Електрическа схема на устройство за измерване на капацитета на кондензатори. Самоделни измервателни уреди. Микрофарадметри с последователна и паралелна измервателна верига

Преди почти две години си купих цифров измервател на капацитет и, може да се каже, взех първото нещо, което ми попадна. Бях толкова уморен от невъзможността на мултиметъра Mastech MY62 да измерва капацитета на кондензатори повече от 20 микрофарада и не измерваше правилно по-малко от 100 пикофарада. Харесах две неща за SM-7115A:

1. Измерва целия необходим диапазон
2. Компактен и удобен

Платени 750 рубли. Искрено вярвах, че не си струва парите, а цената беше „надута“ поради пълната липса на конкурентни продукти. Страната на произход е, разбира се, Китай. Страхувах се, че той ще „измисли“ освен товаБях сигурен в това, но напразно.

Капацитетметърът и проводниците към него бяха опаковани в полиетилен, всеки в своя корпус и поставени в кутия от дебел картон, свободно пространствопълни с дунапрен. Също така в кутията имаше инструкции за английски език. размериустройство 135 x 72 x 36 mm, тегло 180 грама. Цветът на корпуса е черен, предният панел има лилав оттенък. Има течнокристален дисплей, девет диапазона на измерване, две позиции на изключване, копче за настройка на нулата, 15 сантиметра, различен цвят(червено - черно) проводниците, с които се свързва измерваният кондензатор към уреда, завършват с щипки тип "крокодил", а гнездата на корпуса на уреда за свързването им са маркирани с цветно обозначение на съответния поляритет; допълнително е възможно измерване без тях (което повишава точността), за които има две продълговати гнезда, които са обозначени със символа на измервания кондензатор. Използва се 9-волтова батерия и има функция за автоматична индикация на разреждането й. Трицифрен течнокристален индикатор +1 знак след десетичната запетая, диапазонът на измерване, обявен от производителя е от 0,1 pF до 20000 μF, с възможност за регулиране на диапазона на измерване от 0 до 200 pF, за настройка на нула, в рамките на +/- 20 pF , време на едно измерване 2-3 секунди.

Таблица на допустимите грешки в измерванията, индивидуално по диапазон. Предоставя се от производителя.

В задната половина на кутията има интегрирана стойка. Това дава възможност за по-компактно поставяне на измервателния уред на работното място и променя по-добра странапреглед на дисплея с течни кристали.

Отделението за батерии е напълно автономно; за да смените батерията, просто преместете капака й настрани. Удобството е незабележимо, когато го има.

За да премахнете задния капак на кутията, просто развийте един винт. Най-тежкият компонент на печатната платка е предпазителят от 500 mA.

Работата на измервателния уред се основава на метода на двойното интегриране. Сглобява се на логически броячи HEF4518BT - 2 бр., ключ HEF4066BT, десетичен брояч с декодер HCF4017 и SMD транзистори: J6 - 4 бр., M6 - 2 бр.

Като развиете още шест винта, можете да видите другата страна на печатната платка. Променливият резистор, използван за настройка на „0“, е позициониран така, че да може лесно да бъде заменен, ако е необходимо. Отляво са контактите за свързване на измервания кондензатор, тези отгоре са за директно свързване (без проводници).

Устройството не се настройва незабавно на нулева референтна точка, но коригираното отчитане остава. Много по-лесно е да направите това с изключени проводници.

За да демонстрирате ясно разликата в точността на измерване, когато различни начиниизмервания (с и без проводници) Взех малки кондензатори с фабрична маркировка - 8.2 pF

Видео преглед на устройството

Без проводници С проводници
№1 8 pF 7.3 pF
№2 7,6 pF 8,3 pF
№3 8.1 pF 9.3 pF

Всичко е ясно, измерванията определено ще бъдат по-точни без проводници, въпреки че несъответствието е практически в рамките на 1 pF. Също така многократно измервах кондензаторите на платките - показанията на измерванията на работещите са напълно адекватни според стойността, посочена върху тях. Без да сме много придирчиви, можем да кажем, че качеството на измерване на устройството е доста високо.

Недостатъци на устройството

• нулирането не се извършва веднага,
• контактните остриета, за измерване без проводници, нямат еластичност и не се връщат в първоначалното си положение след разтягане,
• Уредът не е оборудван с контейнер за калибриране.

заключения

Като цяло съм доволен от устройството. Измерва добре, компактен е (лесно се побира в джоба), така че на радио пазара вземам не това, което дават, а това, което ми трябва. Смятам да го модифицирам, когато имам време: смяна на потенциометъра и контактите за директно измерване. Неговата диаграма или нещо подобно можете да намерите в раздела. Казах ви „всичко както е“ и вие сами решавате дали си струва да го попълвате домашна лабораториятакова устройство. Автор - Бабай.

Основните параметри, характеризиращи кондензаторите, са техните електрически капацитети ъгъл на загуба.

Допустимата грешка при измерване на капацитета на кондензаторите зависи от областта на приложение на последните. Капацитетът на кондензаторите, включени в осцилаторните системи, трябва да се определи особено внимателно, с грешка най-малко 1%. При избора на блокиращи, изолационни, свързващи кондензатори и т.н. обикновено се допуска значително (до 20-50%) разсейване на капацитета и те могат да бъдат измерени с помощта на най-простите методи.

Ориз. 1. Еквивалентни схеми (a, b) и векторна диаграма (c) на верига с кондензатор

Във всеки включен кондензатор електрическа верига, има загуби на енергия, които възникват главно в диелектричния материал, както и поради несъвършена изолация между клемите. Като се вземат предвид загубите, еквивалентната схема на кондензатор може да бъде представена в две версии: или под формата на капацитет C, свързан последователно със съпротивление на загуба R p (фиг. 1, а), или под формата на същия капацитет C, шунтиран от съпротивление на утечка R y (фиг. 1, b). При преминаване от една еквивалентна схема към друга да се преизчисли стойността активно съпротивлениеизползвайте формулата

R y = 1/((2*π*f*C) 2 * R p) ,

където f е честотата на тока в кондензаторната верига.

