книги из ГПНТБ / Быков М.А. Электрические измерения электрических величин [учеб. пособие]
.pdfНедостатком этой конструкции является невысокая точ ность отсчета величины сопротивления, не превышающая при мерно 0,1 %.
Рассмотренная схема применяется обычно в технических компенсаторах, например, в компенсаторе типа ПП.
Рис. ѴІ-23
На рис. VI-24 приведена одна из схем сопротивления, при меняющаяся в высокоомных компенсаторах (см. ниже) и по лучившая название «схемы с замещающими дакадами». Не сколько декад магазина сопротивлений (например, декад ты сяч, сотен, десятков и единиц ом), включенных между собой последовательно, образуют переменное сопротивление, с кото
рого снимается компенсирующее напряжение |
(это со |
противление изображено в верхнем ряду схемы |
рис. ѴІ-24). |
Второй магазин сопротивлений с декадами того же порядка, изображенный на рисунке в нижнем ряду, электрически вклю чен последовательно с первым магазином, а конструктивно расположен так, что рычаги одноименных декад механически сзязаны (но электрически изолированы) между собой. Декады нижнего ряда включены ,в схему таким образом, чтобы при уменьшении, например, сопротивления декады / на столько же увеличилось сопротивление одноименной декады 1' и так же во всех остальных декадах. Рабочий ток компенсатора протекает последовательно по обоим магазинам и остается постоянным независимо от положения рычагов, тан ка;к уменьшению со противления одного магазина соответствует равное ему уве
личение сопротивления другого (и наоборот). В то же |
время |
наличие нескольких декад сопротивлений, от тысяч ом |
до де |
сятых и сотых долей ома (в лабораторных компенсаторах), позволяет обеспечить достаточно плавное изменение компен сирующего напряжения в большом диапазоне величин. Рас смотренная схема положена в основу выпускаемого серийно высокоомного компенсатора типа ППТВ-1.
В малоомных лабораторных компенсаторах нашла приме нение схема Уманцева, построенная на принципе суперпози ции (наложения) токов, где несколько последних знаков от-
240
|
|
|
V > c - |
|
I |
|
1 |
' — |
|
i |
A |
Ip |
«- |
£ |
4 |
|
|
I |
П З _ І _ 1 |
|
j< |
у" |
III |
|
|
-О1 |
• |
Гу g ' |
# ѵ |
Рис. VI-24
счета компенсирующего напряжения удается получить с по мощью одного декадного магазина, как это показано на ріис. ѴІ-25.
|
Рис . ѴІ-25 |
Указанная часть |
Uef компенсирующего напряжения L/f,c |
в рассматриваемой |
схеме снимается с постоянных зажимов е |
и /, между которыми включены десять одинаковых по величи
не сопротивлений. По этим сопротивлениям магазина |
протека |
ет несколько разных по величине токов (например |
I i , 1$, / 3 ) , |
каждый из которых образует на этих сопротивлениях свое па дение напряжения. Результирующее напряжение, снимаемое с этих сопротивлений, или компенсирующее напряжение С7е/, бу дет равно сумме падений напряжения от каждого тока. Если
токи относятся как 1 : 0, |
1 : 0,01, то и падения напряжений будут |
||
находиться в таких же отношениях, а результирующее |
напря |
||
жение может быть найдено по формуле |
|
||
Uef=Jirnl |
+ Ігт2 + |
/3 r/z3 = Ivr (я, + 0,1я2 + 0,01 л3 ), |
|
где пи п%, п3—положения |
соответствующих рычагов, через ко |
||
торые подводятся токи I i , І2, h- |
|
||
Первые два знака компенсирующего напряжения |
в этой |
||
схеме получают с помощью двух замещающих декад. |
|
16 255 — М. А, Быков и др. |
241 |
Схемы компенсаторов делятся на две большие группы: вы сокоомные и низкоомные. Высокоомные компенсаторы при меняются для измерений в выеокоомных цепях, где из-за ус ловий успокоения гальванометра и согласования его сопротив ления с сопротивлением схемы применяют высокоомные галь ванометры, а потому целесообразно иметь высокоомный и цепь самого компенсатора. Низкоомные компенсаторы применяют ся в противоположных условиях. Высокоомные компенсаторы рассчитываются на измерение напряжений порядка 1—2,5 в, имеют рабочий ток в главной рабочей цепи Ю - 3 — 1 0 ~ 4 а и со противление этой цепи 10 000—40 000 ом.
