Урок 8. Измерительные компенсаторы

Для измерения электрических и неэлектрических величин кроме мостовых схем большое распространение получили также компенсационные схемы постоянного и переменного тока. Компенсационные схемы, не имеющие потребления и обладающие высокой чувствительностью, применяются для измерения малых Э.Д.С., развиваемых преобразователями, например, термопарами.

Компенсаторы постоянного тока.

Компенсаторы постоянного тока бывают двух типов: большого сопротивления и малого сопротивления.

У компенсаторов первого типа сопротивление рабочей цепи достигается 10 000 Ом на 1 В напряжения питания. Для них применяют гальванометры с относительно большим критическим сопротивлением. Верхний предел измерения ЭДС (напряжения) 1,2 – 2,5 В.

Для измерения относительно малых ЭДС и напряжений применять компенсаторы большого сопротивления нерационально вследствие увеличения погрешности измерения. Для измерения малых ЭДС (например, ЭДС термопар) используют компенсаторы малого сопротивления. Рабочий ток этих компенсаторов выбирают в пределах от 1 до 25 мА. Для них применяют гальванометр с не большим критическим сопротивлением, чтобы он мог работать в условиях, близких к режиму критического успокоения.

ЭДС нормального элемента компенсируется на отдельном участке рабочей цепи, имеющей некоторое постоянное сопротивление и переменное сопротивление, устанавливаемое в зависимости от окружающей температуры.

Делитель напряжения, на котором создается компенсирующее напряжение, должен быть таким, чтобы перемещение рычагов декад в процессе компенсации не вызывало измерения рабочего тока.

Кроме того, должны быть обеспечена возможности точного отчета установленного значения сопротивления (или падения напряжения на нем). Для этого на практике применяется несколько типов декад делителей напряжения.

Рис. 2.32. Принципиальная схема потенциометра постоянного тока.

При использовании компенсационного метода на постоянном токе необходимо выполнение только двух условий:

• равенство величин напряжений;

• противоположность их направлений.

Принципиальная схема потенциометра постоянного тока приведена на рис. 2.32, где

Е_N – нормальный элемент;

U_Х – измеряемое напряжение;

G – магнитоэлектрический гальванометр;

r₀ – образцовое сопротивление;

r – известное регулируемое сопротивление;

r_рег – сопротивление для установки рабочего тока;

Б – вспомогательная батарея.

Рабочий ток устанавливается с большой точностью с помощью нормального элемента E_N. Изменяют сопротивление r_рег до получения нулевого показания гальванометра. Это будет в том случае, когда

E_N = I r₀

Известным значениям E_N r₀ можно с большой точностью определить установленное значение рабочего тока I. Точность установления момента компенсации зависит от чувствительности гальванометра G, которая может быть очень высокой.

Высокая точность измерения компенсатором обусловлена высокой чувствительностью применяемого гальванометра, высокой точностью нормального элемента и резисторов, а также высокой стабильностью вспомогательного источника питания.

Достоинством компенсатора является отсутствие потребления мощности от источника измеряемой величины в момент компенсации. Именно по этой причине возможно точное измерение ЭДС с помощью компенсаторов.

Компенсаторы можно использовать для измерения напряжений, превышающих их предел измерений. В этом случае измеряемое напряжение подается на вход компенсатора через образцовый делитель напряжения.

Компенсаторы широко применяют также для точного измерения тока и сопротивления косвенным способом.

Компенсаторы переменного тока.

При помощи компенсаторов переменного тока можно измерять напряжения и ЭДС переменного тока и косвенно ток, сопротивление, магнитный поток и другие величины. Компенсаторы переменного тока позволят определять не только модули величин, но и их фазу.

Компенсаторы переменного тока по точности измерений значительно уступают компенсаторам постоянного тока. Это объясняется главным образом тем, что существует меры ЭДС переменного тока, аналогичной нормальному элементу.

