Электрические цепи представляют собой совокупность соединенных друг с другом элементов - источников электрической энергии и нагрузок в виде резисторов, катушек индуктивности, конденсаторов. При определенных допущениях эти нагрузки можно рассматривать как линейные пассивные двухполюсники с сосредоточенными постоянными, характеризуемые некими идеальными параметрами - сопротивлением R , индуктивностью L , емкостью С .

С учетом остаточных параметров конденсатор, катушку индуктивности или резистор можно характеризовать некоторым эффективным значением емкости, индуктивности, сопротивления, которые зависят от частоты. Поэтому эффективные параметры компонентов необходимо измерять на рабочих частотах, если их влиянием на результат измерения нельзя пренебречь.

В зависимости от объекта измерений, требуемой точности результата, диапазона рабочих частот и других условий для измерения параметров двухполюсников применяют различные методы и средства измерений. Наиболее распространенными являются следующие методы измерения: амперметра - вольтметра, непосредственной оценки, мостовой, резонансный и дискретного счета.

Метод амперметра - вольтметра

Измерение методом амперметра - вольтметра сводится к измерению тока и напряжения в цепи с измеряемым двухполюсником и последующему расчету его параметров по закону Ома . Метод может быть использован для измерения активного и полного сопротивления, индуктивности и емкости.

Измерение активных сопротивлений производится на постоянном токе, при этом включение резистора R Х в измерительную цепь возможно по схемам, представленным на рис. 13.1, а и б.

Достоинство метода заключается в простоте его реа-лизации, недостаток - в сравнительно невысокой точно-сти результата измерения, которая ограничена классом точности применяемых измерительных приборов и мето-дической погрешностью. Последняя обусловлена влияни-ем мощности, потребляемой измерительными приборами в процессе измерения, другими словами - конечным значением собственных сопротивлений амперметра R A и вольтметра R V . Выразим методическую погрешность че-рез параметры схемы.

В схеме рис. 13.1,а вольтметр показывает значение напряжения на зажимах R Х , а амперметр — сумму токов I V +I.

Следовательно, результат измерения R , вы-численный по показаниям приборов, будет отличаться от R Х :

Относительная погрешность измерения в процентах

Здесь приближенное равенство справедливо, так как при правильной организации эксперимента предполагается выполнение условия R V >>R Х.

В схеме рис.13.1,б амперметр показывает значение тока в цепи с R Х , а вольтметр - сумму падений напря-жений на R Х U и амперметре U A . Учитывая это, можно по показаниям приборов вычислить результат измере-ния:

Относительная погрешность измерения в процентах в данном случае равна:

Сравнивая полученные выражения относительных по-грешностей, приходим к выводу: в схеме рис. 13.1,а на методическую погрешность результата измерения оказы-вает влияние только сопротивление R V ; для снижения этой погрешности необходимо обеспечить условие ; в схеме рис. 13.1,б на методическую погрешность результата измерения оказывает влияние только R A ; снижение этой погрешности достигается выполнением условия Таким образом, при практическом ис-пользовании данного метода можно рекомендовать пра-вило: измерение малых сопротивлений следует произво-дить по схеме рис. 13.1,а; при измерении больших сопротивлений предпочтение следует отдавать схеме рис. 13.1, б .

Измерение полного сопротивления Z X выполняется на переменном токе частотой f (рис. 13.2). По показаниям вольтметра и амперметра определяют модуль полного сопротивления

где - показания вольтметра и амперметра.

Выполнив аналогично предыдущему анализ методической погрешности, придем к выводу, что схему, представленную на рис. 13.2, а, целесообразно применять при , а на рис. 13.2, б - при .

Измерение емкости и индуктивности методом амперметра - вольтметра может быть выполнено по схемам, аналогичным рис. 13.2, только с заменой Z X , соответственно, на С или L .

Емкостное сопротивление конденсатора

При измерении емкости этим методом необходимо знать частоту источника питания. Для измерения больших емкостей рекомендуется схема а), а для малых емкостей - схема б ).

Измерение индуктивности катушки методом амперметра - вольтметра возможно, если ее сопротивление R L значительно меньше реактивного сопротивления X L . При этом

Откуда .

Если требуется получить более точный результат, то необходимо учесть сопротивление катушки. Так как

Погрешности измерения параметров элементов цепей методом амперметра - вольтметра на низких частотах составляют 0.5-10%. Погрешности измерения возрастают с увеличением частоты.

Мостовой метод

Важным классом средств измерения, предназначенных для измерения параметров элементов электрических цепей методом сравнения, являются мосты. Сравнение измеряемой величины (сопротивления, емкости. Индуктивности) с образцовой мерой при помощи моста в процессе измерения может осуществляться вручную или автоматически, на постоянном или на переменном токе. Мостовые схемы обладают большой точностью, высокой чувствительностью, широким диапазоном измеряемых значений параметров. На основе мостовых методов измерения строятся средства измерения, предназначенные как для измерения какой-либо одной величины, так и универсальные аналоговые и цифровые приборы.