Низкоомные компенсаторы рассчитаны на измерение на пряжений менее 100 мв, сопротивление главной рабочей цепи их имеет величину от десятков до 2000 ом и ток в главной ра бочей цепи Ю - 1 — Ю - 3 Я.
Как высокоомные, так и низкоомные компенсаторы пред назначены для поверки измерительных приборов и мер (шун тов, делителей, измерительных катушек, нормальных элемен тов и пр.), а также для выполнения всякого рода рабочих из мерений.
Компенсационный метод относится к наиболее точным сре ди методов и приборов, предназначенных для измерения на пряжений: погрешность его может иметь порядок 0,01% и да же 0,001|%.
В компенсаторе постоянного тока, как и в любом другом приборе, построенном на косвенном методе измерения, резуль тирующая погрешность измерения (абсолютная или относи тельная) является функцией частных погрешностей, вносимых каждым элементом схемы. В компенсаторе к таким элементам относятся нормальный элемент, гальванометр, сопротивления /?н и R—чем точнее выполнены эти элементы, тем точнее ре зультат измерения.
Своей высокой точности компенсаторы постоянного тока обязаны присутствию в схеме нормального элемента, э. д. с. которого известна с точностью до тысячных долей процента, с которым (косвенным образом) производится сравнение неиз вестного напряжения или э. д. с.
Для облегчения расчета допустимой погрешности измере ния большая часть современных компенсаторов снабжается формулой, указанной в инструкции к пользованию прибором. В этой формуле допустимые для данного компенсатора по грешности, возникающие за счет несовершенства изготовле ния элементов схемы, остающиеся постоянными в процессе из мерений, объединяются в постоянный член уравнения и не требуют постоянного пересчета.
Переменной величиной в формуле является сопротивление Ri,c, которое в процессе работы может принимать разные зна-
242
чеиия в зависимости от порядка измеряемого |
напряжения и от |
||||||
опыта |
экспериментатора. |
|
|
|
|
||
В |
компенсаторе |
Р375, |
например, |
допустимая абсолютная |
|||
погрешность |
измерения |
&UX для |
каждого |
случая |
может |
||
быть найдена |
по формуле |
|
|
|
|
||
|
|
№ х |
= ± (150£/к + 0,5т) 10~~6 |
в, |
|
||
где UK—показание |
компенсатора; |
|
которых |
не рав |
|||
|
m—число декад магазина R, показания |
||||||
|
ны нулю. |
|
|
|
|
|
|
ПРИМЕНЕНИЕ |
КОМПЕНСАТОРОВ |
ПОСТОЯННОГО |
ТОКА |
Компенсаторы, как было указано, опособны измерять на пряжение или ѳ. д. с ; косвенным образом с их помощью мож но измерять и ряд других электрических величин, таких, как
ток, сопротивление, |
мощность, связанных |
с напряжением оп- |
р еделеиной з а в иоимостью. |
|
|
Как приборы высокой точности, компенсаторы используют |
||
ся в измерительной |
технике в основном, |
для поверки измери |
тельных приборов |
непосредственной оценки — амперметров, |
вольтметров, ваттметров. Целью поверки является нахождение основной погрешности прибора и установление степени его со ответствия классу точности, указанному на шкале этого при бора.
