Компенсатори постійного струму

Принципова схема компенсатора постійного струму зображена на рис. 14, де позначено: R_K - декади компенсаційного опору; ДЖ - джерело живлення постійного струму; Ry₁, Ry₂ - встановлювальні резистори; R_РЕГ - регулювальний резистор; НЕ - нормальний елемент (міра ЕРС постійного струму); S - дво-позиційний перемикач роду роботи; НІ- нуль-індикатор.

Компенсатор постійного струму (надалі - компенсатор) працює у двох режимах:

• режимі встановлення робочого струму Ік та

• режимі вимірювання:

Режим встановлення робочого струму компенсатора. Перед вимі­рюванням потрібно встановити необхідне значення робочого струму компенсатора Ік. Для цього перемикач роду роботи S ставлять в положення "НЕ" і зміною опору регулівного резистора R_РЕГ регулюють струм у компенсаційному колі до нульового показу нуль-індикатора, тобто доки не настане рівність

,

де Е_НЕ - ЕРС НЕ ,

U_y - спад напруги на встановленому опорі R_y ;

R_y - значення встановленого опору, що забезпечує виконання умови Іні=0.

Робочий струм компенсатора І_К дорівнює

.

У серійних компенсаторах значення І_К вибирають з ряду 10^-3, 10^-4, 10^-5 або 10^-6, що дає можливість отримати подекадний відлік компенсаційної напруги U_K , кратний до 10ⁿ В, де n = -7…-1.

Рис. 14. Принципова схема компенсатора постійного струму

Режим вимірювання. Після встановлення необхідного значення робочого струму компенсатора перемикач S ставлять у положеннея «Х» і зміною компенсаційної напруги U_KХ, яку знімають з частини R_KХ компенсаційного опору R_K, досягають рівності

,

де U_X - вимірювана напруга.

Опір R_У зроблено з двох резисторів R_У1 та R_У2. Відповідно до рис.13 резистор R_У2 є обмежуючим, що не допускаю проходження великого струму по контуру НЕ-НІ-R_У при значеннях опору R_У1=0.

Опір R_К виконано з двох змінних резисторів з різними кроками квантування – бульшим та меньшим – для забезпечення більшої точності установки опору R_КХ .

Границі допустимої основної абсолютної похибки компенсатора встановлюють за формулою

В,

а відносної

,

де с – клас точності компенсатора , який може набувати значення 0,0002, 0,0002, 0,0005, 0,001, 0,002, 0,005, 0,01, 0,02, 0,05, 0,1%;

U_N - нормувальне значення, яке набуває найближче меньше з ряду 0,01, 0,1, 1,2,10 В щодо границі вимірювання компенсатора U_K.max, В;

U_KX - показ компенсатора, В.

Компенсаційний опір РК зазвичай реалізується у вигляді магазину дискретних опоріві тому йому властива похибка квантування -- граничне значення якої --- не перевищує половини ціни ступеня молодшої декади компенсатора або кроку квантування за напругою -- , тобто

,

а граничне значення відносної похибки квантування дорівнює

,

де U_KX - показ компенсатора, В.

Компенсатори змінного струму

Принцип дії компенсаторів змінного струму, як і постійної полягає у зрівноважуванні вимірюваної напруги Ux відомою компенсаційне напругою U_K за схемою, що представлена на рис.12. Момент рівності Ux =U_K фіксується нульовим показом нуль-індикатора, при якому U_Н = 0.

Якщо вимірювана та компенсаційна напруги є періодичними функціями часу, наприклад,

то для досягнення рівноваги компенсаційної схеми необхідно добитися рівності миттєвих значень их (t) = ик (t) а це можливо за таких умов:

• форми кривих компенсаційних напруг повинні бути ідентичними;

• амплітудні значення і частоти компенсаційних напруг повинні бути рівними, тобто

• фази компенсаційних напруг повинні бути протилежними, тобто φκ = - φх = φх

Для виконання цих умов живлення вимірювального та компенсаційного кіл здійснюють від одного джерела напруги, забезпечивши гальванічний розв'язок (розділ) цих кіл за допомогою трансформатора або котушки індуктивності.

