Компенсатор переменного тока и его применение для измерений электрических и магнитных величин

Цель работы:

1. Ознакомление с компенсационным методом измерения электрических величин (ЭДС, напряжение, ток и комплексное сопротивление) на переменном токе.

2. Приобретение практических навыков работы с прямоугольно- координатным компенсатором типа К-509.

3. Измерение индукции, напряженности, взаимной индуктивности, магнитной проницаемости и потерь в стали компенсатором к-509. Общие сведения

Компенсационный метод измерения на переменном токе основан на уравновешивании (компенсации) неизвестной ЭДС или напряжения известным напряжением, создаваемым рабочим током при прохождении через специальные компенсационные резисторы. Полная взаимная компенсация двух перееменных ЭДС (напряжений) достигается при выполнении следующих условий:

– равенства частот;

– одинаковой форме кривых измеряемой и компенсирующей величин;

– равенства этих величин по модулю;

– противоположности их по фазе.

Первые два условия выполняются при питании компенсатора от того же источника, что и измеряемый объект. Выполнение двух последних условий обеспечивается специальным компенсирующим устройством, позволяющим регулировать величину и фазу напряжения. Различаются два типа компенсаторов переменного тока:

1. Полярно-координатные, в которых производится раздельное регулирование компенсирующего напряжения по величине и (с помощью фазорегулятора) по фазе;

2. Прямоугольно- координатные, компенсирующее напряжение которых образуется как геометрическая сумма двух напряжений, сдвинутых по фазе на угол 90⁰ и регулируемых независимо одно от другого. Этот метод получил наибольшее распространение из-за относительной простоты определения амплитуды фазы измеряемой величины.

Отсутствие эталона переменной ЭДС делает компенсационный метод измерения на переменном токе менее точным, чем на постоянном токе. Компенсирующие напряжения создаются при прохождении рабочего тока компен-

71

сатора по резисторам высоких классов точности; величина рабочего тока устанавливается по образцовому амперметру класса не менее 0,1.

Н а рис. 10.1 приведена принципиальная схема прямоугольно-координатного компенсатора переменного тока.

U_x

Рис. 10.1

Компенсатор имеет два контура. В первый включен амперметр для установки рабочего тока, реостат для его регулирования, первичная обмотка катушки взаимной индуктивности и регулируемый компенсационный резистор . Второй контур включает в себя вторичную обмотку катушки взаимной индуктивности , второй регулируемый компенсационный резистор и регулируемый частотокомпенсирующий резистор .

Рабочий ток наводит на вторичной обмотке катушки отстающую от тока на угол 90^о ЭДС

.

Активное сопротивление второго контура значительно больше его индуктивного сопротивления, поэтому рабочий ток второго контура будет совпадать по фазе с ЭДС :

.

Таким образом, получены два рабочих тока, сдвинутых по фазе на 90°.

72

Эти токи будут создавать на активных компенсационных резисторах и падения напряжении и , также сдвинутые по фазе одно относительно другого на угол 90°. Средние точки и этих резисторов соединены между собой; поэтому компенсирующее напряжение определяется векторной суммой напряжений и :

= +

Векторы и образуют как бы прямоугольно-координатную систему, одна ось которой соответствует вещественной части комплексной измеряемой величины ( или ), тогда как вторая ось представляет его мнимую часть. Это делает компенсатор переменного тока вектормерным прибором, измеряющим не только модуль величины, но и ее фазу относительно питающего (рабочего) тока.

В момент компенсации, определяемой нулевым показанием индикатора переменного тока, измеряемая величина равна по модулю и противоположна по фазе компенсирующему напряжению:

.

Модуль измеряемого напряжения равен , а его фаза определяется по соотношению

.

Устранение влияния изменения частоты на соотношение между рабочими токами и и, следовательно, на напряжение достигается соответствующей регулировкой частотокомпенсирующий резистор .

Определение магнитных характеристик ферромагнитных образцов

Благодаря тому, что некоторые магнитные величины и параметры связаны известными и простыми аналитическими соотношениями с электрическими величинами, измерение которых с высокой точностью обеспечивается компенсатором переменного тока, последний с успехом может применяться для измерения магнитных величин косвенными методами. Таким образом могут быть измерены индукция и напряженность в ферромагнитных образцах, комплексная магнитная проницаемость, полные потери в стали и взаимная индуктивность катушек.

Для определения магнитных характеристик ферромагнитных образцов с помощью прямоугольно-координатного компенсатора переменного тока на

73

образец материала наматываются две обмотки: первичная (намагничивающая) с числом витков и вторичная (измерительная) с числом витков . Первичная обмотка подключается к источнику питания переменным регулируемым напряжением. В цепи первичной обмотки включен образцовый резистор , падение напряжения на котором подается на один из измерительных входов компенсатора. Концы вторичной обмотки также подключены к другому входу компенсатора. Схема подключений показана на рис. 10.2. По результатам измерения ЭДС вторичной обмотки образца и падения напряжения на образцовом резисторе , включенном в цепь первичной обмотки с намагничивающим током , можно рассчитать индукцию и напряженность магнитного поля, а также комплексную магнитную проницаемость и полные удельные потери в стали образца.

Рис. 10.2

Следует иметь в виду, что в общем случае рабочий ток компенсатора имеет синусоидальную форму, тогда как индукция и напряженность несинусоидальны. Следовательно, возможна компенсация только первых (основных) гармоник этих величин. Кроме того, принцип действия вибрационного гальванометра обеспечивает ему резко выраженную частотную избирательность, что также способствует компенсации только первых гармоник индукции и напряженности магнитного поля в образце.