от векторна диаграмана фиг. 1, в, което е валидно и за двата варианта на еквивалентни схеми, следва, че във верига с кондензатор, поради наличието на загуби, фазовото отместване φ между тока I и напрежението U винаги е по-малко от 90°. Загубите в кондензатор обикновено се характеризират с ъгъла на загуба δ = 90 ° - &phi, определен в съответствие с обозначението на фиг. 1 от формулата

tg δ = U p /U c = Iу/Iс = 2*π*f*C*R p = 1/(2*π*f*C*R y).

Загубите в кондензатор понякога се изразяват чрез фактора на мощността cos φ или тока на утечка Iу, определен от стандартни условия. За повечето кондензатори загубите са много малки (tg δ< 0,001), поэтому можно считать

tan δ ≈ δ ≈ sin δ = sin (90° - φ) = cos φ.

Най-големите загуби възникват в електролитни и хартиени кондензатори, чиято употреба е ограничена главно до нискочестотната област.

При някои методи за измерване загубите в кондензатора се определят едновременно с измерването на неговия капацитет. Трябва да се има предвид, че с увеличаване на честотата загубите се увеличават значително (което съответства на увеличаване на стойността на R p и намаляване на R y), докато капацитетът C е практически независим от честотата. При много високи честоти е възможно забележимо увеличение на ефективния (измерен с инструменти) капацитет на кондензаторите поради влиянието на индуктивността на плочите и проводниците.

Параметрите на кондензатора (C, R n, R y, δ) зависят от външни условиянеговата работа - температура, влажност, атмосферно налягане, както и напрежението, приложено към него. Следователно в критични случаи тестването на кондензаторите се извършва не само при техните работни честоти, но и в условия, близки до работните.

Най-простите проверки на кондензаторите могат да се извършват без специални измервателни уреди. Лесен за откриване с помощта на омметър или сонда късо съединениеили повреда между плочите на кондензатора (трябва само да се има предвид, че повредата понякога се появява само при значително напрежение на кондензатора, близко до работното му напрежение). Проверката за отворени вериги на неелектролитни кондензатори с капацитет от 0,01 µF и повече се извършва най-лесно чрез свързване на кондензатора към веригата променлив ток, например осветление или излъчване, последователно с всякакъв товар - лампа с нажежаема жичка, високоговорител и др. Нормален или леко отслабен блясък на лампа или звук на радиопредаване ще покаже липсата на прекъсване.

Кондензатор с висока устойчивост на изтичане е в състояние да задържи заряда, който получава за дълго време, без забележимо намаляване; това позволява с прости средстваоценете качеството на кондензатори с капацитет над 0,01 µF. Когато омметър е свързан към такъв кондензатор, стрелката на измервателния уред ще се отклони леко поради зарядния ток и след това (с високо съпротивление на утечка) ще се върне в първоначалното си положение или близо до него. Последващите краткотрайни връзки към кондензатора на омметъра, повтарящи се на интервали от няколко секунди, не трябва да причиняват отклонение на стрелката на измервателния уред. Ако съпротивлението на изтичане е ниско, ще се наблюдава забележимо отклонение на иглата при всяко свързване на омметъра. За да проверите за изтичане на кондензатори с капацитет над 100 pF, можете да използвате слушалки, свързани последователно с батерия с ниско напрежение. При ниско съпротивление на изтичане всяко свързване на индикатора към кондензатора предизвиква щракване в телефоните, докато при добър кондензатор щракване се чува само при първото свързване. Измерване на стойността на устойчивост на течове (при DC) могат да бъдат произведени от индуктор или електронни мегаомметри.

Електролитните кондензатори трябва да бъдат свързани към тестовото устройство, като се вземе предвид полярността на захранването. При измерване на съпротивлението на утечка на такива кондензатори се препоръчва отчитането да се извърши 10 минути след включването им под напрежение, когато процесът на зареждане може да се счита за завършен.

За измерване на параметрите на кондензаторите се използват методите на волтметър - амперметър, директно измерване с микрофарадметри, сравнение (заместване), мост и резонанс.

Напрежението, приложено към кондензатора по време на който и да е тест, не трябва да надвишава допустимото работно напрежение. Ако по време на теста кондензаторът е зареден до значително напрежение, е необходимо да го разредите в края на теста (например с помощта на бутон, свързан паралелно на кондензатора).

Измерване на капацитет по метода на волтметър-амперметър

Ориз. 2. Схеми за измерване на капацитети по метода на волтметър-амперметър

Схемата за измерване е представена в два варианта на фиг. 2. Кондензаторът Cx, който се тества, е свързан към верига за променлив ток с известна честота F и реостат (или потенциометър) R се използва за задаване на стойността на тока I или напрежението U, изисквана от условията на изпитване или удобна за четене. показанията на устройствата за променлив ток V и mAможете да изчислите импеданса на кондензатора

Z = (R 2 + X 2) 0,5 = U/I, (1)

където R и X = 1/(2*π*F*C x) са неговите активни и реактивни компоненти, съответно.

Ако загубите са малки, т.е<< X, то измеряемая ёмкость определяется формулой

C x = I/(2*π*F*U). (2)

Схема на фиг. 2, а, дава доста точни резултати при измерване на големи капацитети, чието съпротивление X е значително по-малко от входното съпротивление на волтметъра V. Веригата на фиг. 2, b, се използва за измерване на по-малки капацитети, чието съпротивление е десетки или повече пъти по-високо от съпротивлението на милиамперметър mA. Да приемем, че искате да измерите капацитет в диапазона от 0,1-1 μF при честота 50 Hz с 3 mA AC милиамперметър. Тъй като съпротивлението на тези кондензатори X = 3200...32000 Ohm е многократно по-голямо от всяко възможно съпротивление на милиамперметър, измерването трябва да се извърши съгласно диаграмата на фиг. 2, б, със захранващо напрежение U ≥ I*X = 0,003*3200 ≈ 10 V.

Схема на фиг. 2 и може да се използва и за измерване на капацитета на електролитни кондензатори. Ако захранващото напрежение не надвишава 1-2 V, тогава измерването може да се извърши при инсталиране на превключвателя INв позиция 1. При високи променливи напрежения кондензаторите могат да се повредят поради разлагане на електролита. Тази опасност се елиминира, ако превключвателят B е поставен в положение 2. В този случай източникът на постоянен ток се включва последователно с източника на променлив ток с честота F, напрежението на клемите на който U 0 трябва да надвишава амплитудата на променливо напрежение. Тогава във веригата ще работи пулсиращо напрежение, което е безопасно за кондензатора, при условие че полярността на включването му във веригата е правилна. Пулсиращо напрежение може да се получи и чрез последователно свързване на диод към измервателната верига. Във всички случаи волтметър V и милиамперметър mAтрябва да измерват само променливите компоненти на напрежението и тока, за които се извършват със затворена входна верига.