Как известно, напряжение на переменном токе можно пред­ставить как комплексную величину и изобразить в виде век­тора, занимающего определенное положение на комплексной плоскости (рис. 2.33),

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. U_x, необ­ходимо и достаточно прило­жить к нему другое напряже­ние U_к, равное по амплитуде, форме кривой и частоте, но сдвинутое по фазе относитель­но U_r на 180°.

Рис. 2.33. Выражение напряжения через положение вектора на комплексной плоскости.

Существуют два типа потенциометров переменного тока:

1. Потенциометры, измеряющие напряжения в полярной системе координат.

2. Потенциометры, измеряющие напряжения в прямоугольной системе координат.

Принципиальная схема потенциометра первого типа представлена на рис. 2.34.

Рис. 2.34. Принципиальная схема потенциометра,

измеряющие напряжения в полярной системе координат

Величина рабочего тока I устанавливается с помощью сопротивления R по электродинамическому амперметру. Фаза рабочего тока, а следовательно, и фаза компенсирующего напряжения U_k изменяется с помощью фазорегулятора (ζ). Модуль напряжения U_k изменяется при перемещении движка Д по сопротивлению r_АБ .

В момент равновесия (нулевое показание ВГ, настроенного в резонанс с частотой первой гармоники) измеряемое напряжение равно компенсирующему.

U_x = I * r_АД = - U_k^{ej i}

где I – между компенсирующим напряжением и напряжением сети, питающей фазорегулятор.

При заданном рабочем токе I сопротивление r_АБ может быть проградуировано в вольтах или милливольтах. Это дает возможность непосредственно отсчитать действующее значение измеряемого напряжения. Отсчет угла I осуществляется по лимбу фазорегулятора. Однако, вследствие значительных трудностей изготовления измерительных фазорегуляторов, отсчет угла можно считать с высокой точностью порядка 0,5 – 1⁰С. Это обстоятельство является существенным недостатком потенциометров данного типа.

Принципиальная схема прямоугольно – координатного потенциометра представлена на рис. 2.35. Потенциометры этого типа имеют два рабочих контура I и II, токи которых i₁ и i₂ сдвинуты по фазе относительно друг другу на 90⁰.

Рис. 2.35. Принципиальная схема прямоугольно – координатного потенциометра

Векторная диаграмма компенсатора приведена на рис. 2.36. Измеряемое напряжение U_X=U_XA+jU_xp подводится к зажимам 1—2 и далее, че­рез вибрационный гальвано­метр, к движкам Д и Д₂.

Рис. 2.36. Векторная диаграмма компенсатора

Компенсирующее напряжение U_X=U_KA+ fU_Kp, равное геометрической сумме напряжений U_ha и U_Kp, возникающих па реохордах, снимается с движков Д₁ и Д₂. Напряжение U_Ka. которое создается на реохорде первого контура, называют ак­тивной составляющей компенсирующего напряжения, а на­пряжение U_KP на реохорде второго контура -- его реактивной составляющей.

Меняя положение движков Д и Д₂, можно получить ком­пенсирующее напряжение в любом из четырех квадрантов комплексной плоскости.

В момент компенсации вибрационный гальванометр, вклю­ченный последовательно в цепь напряжений L\ и и_ы, пока­жет отсутствие тока. Величины U_ка и U_hp, имеющие место в момент компенсации схемы, отсчитываются непосредственно по шкалам реохордов А—В и А'—В'.

Модуль измеряемого напряжения будет равен

Применение: прямое измерение малых токов и напряжений осуществляют с помощью компенсаторов (от 1 мкВ).

Косвенное измерение осуществляют с помощью компенсаторов (до 10 нА).

Компенсационный метод для косвенного измерения мощности в цепях постоянного тока применяется тогда, когда требуется высокая точность измерения мощности. С помощью компенсатора поочередно измеряется ток нагрузки и падение напряжения на нагрузке. Измеряемая мощность определяется по формуле P = U×I.

Компенсатор применяется для точного измерения cosφ.