Кроме того, во многих случаях при лабораторных исследо ваниях, технических и промышленных измерениях также поль зуются компенсационными схемами (либо для достижения вы
сокой точности измерений, |
либо для выполнения |
измерения |
без отбора тока от объекта измерения). |
|
|
Ниже приведены схемы |
измерения основных |
электриче |
ских величин. |
|
|
С х е м а д л я и з м е р е н и я н а п р я ж е н и я и э. д. с. |
||
Измеряемое напряжение |
Ux подводится к зажимам /—3, |
|
делителя напряжения :(рис. ѴІ-26). Поскольку величина Uх мо |
жет меняться в больших пределах, достигая сотен и даже ты сяч вольт, а компенсатор непосредственно способен измерять напряжение порядка (l-f-2) в, между компенсатором и изме ряемым напряжением включают делитель напряжения.
На рисунке приведена схема делителя напряжения типа ДН-1, выпускаемого специально для компенсаторов. Измеряе мое напряжение, на которое включен поверяемый вольтметр, целиком подводят к делителю напряжения, а к компенсато ру—только часть этого напряжения. Напряжения;
16* |
243 |
подводимое к делителю, Vх , и снимаемое с делителя к ком пенсатору, Ux', связаны между собой зависимостью:
|
, R |
(VI-44) |
|
Ur=Ur |
|
где R—максимальное |
сопротивление |
делителя; |
г—'сопротивление, |
с которого снимается напряжение Uх'. |
Könne и сатор
Рнс . ѵ і-26
Вделителе ДН-1 сделаны отводы, позволяющие снимать к компенсатору точно 1/10, 1/100, 1/500 часть подведенного на пряжения.
С х е м а д л я и з м е р е н и я т о к а
Измеряемый ток, который проходит по поверяемому ампер метру (в случае его поверки), пропускается через образцовое сопротивление R0, значение которого известно с достаточной степенью точности (рис. ѴІ-27).
Ф~ < 7 ь
0~ |
Ri У |
7В а ,
КОппенсатор
1'ис ѴІ-27
244
Напряжение, возникающее на известном сопротивлении от
измеряемого тока, |
подается на |
компенсатор, |
где измеряется |
|
обычным путем. |
|
|
|
|
Значение тока, |
измеренное |
компенсатором, рассчитывает |
||
ся по формуле |
|
|
|
|
|
|
|
(ѴІ-45) |
|
где ІІК—показание |
компенсатора. |
|
|
|
Образцовые сопротивления, |
рассмотренные |
в гл. I I посо |
||
бия, представляют |
собой сопротивления высокого класса |
точ- - |
||
ности и всегда имеют номинальные значения |
вида 1-10", |
где |
||
п—целое число. |
|
|
|
|
Как правило, они имеют четыре зажима: два токовых и два потенциальных. Токовыми зажимами образцовое сопротивле ние включается в токовую цепь, а с потенциальных снимается напряжение к компенсатору.
Для увеличения точности измерения Ro выбирают таким, чтобы падение напряжения на нем от измеряемого тока было не менее 10% значения верхнего предела измерения данного компенсатора; при этом будут использованы все декады мага зина R компенсатора.
С х е м а д л я и з м е р е н и я с о п р о т и в л е н и й
Измеряемое сопротивление Rx включается чаще всего пос ледовательно с образцовым сопротивлением ^о- Падения на пряжений, создаваемые на этих сопротивлениях, Uх и U0, из меряются компенсатором (рис. ѴІ-28).
Рис. ѴІ-28
245
Для последовательной схемы, где сопротивления обтекают ся одним и тем же током, будет справедливо соотношение
|
(ѴІ-46) |
С х е м а д л я и з м е р е н и я |
м о щ н о с т и и п о в е р к и |
в а т т м |
е т р о в |
На рис. ѴІ-29 изображена схема, которая применяется при измерении мощности и, в частности, при градуировке и повер ке ваттметров.
Рис. ѴІ-29
Спомощью переключателя П компенсатор присоединяется попеременно то в цепь напряжения ваттметра, го в цепь его тока.