Микрофарадметри с последователна и паралелна измервателна верига

Устройствата, в които измерените капацитети се оценяват директно върху скалата на циферблата, се наричат ​​микрофарадметри. Работата на тези устройства може да се основава на зависимостта на тока или напрежението във верига, захранвана от източник на променлив ток, от стойността на измерения капацитет на кондензатора, включен в него. Веригите на такива устройства в много отношения са подобни на тези на омметри и мегаомметри.

Микрофарадметрите могат да имат последователна или паралелна измервателна верига. Последователната схема (фиг. 3) се използва за измерване на капацитет на средни стойности (от приблизително 100 pF до 10 μF). Напрежение U с честота F се подава от източника към верига, в която еталонен кондензатор C o, тестов кондензатор C x и микро- (или мили) AC амперметър са свързани последователно mA. Преди да започнете измерванията, с късо съединение на входните клеми (което е еквивалентно на C x = ∞), в микроамперметърната верига се монтира реостат R mAобщ ток на отклонение I p; това се гарантира при избора на капацитет на еталонния кондензатор

C 0 ≥ I p (2*π*F*U). (3)

Когато е свързан кондензатор Cx, токът през микроамперметъра ще намалее до определена стойност Ix, колкото по-малък е, толкова по-малък е капацитетът Cx, което позволява измервателният уред да бъде оборудван със скала с маркировки на стойностите на измерените капацитети. Калибрационната характеристика на устройството не зависи от честотата и формата на кривата на захранващото напрежение и се определя приблизително по формулата

I x /I p ≈ С x /(С о + С x), (4)

идентичен с формулата, която определя калибровъчната характеристика на вериги на паралелни омметри. Грешката на измерване се променя по подобен начин: тя е най-малка в средата на скалата, нараства към нейните краища. Средата на скалата съответства на капацитета C x ≈ C o, а диапазонът на измерване е ограничен до стойностите 0,1 C o и 10 C o. Необходимото захранващо напрежение се определя от условието

U ≥ I p /(2*π*F*C o).

Например, с I p = 1 mA, F = 50 Hz и C o = 20000 pF, източникът на захранване трябва да осигурява напрежение U ≥ 160 V, но ако честотата на трептене на източника е F = 1000 Hz, тогава необходимото захранващо напрежение се намалява до 8-10 V.

За измерване на капацитет в широк диапазон микрофарадният метър трябва да има няколко граници на измерване, които е препоръчително да се определят от средните стойности на скалата C o с коефициент на преход N, разделен на 10.

Ориз. 3. Серийна схема на микрофараметър с токомер

Най-удобният източник на захранване за микрофарадметър е мрежа с променлив ток с честота 50 Hz, която ви позволява да получите всяко необходимо напрежение с помощта на трансформатор с малък размер. Висока стойност на последното е необходима само при границите с най-малки C o капацитети. Ако ограничите максималното захранващо напрежение до 200 V, тогава ако имате токоизправител микроамперметър mAпри 100 μA можете да получите, съгласно (3), капацитет от 1600 pF. Захранването с високо напрежение може да се включи само след като кондензаторът C o е разреден и тестваният кондензатор е свързан към веригата. Препоръчително е да използвате бутон за затваряне на входните клеми, за да настроите стрелката на измервателния уред на знака „∞“. Кондензаторите C o и C x трябва да бъдат проектирани за работно напрежение не по-малко от изпитвателното напрежение. За да се предотврати повреда на измервателния уред в случай на повреда на кондензатора C o, препоръчително е да направите последния от два последователно свързани кондензатора, всеки с капацитет 2 C o. Възможно е също така да се включи в захранващата верига ограничителен резистор със съпротивление 5-10 пъти по-малко от капацитета на кондензатора C o.

За да се разшири обхватът на измерване към по-големи стойности на CO, захранващото напрежение обикновено се намалява N пъти в началото (докато достигне няколко волта), като се използват кранове от намотките на силов трансформатор или се използва резистивен делител на напрежение. Преходът към граници с още по-висока стойност на C o може да бъде придружен от намаляване на чувствителността на индикатора чрез шунтиране, подобно на това, което се прави в многограничните омметри. Горната граница на измерените капацитети обикновено не надвишава 1-10 μF, тъй като когато съпротивлението на кондензатора C o е сравнимо с вътрешното съпротивление на индикатора и захранващата верига, грешката на измерване значително се увеличава.

При разширяване на обхвата на измерване към малки стойности на C o, за да се получат приемливи стойности на захранващото напрежение U, веригата трябва да се захранва от вътрешен или външен генератор - източник на напрежение с висока честота F от хиляди херц. В този случай е необходимо да се вземат мерки за елиминиране на влиянието на собствения капацитет на веригата и инсталацията.

Диаграма на микрофарадметър съгласно фиг. 3 ще се прилага и при замяна на еталонния кондензатор C o с еталонния резистор R o. В този случай избраната средна стойност C o на скалата за измерване на капацитет ще бъде постигната при съпротивление

R o ≈ (4*U 2 / I 2 p - 1/(2*π*F*C o) 2) 0,5

Такова устройство може едновременно да се използва като омметър с последователна верига за приблизително измерване (при честота F) на активни съпротивления, при условие че отчитането се извършва по специална скала, подобна на скалата на капацитета, но в обратна посока.

Ориз. 4. Последователна схема на многограничен микрофараметър с измервател на напрежение

Ако имате електронен волтметър за променлив ток с високо входно съпротивление Rv, схемата, показана на фиг., може да се вземе като основа за микрофараметър. 4. Променливото напрежение U, стабилизирано от веригата R1, D1, D2 и приблизително равно на границата на измерване U p на волтметъра V, действа върху волтметъра, когато входните клеми са затворени. Чрез регулиране на чувствителността на последния стрелката на измервателния уред се отклонява до края на скалата. Когато тестваният кондензатор C x е включен във веригата, се образува делител на напрежение R o, C x, от който напрежението U x се подава към волтметъра, колкото по-малък е, толкова по-малък е капацитетът C x. Избраната средна стойност C o на скалата на капацитета ще бъде постигната със съпротивление R o ≈ 1/(11*F*C o). Чрез превключване на резистори R o с различни стойности се променят границите на измерване на капацитета. Минималната възможна стойност на капацитета C o е ограничена от максимално допустимата стойност на съпротивление R o ≈ 0,1 R o. Например, с R o = 1 MOhm и честота F = 50 Hz, получаваме капацитет C o ≈ 1/(11*F*R o) = 1820 pF.