Одинарный мост постоянного тока

Простейшая схема одинарного моста представлена на рис.13.3. Четыре резистора R 1 ,R 2 ,R 3 ,R 4 (их называют плечами моста ) соединены в кольцевой замкнутый контур. Точки соединения сопротивлений называют вершинами моста .

Цепи, соединяющие противоположные вершины, называют диагоналями. Диагональ ab содержит источник питания и называется диагональю питания . Диагональ cd , в которую включен индикатор Г , называется измерительной диагональю . В мостах постоянного тока в качестве индикатора обычно используется гальванометр.

В общем случае зависимость протекающего через гальванометр тока I г от сопротивления плеч, сопротивления гальванометра R г и напряжения питания U имеет вид

Измерение сопротивления может производиться в одном из двух режимов работы моста: уравновешенном либо неуравновешенном. Мост называется уравновешенным, если разность потенциалов между вершинами c и d равна нулю, а, следовательно, и ток через гальванометр равен нулю.

Из (13.1) следует, что I г = 0 при

Это условие равновесия одинарного моста постоянного тока можно сформулировать следующим образом: для того, чтобы мост был уравновешен, произведения сопротивлений противолежащих плеч моста должны быть равны. Если сопротивление одного из плеч моста (например, R 1) неизвестно, то уравновесив мост путем подбора сопротивлений плеч , находим из условия равновесия

В реальных мостах постоянного тока для уравновешивания моста регулируются отношение и сопротивление плеча , которые, соответственно, называют плечами отношения и плечом сравнения.

В состоянии равновесия моста ток через гальванометр равен нулю и, следовательно, колебания напряжения питания и сопротивления гальванометра влияния на результат измерения не оказывают (важно лишь, чтобы чувствительность гальванометра была достаточной для надежной фиксации состояния равновесия). Поэтому основная погрешность уравновешенного моста определяется чувствительностью гальванометра, чувствительностью схемы, погрешностью сопротивлений плеч, а также сопротивлениями монтажных проводов и контактов.

При измерении малых сопротивлений существенным источником погрешности может явиться сопротивление проводов, с помощью которых измеряемый резистор подключается к входным зажимам моста, так как оно полностью входит в результат измерения. Поэтому нижний предел измерения одинарного моста ограничен значениями сопротивления порядка 1 Ом . Верхний же предел измерения 10 6 - 10 8 Ом ограничивается чувствительностью гальванометра. При больших значениях измеряемого сопротивления токи в плечах моста очень малы и чувствительности гальванометра недостаточно для четкой фиксации равновесия. Для измерения малых сопротивлений (от 1 до 10 -8 Ом ) применяют двойные мосты.

Двойной мост постоянного тока . Схема двойного моста представлена на рис. 13.4 .

Для исключения влияния сопротивлений соединительных проводов и переходных сопротивлений контактов измеряемое сопротивление присоединяется по четырехзажимной схеме включения: двумя токовыми зажимами в цепь источника питания моста, а двумя потенциальными - в измерительную цепь. Аналогичные зажимы имеет образцовое сопротивление . В цепь источника питания моста входит регулировочное сопротивление , измеряемое сопротивление , образцовое сопротивление (одного порядка по величине с ) и малого сопротивления .

Сопротивления плеч R 1 ,R 2 ,R 3 и R 4 , входящие в измерительную цепь, выбирают достаточно большими (сотни и тысячи Ом ), поэтому влияние сопротивлений монтажных проводов и переходных сопротивлений в контактах пренебрежимо мало.

При равновесии моста формула для определения сопротивления имеет вид

При соблюдении равенства

и достаточно малом сопротивлении вторым членом формулы (13.3) можно пренебречь. Тогда формула (13.3) упрощается до следующей

Равенство (13.4) должно соблюдаться постоянно, поэтому резисторы R 1 ,R 2 и R 3 ,R 4 регулируются при помощи спаренных органов управления. Резистор представляет собой короткий отрезок медной шины большого сечения.

Промышленностью выпускаются одинарные и одинарно-двойные мосты постоянного тока классов точности от 0.005 до 5.

Измерительные мосты переменного тока

Для измерения емкости, индуктивности, взаимной индуктивности и тангенса угла потерь конденсаторов применяются мосты переменного тока, схемы которых отличаются большим разнообразием. Кроме простых четырехплечих мостовых схем существуют и более сложные мостовые схемы. Эти схемы путем последовательных эквивалентных преобразований могут быть приведены к простой четырехплечей схеме, которая является, таким образом, основной.

Схема одинарного четырехплечего моста переменного тока приведена на рис. 13.5. Так как мост питается напряжением переменного тока, то в качестве индикатора в нем применяются электронные милливольтметры переменного тока, либо осциллографические индикаторы нуля.

В общем случае сопротивления плеч моста переменного тока представляют собой комплексные сопротивления вида . Аналогично соотношению (13.2) условие равновесия одинарного моста переменного тока имеет вид:

Записав это выражение в показательной форме, получим

где - модуль комплексного сопротивления; - фазовый сдвиг между током и напряжением в соответствующем плече.

