42202

Вивчення методів та засобів вимірювання електричної ємності та індуктивності

Лабораторная работа

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Ознайомлення з різними методами вимірювання електричної ємності і індуктивності та приладами що використовуються для цього. Ознайомлення з будовою мостів змінного струму і універсальних мостів з будовою і застосуванням резонансних вимірювачів індуктивності L і ємності С. Отримання навичок практичного виконання вимірювань ємності і індуктивності.

Украинкский

2013-10-27

245 KB

84 чел.

Лабораторна робота №9

Вивчення методів та засобів вимірювання електричної ємності та індуктивності

9.1 Мета роботи

Ознайомлення з різними методами вимірювання електричної ємності і індуктивності та приладами,  що використовуються для цього. Ознайомлення з будовою мостів  змінного  струму  і  універсальних мостів, з будовою і застосуванням  резонансних  вимірювачів індуктивності (L) і ємності (С). Отримання навичок практичного виконання вимірювань ємності і індуктивності.

9.2 Програма роботи

Під час виконання лабораторної роботи студент повинен ознайомитись з рекомендованою літературою, особливу увагу звернути на будову мостів змінного струму та їх використання для електричних вимірювань. Здійснити вимірювання електричної ємності та індуктивності різними методами за вказівкою викладача. Результати вимірювань занести в протоколи. Зробити обробку результатів вимірювань та навести висновки про точність вимірювань кожним із методів.

9.3 Основні положення, необхідні для виконання роботи. Опис схеми установки

Вимірювання електричної ємності і індуктивності

Процеси, що проходять в колах змінного струму, характеризуються тим, що при кожному вимірюванні струму (напруги) змінюються електричні і магнітні поля, зв’язані з цими колами. В котушках індуктивності виникають ЕРС самоіндукції і взаємоіндукції, а в конденсаторах виникають зарядні і розрядні точки. Котушки індуктивності і конденсатори в колах змінного струму називають резистивними елементами. Для змінного струму вони є реактивними опорами. Зміна струму в колі з індуктивністю (L) або взаємоіндукцією (М) викликає виникнення ЕРС самоіндукції (еL) або взаємоіндукції (еМ), яка за законом Ленца протидіє зміні струму. Для струму, що змінюється по гармонічному закону  миттєве значення напруги (U) на зажимах котушки індуктивності в кожен момент часу рівне по модулю значенню ЕРС самоіндукції і протилежне їй за знаком

,

де і  Іm – амплітуди напруги і струму в котушці.

Для діючих значень струму і напруги ,  має розмірність опору і називається індуктивним опором ХL.

У колі з індуктивним опором струм відстає по фазі від напруги на кут і називається реактивним намагнічуючим струмом.

В електричному колі синусоїдального струму, що містить ємність (С), проходить безперервно перезарядження конденсатора і встановлюється струм .  .  Величину Хc називають ємнісним опором. Діюче значення струму в колі із ємнісним опором визначають з виразу . У такому колі струм випереджує по фазі напругу на кут . (Uс – напруга на обкладках конденсатора).

У системі СІ за одиницю електричної ємності прийнята Фарада (Ф). Фарада – ємність провідника, потенціал якого підвищується на 1 В, якщо на цей провідник помістити заряд в 1 кулон. Електричний конденсатор - це прилад, що складається із двох провідників електричного струму (обкладок), розділених діелектриком, який має здатність накопичувати електричну енергію. Ємність конденсатора визначається відношенням накопиченого у ньому електричного заряду (q) до напруги на його обкладках (U)

.

На практиці для зміни ємності використовуються більш малі похідні від Фаради одиниці: мікрофаради (мкФ), нанофаради (нФ) і пікофаради (пФ).

.

За одиницю вимірювання індуктивності прийнятий Генрі (Гн). Індуктивність в 1 Гн має така котушка, в якої при зміні струму на 1 А за 1 секунду розвивається ЕРС самоіндукції, рівна 1 В. В електро- і радіотехніці звичайно приймають більш менші одиниці: мілігенрі (мГн) і мікрогенрі (мкГн)

.

Індуктивність характеризує собою кількість енергії, збереженої котушкою індуктивності, при протіканні по ній електричного струму.