Микрофараметърът в разглеждания режим на работа има крайните маркировки на скалата на капацитета "0" и "∞". Въпреки това, ако използвате чувствителен миливолтметър с граница на измерване U p в устройството<< U, допускающий кратковременную случайную перегрузку до напряжения, равного U, то верхние пределы измерения прибора могут быть ограничены выбранными значениями ёмкостей С п, которым должны соответствовать сопротивления

R o ≈ U p /(U*2*π*F*C p) ;

в същото време работната зона на скалата се разширява значително. В този случай, с допустимо съпротивление R o = 1 MOhm, честота F = 50 Hz и съотношение на напрежението U p / U = 1/30, получаваме C p ≈ 100 pF, което прави възможно измерването на капацитет от 10 pF или Повече ▼. Ако редът на измерения капацитет C x е неизвестен, тогава превключвателят INПървоначално трябва да зададете границата за измерване на най-големите капацитети, при които възможното претоварване на волтметъра е ограничено поради увеличаване на спада на напрежението върху резистора R1.

При микрофараметър с ограничени граници на измерване е необходимо да се калибрира устройството преди започване на измерванията. В диаграмата на фиг. 4, веригата R2, C1 служи за тази цел. Когато натиснете бутона Kn от кондензатор C1, на входа на волтметъра се подава напрежение, при което стрелката на неговия измервателен уред трябва да се отклони до края на скалата (или до определен знак на скалата), което се постига с регулатор на чувствителността. Обикновено те приемат R2 равно на съпротивлението R o на една от границите на измерване и C 1 равно на капацитета C n на същата граница.

На фиг. 5, и е представен един от вариантите за паралелна верига на микрофараметър. При свободни входни клеми (което е еквивалентно на капацитет C x = 0), чрез регулиране на чувствителността на волтметъра V, стрелката на неговия измервателен уред се отклонява до края на скалата. Включването на кондензатор C x във веригата води до факта, че напрежението на волтметъра, първоначално равно на U p, намалява до стойност U x, колкото по-малък е, толкова по-голям е капацитетът C x. Калибрационната характеристика на микрофараметъра се определя от формулата

U x /U p ≈ C o /(C o + C x), (5)

подобно на формулата, която определя калибровъчната характеристика на серийните омметрични вериги.

Входното съпротивление на волтметъра R in и честотата на захранващия ток F ограничават избора на референтния капацитет на кондензатора C около, който определя средната стойност на скалата, от условието

C o ≥ 1,5/(F*R в) .

Например при Rв = 1 MΩ и F = 50 Hz получаваме Со ≥ 30000 pF, т.е. устройството се оказва подходящо за измерване само на относително големи капацитети (не електролитни!) С високочестотен източник на захранване е възможно за намаляване на допустимите стойности на Со до стотици пикофаради, но грешката при измерване може да бъде голяма, ако не вземете предвид входния капацитет на волтметъра.

Ориз. 5. Паралелни вериги на микрофарадметри

За измерване на капацитета на електролитни кондензатори, диаграмата на фиг. 5 Б. Поради включването на диод D, пулсиращо напрежение U o работи върху делителя на напрежение R1, R2. При C x = 0, пълното отклонение на напрежението U p се прилага от резистора R2 към волтметъра V (може да бъде относително ниско съпротивление, например токоизправител) Включването на кондензатора C x води до намаляване на напрежението на волтметъра в съответствие с формула (5). С избраната средна стойност на скалата на капацитета C o и честота F = 50 Hz, необходимите стойности на съпротивлението на делителя на напрежението се определят по формулите:

R1 = U o / (U p * 180*C o); R2 = R1*U p (U o -U p).

Промяната на границите на измерване се извършва чрез използване на няколко делителя на напрежение със същия коефициент на разделяне U o /U a, но различни стойности на съпротивление R1 и R2. AC волтметърът V трябва да има затворена входна верига, в противен случай напрежението трябва да се подава към него чрез електролитен кондензатор с голям капацитет.

Всички разглеждани схеми на микрофарадметър позволяват измерване на капацитет на кондензатори с грешка от 5-10%, а понякога и повече. Не винаги е възможно да се мащабират въз основа на изчисляването на калибрационната характеристика поради влиянието на различни фактори, които трудно се вземат предвид, например вътрешни съпротивления на източника на захранване и измервателните уреди, нелинейност на скалата на напрежението на волтметър и т.н. Следователно, когато настройвате и калибрирате микрофарадметри, е необходимо да използвате контейнерни магазини или комплекти кондензатори с допустими отклонения на капацитета не повече от 5%.

Пример 1. Изчислете последователната верига на микрофараметър съгласно фиг. 3 за границата на измерване от C n = 200 pF до C m = 20000 pF, при условие че захранващото напрежение не трябва да надвишава 10 V. Използвайте 1 mA милиамперметър като измервателен уред в устройството.

Забележка. Средата на скалата съответства на капацитета C o ≈ (C n C m) 0,5.

Отговор: C o = 2000 pF, F ≥ 8 kHz. При избор на F = 10 kHz U ≥ 8V, R = 3...5 kOhm

Отговор: C o = 3 μF, R1 = 37 kOhm, R2 = 2 kOhm; C" o = 30 μF, R"1 = 3,7 kOhm, R"2 ≈ 200 Ohm.

Микрофарадметри с единна скала

Микрофараметър с еднаква скала може да бъде направен по схема, подобна на тази на капацитивните честотни измерватели, като принципно се различава от последния само по това, че обектът на измерване не е честотата, а капацитетът. Работата на такива устройства се основава на измерване на средната стойност на тока на зареждане или разреждане на тествания кондензатор, презареден с напрежение с известна честота.

