое сопротивление R, включается в первое плечо (1-2). Чтобы обеспечить диапазон измерения от 0,1 Ом до 5 мОм, второе плечо (2-3) имеет семь резисторов (R₂), коммутируемых переключа­телем МНОЖИТЕЛЬ и образующих соответствующие поддиапазоны. Пле­чом сравнения (третье плечо 3-4) является резистор 1000 Ом (R₃). Четвертое плечо (1-4) со-

63

стоит из отсчетного потенциометра и последовательно с ним включенных четырех резисторов, образующих сумматор. Это плечо является отсчетным (R₄).

Условие равновесия при измерении сопротивлении:

(17)

Напряжение питания моста подводится к точкам 1-3 от выпрямителя, находящегося в блоке генератора. Регулировка напряжения питания производится ручкой РЕГ. НАПРЯЖЕНИЯ.

На выходной диагонали моста включен вибропреобразователь, служащий для преобразования постоянного тока в переменный, частотой 100 Гц, который поступает на вход усилителя индикатора равновесия.

Принципиальная схема моста для измерения емкостей показана на рис. 12.

Рис. 12. Мост для измерения емкостей

В первое плечо моста включается емкость. Второе плечо "множитель" остается тем же, что и в мосте постоянного тока. Третье плечо является отсчетным для величины емкости и остается таким же, как четвертое плечо в мосте постоянного тока. Четвертое плечо служит для компенсации сдвига фаз при наличии потерь в измеряемом конденсаторе, это плечо содержит отсчетный потенциометр, градуированный в величинах тангенса угла потерь. Последовательно с сопротивлением включается емкость 0,1 мкФ при работе моста на чистоте 100 Гц.

64

Условия равновесия при измерении напряжения:

и (18)

Напряжение питания подается на диагональ 1-3 от внутреннего генератора частоты 100 или 1000 Гц с симметричным выходом.

Напряжение, подаваемое от генератора, регулируется ручкой РЕГ. НАПРЯЖЕНИЯ, к выходной диагонали подключен индикатор.

Переключение частоты генератора и соответственно избирательных цепей индикатора и образцовых ёмкостей в четвертом плече моста производится ручкой ЧАСТОТА Hz.

Принципиальные схемы моста для измерения индуктивностей показаны на рис. 13 и 14.

Рис. 13. Мост для измерения индуктивностей с добротностью менее 30

Схема, изображенная на рис.13, применяется при измерении индуктивностей, имеющих добротность менее 30. Она почти совладает со схемой моста для измерения емкости с той лишь разницей, что четвертое плечо становится третьим, а третье – четвертым и переменное сопротивление присоединяется параллельно образцовой емкости.

Подача напряжения и все коммуникации осуществляются точно таким же образом, как и в мосте ёмкостей.

Условия равновесия при измерении индуктивностей:

и при (19)

65

Для измерения индуктивностей с добротностью более 30 применяется схема последовательного соединения R и C (рис.14).

Отсчет производится по шкале , а добротность опре­деляется:

(20)

Рис. 14. Мост для измерения индуктивностей с добротностью более 30

Генератор предназначен для питания мостов, измеряющих емкости и индуктивности.

Генератор на 1000 Гц выполнен по трёхточечной схеме, где контуром генератора является обмотка автотрансформатора и конденсатора.

Колебания генератора усиливаются усилителем, выполненным по трансформаторной схеме.

Усилитель является буферным каскадом, устраняющим реакции нагрузки на генератор со стороны моста.

Напряжение частоты 100 Гц получается удвоением частоты сети 50 Гц. В качестве удвоителя используется мостовая схема двухполупериодного выпрямителя на полупроводниковых диодах. Полученная после выпрямления гармоника 100 Гц фильтруется трехзвенным RC-фильтром.

Оба каскада блока генератора используются на частоте 100 Гц в качестве усилителя.

66

Выходное напряжение генератора регулируется резистором, включенным в цепь буферного каскада. Выход генератора на мост симметричный .

Прибор дает возможность использовать для питания моста напряжение от внешнего генератора, который подключается к зажимам ВНЕШНИЙ ГЕНЕРАТОР.

Переключение частот производится ручкой ЧАСТОТА Hz.

Индикатор равновесия моста предназначен для определения равновесия моста нулевым методом.

В качестве указателя используется магнитоэлектрический прибор типа М494.