Конденсатори і котушки індуктивності характеризуються рядом параметрів, які, в свою чергу, поділяються на основні, похідні і остаточні. Основним параметром конденсатора є номінальна ємність (Сном), а для котушок індуктивності – номінальне значення індуктивності (Lном).  Похідними параметрами є тангенс кута втрат (), добротність (Q), стала часу (), температурний коефіцієнт і т.д. До остаточних параметрів відносяться власна ємність і активний опір котушок індуктивності і втрати конденсаторів. Наявність остаточних параметрів викликає недосконалість конструкції і приводить до зміни основних параметрів. З врахуванням остаточних параметрів конденсатори і котушки індуктивності характеризують ефективними значеннями, що залежать від частоти змінного струму (f). Із збільшенням частоти індуктивний опір зростає, а ємність – зменшується. У зв’язку з цим калібрування котушок індуктивності і конденсаторів проводиться на номінальній частоті fном=1000 Гц.

За конструкцією конденсатори поділяються на два типи: постійної ємності (маркуються буквою “К”) і змінної – “КТ”. Крім того на маркуванні вказується матеріал, з якого виготовлений діелектрик, призначення конденсатора, номінальна ємність і номінальна робоча напруга.

Конденсатори постійної ємності поділяються на керамічні (позначаються К10 чи К15), кварцові (К20), скляні (К21), склокерамічні (К22), склоемальові (К23), слюдяні (К31, К32), паперові (К40, К41, К42), електролітичні алюмінієві (К50), танталові (К51, К52), повітряні (К60), вакуумні (К61), полістіролові (К70, К71), фторопластові (К72) і т.д. В залежності від діелектрика, що використовується, конденсатори можуть пропускати через себе постійний струм, який називається струмом втрати (ів). Відношення прикладеної до конденсатора напруги (U) до струму втрати визначає опір ізоляції Rіз. Постійний струм, що протікає через конденсатор, складає втрати енергії (Рвтрат). Величина втрат характеризується тангенсом кута втрат (), де  – кут втрат. Завдяки втратам кут зсуву фаз між струмом і напругою в реальних електричних колах з реактивним опором є звичайно меншим 90 на кут .  Як правило, цей кут невеликий і часто не враховується. Однак при високих частотах активні і реактивні опори стають взаємовимірювані і кут втрат необхідно враховувати.  Тангенс кута втрат характеризує відношення активної і (Рвтрат) і реактивної (Qр) потужності резистивного елемента

  ,

де X – реактивний опір.

У залежності від втрат конденсатори умовно поділяють на три групи: без втрат (), з малими втратами () і з великими втратами  (). Котушки індуктивності характеризуються величиною, зворотною , яка називається добротністю (Q).

.

З підвищенням частоти, температури і вологості добротність, як правило, зменшується.

У залежності від втрат повний опір конденсатора (котушки індуктивності) може бути представлений у вигляді еквівалентних схем двополюсників. Так для конденсаторів без втрат (), еквівалентна схема , для конденсаторів з малими втратами використовується еквівалентеа послідовна схема заміщення   , для конденсаторів з великими втратами – еквівалентна паралельна схема заміщення.

Аналогічні схеми використовуються і для котушок індуктивності. Згідно ГОСТ 2519-67 встановлено 6 рядів номінальної ємності конденсаторів, представляючі собою ряди геометричної прогресії із знаменником , де n= 6, 12, 24, 48, 96 і 192. Допустимі відхилення ємності конденсаторів від номінальних значень визначені ГОСТ 9661-61, у відповідності з якою вони діляться на класи точності: І клас – ; ІІ клас – ; ІІІ клас – ; ІV клас – ; V клас – ; VІ клас – . Номінальну ємність маркують на конденсаторі повністю, а для мініатюрних конденсаторів використовують код, згідно якого ємності до 100 пФ виражаються в пікофарадах, позначаючи їх буквою “П”. Ємності від 100 пФ до 105 пФ виражаються в нанофарадах (буква “Н”), а ємності від 0.1 мкФ і вище – в мікрофарадах (буква “М”). При цьому, положення букви відповідає положенню коми між цифрами, що позначають ємність. Наприклад: 3пФ позначають 3п; 150 пФ = 0.15 нФ – Н15; 1500 пФ = 1.5 нФ – 1Н5; 0.015 мкФ – 15 Н; 0.15 мкФ – М15.

