7.5. Компенсаторы

Компенсаторы (потенциометры) применяются для измерения напряжения и ЭДС прямым способом, а также тока, сопротивления, магнитного потока и других величин косвенным способом. Это единственные приборы, позволяющие непосредственно измерить величину ЭДС, что связано с заложенным в них принципом компенсации (по напряжению). В зависимости от рода тока, питающего компенсатор, различают компенсаторы постоянного и переменного тока.

П ринцип действия компенсаторов (потенциометров) постоянного тока. Упрощенная схема компенсатора постоянного тока приведена на рис. 7.7, где E_N – нормальный элемент с известной величиной ЭДС, E_x (или U_x) – измеряемая ЭДС (или напряжение), НИ – нуль-индикатор (как правило, магнитоэлектрический гальванометр), R_N – образцовый резистор, сопротивление которого выбирается в зависимости от значения рабочего тока I и значения ЭДС нормального элемента, R – резистор с известным регулируемым сопротивлением, R₁ – реостат, ВБ – вспомогательный источник питания.

Измерение E_x (или U_x) проводится в два этапа. На первом этапе устанавливается значение рабочего тока компенсатора. Для этого переключатель В ставят в положение а и сопротивлением R₁ изменяют ток I до тех пор, пока показание гальванометра не станет равным нулю. Это будет при IR_N = E_N. На втором этапе переключатель В переводят в положение б и при том же токе перемещением контакта А резистора R вновь добиваются отсутствия тока в гальванометре. Это будет при некотором значении сопротивления R_x, при этом IR_x = E_x, где I – установленное на первом этапе значение тока. Таким образом,

(7.25)

и при постоянных E_N и R_N резистор R может быть непосредственно градуирован в вольтах.

Измерение ЭДС возможно вследствие отсутствия потребления мощности от источника измеряемой величины в момент компенсации (ток в контуре с E_x в этот момент равен нулю). Высокая точность измерения достигается высокой чувствительностью применяемого гальванометра, наличием высокоточной меры постоянной ЭДС (нормального элемента), высокой точностью резисторов, а также высокой стабильностью вспомогательного источника питания. Например, компенсатор (потенциометр) типа Р332 имеет класс точности 0,0005 и позволяет измерять постоянные ЭДС и напряжения в диапазоне от 10 нВ до 2,1211111 В.

При измерении напряжений, превышающих предел измерения компенсатора, измеряемая величина подается на вход компенсатора через образцовый делитель напряжения.

Компенсаторы постоянного тока также применяют для точного измерения тока и сопротивления косвенным способом. Постоянные токи измеряют с использованием катушек электрического сопротивления. При использовании катушек типа Р324 класса точности 0,002 и компенсатора типа Р332 можно измерять токи с погрешностью не более ±0,0025 %.

При измерении сопротивления компенсатором последовательно измеряют падения напряжения на образцовом R₀ и измеряемом R_x сопротивлениях при одном и том же токе (R₀ и R_x включаются последовательно). Очевидно, что . Достоинствами такого метода являются относительно невысокие требования к стабильности источника питания и возможность точных измерений при использовании высокоточных резисторов R₀.

Принцип действия компенсаторов переменного тока. В компенсаторе переменного тока измеряемая ЭДС (напряжение) уравновешивается известным напряжением, создаваемым рабочим током на участке рабочей цепи. Для уравновешивания двух переменных напряжений необходимо выполнение четырех условий:

1. равенство напряжений по модулю;

2. равенство частот;

3. противоположность по фазе;

4. идентичность формы кривых.

Первые три условия обеспечиваются путем выбора принципиальной схемы компенсатора, а также питанием исследуемой цепи и компенсатора от одного источника. Последнее условие обеспечивается дополнительными мерами. В качестве нуль-индикаторов, так же как и в мостах переменного тока, обычно применяют вибрационные гальванометры или электронно-лучевые индикаторы.

Компенсаторы переменного тока позволяют непосредственно измерять переменные ЭДС и напряжения и косвенно ток, сопротивление, магнитный поток и другие величины (определяя при этом не только модули измеряемых величин, но и их фазы).

В зависимости от того, как производится уравновешивание по модулю и фазе известной и измеряемой величин и в каких координатах получается отсчет измеряемой величины, компенсаторы делятся на две группы.