От индикатора требуется большая чувствительность при слабых сигналах, т.е. при подходе к равновесию моста, и, наоборот, резкое уменьшение чувствительности при разбалансировке моста, чем исклю­чается перегрузка стрелочного индикатора при больших входных сигна­лах. Для этой цели в схеме усилителя индикатора имеется автомати­ческая регулировка усиления.

Выпрямитель предназначен для питания генератора и индикатора. Выпрямитель выполнен по мостовой двухполупериодной схеме. Питание выпрямителя производится через трансформатор от сети переменного тока частотой 50 Гц напряжением 220 В.

На передней панели универсального измерительного моста Е2 - 12 имеются следующие органы управления:

Ручка ОТСЧЕТ, переключающая последовательно соединенные резистором (находится под окошком для цифр отсчета).

Ручка отсчётного потенциометра ОТСЧЕТ (расположена под отсчётной шкалой.

Ручка РЕГ. НАПРЯЖЕНИЯ для плавной регулировки выходного напряжения генератора.

Ручка ЧАСТОТА переключателя частоты генератора.

67

Ручка « » переключателя отсчетных шкал доброт­ности и тангенса угла потерь.

Ручка переключателя поддиапазонов МНОЖИТЕЛЬ (расположена под окошком, соответствующим каждому поддиапазону и виду измерения).

Ручка переключателя измерительных мостов с надписью ВИД ИЗМЕРЕНИЯ с обозначениями "R", "C", "L".

Ручка резистора с надписью УСТ.НУЛЯ для установки нуля прибора перед уравновешиванием моста.

Кнопка с надписью НАЖАТЬ (используется при измерении напряжения на катушках индуктивности внешним ламповым вольтмет­ром и при установке прибора на электрический "0").

Тумблер включения сети с надписью СЕТЬ.

Клеммы для подключения измеряемого объекта "R-C-L".

Клеммы для подключения внешнего лампового вольтметра ВНЕШНИЙ ЛАМПОВЫЙ ВОЛЬТМЕТР.

Клеммы для подключения внешнего генератора ВНЕШНИЙ ГЕНЕРАТОР.

Подготовка прибора к работе

1. Включить шнур питания в сеть.

2. Проверить установку механического нуля прибора и, если нужно, установить корректором стрелку индикатора на нуль.

3. Включить прибор тумблером СЕТЬ .

4. Ручку PЕГ. НАПРЯЖЕНИЯ установить в крайнее левое положение.

5. Через 15 мин. после включения прибора можно приступить к измерениям.

Методика работы с прибором.

При измерении малых величин R, C и L следует учитывать сопротивление, емкость и индуктивность соединительных проводов.

Кроме того, при измерении емкости конденсаторов до 1000 пФ, подключаемых непосредственно к клеммам "R-C-L",

68

необходимо учитывать емкость самой мостовой схемы прибора. Отсчет этой емкости производится по шкале прибора на частоте 100 Гц и диапазоне 100 пФ.

Для измерения начальной емкости установить: ручки отсчета "С" и " " в нулевое положение, ручки регулировки напряжения в крайнее правое положение.

Произвести балансировку моста, т.е. добиться минимума показаний индикатора. Показания шкалы отсчетного устройства соответствуют собственной ёмкости мостовой схемы (2-3 пФ).

При дальнейших измерениях емкости конденсатора измеренную начальную емкость мостовой схемы следует вычесть из показаний прибора

В процессе эксплуатации прибора для уменьшения погрешностей, вносимых за счет переходных сопротивлений переключателей и отсчетных потенциометров, рекомендуется перед началом измерений произвести их десятикратное перемещение от одного крайнего положения в другое.

Измерение активных сопротивлений

Для измерения номиналов сопротивлений, полученных у преподавателя, необходимо выполнить следующее:

1. Подключить измеряемый объект к клеммам "R-C-L". Установить переключатель ВИД ИЗМЕРЕНИЯ в положение "С" или "L" и при нажатой кнопке НАЖАТЬ установить стрелку прибора на нуль ручкой с надписью УСТ.НУЛЯ.

2. Установить переключатель ВИД ИЗМЕРЕНИЯ в положение "Р".

3. Ручкой РЕГ.НАПРЯЖЕНИЯ установить стрелку прибора в пре­делах шкалы.

4. Установить сумматоре положение "1". Второй ручкой отсчета установить на плавной шкале цифру 0.5.

5. Переключателем МНОЖИТЕЛЬ найти положение, при котором прибор дает минимальное показание.