Вначале, при положении 1 переключателя П, с помощью компенсатора устанавливается номинальное напряжение ватт метра, которое в дальнейшем поддерживается постоянным и периодически проверяется опять-таки на компенсаторе. Затем переключатель П ставят в положение 2 и, регулируя реостатом
/?р е г ток в последовательной цепи ваттметра, устанавливают стрелку прибора на оцифрованных отметках шкалы, измеряя силу тока.
Для каждой отметки определяется значение мощности как произведение тока на напряжение, и результат расчета сверя ется с показанием прибора. Разность между показанием при бора и результатом измерения мощности на компенсаторе даст основную погрешность ваттметра для каждого поверенного деления шкалы.
246
§ 4. КОМПЕНСАТОРЫ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
Компенсаторы переменного тока — это приборы, измеряю щие на переменном токе напряжения и некоторые другие электрические величины, связанные с напряжением функцио
нальной зависимостью (ток, сопротивление, |
мощность и др.). |
||
Как известно, напряжение на переменном |
токе можно |
пред |
|
ставить как комплексную величину и изобразить в виде |
век- |
||
гора, занимающего |
определен |
|
|
ное положение на комплексной |
. . |
|
|
плоскости (рис. |
ѴІ-30), |
|
|
Ùt=UXa+jUx=Uxeb*. |
(VI-46) |
|
|
Компенсационный метод из мерения на переменном токе, так же как и на постоянном, за ключается в уравновешива нии неизвестного напряжения известным. Для того, чтобы скомпенсировать на перемен ном токе напряжение Ux, необ
ходимо |
и |
достаточно прило- |
I |
||||
жить к |
нему |
другое |
напряже- |
_і | |
|||
ние |
ÜK, |
равное |
по |
амплитуде. |
' |
||
форме |
кривой |
и частоте, но |
Р и с V { 3 Q |
||||
сдвинутое |
по |
фазе относитель |
|
||||
но |
Ѵх |
на |
180°. |
|
|
|
Компенсаторы переменного тока значительно менее точны, чем компенсаторы постоянного тока. Причиной тому служит отсутствие образцовой переменной синусоидальной э. д. с, с помощью которой можно было бы установить рабочий ток в компенсаторе, как это делается на постоянном токе. В ком пенсаторах переменного тока величина рабочего тока устанав ливается по амперметру обычно электродинамической систе мы, класс точности которого в наилучшем случае 0,1—0,2.
Таким образом, высокая точность измерения, свойственная компенсаторам постоянного тока, на переменном токе теряет ся. Несмотря на это, компенсатор переменного тока — один из важнейших приборов, позволяющий судить не только о вели чине измеряемого напряжения, но и о его фазе.
Кроме того, в момент измерения компенсатор не потребля ет мощности от источника измеряемой величины и, следова тельно, не оказывает влияния на работу схемы, что тоже яв ляется его ценным качеством.
В уравнении (VI-46) представлены две формы записи ком плексного напряжения Üх : алгебраическая — с двумя состав-
247
Ляющими Uxa и Üxp и показательная—с модулем |
Uх и фа |
зой <рх измеряемой величины. Если напряжение Ux |
предста |
вить в алгебраической форме, то для компенсации его необхо димо скомпенсировать порознь активную и реактивную со ставляющие.
Если же напряжение Uк характеризовать модулем и фа зой, то для компенсации его нужно скомпенсировать модуль и фазу величины. В соответствии с этим различают две группы компенсаторов:
а) полярно-координатные с отсчетом измеряемого напря жения в полярных координатах;
б) прямоугольно-координатные с отсчетом действительной и мнимой составляющих напряжения по действительной и мни мой осям.
Компенсаторы первой группы в настоящее время ни в
СССР, ни ів большинстве других стран не выпускаются вслед ствие 'Сложности изготовления и невысокой точности.
Рассмотрим схему и принцип действия прямоугольно-коор динатного компенсатора, изображенного на рис. ѴІ-31.