На фиг. 6, а, показва диаграма на измервателния блок на микрофараметър, захранван от правоъгълно импулсно напрежение u. По време на действието на импулса кондензаторът C x се зарежда през диод D до максималното напрежение U m. В интервала между импулсите кондензаторът се разрежда през измервателен уред (магнитоелектрически микроамперметър) И до първоначалното напрежение U n. В стационарно състояние, при честота на повторение на входните импулси f и тяхната амплитуда U p = U m - U n, средната стойност на тока, протичащ през измервателния уред I x = C x U p f. С фиксирани стойности на U p и f, измервателният уред може да бъде оборудван с единна скала с отчитане в C x стойности в съответствие с формулата

C x = I x /(U p f).

Гранична стойност на измерените капацитети

C p = I и /(U p f),

където I и е общият ток на отклонение на измервателния уред. За да се изгладят пулсациите и да се елиминират колебанията на иглата на измервателния уред, се използва кондензатор C, чието съпротивление при честота f трябва да бъде значително по-малко от съпротивлението R и измервателния уред.

Резултатите няма да се променят, ако измервателният уред е свързан към веригата за зареждане последователно с диод D2 (фиг. 6, b); тогава разрядният ток на кондензатора C x ще бъде затворен през диода D1. При измерване на малки капацитети понякога се използва верига с пълна вълна за включване на измервателния уред (фиг. 6, c). В този случай през измервателния уред протичат както зарядни, така и разрядни токове, което позволява да се получи необходимата граница на измерване при напрежение U p или честота f, което е половината от това в схеми с полувълнова връзка на измервателния уред.

Ориз. 6. Схеми на измервателни блокове на микрофарадметри с единна скала

Границите на измерване на устройството се задават от стойностите на C p и за да се осигурят, при превключване на границите честотата на повторение на импулса на източника на захранване се променя, определена по формулата

f = I и (U p C p) . (6)

Преди да започнете измервания на всяка граница, микрофараметърът трябва да бъде калибриран, за който към него е свързан кондензатор с капацитет C o = C p чрез натискане на бутона Kn (фиг. 6, а); в този случай иглата на измервателния уред се отклонява до края на скалата чрез плавно регулиране на честотата f, амплитудата на импулса U p или чувствителността на измервателния уред (например с помощта на шунтов реостат R w). Тъй като мащабът на устройството е еднакъв, грешката при измерване на капацитета се определя главно от грешката при избора на референтния капацитет C o, чието отклонение от изискваната номинална стойност (C p) не трябва да надвишава 1...5% .

За да се получат правилни резултати от измерването, е необходимо по време на един период на входното напрежение кондензаторът C x да има време да се зареди и разреди напълно (в границите на напрежението U m - U n). Това се постига най-лесно с правоъгълна форма на входните импулси и правилен избор на тяхната честота на повторение f.

Както е известно, във верига, състояща се от елементи R и C, продължителността на зареждане (разреждане) на кондензатор C до стойността на директното напрежение, приложено към тази верига, се определя от времевата константа τ = RC и практически не надвишава 5τ . За да приключи зарядът (разрядът) по време на полупериода T/2 на честота на напрежение f, трябва да бъде изпълнено следното условие:

5RC = 5 τ<= T/2 = 1/(2*f),

което е удовлетворено при честота

f<= 1/(10*RС). (7)

Като вземем максималното възможно съпротивление на веригите за зареждане и разреждане R = 10 kOhm (като вземем предвид изходното съпротивление Rout на генератора на импулси), получаваме практическа формула за избор на честотата на повторение на импулса (в килохерци):

f ≤ 10 4 / C p (8)

(където C p е в пикофаради). В последното условие често се взема знакът за равенство. Тогава горните граници на измерване C p - 100, 1000, 10 000 pF и 0,1 μF ще съответстват съответно на честоти f = 100, 10, 1 и 0,1 kHz.

Условието (8) и формулата (6) определят необходимата амплитуда на импулса (във волтове):

U p ≥ 0,1*I и

(където I и са в микроампери). Например, когато работите с измервателен уред с общ ток на отклонение I u = 100 μA, е необходима амплитуда U p ≥ 10 V.

Съпротивлението на резистора R d (фиг. 6, а) се приема така, че съпротивлението на измервателната верига R d + R и значително надвишава (поне десетки пъти) директното съпротивление на диода D; в същото време не трябва да увеличава общото съпротивление на разрядната верига над допустимата стойност (10 kOhm). Ако и двете условия не могат да бъдат изпълнени едновременно, тогава резисторът Rd се заменя с диод, който пропуска тока на разреждане; в този случай измервателният уред се включва съгласно диаграмата на фиг. 6, б. При изчисляване на устройството се взема предвид и естеството на изходното съпротивление R от генератора на импулси, което в зависимост от веригата на генератора може да бъде постоянно, регулируемо или дори нелинейно (голямо по време на импулса и малко в интервала между импулси).

В допълнение към еднаква скала на капацитета, микрофарадметрите могат да имат неравномерна скала с диапазон на отчитане от 0 до ∞, подобно на скалите на паралелни омметрични вериги. Естеството на мащаба (равномерно - P, неравномерно - H) в диаграмата на фиг. 6, а, определена от настройката на превключвателя B1. В позицията на последното „H“ изпитваният кондензатор C x е свързан последователно с еталонния кондензатор C o, чийто капацитет определя границата на измерване на устройството и приблизително съответства на средата на неговата нелинейна скала.

Единна скала за измерване на капацитет може да се получи по някои други методи. Така че, ако към изхода на мултивибратора е свързана диференцираща верига R, C x, тогава средното напрежение на импулси със същата полярност, взето от резистора R, се оказва пропорционално на капацитета C x. За да работи такова устройство, е необходим чувствителен DC миливолтметър. Границите на измерване могат да бъдат зададени чрез съпротивлението на резистора R. При честота на повторение на импулса f = 100 kHz са получени горните граници за измерване на капацитет C p = 10 и 100 pF.

Пример 3. Направете приблизително изчисление на измервателната единица на микрофарад метър с единна скала (фиг. 6, а) за измерване на капацитет с горни граници от 300 и 3000 pF, 0,03 и 0,3 μF, ако измервателният уред има данните : I и = 50 μA , R и = 2600 Ohm.