Соотношение (13.5) распадается на два скалярных условия равновесия:

Отсюда следует, что в схеме моста переменного тока равновесие наступает только при равенстве произведений модулей комплексных сопротивлений противолежащих плеч и равенстве сумм их фазовых сдвигов. При этом нужно иметь в виду, что при изменении значений активных и реактивных составляющих одновременно изменяются и модуль, и фаза, поэтому мост переменного тока можно привести к состоянию равновесия лишь большим или меньшим числом переходов от регулирования одного параметра к регулированию другого.

Второе уравнение (13.6) показывает, какими по характеру должны быть сопротивления плеч мостовой схемы, чтобы обеспечить возможность ее уравновешивания. Так, например, если в двух смежных плечах включены активные сопротивления (φ

Мосты переменного тока работают обычно на низких частотах 100 Гц и 1000 Гц. При работе на повышенных частотах погрешности измерения резко возрастают.

При измерении сопротивлений в зависимости от их значений и необходимой точности измерения применяются различные способы.

Измерение сопротивлений методом амперметра – вольтметра. Метод определения сопротивлений с помощью амперметра и вольтметра является косвенным, так как в этом случае по показаниям приборов I и U , пользуясь законом Ома, находят искомое сопротивление:

(1)

При измерении сопротивления этим методом приборы могут быть включены двумя способами (рис. 1), причем и в том, и в другом случае результаты не будут точными, если не ввести соответствующие поправки.

Рисунок 1 Схема измерения сопротивления с помощью амперметра и вольтметра.

Когда на схеме рис. 1 переключатель находится в положении 1, ошибка в определении сопротивления r X обусловливается тем, что вольтметр измеряет не только напряжение на сопротивлении, но и потерю напряжения в сопротивлении амперметра r A . Когда измеряемое сопротивление значительно больше сопротивления амперметра (r X »r A) , тогда падением напряжения в сопротивлении r A можно пренебречь и вычислять искомое сопротивление непосредственно по показаниям приборов по формуле (1). Если же сопротивления (r X ≈r A) , соизмеримы по значению, то для получения более точного результата необходимо пользоваться формулой:

(2)

Когда на схеме (рис. 1) переключатель находится в положении 2, ошибка в определении сопротивления r X обусловливается тем, что амперметр показывает сумму двух токов, один из которых (I X) проходит через неизвестное сопротивление r X , другой (I U) проходит через вольтметр: I=I X +I U . Если при этом измеряемое сопротивление значительно меньше сопротивления вольтметра (r X «r U) , то током I U , проходящим через вольтметр, можно пренебречь и искомое сопротивление можно вычислить непосредственно по показаниям приборов, воспользовавшись формулой (1). Если же эти сопротивления соизмеримы по значению, то для получения более точного значения r X пользуются формулой:

(3)

Рассмотренный косвенный метод измерения сопротивлений не всегда удобен, так как требует затрат времени на дополнительные вычисления. Кроме того, он отличается невысокой точностью из-за влияния внутренних сопротивлений приборов.

Измерение сопротивлений омметром. Для непосредственного измерения сопротивлений служат специальные приборы – омметры, которые представляют собой комбинацию магнитоэлектрического миллиамперметра и специальной измерительной схемы (рис. 2).

Рисунок 2. Схема измерения омметра.

Шкалу такого прибора градуируют в омах. На схеме (рис. 2) последовательно с миллиамперметром r A включены резистор с сопротивлением r X , регулируемый добавочный резистор с сопротивлением r Р и источник питания. В этом случае шкала прибора обратная, так как с увеличением измеряемого сопротивления ток в приборе уменьшается:

(4)

где U – рабочее напряжение омметра. При неизменном U показание прибора зависит только от измеряемого сопротивления r X , так как каждому значению r X соответствует определенное значение тока I X . Это позволяет шкалу миллиамперметра отградуировать в омах.

Показания омметров зависят от значения э. д. с. источника питания, которая с течением времени уменьшается, что является существенным недостатком этих приборов. Для того чтобы при изменении э. д. с. источника рабочее напряжение U оставалось постоянным, омметры снабжают специальным добавочным сопротивлением r Р , с помощью которого регулируют прибор перед измерением (регулировка нуля) .

На практике чаще всего применяются омметры, показания которых не зависят от э. д. с. источника питания. В качестве таких омметров используют магнитоэлектрические логометры – приборы, у которых отсутствует механическое устройство для создания противодействующего момента. Магнитоэлектрический логометр состоит из двух катушек, закрепленных на одной оси под углом 90° и жестко связанных друг с другом.

Катушки помещены в поле постоянного магнита (рис. 10.12).

Рисунок 2. Устройство логометра.

Токи к ним подводятся от общего источника питания через гибкие проводники, которые практически не создают противодействующего момента. Последовательно с одной из катушек включен постоянный добавочный резистор с сопротивлением r Д а в цепь другой катушки – резистор с измеряемым сопротивлением r X . Катушки с последовательно включенными сопротивлениями образуют две параллельные цепи. При этом токи, протекающие через катушки, соответственно равны и , где r 1 , и r 2 – соответственно сопротивления катушек.