Котушки індуктивності по конструкції можуть бути з магнітними і немагнітними осердями або без осердь, циліндричні або плоскі, сталої або змінної індуктивності, каркасні або безкаркасні, одношарові або багатошарові. Класифікація котушок і конденсаторів більш детально розглянута у довідниках.

Слід мати на увазі, що реактивні опори в колах змінного струму виникають не тільки між обкладками конденсаторів і котушок індуктивності, а й електричними провідниками, витками обмоток електродвигунів, трансформаторів, дроселів, електровимірювальних приладів і т.п.

Облік впливу реактивних опорів на роботу реальних електричних кіл вимагає їх вимірювання. В робочих умовах вимірювання реактивних опорів здійснюється чотирма основними методами: амперметра-вольтметра, безпосередньої оцінки, нульовим (мостовим) і резонансним [2,11].

   

а)                                               б)

Рисунок 9.1 – Схеми вимірювання ємності (а) та індуктивності (б)

методом амперметра і вольтметра

Рисунок 9.2 – Схема моста змінного струму

  

а) для конденсаторів     б) для конденсаторів  в) для конденсаторів без втрат                      з малими втратами              з великими втратами

Рисунок 9.3 – Схеми мостів змінного струму для вимірювання параметрів конденсатора

Метод амперметра-вольтметра

 

Цей метод є непрямим, найбільш простим і найменш точним, так як правило при його використанні вимірюється повний комплексний опір вимірювального об’єкта , що вносить значну похибку. Вимірювання рекомендується виконувати по схемам, зображених на рисунку 9.1

Вимірювана ємність обчислюється за формулою

,

а індуктивність

.

де UC і UL – напруга на обкладках конденсатора і зажимах котушки індуктивності.

При використанні цього методу необхідно знати робочу частоту (f).  Різновидністю цього методу, що дозволяє одержати велику точність вимірювання, є метод чотирьох приладів, де поряд з амперметром і вольтметром у вимірювальне коло включається частотомір і ватметр. Вимірювальні опори при цьому розраховуються за формулами

                             

;    ;

,

де Pw – потужність, що вимірюється ватметром; f – покази частотомір; U, І – відповідно покази ватметра і амперметра.

Обидва описані методи є непрямими методами вимірювання L і С.

Нульовий метод

Більш точно L і С можуть бути виміряні нульовим методом (мостами змінного струму). В порівнянні з описаними вище методами вимірювання нульовий метод має суттєву перевагу, оскільки дозволяє порівнювати вимірювані індуктивності і ємності безпосередньо з мірами, які звичайно виконуються у вигляді декадних магазинів індуктивності і ємності, які входять у прилади порівняння.

Мости змінного струму

Мостом називають електровимірювальний прилад порівняння, який складається з чотирьох елементів, з’єднаних між собою в кільцеву схему так, що при цьому утворюються дві діагоналі, до однієї із яких (діагональ живлення) підключається джерело живлення, а до другої індикатор нуля (ІН). Ємності і індуктивності вимірюються мостами змінного струму, в діагональ живлення (ab) яку включається джерело синусоїдальної напруги (Uжив) з нормованою частотою , а у вимірювальну діагональ (cd) – індикатор високої чутливості. Чотири елемента кільцевої схеми утворюють плечі моста, які являються комплексними опорами  (рисунок 9.2).

Умова рівноваги моста описується рівнянням або в комплексній формі

,

де – модулі, а  – аргументи комплексних опорів плеч моста. З останньої рівності слідує, що міст змінного струму буде зрівноважений при умові, коли одночасно будуть рівні похідні модулів комплексних опорів протилежних плеч і суми їх аргументів

;    .

Живлення моста може здійснюватись або від мережі змінного струму, або від генератора синусоїдальних коливань. В якості індикаторів нуля використовують гальванометри (при частоті 50 Гц), телефони з узгоджуючим трансформатором (в області звукових частот), лампові мілівольтметри (мікроамперметри), або електронно-променеві трубки.

Вимірювання ємності мостами змінного струму

Мости змінного струму, які призначені для вимірювання ємності, можуть бути трьох типів (рисунок 9.3).