1 . Полярно-координатные компенсаторы имеют фазорегулятор, который позволяет изменять фазу компенсирующего напряжения до момента компенсации. Схема такого компенсатора, измеряющего E_x в полярной системе координат, приведена на рис. 7.8. Величина ЭДС определяется по положению подвижных контактов движков Дв₁ и Дв₂ на шкалах калиброванной проволоки а – б и магазина сопротивлений б – в. Сдвиг фазы напряжений регулируется фазорегулятором ФР до полного отсутствия тока в нуль-индикаторе НИ и определяется по шкале фазорегулятора. Значение рабочего тока устанавливается по амперметру А при помощи реостата R.

2. Прямоугольно-координатные компенсаторы (рис. 7.9 а) имеют две рабочие цепи (А и Б), рабочие токи в которых сдвинуты по фазе относительно друг друга на 90⁰ (при незначительном индуктивном сопротивлении вторичной цепи воздушного трансформатора Тр_в ток I₂ в ней будет определяться активным сопротивлением R₂ второй рабочей цепи Б и практически совпадать по фазе с ЭДС E₂ и, следовательно, отставать на 90⁰ от тока I₁). Измеряемое напряжение

(ЭДС) уравновешивается напряжением, определяемым по составляющим падений напряжений на участках рабочих цепей: U_а-б, создаваемым током I₁ на калиброванной проволоке а – б рабочей цепи А, и U_в-г, создаваемым током I₂ также на калиброванной проволоке в – г рабочей цепи Б. Так как сопротивления R_а-б и R_в-г проволок чисто активные, напряжения U_а-б и U_в-г будут сдвинуты друг относительно друга на угол 90⁰ (как токи I₁ и I₂). Ток I₂ при неизменном значении тока I₁ зависит от частоты, так как

, (7.26)

где ω – угловая частота тока, М – коэффициент взаимной индукции воздушного трансформатора Тр_в.

Из выражения (7.26) следует, что изменение частоты приведет к изменению тока I₂ и, следовательно, к изменению градуировки шкалы проволоки в – г. Чтобы этого избежать, необходимо изменять сопротивление R₂ так, чтобы отношение оставалось неизменным при всех частотах в пределах заданных значений. Для этой цели в рабочую цепь Б включен магазин сопротивлений R_f, значение сопротивления которого должно изменяться в зависимости от частоты источника питания.

Входная цепь компенсатора состоит из источника измеряемого напряжения U_x (или ЭДС E_x), нуль-индикатора НИ и участков калиброванных проволок Дв₁ – О и Дв₂ – О.

На рис. 7.9 б показаны координатные оси а – б и в – г, на которых отложены падения напряжений на участках Дв₁ – О и Дв₂ – О. В момент компенсации, когда ток через нуль-индикатор равен нулю, геометрическая сумма этих падений напряжений равна по модулю измеряемому напряжению U_x и сдвинута по отношению к нему на угол 180⁰.

Таким образом, модуль и фазу U_x можно найти по составляющим

, ,

где и - составляющие вектора измеряемого напряжения U_x, отсчитанные по шкалам калиброванных проволок а – б и в – г соответственно; φ – угол между вектором и составляющей , который представляет собой сдвиг фазы измеряемого напряжения относительно напряжения питания.

Компенсаторы переменного тока по точности измерений значительно уступают компенсаторам постоянного тока, что в первую очередь объясняется отсутствием меры переменной ЭДС, аналогичной нормальному элементу. Вследствие этого рабочий ток устанавливается по приборам ограниченной точности, обычно по амперметрам в лучшем случае класса точности 0,1 или 0,05, либо по нормальному элементу с использованием промежуточного термопреобразователя, что позволяет несколько повысить точность установки рабочего тока компенсатора (примерно до 0,02%), а значит и точность измерения, применяя для установки рабочего тока компаратор, производящий сравнение постоянного тока с действующим значением переменного.

Автоматические компенсаторы. Эти приборы применяются для измерения электрических и неэлектрических величин, которые предварительно могут быть преобразованы в напряжение.

Процесс уравновешивания в автоматических компенсаторах может осуществляться как непрерывно (компенсаторы со следящей системой уравновешивания), так и периодически (компенсаторы с динамической компенсацией). Чаще применяются компенсаторы с непрерывным уравновешиванием, которые, в свою очередь, могут быть разделены на две группы: компенсаторы с полным уравновешиванием и компенсаторы с неполным уравновешиванием. В настоящее время выпускаются автоматические компенсаторы с полным уравновешиванием различных типов и форм записи. Запись измеряемой величины производится на дисковой диаграмме или на диаграммной ленте.