Под действием токов, протекающих через катушки, создаются два вращающих момента, направленных встречно друг другу и зависящих от положения катушек в пространстве и

где – коэффициенты пропорциональности, зависящие от положения катушек в магнитном поле; α – угол отклонения плоскости катушки 1 относительно вертикальной оси OO¢.

Под влиянием вращающих моментов подвижная система прибора поворачивается до тех пор, пока не окажется в равновесном состоянии при М 1 =М 2 .Отсюда или

(5)

Из (5) следует, что отклонение подвижной системы прибора определяется только отношением токов. Угол отклонения подвижной системы прибора при неизменных значениях сопротивлений r 1 ,r 2 ,r Д , зависит только от измеряемого сопротивления r X и не зависит от напряжения источника питания. Последнее обстоятельство является существенным при использовании логометров в качестве приборов, предназначенных для измерения неэлектрических величин.

В цепях переменного тока применяют логометры электромагнитной и электродинамической систем. Логометры электромагнитной системы используют для измерения частоты, емкости, индуктивности и других величин. Электродинамические логометры применяют для измерения различных величин в цепях переменного тока. В частности, их широко используют в качестве фазометров.

Измерение сопротивлений мостовым методом. Мостовой метод (рис. 3) позволяет наиболее точно измерять сопротивления.

Рисунок 3. Схема мостового измерения сопротивлений.

В одно из плеч моста включают резистор с сопротивлением r X , а в другие три плеча – регулируемые и известные по значению сопротивления r 1 ,r 2 ,r 3 . К точкам моста а и b подключен источник питания постоянного тока, а в диагональ моста между точками c и д включен магнитоэлектрический гальванометр Г. При измерении сопротивления r X значения трех других сопротивлений изменяют таким образом, чтобы наступило равновесие моста, при котором ток в цепи гальванометра становится равным нулю. Равновесие моста наступает при условии, когда разность потенциалов между точками с и д равна нулю. Поэтому при равновесном состоянии моста как через плечи ас и сb проходят одинаковые токи: I 1 =I 2 ; так и через плечи ад и дb: I 3 =I 4 . Исходя из этого, для схемы (рис.3) можно записать:

(6)

Наряду с уравновешенными мостами для измерения сопротивлений широко применяются неуравновешенные мосты, позволяющие более быстро производить измерение сопротивлений (но менее точно, так как их показания зависят от стабильности напряжения источника питания). Значение измеряемого сопротивления в этих мостах определяют непосредственно по показаниям прибора. В неуравновешенных мостах часто используют в качестве измерительного прибора магнитоэлектрические логометры, позволяющие повысить точность измерения.

Уравновешивание мостов можно производить вручную или автоматически. Автоматическое уравновешивание применяют в тех случаях, когда необходимо следить за изменением измеряемого сопротивления и управлять его значением.

При изготовлении, монтаже и эксплуатации электротехнических и радиотехнических устройств и установок необходимо изменять электрическое сопротивление.

В практике для измерения сопротивлений применяют различные методы в зависимости от характера объектов и условий измерения (например твердые и жидкие проводники, заземлители, электроизоляция); от требований к точности и быстроте изменения; от величины измеряемых сопротивлений.

Методы измерения малых сопротивлений существенно отлича­йся от методов измерения больших сопротивлений, так как в первом случае надо принимать меры для исключения влияния на ре­зультаты измерений сопротивления соединительных проводов, пе­реходных контактов.

Измерительные механизмы омметров. Для прямого измерения сопротивлений применяют магнитоэлектрические измерительные механизмы одно- и двухрамочные.

Однорамочный механизм, можно ис­пользовать для измерения сопротивлений. С этой целью в прибор вводят добавочный резистор с постоянным сопротивлением R д и снабжают его источником питания (например, батареей сухих элементов). Измеряемое сопротивление R x включается с измери­телем последовательно (рис. 6.16) или параллельно.

При последовательном соединении ток в измерителе I=U/(R и +R д +R x) где R и - сопротивление измерителя; U - на­пряжение источника питания.

Учитывая формулу (6.2), находим, что угол отклонения стрел­ки прибора при U = const зависит только от величины измеряемо­го сопротивления R x:

Если шкалу отградуировать по этому выражению в единицах сопротивления, то прибор будет омметром. Напряжение сухих эле­ментов со временем уменьшается, поэтому в измерения вносится ошибка, тем большая, чем больше действительное напряжение от­личается от того напряжения, при котором была градуирована шкала.

Ошибка от непостоянства напряжения питающего источника не возникает, если измерительный механизм имеет две обмотки, расположенные на общей оси под некоторым углом друг к другу (рис. 6.17).