Отговор: C o = 300 и 3000 pF, 0,03 и 0,3 μF; f = 30 и 3 kHz, 300 и 30 Hz; R d = 1,5 kOhm; R w = 10 kOhm; C = 5..10 µF; U p = 5 V; Изход ≤ 6 kOhm.

Измерване на капацитет чрез метода на сравнение (заместване).

Този метод се основава на сравняване на ефекта на измерения капацитет C x и известния капацитет C o върху режима на измервателната верига.

Най-простата схема за измерване, в която капацитетите C x и C o се сравняват според стойността на тяхното съпротивление срещу променлив ток, е показана на фиг. 7. Когато включите кондензатора C x потенциометър R, задайте ток във веригата, който е удобен за отчитане или наблюдение с помощта на AC милиамперметър mAили друг индикатор с нисък импеданс. Тогава, вместо кондензатор C x, към веригата се свързва склад от кондензатори или модел (еталонен) кондензатор с променлив капацитет и чрез промяна на неговия капацитет C o се постига предишното показание на индикатора. Това ще стане, когато C o = C x. Грешката на измерване зависи от чувствителността на индикатора и грешката при отчитане на капацитета C o; може да се получи равно на около 1% или по-малко.

Ориз. 7. Схема за измерване на капацитети

При измерване на капацитет над 5000 pF, използвайки метода за сравнение, измервателната верига може да се захранва от мрежа с променлив ток с честота 50 Hz. За измерване на по-малки капацитети е необходим генератор, работещ на по-високи честоти. Във всички случаи, за да се гарантира безопасността на индикатора, във веригата трябва да се включи ограничителен кондензатор (C1) или резистор.

Методът за сравнение в различни версии се използва широко в мостови и резонансни измерватели на капацитет. Може да се приложи и в микрофарадметри, обсъдени в предишните параграфи, със значително намаляване на грешката при измерване.

AC измервателни мостове

Балансираните AC мостове се използват широко за измерване на кондензатори и индуктори.

В общия случай рамената на AC измервателния мост (фиг. 8) имат комплексни съпротивления Z1, Z2, Z3 и Z4, едно от които, например Z4, е обект на измерване. Мостът се захранва от източник на променлив ток с честота F, чието напрежение се подава директно или чрез трансформатор Tr към един от диагоналите на моста. Индикаторът AC нула е включен в другия диагонал IN.

Ориз. 8. AC мостова верига

Както при мостовете с постоянен ток, процесът на измерване се свежда до балансиране на моста с променлив ток, който се характеризира с липсата на потенциална разлика между върховете АИ b; за това е необходимо спадовете на напрежението в рамената Z1 и Z4 (както и в рамената Z2 и Z3) да са равни по амплитуда и по фаза. Равновесието се постига, когато са изпълнени две условия:
1) равенството на продуктите на абсолютните съпротивления на противоположните рамена, т.е.

Z 4 Z 2 = Z 1 Z 3; (9)

2) равенство на сумите от фазови ъгли на едни и същи рамена, т.е.

φ4 + φ2 = φ1 + φ3. (10)

Ако рамото на моста има активни R и реактивни (капацитивни или индуктивни) X съпротивления, действащи последователно, тогава импедансният модул на рамото

Z = (R 2 -X 2) 0,5, (11)

и неговият фазов ъгъл φ се определя от формулата

tan φ = X/R. (12)

За чисто активни рамена (X = 0), фазовият ъгъл е φ = 0; за чисто капацитивни и индуктивни рамена (R = 0) φ = -90° и φ = +90°, съответно. Ако съпротивлението на рамото има смесен (сложен) характер, то фазовият ъгъл |φ|< 90°.

Ако съпротивленията R и X са представени в паралелна връзка, тогава модулът на импеданса на рамото

Z = 1/(1/R 2 +1/X 2) 0,5, (13)

и фазовият ъгъл φ се намира от формулата

tan φ = R/X. (14)

В този случай ъгълът φ = 0 при липса на реактивно съпротивление (X = ∞) и φ = +-90° при липса на активно съпротивление (R = ∞).

За да се удовлетворят едновременно и двете условия на равновесие, е необходимо да се коригират два параметъра на известните рамена на моста; в този случай се оказва възможно да се определят два параметъра на изследваното рамо, например активните и реактивните компоненти на общото му съпротивление.

Условие (9) винаги може да бъде изпълнено чрез регулиране на елементите на рамената на моста. Второто условие (10) е изпълнено само при определено разположение на мостовата верига, например ако и четирите рамена се състоят от еднакви елементи - резистори, кондензатори или индуктори. Обикновено, за да се опрости схемата, двете рамена на променливотоковия мост се изграждат от активни съпротивителни елементи - резистори. Ако тези рамена са съседни (фиг. 9), тогава другите две рамена трябва да имат съпротивление от същото естество, тоест и двете трябва да съдържат или кондензатори, или индуктори. Ако рамената на активното съпротивление са противоположни, тогава другите две рамена трябва да имат реактивни съпротивления от различно естество: едното е капацитивно, а другото е индуктивно, с фазови ъгли с различни знаци, чиято сума може да се направи равна на нула.

В AC измервателните мостове се избягва използването на индуктори (освен ако, разбира се, последните не са обект на измерване), тъй като те имат забележимо активно съпротивление и са податливи на магнитни полета; Освен това при стоманена сърцевина индуктивността на бобината не е стабилна. Като регулируеми елементи в мостовете се използват променливи резистори и кондензатори, както и магазини за съпротивление и капацитет.

В най-простите мостове, захранвани от източници на аудио честота, слушалките често служат като нулеви индикатори. Мостът е балансиран въз основа на минималната чуваемост на тона на основната честота, което намалява грешката на измерване, дължаща се на хармоници, и намалява изискванията към генератора на мощност.

В промишлените измервателни мостове като нулеви индикатори се използват токоизправителни или електронни миливолтметри, както и осцилографски индикатори на малки електроннолъчеви тръби; последните, за разлика от други индикатори, имат фазова чувствителност, което позволява да се определи посоката, в която трябва да се балансира мостът.

Предимствата на балансираните променливотокови мостове са малка грешка в измерването, не повече от 1% в най-добрите проби, широки граници на измерване и възможност за универсално използване за измерване на различни електрически величини. Основният им недостатък е сложността и продължителността на процеса на балансиране. В последното отношение небалансираните и автоматичните AC мостове имат определени предимства.

