При выполнении прецизионных измерений на промышленной частоте и еще в большей степени в диапазоне звуковых частот сильно проявляется влияние емкостей по отношению к земле, а в некоторых случаях и индуктивных связей. Эти связи нежелательны и должны быть ликвидированы изготовителем моста в пределах заданной точности и чувствительности, соответствующим экранированием. Указания об этом можно найти в [Л. 299, 300, 304—308, 320, 321, 323].
Здесь рассматриваются только те вопросы экранирования, которые должен знать работник, пользующийся мостом, чтобы получить точные результаты измерений. Самыми существенными источниками погрешностей у моста Шеринга являются частичные емкости по отношению к земле измеряемого объекта С1 и образцового конденсатора С2.
У конденсатора, оба зажима которого изолированы от земли, всегда получаются три частичные емкости (рис. 159): емкость между его обкладками C1-2 и паразитные емкости C1-2 и С2-0 по отношению к земле. Емкость С1-2 соответствует емкости C1 или С2.
Рис. 159. Конденсатор с частичными емкостями по отношению к земле.
Рис. 160. Мост Шеринга с обозначенными паразитными емкостями по отношению к земле.
Частичные емкости по отношению к земле C1-0 и С2-0 соответствуют показанным на рис. 160 паразитным емкостям С'1, С"1 и C'2, С"2. Частичные емкости С"1 и С"2 подключены параллельно источнику напряжения питания моста и не являются источниками погрешностей. Частичные емкости ио отношению к земле и С'2 подключены параллельно третьему и четвертому плечам и создают угловую погрешность. В зависимости от длины и положения подводящих проводов, подключаемых к C1 и С2 значения частичных емкостей по отношению к земле C'1 и С'2 могут колебаться в широких пределах и влиять на результат измерения. Если подводящие провода от моста к измеряемому объекту и образцовому конденсатору выполнены экранированными (например, коаксиальным кабелем), то величина емкостей С'1 и С'2 может быть определена заранее.
Вследствие параллельного подключения C'1 и R3у третьего плеча получается угловая погрешность, тем большая, чем больше установленное значение R3. В четвертом плече к установленному значению С4 добавляется емкость по отношению к земле С'2. Если известны частичные емкости С'1 и С'2 (емкость подводящего кабеля может быть измерена или взята из данных завода-изготовителя), то с учетом этого
Рис. 161. Мост фирмы Сименс для измерения емкостей, использующий провод с двойным экраном к образцовому конденсатору и обеспечивающий компенсацию емкостей по отношению к земле путем коррекции угловой погрешности в третьем плече.
Практически ликвидировать емкости по отношению к земле можно включением между мостом и образцовым конденсатором кабеля с двойным экраном (рис. 161).
Внутренней жилой кабеля соединяют вершину моста В с низковольтной обкладкой образцового конденсатора С2. Внутренний экран кабеля подключают к зажиму S (см. рис. 157) и к вершине моста А, а наружный (зажим В на рис. 157) заземляют при помощи предусмотренного у моста электрического соединения. Вследствие соединения внутреннего экрана с вершиной моста А параллельно нуль- индикатору оказывается подключенной емкость, которая не оказывает никакого влияния на уравновешивание моста (если пренебречь незначительным уменьшением его чувствительности). Емкость по отношению к земле между внутренним и наружным экранами является паразитной емкостью С'1 и тем самым приводит к увеличению угловой погрешности у плеча R3, которая может быть уменьшена подключением последовательно с конденсатором С2 взаимной индуктивности [Л. 324] или, как это сделано у универсального моста для измерения емкости и tgδ [Л. 349, 350] при помощи простого контура La, Сa, Ra (рис. 161). Если не учитывать влияние подводящих проводов, то конденсатор переменной емкости Сa имеет емкость несколько тысяч пикофарад и ее воздействие на угловую погрешность плеча R3 компенсируется индуктивностью La. Тогда третье плечо в пределах требуемой точности не имеет угловой погрешности. При параллельном подключении емкостей внешних подводящих проводов емкость Сa уменьшают до тех пор, пока опять не будет достигнута компенсация.