В двухрамочном измерительном механизме, который называют логометром, нет противодействующих пружин, вращающий и про­тиводействующий моменты создаются электромагнитными сила­ми. Поэтому при отсутствии тока в обмотках хорошо уравно­вешенная подвижная часть прибора находится в безразлич­ном равновесии (стрелка останавливается у любого деления шка­лы)- Когда в катушках есть ток, на подвижную часть действуют два электромагнитных момента, направленные в противополож­ные стороны.

Магнитная цепь измерительного механизма устроена так, что магнитная индукция вдоль воздушного зазора распределена неравномерно, но с таким расчетом, что при повороте подвижной части в любую сторону вращающий момент уменьшается, а проти­водействующий момент увеличивается (в зависимости от направ­ления поворота роль моментов меняется).

Подвижная часть останавливается при M 1 Bp = M 2 ap или N 1 SB 1 I 1к =N 2 SB 2к I 2к. Отсюда следует, что поло­жение стрелки на шкале зависит от отношения токов в обмотках, т.е. α=f (I 1 k /I 2 k), но не зависит от напряжения питающего источника.

На схеме рис. 6.17 видно, что измеряемое сопротивление R x входит в цепь одной из катушек логометра, поэтому ток в ней, а так­же отклонение стрелки прибора однозначно зависит от значения R x .

Используя эту зависимость, шкалу градуируют в единицах со­противления и тогда прибор, является омметром. Омметры для из­мерения сопротивления изоляции снабжают источником питания с напряжением до 1000 В, чтобы измерение проводить при напря­жении, примерно равном рабочему напряжению установки. Таким источником может быть встроенный магнитоэлектрический генератор с ручным приводом или трансформатор с выпрямите­лем, включаемый в сеть переменного тока.

Омметры, рассчитанные на измерения больших сопротивлений (больше 1 МОм), называют мегомметрами.

Косвенные методы измерения сопротивлений. Сопротивление резистора или другого элемента электрической цепи можно определить по показаниям вольтметра и амперметра (при постоян­ном токе), применяя закон Ома: R X =U/I (схемы рис. 6.18, а, б). По схеме на рис. 6.19 определяют сопротивление R x по показаниям одного вольтметра. В положении 1 переключателя П вольтметр из­меряет напряжение сети U, а в положении 2 - напряжение на за­жимах вольтметра U в. В последнем случае U B /R B = U x /R x . Отсюда

Косвенные методы применяют для измерения средних сопротивле­ний, а одним вольтметром измеряют также большие сопротивле­ния. Точность этих методов значительно зависит от соотношения величин измеряемого сопротивления R x и внутренних сопротивле­ний амперметра (R a) и вольтметра (R B). Результаты измерения можно считать удовлетворительными по точности, если выполняются условия: R x ≥100R а (см. схему рис. 6.18, а); R x ≤R в /100 (см. схему рис. 6.18, 6); R X ≤ R B (см. схему рис. 6.19).

Методы и приборы сравнения. Для измерения малых и средних сопротивлений применяют метод сравнения измеряемого сопротивления R x с образцовым R o . Эти два сопротивления на схе­ме рис. 6.20 соединены последовательно, поэтому ток в них один и тот же. Величину его регулируют с помощью резистора R p , так, чтобы она не превышала допустимого тока для сопротивлений Rх и Ro U x /R x =Uo/Ro- Отсюда R X = R O U X /U 0 . Неизвестные падения напряжения U x и Uo измеряют вольтметром или потенциометром. Результаты измерения получаются более точными, если сопротив­ления R x и Ro одного порядка, а сопротивление вольтметра доста­точно велико, так что присоединение его не влияет на режим основ­ной цепи.

При измерении малых сопротивлений этим методом вольтметр подключают с помощью потенциальных зажимов, которые позволяют исключить сопротивления контактов основной цепи из результатов измерения.

Средние и большие сопротивления можно измерить методом замещения (рис. 6.21). Амперметром А измеряют ток, устанав­ливая переключатель П в положение 1, а затем 2. Напряжение на входных зажимах схемы одинаково, поэтому U - I x R x = IoRo. Отсюда R x = R o I o /I x

При измерении больших сопротивлений амперметр заменяют гальванометром с шунтом, чем значительно повышают точность измерения.

Наиболее точные результаты при измерении сопротивлений дают мостовые схемы, которые в практике применяют в различ­ных вариантах в зависимости от величин измеряемых сопротив­лений и требуемой точности измерения.

Чаще других можно встретить прибор, построенный по схеме (рис. 6.22), который в практике называют «одинарным мостом». В данном случае в мостовую схему входят сопротивления R 1 ;R 2 ;R;R x , которые образуют замкнутый контур. А, Б, В, Г из четырех ветвей (их называют «плечами моста»).

В одну диагональ схемы включен источник постоянного тока, в другую - гальванометр с двусторонней шкалой (нуль в середи­не шкалы).

Предположим, что при некотором сопротивлении R x другие сопротивления подобраны так, что ток в измерительной диагона­ли I г = 0, т. е. потенциалы V Б и V r одинаковы при замкнутых выключателях K 1 и К 2 . В этом случае I 1 =I 2 ;I x =I;I 1 R 1 =I x R x ;I 2 R 2 =IR.

