ЛЕКЦИЯ 14.
Качество многих электрических цепей зависит от степени соответствия их параметров требуемым значениям. Поэтому с измерением емкости С, индуктивности L и взаимной индуктивности М приходится встречаться часто. Элементов электрической цепи, которые бы в чистом виде содержали только один из каких-либо перечисленных выше параметров, на практике не существует. Например, любой конденсатор помимо емкости характеризуется также конкретным сопротивлением потерь и сопротивлением изоляции между его обкладками; катушка индуктивности имеет также сопротивление проводника и межвитковую емкость. Однако на практике эти элементы электрической цепи часто представляют упрощенными схемами замещения, содержащими только два наиболее существенных элемента (R и С; R и L), знание значений которых позволяет правильно судить о состоянии цепи.
На рис.14.1,а и б показаны эквивалентные схемы замещения и векторные диаграммы двух наиболее распространенных способов представления конденсаторов - последовательной и параллельной схемами замещения.
В таком конденсаторе ток опережает напряжение на угол, меньший 90°. Угол d, дополняющий угол между током и напряжением в цепи конденсатора до 90°, называется углом потерь. Конденсаторы принято характеризовать двумя параметрами: емкостью С и тангенсом угла диэлектрических потерь tg d. Как видно из рис.14.1,а, в последовательной схеме tgd отражает отношение падений напряжений на активном сопротивлении и емкости, а в параллельной схеме рис.14.1,б - отношение токов.
При измерении параметров катушки индуктивности в ней обычно выделяют и измеряют значения индуктивности L и сопротивления потерь R (рис.14.2) 
или добротности Q, под которой понимают отношение индуктивного сопротивления катушки к активному:
Q = wL/R.
Мосты для измерения емкости и угла потерь конденсаторов. На рис.14.3,а,б показаны мостовые схемы для измерения параметров конденсаторов с последовательной и параллельной схемами замещения. Допустим, что конденсатор, параметры которого измеряются, включен в первое плечо моста и мост уравновешен.
В таком случае справедливо равенство
.
Для схемы рис. 14.3, а
Подставив эти значения в уравнение равновесия моста, получим:
Приравняв отдельно действительные и мнимые части этого соотношения, найдем:
Для схемы рис. 14.3, б
Подставив эти выражения в уравнение равновесия моста, получим:
Из последнего уравнения следует
Мосты для измерения индуктивности и добротности катушек индуктивности. Катушка индуктивности, параметры которой измеряются, включается в одно из плеч четырехплечего моста, например в первое плечо 
. Чтобы мост можно было уравновесить, по крайней мере одно из оставшихся плеч должно содержать реактивность в виде индуктивности или емкости. Предпочтение отдают емкости, так как катушки индуктивности по точности изготовления уступают конденсаторам, а стоят значительно дороже. Схема такого моста показана на рис. 14.4.
Здесь
При равновесии моста согласно общему уравнению равновесия справедливо
Приравняв отдельно действительные и мнимые части, получим два условия равновесия:
Добротность катушки Q выражается через найденные значения 
:
.
Уравновешивается такой мост регулировкой 
и 
. Значение пропорционально индуктивности, а - добротности измеряемой катушки. Недостаток рассмотренной схемы – плохая сходимость моста при измерении параметров катушек с низкой добротностью. Если 
, процесс уравновешивания уже затруднен, а при 
уравновешивание моста практически невозможно. Измерение параметров катушек индуктивности с низкой добротностью производится с помощью шестиплечего моста.
Определение места повреждения кабельных линий.
К наиболее характерным повреждениям кабельных линий относятся замыкание между жилами или между жилой и изоляцией, обрыв жилы и ее замыкание на землю или на изоляцию. Место повреждения кабеля в этих случаях опpeдeляют различными способами. Наиболее распространенный из них способ сравнения, или петли. Его применяют при пробое изоляции или при замыкании между жилами, когда сопротивление места повреждения не превышает 1000 Ом. Если сопротивление места повреждения большое, его предварительно «прожигают» большим током. Для определения расстояния до места повреждения кабеля применяют специальные мосты (типа КМ-61С или Р333),называемые кабельными. В таких приборах в зависимости от длины кабельной линии используют две разновидности мостовых схем (еще их называют петлями) – Варлея и Муррея.
Рис. 14.5. Схемы кабельных мостов постоянного тока: а – Варлея; б – Муррея.
В схеме Варлея (рис. 14.5, а) кабельную линию включают в мост вместо одного из его плеч. При равновесии моста неизвестное сопротивление можно вычислить по формуле
,
где R л – сопротивление линии.