Ни в коем случае не следует заземлять наружную оболочку экрана соединительного кабеля в двух точках — у измерительного моста и у основания образцового конденсатора. Вследствие разных потенциалов в этих точках заземляющего контура, а также из-за индуктирования в контуре заземления полями рассеяния э.д.с. в оболочке кабеля возникают токи, которые могут быть причиной существенных погрешностей измерения (см. § 3).
При больших требованиях к точности измерений вредное влияние емкостей по отношению к земле можно исключить также особой схемой—так называемой вспомогательной ветвью Вагнера [Л. 331, 334]. При уравновешенном мосте разность потенциалов возникает не между вершинами А и В, а между диагональной ветвью и землей, что является причиной возникновения уравнительных токов, которые при применении головного телефона в качестве нуль- индикатора протекают от одного его зажима к земле. Вспомогательная ветвь Вагнера устраняет это явление благодаря тому, что вершины А и В заземляются через дополнительные ветви (Z5, Z6) (рис. 162). Полные сопротивления -Ζ5, Ζ6 не должны быть чрезмерно велики. Экран, не показанный на рис. 162, соединен с точкой Е.
Сначала мост уравновешивается обычным образом. Затем устанавливают переключатель S в положение Е и уравновешивают вспомогательную ветвь. После этого нуль-индикатор опять подключают между зажимами и мост вновь уравновешивают. Этот процесс в зависимости от свойств сходимости схемы повторяют несколько раз. После окончательного уравновешивания точки Е, А и В имеют потенциал земли, хотя между точками А, В и землей нет электрического соединения.
Рис. 162. Мост для измерения tg δ по Шерингу с вспомогательной ветвью Вагнера для исключения влияния емкостей на землю.
Тем самым ликвидируется упомянутый выше эффект влияния емкости головного телефона. Одновременно эта схема дает возможность исключить вредное влияние емкостей по отношению к земле C'1 и С'2. Схема по рис. 162 предполагает, что зажим источника испытательного напряжения, соединенный с точкой D, изолирован от земли на напряжение нескольких сот вольт.
Рис. 163. Мост Шеринга с «автоматической землей» Вагнера.
Можно, однако, применить схему с заземлением одного вывода источника напряжения, если вместо точки Е заземлить точку D. В этом случае уравниванием потенциалов также исключается влияние паразитных емкостей (экран остается соединенным с точкой Е). Эффект влияния емкости головного телефона, однако, в этом случае не устраняется. Указания по ликвидации обычно возникающих трудностей в отношении сходимости моста можно найти в [Л. 398].
Другие схемы, практически нечувствительные к емкостям по отношению к земле и предназначенные для точных измерений диэлектрических потерь, описаны в [Л. 304, 321, 335—340]. Лучшим способом устранения влияния емкостей по отношению к земле у мостов Шеринга является вспомогательная схема, которую в литературе называют «автоматической землей» Вагнера [Л. 335, 336] и которая по принципу действия аналогична рассмотренной выше схеме рис. 162.
У «автоматической земли» Вагнера (рис. 163) экран провода к измеряемому объекту и образцовому конденсатору не заземлен, а подсоединен к выходу операционного усилителя, на вход которого подано напряжение Ub между диагональю моста и землей. Вследствие того, что у усилителя коэффициент усиления выбран равным +1(Us/UB=+1) у экрана и вершины моста потенциалы оказываются одинаковыми. Операционный усилитель производит трансформацию полного сопротивления. Сопротивление на входе усилителя должно быть больше полного сопротивления четвертого плеча, чтобы его параллельное подключение не влияло на условия уравновешивания. С другой стороны, выходное сопротивление усилителя низкоомно, так что экран практически заземлен через сопротивление порядка 1 Ом.
Конечное значение выходного сопротивления усилителя делает возможным наведение напряжений помех через паразитную емкость между экраном и соседними источниками напряжения. Посредством второго экрана, который непосредственно заземлен, и благодаря малому выходному сопротивлению операционного усилителя можно полностью ликвидировать напряжение помех или снизить его до пренебрежимо малого значения.