При небалансирани AC мостове амплитудата и фазата на изходното напрежение на клемите на индикаторния диагонал зависят както от модула, така и от състава на измервания обект Zx. При сравнително малко отклонение от равновесното състояние, активните и реактивните компоненти на изходното напрежение се оказват приблизително пропорционални на увеличенията на подобни компоненти на комплексното съпротивление Zx спрямо тези стойности, при които мостът е балансиран. две фазочувствителни системи, възможно е разделяне на компонентите на изходното напрежение, изместени във фаза на 90°, които след това се разделят измерено с два индикатора; отчетът за скалите на последния се изготвя съответно в стойностите на активните и реактивните компоненти на съпротивлението Zx.

При автоматичните променливотокови мостове компонентите на изходното напрежение, изолирани от фазово-чувствителни системи, задвижват два електродвигателя, които чрез задвижвания действат върху регулиращите елементи на мостовата верига, докато се достигне състояние на равновесие.

Мостов метод за измерване на параметрите на кондензатора

Мостовете, използвани за измерване на параметрите на кондензаторите, се разделят на магазинни и реохордни (линейни). Най-простият (еднограничен) магазинен мост, подходящ за измерване на капацитет от десетки и стотици пикофаради, може да се състои от четири кондензатора: измерен кондензатор, променлив с капацитетна скала (в съседното рамо) и два постоянни с същият капацитет (стотици пикофаради). Когато се използва като индикатор за слушалки, източникът на захранване на моста може да бъде мрежа за радиоразпръскване. Мостовете на магазините с широк обхват са по-сложни от мостовете с поток, но осигуряват по-малка грешка при измерване и могат да имат еднакви скали за четене. Обхватът на капацитетите, измерени по мостовия метод, е приблизително от 10 pF до 10...30 μF.

На фиг. 9 е показана диаграма на мост с множество граници. Той е балансиран с помощта на променлив кондензатор C1 и променлив резистор R1. Прилагайки условието за равновесие (9) към тази схема, получаваме

R2*(R x 2 + 1/(2*π*F*C x) 2) 0,5 = R3*(R1 2 +1/(2*π*F*C 1) 2) 0,5

Като се има предвид, че φ 2 = φ 3 = 0, второто условие за равновесие (10) може да бъде записано като равенството φ x = φ 1 или tan φ x = tan φ 1 или, съгласно формула (12),

1/(2*π*F*C x *R x) = 1/(2*π*F*C 1 *R 1).

Решавайки заедно горните уравнения, намираме:

Cx = C1(R2/R3); (15)

R x = R1(R3/R2) . (16)

С фиксирано съотношение на съпротивлението на рамото R2/R3, кондензаторът C1 и резисторът R1 могат да бъдат оборудвани със скали, показващи съответно стойностите на капацитета C x и съпротивлението на загуба R x. Разширяването на обхвата на измерване се постига чрез използване на група превключваеми резистори R3 (или R2) с различни стойности, обикновено различаващи се с коефициент 10. Мостът се балансира бързо, тъй като настройките, направени от кондензатор C1 и резистор R1, са взаимно независими. Ако мостът е предназначен за измерване на капацитети, по-малки от 0,01 μF, за които загубите при ниски честоти са много малки, тогава резисторът R1 може да отсъства.

Ориз. 9 Съхранявайте мостови вериги за измерване на параметрите на кондензатора

За да се опрости дизайна, в някои измервателни мостове кондензаторът C1 се взема с постоянен капацитет, а два променливи резистора, например R1 и R2, се използват като регулируеми елементи (фиг. 9, b). От формули (15) и (16) следва, че и двете настройки на такъв мост са взаимосвързани, следователно неговото балансиране, контролирано от показанията на индикатора на токоизправителя, трябва да се извърши чрез последователно приближаване до минимума чрез последователна промяна на съпротивленията R1 и R2. Стойностите на капацитета C x се намират на скалата на резистора R2, като се вземе предвид множителят, определен от настройката на превключвателя IN. Тъй като директната оценка на съпротивлението на загубата R x се оказва невъзможна, отчитането на скалата на резистора R1 обикновено се извършва в стойности на тангенса на загубата:

tg δ = 2*πF*C x *R x = 2*π*F*C 1 *R 1,

която при фиксирана честота F се определя еднозначно от стойността на съпротивлението R1. Лесно е да проверите валидността на последната формула, ако умножите съответно лявата и дясната страна на равенствата (15) и (16).

Обикновените измерватели на капацитет се правят с помощта на мостова схема на потока, която обикновено осигурява възможност за измерване на съпротивления и понякога индуктивности. Диаграмата на универсален реохордов мост е показана в статията Измерване на параметрите на индуктори на фиг. 5.

Пример 4. Извършете изчисление за проверка на диаграмата на моста на магазина съгласно фиг. 9, b, за измерване на капацитет при три граници с горни стойности от 10000 pF, 0,1 и 1 µF, както и тангенса на загубите от 0 до 0,01, ако капацитетът C1 = 0,01 µF и общото съпротивление R2 - 10 kOhm Захранващо напрежение 10 V, честота 50 Hz. Метър Иима параметри: I и = 100 μA, R и = 900 Ohm.

Резултатите от изчислението са показани на диаграмата.

Измерватели на резонансен капацитет

В допълнение към измерването на честотата на електрическите трептения, резонансните методи се използват широко за измерване на малки капацитети и индуктивности, качествен фактор, естествена или резонансна честота на настройка и други параметри на радиокомпоненти и осцилаторни системи.

Резонансната верига за измерване на капацитет (фиг. 10) обикновено включва високочестотен генератор, с веригата на който LC е слабо свързан индуктивно (или чрез капацитет) чрез измервателна верига, състояща се от референтен индуктор L o и тестов кондензатор C x. Чрез промяна на капацитета на кондензатора C, генераторът се настройва в резонанс с естествената честота f o на измервателната верига според екстремните показания на резонансен индикатор, например електронен волтметър V. С известна честота на настройка на генератора f o измереният капацитет се определя по формулата

С x = 1/((2*π*f о) 2 *L о) ≈ 0.0253/(f о 2 L о) (17)

С фиксирана стойност на L o, кондензаторът C може да бъде оборудван със скала с отчитане на стойностите на капацитета C x.