Рис. ѴІ-31
Компенсатор состоит из двух контуров: / и II. Напряжение источника иитания схемы U, связанное с первым контуром че рез трансформатор, вызывает в этом контуре ток I i , величину которого можно регулировать реостатом / ? р е г и измерять ам перметром.
Проходя по іреохорду А — В , представляющему собой чисто активное сопротивление, ток Ii создает на нем падение напря жения ик(1, совпадающее по фазе с током.
248
Контур / связан с контуром II через воздушный трансфор матор M (катушку взаимной 'Индуктивности без стального сер дечника).
При протекании тока І\ через первичную обмотку катушки M в ней возникает магнитный поток Ф, находящийся в фазе с током /,, который ввізовет 'появление во вторичной обмотке э. д. с. Е?, отстающей от потока ф на 90°.
Если пренебречь индуктивным сопротивлением вторичной обмотки воздушного трансформатора, то можно считать, что ток второго контура / 2 совладает по фазе с э. д. с. Е2, а напря жение UKp на реохорде А—В, представляющем собой чисто активное сопротивление, совпадает по фазе с током /2 .
Таким образом, в схеме создаются |
условия, при |
которых |
||||||||||||||
токи /[ и /2 , а также |
напряжения, |
снимаемые |
с |
реохордов |
||||||||||||
А—В |
и А'—В', |
сдвинуты |
на |
|
|
|
|
^ |
|
^ка |
|
ф |
||||
угол |
90° одно по отношению |
|
|
|
|
Х ; |
|
|
||||||||
|
- - - |
|
|
|
|
|
|
|
• |
f |
— |
утш |
> |
|
|
|
к другому. |
|
|
|
|
|
|
|
|
Qо |
|
|
|
|
|
||
Векторная |
|
диаграмма |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
компенсатора |
приведена |
на |
*д |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
рис. ѴІ-32. Как видно из рис. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
VI-31, середины |
реохордов |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
А—В |
и А'—В' |
электрически |
|
Ц |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
соединены, |
образуя нулевую |
' |
# |
|
|
|
|
|
|
|
||||||
точку схемы. |
|
|
|
|
|
|
Т |
|
|
|
|
|
|
|
||
Измеряемое |
напряжение |
£ |
ѵ |
|
|
|
|
|
|
|
||||||
Ох— иха\- |
jUxp |
подводится |
|
^ |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
к зажимам |
1—2 и далее, че |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
рез вибрационный |
гальвано- |
|
|
Р |
и с - |
V1-32 |
|
|
|
|||||||
метр, к движкам Ді и Д 2 . |
|
|
Uх |
— UKa |
-f- jUKp, |
|
|
|
||||||||
Компенсирующее |
напряжение |
равное |
||||||||||||||
геометрической сумме напряжений |
Ѵка |
и |
Uк„, |
возникающих |
||||||||||||
на реохордах, снимается с движков Д\ |
и Д 2 . Напряжение |
|
UKa, |
|||||||||||||
которое создается |
на реохорде первого контура, |
называют |
ак |
|||||||||||||
тивной составляющей |
компенсирующего |
напряжения, |
а |
на |
||||||||||||
пряжение |
UKp |
«а реохорде второго контура — его реактивной |
||||||||||||||
составляющей. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Меняя положение движков Ді и Д 2 , можно получить ком |
||||||||||||||||
пенсирующее напряжение |
в любом из |
четырех |
квадрантов |
|||||||||||||
комплексной плоскости. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
В момент компенсации вибрационный гальванометр, вклю |
||||||||||||||||
ченный последовательно |
в цепь напряжений |
Ux |
и |
UK, |
пока |
|||||||||||
жет отсутствие тока. Величины |
Uка |
и Uкр, |
имеющие место в |
|||||||||||||
момент компенсации |
схемы, |
отсчитываютея |
непосредственно |
|||||||||||||
по шкалам реохордов А—В |
и |
А'—В'. |
|
|
|
|
|
|
|
Модуль измеряемого напряжения будет равен
Ux=VU%a+U% кр-
249