2.2.2 Компенсаторы постоянного тока
Наиболее точные измерения можно выполнить методом сравнения с мерой. Приборы, в которых измерение производится методом сравнения измеряемой величины с эталонной, называют компенсаторами. Принцип действия компенсатора основан на уравновешивании (компенсации) измеряемого напряжения известным падением напряжения на образцовом резисторе. Момент полной компенсации фиксирует нуль-индикатор (НИ), реагирующий на очень маленькие постоянные токи. Разработаны компенсаторы переменного и постоянного тока.
Упрощенная схема компенсатора постоянного тока для измерения напряжения Ux показана на рис. 2.3. Источник постоянного напряжения Ео создает рабочий ток Iр в цепи, состоящей из последовательно включенных измерительного RИ, установочного (образцового) Ry и регулировочного Rрег резисторов. В качестве источника образцовой ЭДС (меры ЭДС) используется нормальный элемент Ен.э - изготавливаемый по специальной технологии, гальванический элемент, среднее значение ЭДС которого при температуре 20 °С равно 1,0186 В. Установочный резистор Ry представляет собой катушку сопротивления специальной конструкции с точно известным и стабильным сопротивлением.
Рисунок 2.3 Упрощенная схема компенсатора постоянного тока
С помощью переключателя нуль-индикатор вначале включается в цепь установочного сопротивления Ry (положение переключателя 1). При этом регулировочным сопротивлением R рег добиваются отсутствия тока в цепи нуль-индикатора. Это означает, что IpRy= Eн.э, откуда значение рабочего тока определяется как Iр = Ен.э/Rу = 10 -n А (для каждого типа компенсатора величина n - число индивидуальное и неизменное, что обеспечивается постоянством параметров источника напряжения Eн.э и установочного сопротивления R у). Затем нуль-индикатор включается в измерительную цепь (положение переключателя 2) и изменением измерительного сопротивления R и добиваются нулевого тока, а значит, равенства Ux = IpR = Eн.э R/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 IХ = Ux/R0, где Ra - некоторое образцовое расчетное сопротивление.
При измерениях напряжений на производстве применяют автоматические компенсаторы, в которых поддерживается разностное значение ∆UX = IрRнач - IpRкон -> 0 с помощью следящей системы (Rнач и Rкон части измерительного сопротивления Rи в начале и конце цикла слежения).
Погрешность компенсатора определяется погрешностями резисторов RИ, Rr 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 составляет 1...2,5 В. Нижний предел измерения может составлять единицы нановольт.
Контрольные вопросы:
Объясните работу двухполупериодной схемы выпрямления.
Каковы достоинства компенсационного метода измерения?
Поясните работу прибора термоэлектрической системы.
Как перевести средневыпрямленное значение напряжения в среднеквадратическое?