19. Компенсаторы постоянного тока.

Компенсаторы - приборы в которых измерение производится методом сравнения измеряемой величины с эталонной. Принцип действия компенсатора основан на уравновешивании (компенсации) измеряемого напряжения известным падением напряжения на образцовом резисторе. Момент полной компенсации фиксируется индикаторным прибором (нуль-индикатором), Упрощенная принципиальная схема компенсатора nocтоянного тока для измерения напряжения Ux, показана на рис. 8.4.

Источник, постоянного напряжения Е₀ обеспечивает протекание рабочего тока Iр по цепи, состоящей из последовательно включенных измерительного Rи , установочного (образцового) Rу и регулировочного Rрег резисторов. В качестве источника образцовой ЭДС (меры ЭДС) используется нормальный элемент Енэ - изготавливаемый по специальной технологии гальванический элемент, среднее значение ЭДС которого при температуре 20° С известно с точностью до пятого знака и равно Енэ = 1,0186 В. Установочный резистор R_у представляет собой катушку сопротивлений специальной конструкции с точно известным и стабильным сопротивлением. В схеме элемент НИ - нуль-индикатор, реагирующий на очень маленькие постоянные токи

Рис 8.4 Упрощенная принципиальная схема компенсатора постоянного тока.

Относительная погрешность нормального элемента может быть в преде­лах от 0,02 до 0,0002 %. С помощью переключателя нуль-индикатор вначале включается в цепь установочного сопротивления R_у (положение переключателя 1). При этом регулировочным сопротивлением R_рег добиваются отсутствия тока в цепи нуль-индикатора. Это означает, что I_р R_у= Е_нэ, откуда значение рабочего тока определяется через соотношение I_р = Е_нэ / R_у=10^-nА(для каждого типа компенса­тора величина п - число индивидуальное и неизменное, что обеспечивается по­стоянством параметров источника напряжения Енэ и установочного сопротивления Rу ). Затем нуль-индикатор включается в измерительную цепь (положение переключателя 2) и изменением измерительного сопротивления Rи -добиваются нулевого тока, а значит; равенства Ux=IрR= ЕнэR/Rу. Итак, измеряемое напряже­ние определяется с достаточно высокой точностью и без нарушения работы из­мерительной цепи, так как в момент измерения ток через индикатор не протекает.

С помощью компенсатора можно также определять ток в исследуемом устройстве, преобразовав его предварительно в напряжение согласно форму­ле Ix = Ux/R₀ , где R₀ - образцовое сопротивление.

Погрешность компенсатора постоянного тока определяется погрешностями резисторов Rи, Rу , ЭДС нормального элемента Енэ , а также чувствительностью нуль-индикатора. Современные потенциометры постоянного тока имеют класс точности от 0,0005 до 0,2. Верхний предел измерения до 1...2,5 В. При достаточной чувствительности нуль-индикатора нижний предел измерения может составлять единицы нановольт.

Компенсационные методы используются также для измерений и на переменном токе.

20. Компенсаторы переменного тока.

Компенсаторы переменного тока - это приборы, измеряю­щие на переменном токе напряжения и некоторые другие электрические величины, связанные с напряжением функцио­нальной зависимостью (ток, сопротивление, мощность и др.). Как известно, напряжение на переменном токе можно пред­ставить как комплексную величину и изобразить в виде век­тора, занимающего определенное положение на комплексной плоскости (рис. VI-30),

Компенсационный метод измерения на переменном токе, так же как и на постоянном, за­ключается в уравновешивании неизвестного напряжения известным. Для того, чтобы скомпенсировать на переменном токе напряжение. Ux, необ­ходимо и достаточно прило­жить к нему другое напряжение Uк, равное по амплитуде, форме кривой и частоте, но сдвинутое по фазе относительно Ur на 180°.

компенсаторы переменного тока значительно менее точны, чем компенсаторы постоянного тока. Причиной тому служит отсутствие образцовой переменной синусоидальной э. д. с., с помощью которой можно было бы установить рабочий ток в компенсаторе, как это делается на постоянном токе. В компенсаторах переменного тока величина рабочего тока устанавливается по амперметру обычно электродинамической системы, класс точности которого в наилучшем случае 0,1-0,2.

Таким образом, высокая точность измерения, свойственная компенсаторам постоянного тока, на переменном токе теряет­ся. Несмотря на это, компенсатор переменного тока - один из важнейших приборов, позволяющий судить не только о величине измеряемого напряжения, но и о его фазе.

Кроме того, в момент измерения компенсатор не потребляет мощности от источника измеряемой величины и, следова­тельно, не оказывает влияния на работу схемы, что тоже яв­ляется его ценным качеством.

В уравнении (VI-46) представлены две формы записи комплексного напряжения U_X,: алгебраическая- с двумя составляющими U_XA и U_XP и показательная-с модулем Ux и фазой φx- измеряемой величины. Если напряжение Ux представить в алгебраической форме, то для компенсации его необходимо скомпенсировать порознь активную и реактивную со­ставляющие.

Если же напряжение Uх характеризовать модулем и фазой, то для компенсации его нужно скомпенсировать модуль и фазу величины. В соответствии с этим различают две группы компенсаторов:

а) полярно-координатные с отсчетом измеряемого напряжения 1в полярных координатах;

б) прямоугольно-координатные с отсчетом действительной и мнимой составляющих напряжения по действительной и мнимой осям.

Рассмотрим схему и принцип действия прямоугольно-координатного компенсатора, изображенного на рис. VI-31.

Рис. VI-31

Компенсатор состоит из двух контуров: I и II. Напряжение источника питания схемы U, связанное с первым контуром че­рез трансформатор, вызывает в этом контуре ток I₁, величину которого можно регулировать реостатом R_рег и измерять амперметром.

Проходя по реохорду А-В, представляющему собой чисто активное сопротивление, ток 1\ создает на нем падение напряжения U_KA совпадающее по фазе с током.

Контур 1 связан с контуром 2 через воздушный трансфор­матор М (катушку взаимной индуктивности без стального сер­дечника).

При протекании тока I₁ через первичную обмотку катушки М в ней возникает магнитный поток, находящийся в фазе с током I₁ который вызовет появление во вторичной обмотке ЭДС Е₂ отстающей от магнитного потока на 90°.

Если пренебречь индуктивным сопротивлением вторичной обмотки воздушного трансформатора, то можно считать, что ток второго контура I₂ совладает по фазе с ЭДС Е₂, а напря­жение U_кр на реохорде А-В, представляющем собой чисто активное сопротивление, совпадает по фазе с током I₂.

Таким образом, в схеме создаются условия, при которых токи I₁ и I₂, а также напряжения, снимаемые с реохордов А-В и А'-В', сдвинуты на угол 90° одно по отношению к другому.

Векторная диаграмма компенсатора приведена на рис. VI-32. Как видно из рис. VI-31, середины реохордов А-В и А'-В' электрически соединены, образуя нулевую точку схемы.

Измеряемое напряжение U_X=U_XA+jU_xp подводится к зажимам /-2 и далее, че­рез вибрационный гальванометр, к движкам Д и Д2.