Используя эти равенства, нетрудно получить выражение для измеряемого сопротивления R X = RR 1 /R 2 . Если сопротивления R 1 и R 2 одинаковые по величине, то R X = R. В приборе промышленного изготовления R - это набор резисторов (магазин сопротивле­ний), составленный по декадному принципу. На верхней крышке расположены переключатели, с помощью которых можно набрать в известных пределах любую величину сопротивления с точно­стью, которая определяется самой малой ступенью изменения сопротивления.

Для расширения пределов измерения величины R 1 и R 2 подби­рают так, чтобы их отношение можно было изменить тоже по десятичной системе (например, R/R 2 = 100; 10; 1; 0,1; 0,01; 0,001; 0,0001).

Одинарные мосты применяют в основном для измерения сред­них сопротивлений. При измерении малых сопротивлений измеря­емый элемент включают по особой схеме или применяют специ­альные мосты, предназначенные для этой цели.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ

Общие сведения

Электрические машины, действия которых основаны на электромагнитных явлениях и которые служат для преобразования механической энергии и электрическую, называют электромашинными генераторами, а преобразующие электрическую энергию в механическую - электродвигателями. Применяют также электри­ческие машины для преобразования электрической энергии одних параметров в другие, которые называют преобразователями. Пре­образовываться могут: род тока, частота, напряжение, число фаз и другие параметры электроэнергии.

Электрические генераторы приводятся во вращение паровыми и водяными турбинами, двигателями внутреннего сгорания и др. Электродвигатели служат для приведения в действие станков, раз­личных машин, транспортного оборудования и др.

К электрическим машинам относят трансформаторы - стати­ческие аппараты, не имеющие движущихся частей, но по своему устройству и принципу действия, имеющие много общего с элект­рическими машинами.

Электрические машины обладают свойством обратимости, т. е. могут работать генератором. Если их вращать каким-либо двигате­лем или подводить к ним электроэнергию, они могут использо­ваться как электродвигатели. Однако при проектировании элект­ромашин учитывают требования, предъявляемые особенностями их работы генератором или электродвигателем.

Электрические машины подразделяются на машины перемен­ного и постоянного тока.

Электрические машины переменного тока разделяют на синх­ронные, асинхронные, коллекторные.

Наибольшее применение имеют синхронные генераторы пере­менного трехфазного тока и трехфазные асинхронные электродви­гатели. Коллекторные электродвигатели переменного тока имеют ограниченное применение вследствие сложности устройства, об­служивания и более высокой стоимости. Основным их преимуще­ством является возможность регулирования скорости вращения в широких пределах, что затруднительно в асинхронных двигателях.

Электрические машины постоянного тока представляют собой со­четание машин переменного тока с механическим выпрямителем-коллектором, являющимся неотъемлемой частью этих машин. С по­мощью коллектора переменный ток преобразуется в постоянный.

Электрические машины постоянного тока имеют ограничен­ную область применения вследствие более высокой стоимости этих машин и сложности их эксплуатации, по сравнению с машинами переменного тока.

Трансформаторы

Трансформатором называется устройство, предназначенное для преобразования напряжения переменного тока одной величины в напряжение переменного тока другой величины.

Простейший трансформатор (рис. 2.1) состоит из замкнутого сердечника, набранного из отдельных, изолированных друг от друга листов трансформаторной стали. На сердечнике размещаются об­мотки. Обмотка, которая подключается к источнику переменного тока, называется первичной. Обмотка, к которой присоединяют нагрузку, называется вторичной.

Переменный ток, протекая по первичной обмотке, создает магнитный поток Ф. Он пронизывает все обмотки одновременно и в каждой из них индуктирует перемеренную ЭДС, величина которой пропорциональна числу витков в обмотке. Чем больше витков, тем больше ЭДС:

где Е { - ЭДС первичной обмотки (ЭДС самоиндукции); Е 2 - ЭДС вторичной обмотки (ЭДС взаимоиндукции); 1 , и 2 - число вит­ков в первичной и вторичной обмотках.

руемые ЭДС в обмотках равны напряжениям, действующим на первичной и вторичной обмотках:

Следовательно, напряжение на вторичной обмотке тем боль­ше, чем больше она имеет число витков. Отношение напряжения

на зажимах первичной обмотки к напряжению на вторичной об­мотке называется коэффициентом трансформации К:

Трансформатор называется понижающим, если напряжение на вторичной обмотке меньше, чем напряжение на первичной об­мотке (К>1).

Трансформатор называется повышающим, если напряжение на вторичной обмотке больше, чем напряжение на первичной об­мотке (К<1).

При подключении потребителя по вторичной обмотке потечет ток I 2 , который создаст магнитный поток, направленный навстречу магнитному потоку первичной обмотки. Поток первичной обмот­ки уменьшится, это вызовет уменьшение в ней ЭДС самоиндук­ции Е 1 в результате чего в первичной обмотке увеличится ток I 1 . Это будет происходить до тех пор, пока магнитный поток первич­ной обмотки трансформатора не станет прежним.