69

6. Ручками, объединенными надписью ОТСЧЕТ (переключатель отсчета в отсчетный потенциометр), уравновесить мост, т.е. добиться наименьшего показания на указателе равновесия.

7. Произвести отсчет измеренной величины сопротивления.

Измеренная величина сопротивления равна сумме отсчетов по шкале переключателя отсчета и по шкале отсчётного потенциометра, умноженной на соответствующий множитель.

Измерение емкости

Для измерения набора ёмкостей, выданных преподавателем, необходимо:

1. Подключить измеряемый объект к клеммам "R-C-L". Остановить переключатель ВИД ИЗМЕРЕНИЯ в положение "С".

2. Установить переключатель " " в положение " ".

3. Ручкой с надписью УСТ. НУЛЯ установить стрелку прибора на нуль при нажатой кнопке НАЖАТЬ.

4. Ручкой РЕГ. НАПРЯЖЕНИЯ установить стрелку прибора в пределах шкалы.

5. Установить сумматор в положение "1". Второй ручкой устано­вить на плавной шкале цифру 0,5. Шкалу отсчета тангенса угла по­терь установить, примерно, в положение 0,002-0,005.

6.Переключателем МНОЖИТЕЛЬ найти положение, при котором стрелка прибора даст минимальное показание.

7. Ручками, объединивши надписью ОТСЧЕТ, а также ручкой отсчетного потенциометра тангенса угла потерь установить мост, т.е. добиться наименьшего показания на указателе равновесия.

8. Произвести отсчет измеряемой величины ёмкости и тангенса угла потерь. Измеренная величина емкости равна сумме отсчетов по шкале переключателя отсчета и по шкале

70

потенциометров отсчета, уменьшенной на соответствующий множитель.

Измеренная величина тангенса угла потерь отсчитывается непосредственно по шкале " ". При измерении тангенса угла потерь прибор обеспечивает точность измерения без использования сумматора для уравновешивания моста.

Погрешность измерения для С<100 пФ не нормируется. При измерениях на частоте 100 Гц отсчет ёмкости дополнительно должен быть умножен на 10.

Измерение индуктивности

Для измерения набора катушек индуктивности необходимо:

1. Подключить измеряемый объект к клеммам "R-C-L". Установить переключатель ВИД ИЗМЕРЕНИЯ в положение L.

2. Установить переключатель " " в положение "Q" для катушек индуктивности с добротностью до 30 или в положение " " для катушек индуктивности с добротностью больше 30.

3. Ручкой с надписью УСТ. НУЛЯ установить стрелку прибора на нуль при нажатой кнопке НАЖATЬ.

4. Ручкой PEГ. НАПРЯЖЕНИЯ установить стрелку прибора в пределах шкалы.

5. Установить сумматор в положение "1", второй ручкой отсче­та установить на плавной шкале цифру 10. Шкалу добротности установить, примерно, на цифру 1-30.

6. Переключателем МНОЖИТЕЛЬ найти положение, при котором стрелка прибора дает минимальное показание.

7. Ручками, объединенными надписью ОТСЧЕТ, а также ручкой отсчетного потенциометра добротности или тангенса угла потерь уравновесить мост, т.е. добиться наименьшего показания на указателе равновесия.

Отсчет величины индуктивности равен сумме отсчетов и по шкале переключателя отсчета и по шкале отсчетного потенциометра, умножен­ной на соответствующий множитель.

71

Отсчет добротности производить по шкале "Q " при Q<30 или по шкале " " при Q>30, тогда .

При измерении добротности прибор обеспечивает точность изме­рения без использования сумматора для уравновешивания моста.

При измерениях на частоте 100 Гц отсчет L дополнительно, должен быть умножен на 10.

Примечание. При измерении катушек индуктивности с ферромагнитными сердечниками измеренная величина индуктивности и добротности зависит от величины напряжения на катушке индуктивности, поэтому рекомендуется производить измерения при наименьшей возможной чувствительности, обеспечивающей уравновешивание моста.

Измерение индуктивности при питании моста от внешнего генератора

1. На клеммы прибора с надписью ВНЕШНИЙ ГЕНЕРАТОР подать напряжение от внешнего генератора частотой 100 - 3000 Гц.

2. Установить переключатель прибора ЧАСТОТА HZ в положение ВНЕШН.

3. Произвести уравновешивание моста и снять отсчет так же, как при работе с собственным генератором.

Рекомендуется для большей точности измерений экранировать измеряемую катушку индуктивности от влияния внешних полей.