Тогда расстояние до места повреждения кабеля
,
где ρ и s – удельное сопротивление материала и площадь сечения жилы кабеля.
В схеме Муррея (рис.14.5, б) кабельную линию включают вместо двух плеч моста. В этом случае условием его равновесия будет равенство
.
Отсюда
,
а расстояние до места повреждения
.
Выбор схемы моста для определения расстояния до места повреждения кабельной линии зависит от сопротивления линии, т.е. от ее протяженности. В линиях большой протяженности целесообразно использовать схему моста Муррея.
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ НЕЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН.
При контроле технологических процессов приходится производить измерения различных, в том числе неэлектрических величин. Среди множества физических величин большая часть относится к неэлектрическим (температура, влажность, скорость, ускорение, перемещение и т.д.). При измерениях таких величин часто возникают задачи дистанционного измерения, передачи, регистрации и обработки измерительной информации. Наилучшим образом эти задачи решаются путем преобразования измеряемой неэлектрической величины ХНЭ в электрический сигнал ХЭ, связанный с измеряемой величиной однозначной функциональной зависимостью ХЭ = f (ХНЭ). Полученный электрический сигнал измеряется средствами электрических измерений или может быть передан по линии связи на значительное расстояние.
Наиболее важные причины широкого применения электрических приборов для измерения неэлектрических величин заключаются в следующем:
1. Электроизмерительные приборы лучше неэлектрических приборов позволяют осуществлять дистанционные измерения, благодаря чему обеспечиваются в одном месте различных по своей природе параметров, контролируемых нередко в территориально удаленных друг от друга и недоступных для наблюдения точках.
2. Электроизмерительные приборы легче поддаются автоматизации, что значительно улучшает их качество. Автоматизация исключает субъективные свойства оператора. В электроизмерительных приборах имеются широкие возможности для автоматического и непрерывного проведения математических операций над результатами измерений, что позволяет автоматически вводить поправки, интегрировать, дифференцировать результат и т. д.
3. Электроизмерительные приборы более удобны, чем неэлектрические для решения задач автоматического управления.
4. Электроизмерительные приборы дают возможность регистрировать как очень медленно меняющиеся величины, так и быстро меняющиеся, имеют широкий диапазон пределов измерения.
Преобразование неэлектрической величины в электрическую осуществляется с помощью измерительных преобразователей ИП – датчиков. Структурная схема любого средства измерения неэлектрических величин электрическими методами содержит такой измерительный преобразователь (рис. 14.6, а). Измеряемая неэлектрическая величина ХНЭ подается на вход измерительного преобразователя ИП. Выходная электрическая величина ХЭ преобразователя измеряется электрическим измерительным устройством ЭИУ. В зависимости от рода выходной электрической величины и требований, предъявляемых к прибору, электрическое измерительное устройство может быть различной степени сложности. В одном случае – это магнитоэлектрический милливольтметр, а в другом – автоматический потенциометр или цифровой измерительный прибор. Обычно шкала отсчетного устройства ЭИУ градуируется в единицах измеряемой неэлектрической величины.
На рассматриваемой структурной схеме не указаны вспомогательные узлы (например, блоки питания).
На рис. 14.6, б в качестве примера показан электрический прибор, предназначенный для измерения температуры. В этом приборе: ТП – термопара, ЭДС которой является функцией измеряемой температуры; mV – милливольтметр для измерения ЭДС термопары. В данном случае термопара – измерительный преобразователь, а милливольтметр – электрическое измерительное устройство.
Измерительные преобразователи классифицируют по роду измеряемой величины (температуры, давления, влажности и др.) и по выходной величине (генераторные, параметрические).
Выходным сигналом генераторных датчиков является ЭДС, напряжение, ток или электрический заряд, функционально связанные с измеряемой величиной. В параметрических преобразователях выходной величиной является изменение параметра электрической цепи (R, L, C).
Важнейшими метрологическими характеристиками измерительных преобразователей являются: номинальная статическая характеристика преобразования, чувствительность, основная и дополнительные погрешности, динамические характеристики и др.
Промышленностью выпускаются как отдельные измерительные преобразователи неэлектрических величин, так и приборы для измерения неэлектрических величин, неотъемлемой частью которых является соответствующий датчик.
Поскольку средства электрических измерений, применяемые при измерениях неэлектрических величин, имеют, как правило, несравненно лучшие метрологические характеристики по сравнению с датчиками неэлектрических величин, то основной вклад в погрешность результата измерения вносится составляющей, обусловленной погрешностью датчика. Это необходимо иметь в виду при выборе датчиков неэлектрических величин для решения конкретной измерительной задачи.
Рассмотрим принципы действия и устройство некоторых преобразователей неэлектрических величин.