Таким образом, с увеличением силы тока вторичной обмотки растет сила тока первичной обмотки, а при уменьшении силы тока во вторичной обмотке сила тока первичной обмотки уменьшается.

Если не учитывать потери в обмотках трансформатора, то мож­но считать мощности первичной и вторичной обмоток одинако­выми:

следовательно,

Это означает, что в повышающем трансформаторе увеличение напряжения во вторичной обмотке происходит за счет уменьше­ния силы тока в ней, а в понижающем трансформаторе уменьше­ние напряжения происходит за счет увеличения силы тока вторич­ной обмотки.

Коэффициент полезного действия трансформатора велик и на­ходится в пределах 80-99 %. Иногда вместо трансформаторов при­меняются автотрансформаторы. Автотрансформатором называется такой трансформатор, у которого источник переменного тока и потребитель подключаются к разным точкам одной обмотки (рис. 2.1,б). Работает автотрансформатор так же, как и обычный транс­форматор.

В условиях строительства трансформаторы применяются: для передачи электроэнергии; сварочных работ; питания электроинструментов; электропрогрева бетона и грунта; измерительных

В радиолюбительской или электротехнической практике иногда возникает необходимость измерения малых сопротивлений (менее 1 Ом), например, при проверке обмоток трансформаторов, контактов реле, шунтов, расчёте заземления. Как же померять сопротивление величиной в милиомы или даже микроомы? Как известно, измерение сопротивлений основано на преобразовании их величины в ток или напряжение. На этом принципе и строится работа приставки к вольтметру для измерения малых сопротивлений.

Приставка милиомметр

Э та простая схема из одного зарубежного сайта, предназначается для измерения низких значений сопротивления - от 0,001 до 1.999 ом. "Прямой Индикация Сопротивления, Ом". Вы должны использовать отдельный аккумулятор для её питания. Напряжение питания стабилизировано микросхемой LM317LZ. Рекомендуем именно малогабаритную LM317LZ , а не LM317 . Но вы можете также использовать и LM317, если хотите. Подстроечный резистор должен быть настроен точно на ток 100 мА, чтобы получить высокую точность измерения сопротивления.

При измерении старайтесь максимально уменьшить длину проводов, так как каждый сантиметр будет давать дополнительное сопротивление.

На дисплей цифрового вольтметра (обычного мультиметра D830) будет выведено значение в Омах, от 0,001 до 1.999 Ом. Для испытаний прибора померяйте несколько параллельно соединённых одноомных резистора.

Аналоговый измеритель малых сопротивлений

Можно собрать не просто приставку, а готовый самостоятельный прибор. В этом аналоговом милиомметре используется два режима измерения сопротивления. При стабильном токе в 1А (шкала 1 деление = 0,002 Ом) и при стабильном токе 0,1А (шкала 1 деление = 0,02 Ом). Это для головки показанной на фото 1. Как видно из фото, измерительная головка имеет ток полного отклонения 100 мкА. Цена маленького деления — 2 мкА. При токе в 0,1А прибор будет измерять сопротивление с 0,02 Ома до 1-го Ома. Т.е. отклонение стрелки на последнее деление шкалы будет соответствовать одному Ому.

Принцип работы прибора заключается в измерении падения напряжения на измеряемом сопротивлении при прохождении через него определенного стабильного тока. Сопротивление рамки у стрелочного измерительного прибора равно 1200 Ом, ток полного отклонения — 0,0001 А, значит, если мы будем использовать этот индикатор в качестве вольтметра, потребуется подать на нее напряжение величиной U = IхR = 0,0001х1200 = 0,12 В = 120 мВ для отклонения стрелки на последнее деление шкалы. Именно такое напряжение должно упасть на сопротивлении в 1 Ом на пределе измерения прибора от 0,02 Ома до 1 Ома. Значит на данном пределе измерения нам надо пропустить через измеряемый резистор стабильный ток величиной I = U/R = 0,12/1 = 0,12A = 120 мА . Тоже самое можно рассчитать и для другого предела.

В данной статье мы попробуем научиться измерять малые сопротивления. У радиолюбителей иногда возникает потребность точно определить сопротивление шунта при изготовлении или ремонте амперметра, чтобы он в свою очередь также точно показывал свои единицы измерения или в других целях. Но как это сделать, когда мультиметр не имеет шкалы измерения милли Ом, маркировка либо отсутствует, либо совсем не известна и не понятна? Большинство измерительных приборов имеют минимальную шкалу 200 Ом для измерения сопротивления и 3,5 - 4 разряда, при закорачивании щупов там уже примерно 0,7 Ом, при измерении сопротивления 0,1 Ом ничего не меняется, беда. Сейчас поправим.