При вимірюванні параметрів конденсаторів, які мають втрати, мости змінного струму зрівноважуються по двох параметрах. Процес зрівноваження полягає в по перемінному регулюванні цих параметрів.

Мости для вимірювання індуктивності

Вимірювання індуктивності L мостом змінного струму може бути виконано шляхом її порівняння або із зразковою індуктивністю, або із зразковою ємністю.

Універсальні мости дозволяють реалізувати будь-яку вимірювальну схему приведену на рисунках 9.2, 9.3.

 

Резонансні методи вимірювання ємності і індуктивності

У техніці високих частот вимірювання ємності і індуктивності здійснюється резонансними методами з використанням генераторів високої частоти (ГВЧ). Схема для вимірювання ємності резонансним методом приведена на рисунку 9.4.

При вимірюванні ГВЧ налаштовуються з допомогою лампового вольтметра (ЛВ) на резонансну частоту власних коливань контуру Lo Cx . Значення Cx визначають з формули:

де Lo – зразкова індуктивність.

На основі резонансного методу побудовані вимірювачі L i C. Вимірювання проводиться резонансним методом з індикацією резонансу по нульових биттях. Будова приладу описана в додатку Д до лабораторної роботи.

При вимірюванні малих ємностей і індуктивностей резонансним методом виникають похибки у зв’язку з ємністю і індуктивності вимірювальних приладів і з’єднувальних проводів.

Високої точності вимірювання можна досягти поєднанням мостового або резонансного методу з методом заміщення. Суть цього методу полягає в тому, що вимірювану ємність (індуктивність) заміняють зразковою мірою і добиваються рівноваги моста (резонансу) вимірюванням значення міри, без вимірювання значення плечей. За одержаним значенням міри роблять висновки про значення вимірюваного параметра. 

Рисунок 9.4 – Принципова схема для вимірювання ємності резонансним методом

9.4 Порядок виконання роботи

9.4.1 Вимірювання ємності методом амперметра і вольтметра

Виміряти три взірцевих ємності, що знаходяться  в  магазині Р5025 методом амперметра і вольтметра на двох частотах (50 Гц і 1000 Гц). Вимірювальні  схеми і необхідні прилади  студенти  вибирають  самостійно, погодивши свій вибір з керівником занять. Результати  вимірювань заносяться в таблицю 9.1 і по них визначається залежність похибок  методу від величини, яка вимірюється, і частоти змінного струму.

Синусоїдна напруга 50 Гц знімається з вихідних зажимів силового трансформатора "1" і "3", які розташовані на стенді, напруга з  частотою 1000 Гц - з вихідних зажимів генератора Ф578. Вимірювання потрібно виконувати після 5 хвилинної роботи генератора.

Таблиця 9.1-Вимірювання ємностей методом амперметра і вольтметра

Номінальне значення ємності

Частота

Покази приладів

Виміряне значення ємності

Похибка

амперметр

вольтметр

абсолютна

відносна

мкФ

Гц

мА

В

мкФ

мкФ

%

0,4

2,0

4,0

9.4.2 Вимірювання ємності нульовим методом

Виміряти ті самі ємності нульовим методом за допомогою  універсальних мостів змінного струму Р5066 і ЛПІ. Результати вимірювань занести в таблицю 9.2, визначити похибки  вимірювань  і  зробити висновки про переваги і недоліки нульового метода.

Таблиця 9.2 - Вимірювання ємностей нульовим методом

 

9.4.3 Вимірювання ємності методом заміщення

а) Виміряти значення ємності С, яка розмiщена на стенді, методом амперметра і вольтметра при частоті 50 Гц.

Результати вимірювання записати в таблицю 9.3

Таблиця 9.3 – Результати вимірювання ємності з допомогою методу заміщення

Часто-та

Покази приладів

Виміряне значення ємності

Значення зразкової ємності

Абсолютна похибка вимірюва-ння

Амперметра

вольтметра

Гц

мА

В

мкФ

мкФ

мкФ

Замість ємності, що вимірюється, включити у вимірювальну  схему магазин ємностей, встановивши на ньому знайдене значення С. Змінюючи значення взірцевої ємності С досягти такого положення, коли покази амперметра і вольтметра будуть  рівні  попереднім. Записати значення С  в таблицю і по ньому визначити  абсолютну похибку вимірювання.

