1.2 Компенсационные схемы

Компенсационные измерительные схемы используются в типовых измерительных приборах – потенциометрах, применяются для измерения различных параметров, величина которых преобразуется датчиками в изменение напряжения, э.д.с. и т.э.д.с. Компенсационные схемы обеспечивают наивысшую точность при измерении и широко используются для измерения э.д.с. термопар.

В основе работы компенсационных схем, также как и мостовых, лежит метод сравнения. Измеряемое напряжение уравновешивается разностью потенциалов, снимаемая с калиброванного сопротивления.

Схема включает два основных контура – рисунок 9:

– контур I образует цепь с источником постоянного тока ;

– контур II – цепь измеряемого напряжения .

Измеряемая э.д.с. или напряжение уравновешивается равным и противоположным по знаку падением напряжений (компенсирующее напряжение). Уравновешивающее падение напряжения между точками и создается на сопротивлении переменного резистора током , величина которого устанавливается регулировочным резистором (реостатом) и контролируется миллиамперметром.

Рисунок 9

Ток в гальванометре, исполняющем роль нулевого индикатора:

(1.21)

где – измеряемое напряжение;

– компенсирующее напряжение;

– часть сопротивления переменного резистора;

– сопротивление гальванометра;

– сопротивление исследуемой ветви (термопары).

Так как момент компенсации определяется по нулевому положению стрелки гальванометра (при ), то , т.е. в момент компенсации всегда пропорционально (часть сопротивления переменного резистора), а значит и перемещению движка (при равномерной намотке резистора). Таким образом, линейное перемещение движка резистора будет прямо пропорционально измеряемому параметру, поэтому шкала резистора может быть выражена в единицах измеряемого параметра.

Точность работы компенсационной схемы в значительной степени определяется стабильностью тока в переменном резисторе. Для поддержания постоянства этого тока применяют регулировочный резистор .

Однако целесообразно применять источник постоянного тока, снабженный стабилизатором. Применение источника стабилизированного напряжения значительно упрощает измерительную схему (рисунок 10), так как не требует источника напряжения и регулировочного сопротивления . Следует отметить, что измерение происходит без потребления мощности от источника (объект измерения), т.к. в момент отсчета измеряемой величины источник не дает тока во внешнюю цепь, что является достоинством метода, т.к. измеряемая величина не искажается. Кроме того, при компенсационном методе исключается влияние температурных изменений сопротивлений соединительных проводов на точность измерения, так как в момент уравновешивания ток влияния равен нулю.

Рисунок 10

Уравновешивание схемы осуществляется вручную, либо автоматически.

Чувствительной компенсационной схемы:

,

(1.22)

где – приращение тока нуль - гальванометра;

– приращение измеряемого напряжения.

В момент компенсации и через нуль-гальванометр не проходит ток. Если измеряемое напряжение изменится на величину то через нуль-индикатор протечет разностный ток , значение которого согласно теореме об эквивалентном генераторе равно:

,

(1.23)

где – напряжение на зажимах АВ при отключенной нагрузке (режим холостого хода);

– внутреннее сопротивление электрической цепи, измеренное на зажи мах АВ при отключенной нагрузке (разомкнутом выключателе);

– внутренне сопротивление нуль - индикатора;

– сопротивление исследуемой ветви (датчика).

Так как , а в момент равновесия , то _.

Внутреннее сопротивление электрической цепи в режиме холостого хода:

(1.24)

где – часть сопротивления переменного резистора;

– сопротивление переменного резистора;

– регулировочное сопротивление резистора.

Подставив, выражения (1.24) в формулу для определения чувствительности (1.20) получим:

,

(1.25)

так как :

(1.26)

Анализ формул (1.25) и (1.26) показывает, что чувствительность компенсационной схемы зависит только от величины , т.е. от взаимного расположения движков резистора. Следовательно, чувствительность по шкале не постоянна:

– при или , когда движки резистора максимально сдвинуты или разведены , то чувствительность схемы стремится к максимуму;

– при внутреннее сопротивление электрической цепи имеет максимальную величину, т.е. , а чувствительность схемы наименьшая.