Предлагаю использовать для этой цели мостовую схему измерения. Что такое мост должны представлять все, на этом останавливаться не будем. Составим мост из резисторов, подадим на него какое либо напряжение и будем его же измерять, хотя можно и ток измерять, разницы не будет, что более точное у нас под рукой, то и выбираем. Так а причем здесь измерение малого сопротивления? Терпение, все по порядку из далека. Есть такая замечательная вещь как баланс моста. Произведение сопротивлений противоположных плеч моста, при условии его сбалансированности, будут одинаковы. А напряжения и токи при сбалансированности моста будут взаимокомпенсировать друг друга и в сумме дадут 0.

(Пусть R0 это R3, а Rx это R4 )

Итак, исходя из вышеперечисленного, если в мост поставить вместо одного из резисторов наше малое сопротивление произвольного номинала, а другой резистор сделать переменным или подстроечным (по схеме используем два переменных резистора для точности балансировки моста, особенно в том случае, когда под рукой нет многооборотистых переменных резисторов), чтобы добиться баланса моста. Такую схему можно использовать для измерения шунтов и малых сопротивлений:

Схему было собирать лениво, тем более, что плату изготовить нужно достаточно времени, поэтому навесным монтажом был изготовлен подопытный образец схемы. Здесь резисторы R1 и R2 не 1%, но подбирались максимально близкие к сопротивлению заданного номинала, погрешность сопротивления не превышала 0,5 % при комнатных условиях.

Но нужно знать как получить точное значение измеряемого сопротивления. Во первых, главное особенностью такое схемы является то, что с помощью нее "умножается" измеряемое сопротивление. А это значит, что необходимость в шкале на милли Омы в мультиметре отпадает. Сопротивление в 0,1 Ом уже можно будет измерять на шкале в кило Омы. Только измерение будет теперь не прямым, а косвенным, придется использовать немного математики и подсчитывать конечный результат измерения.

Определимся какой диапазон номиналов будем измерять (имеется ввиду малое сопротивление или сопротивление шунтов). Для этого нужно выбрать номиналы переменных резисторов:

По схеме используем два переменных резистора для большей точности взаимодействия, 1 кОм и 100 Ом. Такое сопротивление переменных резисторов позволит измерить максимально большое сопротивление в 1,1 Ом, минимальное с сохранением точности измерения 0,01 Ом (при Rx=0,01 Ом R0 должно быть 10 Ом, которые также нужно достаточно точно измерять своим мультиметром)

И номиналы постоянных резисторов, чтобы мост легко балансировался и было удобно подсчитать номинал шунта или малого сопротивления:

Кратность резисторов относительно друг друга лучше всего брать именно такой - 10, 100, 1000, чтобы быстро подсчитать конечный результат, хотя никто не запрещает брать не круглые числа, чтобы потом считать еще и с калькулятором. По схеме это отношение 100.000 к 100, то есть умножитель на 1000.

Собираем схему. Использовать можно любые подстроечные или переменные резисторы, но для большей точности советую взять многооборотистые подстроечные или переменные резисторы, а постоянные использовать с допуском не более 1%, а лучше еще меньше. В качестве элемента питания по схеме используется "Крона" на 9 вольт, можно заменить на любой другой источник. Конденсаторы на случай использования блоков питания для фильтрации. Схема в нашей конфигурации сопротивлений потребляет 90 мА от батарейки 9 В, поэтому для частых измерений, конечно, целесообразней использовать блок питания. Схема собрана, теперь изучаем методику измерения. После подсоединения измеряемого сопротивления, необходимо подать на схемку напряжение, не важно какое, но чем больше оно, тем больше точность, устанавливаем измеритель на предел 200 mV и приступаем к процессу балансировки моста путем вращения подстроечного резистора до появления полного нуля на вольтметре. Это значит, что мост сбалансирован и все выражения теперь справедливы к нашей схеме. Далее измеряем сопротивление подстроечного резистора и вычисляем значение малого сопротивления:

или более красиво вот так

(219 Ом * 100 Ом)/100 кОм получаем 0,219 Ом сопротивление шунта (смотри видео).

Или проще полученный результат необходимо разделить на 1000 (так как 100кОм/100Ом будет 1000 - наш умножитель) в нашем случае. И что же мы видим? Да! Это и есть сопротивление, которое мы измеряли 0,219 Ом (~0,22 Ом). В пределах хорошей точности, а если учитывать погрешности при измерении и взаимодействии со схемкой - идеально.

Теперь не нужно будет ломать голову, когда возникнет необходимость в подобных измерениях. Схема проста, но не многие знают о ней.

К статье прилагается печатная плата для изготовления мини приставки к мультиметру и проект для любопытных проверить это чудо, но ленивых, чтобы собрать схему.

Список радиоэлементов

Обозначение	Тип	Номинал	Количество	Примечание	Магазин	Мой блокнот
R1	Резистор	100 кОм	1	1%		В блокнот
R2	Резистор	100 Ом	1	1%		В блокнот
R0(1)	Подстроечный резистор	1 кОм	1	3296W		В блокнот
R0(2)	Подстроечный резистор	100 Ом	1	3296W		В блокнот
С1	Электролитический конденсатор	220 мкФ	1	Можно др. номинал		В блокнот
С2	Конденсатор	100 нФ	1