б) Виміряти значення ємності С нульовим методом  за  допомогою двох універсальних мостів змінного  струму. Визначити  тангенс кута втрат. Порівняти між собою  результати  вимірювань  і  записати їх в таблицю 9.4.

Таблиця 9.4 – Вимірювання ємності конденсатора за допомогою нульового методу.

Вимірювальний прилад

Покази приладів

Значення зразкової ємності

Похибка

ємність

Tgδ

Ємність

tgδ

абсолютна

відносна

мкФ

мкФ

мкФ

%

Р5066

ЛПИ

Середнє значення

Номінальне значення ємності

Покази приладів

Похибки

Примітка

Міст Р5066

Міст ЛПИ

Міст Р5066

Міст ЛПИ

абсо-лютна

відно-сна

абсо-лютна

відно-сна

мкФ

мкФ

tgδ

мкФ

tgδ

мкФ

%

мкФ

%

 

Не змінюючи положення ручок  регулювання  мостів, переключити  їх на магазин ємності, встановивши на  ньому  середнє  значення  виміряної ємності С х2. Перед переключенням ручку "чувствительность" індикатора-нуля моста Р5066 повернути до кінця проти годинникової стрілки, а потім після переключення знову  

збільшити  чутливість до потрібного значення і зрівноважити міст, змінюючи   значення взірцевої ємності С0. При цьому дозволяється змінювати положення ручки регулювання моста за аргументом, не змінюючи його регулювання за модулем.

9.4.4 Вимірювання ємності резонансним  методом  по  нульовим биттям

Налаштувати вимірювач Е12-1А на нульові биття відповідно з вказівками, які викладені в додатку Д, і провести вимірювання ємностей чотирьох мініатюрних конденсаторів, використовуючи для цього спеціальну колодку з двома зажимами. Результати вимірювань записати в таблицю 9.5.

Таблиця 9.5 - Вимірювання ємностей конденсаторів резонансним методом

№ п/п

Номінальне значення ємності,

пФ

Виміряне значення ємності, пФ

Відхилення номінального значення від фактичного

пФ

%

Виміряти ті самі значення ємностей, встановлених на взірцевому магазині ємностей.

9.4.5 Вимірювання індуктивності

а) підготувати до вимірювання  індуктивностей  універсальний  міст ЛПИ і резонансний вимірювач L і С (Е12-1А)  згідно  рекомендаціям, які приведені в додатках Г і Д;

б) встановити за допомогою магазина індуктивностей  значення  індуктивності за завданням викладача  і  підключити  до  нього   міст ЛПИ;

в) виміряти задану взірцеву  індуктивність  L  за  допомогою   моста ЛПИ, а потім за допомогою приладу Е12-1А.

Результати вимірювань записати в таблицю 9.6;

Таблиця 9.6 - Вимірювання індуктивностей

Номінальне значення індуктивності

Виміряне значення індуктивності

Похибка вимірювань

ЛПИ

Е12-1А

ЛПИ

Е12-1А

Δ

δ

Δ

Δ

мГн

мГн

мГн

мГн

%

мГн

%

г) виміряти невідому індуктивність L, яка  розташована  на  стенді, методом амперметра і вольтметра на частоті: f=1000  Гц. Результати вимірювань занести в таблицю 9.6. Отримані значення   перевірити шляхом вимірювання L за допомогою моста (по вибору студентів) змінного струму. Визначити похибки вимірювання L методом амперметра і вольтметра, порівнюючи їх із значенням, отриманим при нульовому методі вимірювання.

Виміряти мостом змінного струму активний опір котушки індуктивності, розрахувати реактивний опір котушки, її добротність  і   індуктивність. Порівняти отримані значення  з  попередніми  результатами вимірювань.

9.5 Контрольні питання

9.5.1 Чому вимірювання ємності і індуктивності виконується  на  змінному струмі?

9.5.2 Що називається індуктивним опором?

9.5.3 Що називається ємнісним опором?

9.5.4 Якими одиницями користуються при вимірюванні  ємності  і індуктивності?