Границите на измерване на капацитета се определят от стойността на индуктивността L o и честотния диапазон на генератора. Например, с L o = 100 μH и обхват на генератора от 160-3500 kHz, устройството ще измерва капацитет от десетки пикофаради до стотни от микрофарада. За разширяване на границите на измерване на капацитет с ограничен честотен диапазон на генератора се използват няколко сменяеми намотки L с различна индуктивност, а изпитваните кондензатори също са включени в измервателната верига последователно с кондензатори с известен капацитет. Капацитети с повече от 0,01-0,05 μF обикновено не се измерват чрез резонансния метод, тъй като при ниски честоти резонансните криви на осцилаторните вериги стават тъпи, което затруднява откриването на резонанс.

Като резонансни индикатори се използват чувствителни високочестотни устройства, които реагират на ток или напрежение, действащи в измервателната верига, например електронни волтметри с циферблат или електронно-светлинен индикатор, осцилоскопи с електронен лъч, термоелектрически устройства и др. Резонансният индикатор не трябва въвеждат забележимо затихване в измервателната верига.

Ориз. 10. Схема за измерване на капацитети по резонансния метод

Горната граница на капацитетите, измерени по този метод, е равна на разликата между максималния C m и първоначалния C капацитет на кондензатора C o. Кондензатори, чийто капацитет надвишава стойността C m - C n, могат да бъдат свързани към веригата последователно с постоянен кондензатор с известен капацитет Cx. В този случай редът на измерванията остава същият, но измереният капацитет се изчислява по формулата

C x = C1 (C o1 - C o2)/(C 1 - C o1 + C o2).

Например, при C 1 = 600 pF, C o1 = 500 pF и C o2 = 100 pF, получаваме C x = 1200 pF. Използвайки няколко сменяеми кондензатора C1 с различни номинални стойности, можете да получите редица граници на измерване. Ако зададем горната граница на измерените капацитети C p, тогава необходимият капацитет C x се определя по формулата:

C 1 = C p (C m -C n)/(C p -C m + C n).

Например, при C p = 2000 pF, C m = 500 pF и C CH = 20 pF, кондензаторът трябва да има капацитет C1 = 630 pF.

Различни варианти на резонансни методи се реализират в специални измервателни уреди или чрез малки приставки към стандартно радио оборудване с честотни скали (последните включват високочестотни измервателни генератори, радиоприемници и др.).

Ориз. 11. Схема на резонансен капацитет метър, използващ феномена на абсорбция

На фиг. Фигура 11 показва диаграма на резонансен капацитетен метър, базиран на използването на феномена на абсорбция. Устройството съдържа генератор с ниска мощност по триточкова капацитивна верига, с осцилаторната верига на която е индуктивно свързана измервателната верига L2, C6, C7. Връзката между веригите е установена относително силна (например чрез използване на обща феритна сърцевина за намотките L1 и L2), за да се осигури забележимо влияние на измервателната верига върху режима на генератора. Резонансният индикатор е микроамперметър с постоянен ток mA, включен в базовата верига на транзистора Т. Когато измервателната верига е настроена в резонанс с честотата на генератора, енергията, погълната от веригата, е най-голяма. Това предизвиква рязко намаляване на DC компонента на базовия ток, измерен с микроамперметър mA, което осигурява ясна фиксация на резонансното състояние.

За да намалите грешката при измерване на малки капацитети, можете да включите два променливи кондензатора (C6 и C7 на фиг. 11) с максимален капацитет, например 500 и 50 pF, в измервателната верига. Преди измерванията двата кондензатора се настройват на максимален капацитет и с помощта на сърцевината за настройка на една от намотките се постига резонансна настройка на генератора и измервателната верига. След това, чрез свързване на кондензатор Cx към веригата, в зависимост от очаквания капацитет на последния, един от кондензаторите C6 или C7 възстановява резонанса. Препоръчително е да разчитате на скалите на кондензаторите C6 и C7 директно в стойностите на капацитета C x.

Фигура 12. Схема за измерване на капацитет с помощта на резонансен метод с помощта на радиоприемник

Разглежданата версия на резонансния метод може да се реализира с помощта на най-простото закрепване към радиоприемник, който има вътрешна магнитна антена. Приставката (фиг. 12) е измервателна верига L, C o, чиято собствена честота при максимална стойност на капацитета C o трябва да бъде в рамките на някакъв честотен поддиапазон на приемника. Приемникът се настройва на честотата на една от добре приетите предавателни радиостанции в този поддиапазон и след това намотката L се поставя близо до приемника, успоредно на неговата магнитна антена. При най-високия капацитет C сърцевината за настройка на бобината L се използва за настройка на веригата в резонанс с честотата на настройка на приемника, което се открива чрез отслабването на чуваемостта на звуковите сигнали на радиостанцията, и след това капацитетът C x се измерва чрез метода на заместване.

Високата точност на записване на резонансното състояние се постига с помощта на хетеродинния метод (метод на нулев ритъм). В хетеродинния капацитетен уред има два еднакви високочестотни локални осцилатора, трептенията на които се смесват в детекторната каскада, заредена върху телефоните. При максималния капацитет на кондензаторите на главния контур с променлив капацитет и двата локални осцилатора се настройват на една и съща честота, която се контролира от нулеви удари. След това кондензатор C x се свързва паралелно с един от тези кондензатори, чийто капацитет се определя чрез метода на заместване.

Ако и двата локални осцилатора са направени напълно идентични, тогава устройството може успешно да се използва за изравняване на капацитета на двойни и тройни блокове от променливи кондензатори. За да направите това, една секция от тествания блок от кондензатори е свързана едновременно към веригите на двата локални осцилатора и с техния максимален въведен капацитет се постигат нулеви удари. Ако и двете секции са идентични, тогава при конюгирано намаляване на капацитета им трябва да се запазят нулеви удари.

Недвусмислената връзка между капацитета на осцилаторната верига на генератора и честотата на възбудените трептения позволява да се създаде капацитетен метър, състоящ се от генератор, в чиято верига са включени кондензатори C x, и честотен метър със скала с директно отчитане на C x стойностите.

При всички приложения на резонансния метод трябва да се извърши предварителна настройка на измервателната верига със свързани към нея комуникационни проводници с измервателния обект, чиято дължина трябва да бъде възможно най-малка.