Измерение емкости и индуктивности

Приборы непосредственной оценки и сравнения

К измерительным приборам непосредственной оценки значения измеряемой емкости относятся микрофарадметры , действие которых базируется на зависимости тока или напряжения в цепи переменного тока от значения включенной в нее измеряемой емкости. Значение емкости определяют по шкале стрелочного измерителя.

Более широко для измерения параметров конденсаторов и индуктивностей применяют уравновешенные мосты переменного тока , позволяющие получить малую погрешность измерения (до 1 %). Питание моста осуществляется от генераторов, работающих на фиксированной частоте 400—1000 Гц. В качестве индикаторов применяют выпрямительные или электронные милливольтметры, а также осциллографические индикаторы.

Измерение производят балансированием моста в результате попеременной подстройки двух его плеч. Отсчет показаний берется по лимбам рукояток тех плеч, которыми сбалансирован мост.

В качестве примера рассмотрим измерительные мосты, являющиеся основой измерителя индуктивности ЕЗ-3 (рис. 1) и измерителя емкости Е8-3 (рис. 2).

Рис. 1. Схема моста для измерения индуктивности

Рис. 2. Схема моста для измерения емкости с малыми (а) и большими (б) потерями

При балансе моста (рис. 1) индуктивность катушки и ее добротность определяют по формулам Lx = R1R2C2; Qx = wR1C1.

При балансе мостов (рис. 2) измеряемая емкость и сопротивление потерь определяют по формулам

Измерение емкости и индуктивности методом амперметра-вольметра

Для измерения малых емкостей (не более 0,01 — 0,05 мкФ) и высокочастотных катушек индуктивности в диапазоне их рабочих частот широко используют резонансные методы Резонансная схема обычно включает в себя генератор высокой частоты, индуктивно или через емкость связанный с измерительным LС-контуром. В качестве индикаторов резонанса применяют чувствительные высокочастотные приборы, реагирующие на ток или напряжение.

Методом амперметра-вольтметра измеряют сравнительно большие емкости и индуктивности при питании измерительной схемы от источника низкой частоты 50 — 1000 Гц.

Для измерения можно воспользоваться схемами рис. 3.

Рисунок 3. Схемы измерения больших (а) и малых (б) сопротивлений переменному току

По показаниям приборов полное сопротивление

из этих выражений можно определить

Когда можно пренебречь активными потерями в конденсаторе или катушке индуктивности, используют схему рис. 4. В этом случае

Рис. 4. Схемы измерения больших (а) и малых (б) сопротивлений методом амперметра — вольтметра

Измерение взаимной индуктивности двух катушек

Измерение взаимной индуктивности двух катушек можно произвести по методу амперметра-вольтметра (рис. 5) и методу последовательно соединенных катушек.

Рис. 5. Измерение взаимной индуктивности по методу амперметра-вольтметра

Значение взаимной индуктивности при измерении по методу амперметра-вольтметра

Измерение индуктивности может быть произведено одним из описанных ранее методов.

Все электротехнические устройства обладают электрическим сопротивлением. Условно сопротивления электротехнических устройств можно разделить на малые (до 1 Ом), средние (от 1 до I • I О 5 Ом) и большие (более 1»10 5 Ом). Наиболее просто измерять средние сопротивления. Для этого применяют методы амперметра — вольтметра и омметра.

Метод амперметра — вольтметра — косвенный метод измерения сопротивлений, который базируется на законе Ома. Реализуют его с помощью двух схем, отличающихся подключением вольтметра. В обеих схемах нужно учитывать погрешность из-за наличия сопротивлений вольтметра R_v и амперметраR_A

При методе омметра схема измерения содержит магнитоэлектрический измерительный механизм (ИМ) и добавочный резистор R_lt (рис. 11.28). Ток в цепи / определяется выражением I = U / (R₀ + R_H + R_x).

Угол отклонения стрелки а пропорционален току а = SI, где S — чувствительность измерительного механизма. Из выражения а = SI =

= SU/ (R₀ + R_H + R_x) следует, что шкала прибора, проградуированная в единицах сопротивления, нелинейная. Конечное положение стрелки соответствует R_x = 0, а начальное — R_x —> оо.

Рис. 11.28. Схема измерения сопротивления по методу омметра

Рис. 11.29. Схема мегомметра

Омметры удобны и просты в эксплуатации, но имеют значительную погрешность. В настоящее время широкое применение находят цифровые универсальные приборы — мультиметры, которыми можно измерять различные электрические величины, в том числе и сопротивления.

Большие сопротивления обычно измеряют с помощью омметров, содержащих логометрические измерительные механизмы. Такие приборы называют ся мегомметрами (рис. 11.29). Мегомметры не требуют установки нуля, как омметры, а в качестве источника питания содержат небольшие генераторы напряжением 500 или 1000 В.

Малые сопротивления измеряют методом амперметра — вольтметра или мостовым методом. Мостовой метод предусматривает применение специальных измерительных мостов. Измерительный мост содержит в плечах регулируемые резисторы R₂,R₃,R₄ и измеряемое сопротивление R, (рис. 11.30). В диагональ моста включают нуль-индикатор (НИ), выполняемый обычно на базе магнитоэлектрического гальванометра.

Рис. 11.30. Мостовая схема

Изменяя сопротивления плечR₂,R₃,R₄, уравновешивают мост, т.е. добиваются положения, когда НИ показывает нуль. В уравновешенном мосте R_xR₄ = R₁R₃. Так как R₁,R₃,R₄ — известные сопротивления моста, то R_x можно найти по формуле R_r = R₂R₃ / R₄.