9.5.5 На якій частоті виконується градуювання  котушок  індуктивності і конденсаторів?

9.5.6 Що відноситься до основних параметрів конденсаторів?

9.5.7 Що відноситься до довільних параметрів  конденсаторів  і  котушок індуктивності?

9.5.8 Що характеризує собою тангенс кута втрат конденсатора?

9.5.9 На які групи  діляться  конденсатори  в  залежності  від  втрат?

9.5.10 Що називається добротністю котушки індуктивності?

9.5.11 Правила маркування, що наноситься на  мініатюрні  конденсатори.

9.5.12 Перечисліть методи вимірювання ємності і індуктивності.

9.5.13 Чим зумовлені похибки метода амперметра-вольтметра?

9.5.14 Переваги і недоліки мостів змінного струму.

9.5.15 Які прилади застосовуються як нуль індикатори?

9.5.16 В чому полягає резонансний метод вимірювання ємності  і індуктивності?

9.5.17 Які схеми застосовуються в мостах  змінного  струму, які використовуються для вимірювання ємності?

9.5.18 Як  впливають  з’єднувальні  провідники  на   результат вимірювання  конденсаторів малої ємності?

9.5.19 Суть методу чотирьох приладів?

9.5.20 Будова і призначення фарадометрів.

9.5.21 В чому полягає  процес  зрівноваження  мостів  змінного струму?

9.5.22 Переваги і суть методу  заміщення  при  вимірюванні ємності і індуктивності.

 

PAGE  85


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

35352. Манипуляционные роботы 778 KB
  История механики богата примерами, которые свидетельствуют о постоянном стремлении человека создать механизмы и устройства, подобные живым существам. Это стремление обусловлено многими причинами...
35353. Создание серверной и клиентской частей системы проведения аудиоконференций с возможностью работы в локальной или глобальной сети 890.5 KB
  Серверная часть должна обеспечивать эффективную работу с клиентами в условиях одновременного подключения нескольких пользователей, а так же обладать дружественным интерфейсом и отвечать следующим основным требованиям...
35354. Управління теками, файлами і ярликами 310 KB
  9 створити в теці Петренко ярлик антивірусної програми для перевірки дискети і запустити її на виконання 10 додати в меню Пуск пункт для запуску антивірусної програми; 1 перетянуть ярлык в главное меню; 2 Правой кнопкой мыши вызвать контекстное меню выбрать там закрепить в меню Пуск. Як створити теку на робочому столі Як створити теку в теці Як скопіювати зміст теки розміщеної на диску D: на робочий стіл' Як виділити групу суміжних об'єктів Як виділити групу несуміжних об'єктів Як виділити всі об'єкти...
35355. Управління папками, файлами і ярликами 109.5 KB
  Індивідуальне завдання Для того щоб освоїти прийоми роботи з теками і файлами необхідно виконати наступне: 1 відкрити вікно папки диска D: і створити в ній скажімо папку Petrenko букви латинські; открываем иконку с названием мой компьютер в окне находим иконку диска С: и отрываем ее в окне диска С: создаем новую папку даем ей имя латинскими буквами Petrenko 2 перейменувати папку Petrenko в папку Петренко букви кирилиці; Левой клавишей мыши выделяем папку под названием Petrenko и выбираем из предоставленного списка...
35358. Тема: Використовування програми Провідник Мета: придбати уміння і навик роботи з програмою Провідник. 291.5 KB
  1 відкрити вікно теки диска D: і створити в ній скажімо теку Petrenko букви латинські; в левой части окна выбираем диск Д в строке меню выбираем пункт файл создать папку 2 перейменувати теку Petrenko в теку Петренко букви кирилиці; в правой части окна выделяем папку Petrenko в строке меню выбираем пункт файлпереименовать 3 з теки диска D: скопіювати в теку Петренко якийнебудь файл або теку; в правой части окна выбираем необходимый файл выделяем его в строке меню...
35360. Хронический мезотимпанит. Характер нарушения слуха. Расшифровать аудиограмму 14.59 KB
  Мезотимпанит - неизлечиваемое в течение месяца острое гнойное воспаление среднего уха с продолжающимся гноетечением следует расценивать как переход острого воспалительного процесса в хроническую форму.