Враховуючи те, що форма компенсаційних напруг Ux і U_K , утворених у різних електричних колах, може відрізнятися від синусоїдної, для фіксування рівноваги компенсаційної схеми застосовують частотно-вибіркові нуль-індикатори, настроєні на першу гармоніку сигналу. Однак нехтування вищими гармоніками може призвести до виникнення додаткової похибки вимірювання.

Згідно з двома формами запису векторних величин [3] вимірювану і компенсаційну напруги можна відобразити у прямокутних координатах як

та у полярних координатах як

де Uхх і Uху та Ukx і U_Ky - відповідно активна і реактивна складові напруг Ux та Uk ;

U_mX і U_mК та φ_x і φ_κ -відповідно амплітуди та фазові кути напруг Ux і Uк ·

Відповідно до цих двох форм запису векторних величин у прямокутних та полярних координатах існують два способи зрівноважування компенсаційної схеми і два різновиди компенсаторів змінного струму прямокутно-координатні і полярно-координатні.

Компенсатори змінного струму за точністю вимірювань значно посту­паються компенсаторам постійного струму, що пояснюється, здебільшого, від­сутністю такої міри ЕРС змінного струму, якою є нормальний елемент на постійному струмі. Робочий струм у компенсаторах змінного струму встаноdлюють за показами амперметрів електродинамічної системи класу точності у кращому разі 0,05 або 0,1.

Однак завдяки істотній перевазі - відсутності споживання потужності від досліджуваного об'єкта, що дає можливість вимірювати ЕРС змінного струм, компенсатори змінного струму практично застосовуються у галузі вимірював електричних і магнітних величин, зокрема для дослідження малопотужних кіл змінного струму. За їх допомогою безпосередньо (прямо) вимірюють ЕРС і напругу, а опосередковано - струм, активний та реактивний опір електричних та магнітних кіл, індукцію та напруженість магнітних полів, втрати у феромагнітних матеріалах тощо в частотному діапазоні 40.. .10000 Гц.

У якості прикладу реалізації компенсатора змінного струму розглянемо принципову схему та роботу прямокутно-координатного компенсатора змінного струму (рис. 14)

Прямокутно-координатний компенсатор, (рис. 15,а) має два вимірювальні контури або дві координати - координату "X" і координату " Y", які гальванічно розділені за допомогою повітряного трансформатора (котушки взаємоіндуктивності) М. Внаслідок цього зсув фаз між робочими струмами координат Ікх і Іку дорівнює 90°. Відповідно зсув фаз між складовими компенсаційної напруги Гкх і U_Ky, які знімають з компенсаційних опорів R_КХ та R_КУ відповідних координат, також дорівнює 90°. З'єднання середніх точок опорів R_КХ та R_Ky дає змогу одержати точку "0" прямокутної системи координат.

Рис. 15.

Таким чином, у прямокутно-координатному компенсаторі вимірювана напруга Uх зрівноважується двома складовими (див. рис. 15, б) компенсаційної напруги у будь-якому із чотирьох квадрантів прямокутної системи координат.

У момент рівноваги схеми, який фіксується за нульовим показом нульіндикатора ( ), зрівноважуються відповідні складові вимірюваної та компенсаційної напруг-

, тобто

,

де і - відліки складових компенсаційної напруги на відповідних компенсаційних опорах.

За умови, що І_КХ = const та Іку = const, компенсаційні опори градуюють у вольтах, що дає можливість безпосереднього відліку складових U_KX та Uку вимірюваної напруги Ux.

Необхідне значення струму І_КХ координати "X" встановлюють за допомогою амперметра електродинамічної системи класу точності 0,05 або 0,1, а значення І_КУ координати "Y"

,

де R_Y - сумарний активний опір координати "Y";

М - коефіцієнт взаємоіндуктивності котушки М.

Оскільки значення струму І_КУ залежить від частоти, то для забезпечення умови Іку = const відповідно до зміни частоти f змінюють опір Rf (див. 43.9, а), який є частиною опору контуру Ry , щоб виконувался рівність f/R_Y = const.