Для точного измерения сопротивлений применяют компенсационный метод. Его целесообразно использовать для средних и малых сопротивлений. Компенсационный метод позволяет измерять сопротивления с точностью 0,02%.

Рис. 11.31. Схема измерения индуктивности и емкости по методу амперметра — вольтметра — ваттметра

Для измерения индуктивностей и ёмкостей в электрических устройствах широко применяется метод амперметра — вольтметра — ваттметра (рис. 11.31). Сначала измеряют ток I, напряжение U и мощность Р. Затем вычисляют активное сопротивление приемника R = Р /I 2 , полное сопротивление приемника Z = U /1, реактивное сопротивление приемника X = lz 2 -R 2 .

Для определения индуктивности пользуются L = X_L / ю, емкости находят С = 1 / (wX_c).

Это очень точный измеритель индуктивности/емкости на базе микроконтроллера PIC16F628A. Идея реализована на примере точного измерителя индуктивности/емкости .Конструкция устройства немного отличается от аналогичных устройств, найденных в сети Интернет. Целью моего не легкого труда было предоставить простое решение, которое легко собрать с первой попытки. Большинство конструкций данного типа устройств работает не так, как описано в документации, или на них просто недостаточно справочной информации. Наиболее трудной частью проекта было запрограммировать весь математический код с плавающей запятой в память программ размером 2k микроконтроллера 16F628A.

Обычно измеритель индуктивности/емкости представляет собой измеритель частоты, имеющий в составе генератор колебаний, который генерирует колебания и измеряет величины L или C, после чего вычисляется конечный результат. Погрешность частоты составляет 1Гц. Для получения более подробной информации по измерению частоты с помощью синхронизирующих устройств, обратитесь к моей статье о цифровом частотомере.

Теоретические сведения: Внимательно посмотрите на схему; я не использовал язычковое реле, поскольку не нашел его на местном рынке радиокомпонентов. Поэтому я решил сначала использовать полевой МОП-транзистор вместо язычкового реле. Но наилучший результат я получил с помощью обычного NPN-транзистора, такого как BC547. Если вы не доверяете транзисторам, тогда вы сможете добавить язычковое реле самостоятельно. Я использовал внутренний компаратор контроллера для генератора и подсоединил его к источнику внешней синхронизации таймера Timer1 для вычисления частоты. Благодаря этому не понадобилось использовать внешний операционный усилитель Lm311. Реле RL1 использовалось для выбора режима измерения L и C. Измеритель работает на базе четырех основных уравнений, которые представлены ниже:

Для обеих неизвестных величин L и C, обычно применяется равенство 1 и 2. Средние значения F1 мы получаем с помощью LC колебательного контура, затем подсоединяем C_cal параллельно колебательному контуру и получаем величину F2.
Сразу после этого,

1. Для емкости требуется F3 (уравнение 3), оставляя Cx параллельно колебательному контуру, затем вычисляется Cx из уравнения 4
2. Для индуктивности требуется F3 (уравнение 7), оставляя Lx последовательно колебательному контуру, и c затем вычисляется Lx из уравнения 8

Следовательно, как для индуктивности, так и для емкости, уравнения 1, 2, и уравнения 5, 6 одинаковы.
После получения приблизительных значений индуктивности или емкости, программа автоматически приведет значения к техническим единицам, которые отобразит на жидкокристаллическом дисплее разрешением 16×2.
Если вам тяжело осилить все математические вычисления, тогда лучше оставить их на время и перейти к аппаратным средствам. Для начала выполните процесс калибровки, который разъяснен в следующей главе.

Конструкция:
Точность измерения зависит от состояния ваших компонентов. Два конденсатора, емкостью 33пФ в генераторе должны быть танталовыми (для низкой серии сопротивлений/индуктивностей). Используйте C4, C5 (C_cal) полистирольного типа, поскольку зеленые конденсаторы имеют слишком большое отклонение величины. Избегайте использования керамических конденсаторов. Некоторые из них имеют большие затухания.

1. Сначала проверьте, чтобы все компоненты отлично подходили на свои места в плате.
2. Запрограммируйте микросхему (16F628A) с помощью Hex файла, указанного ниже на данной странице. Если у вас нет программатора / загрузчика, тогда обратитесь к моей схеме PicKit-2 клона. Его очень легко собрать самостоятельно.
3. Сначала подайте питание на схему без микросхемы, затем проверьте напряжение на выводе 5, 14 колодки ИС с помощью вольтметра. Если напряжение равно 5В, тогда все отлично.
4. Поместите микросхему в колодку ИС и подайте питание. Если на жидкокристаллическом дисплее будет повышенная контрастность, тогда увеличьте значение резистора R11 на несколько килоом.

Калибровка:

1. Закоротите два тестовых проводника и подайте питание на схему. При этом выполнится автоматическая калибровка. Устройство перейдет в режим по умолчанию – режим индуктивности. Дайте несколько минут на "разогрев", затем нажмите кнопку "zero" (нуль) для выполнения форсированной повторной калибровки. Теперь на дисплее должно отображаться значение ind = 0.00 uH (мкГн)
2. Теперь разомкните два тестовых проводника и подсоедините заранее известную индуктивность, например 10 мкГн или 100 мкГн. Измеритель индуктивности/емкости должен считать приблизительно аналогичное значение (допускается погрешность до +/- 10%).
3. После этого необходимо настроить измеритель для отображения результата с погрешностью около +/- 1%. Чтобы выполнить это, проверьте что в схеме установлены 4 джампера Jp1

Jp4. Джамперы Jp1 и Jp2 предназначены для увеличения (+) и уменьшения (–) значений. Для увеличения значения сначала установите Jp1 и выполните шаги 1,2, для уменьшения значения установите Jp2 и выполните шаги 1,2.