книги / Специальные методы электрических измерений

1В этом «случае отношение напряжений 0 сл и Ось бу­

и при квадратуре между этими напряжениями справед­ ливо соотношение

/?, = /? «4

Процесс ери-ведения рассмотренных цепей к состоя­ нию квазиравновесия по одному параметру может быть осуществлен как от руки, так и автоматически. В послед­ нем случае напряжение с выхода фазового указателя подается на следящую систему с реверсивным двигателем на выходе. С осью двигателя связывается регулируемый параметр мостовой цепи.

Процентное отклонение одновременно двух парамет­ ров контролируемого конденсатора может быть опреде­ лено и несколько иным путем. Если в схеме, изображен­ ной «а рис. 6-55, переменным элементом, с помощью ко­ торого она приводится к состоянию квазиравновесия, бу­ дет являться измерительный конденсатор С0, а сопротив­ ления Яг и Я* будут равны, то «модуль напряжения меж­ ду точками й и с в момент квазиравновесия будет харак­ теризовать тангенс угла потерь измеряемого конден­ сатора.

Действительно, при выполнении условий Яз=Я4 и С1= С0 напряжение 0ас определяется выражением

а так как

2 / * 88*1+ 4

Учитывая, что для конденсаторов величина 1:^6 очень мала, то последнее выражение можно представить в сле­ дующем «виде:

Таким образом, для определения отклонения пара­ метров измеряемого конденсатора от номинала регули­ рованием измерительного конденсатора С0 приводят схе­ му к состоянию квазиравновесия и по величине Со опре­ деляют искомое отклонение. 1В момент квазиравновесия модуль напряжения характеризует б измеряемого конденсатора.

В заключение заметим, что если одной из составляю­ щих измеряемого комплексного сопротивления можно пренебречь, то появляющийся при нарушении состояния равновесия в измерительной диагонали ток, так же как и в мосту постоянного тока (см. § 5-5), функционально связан с приращением изменяющегося сопротивления. При небольшой величине указанного приращения и по­

приращению.

Рассмотренные варианты процентных мостов показы­ вают принципиальную возможность создания различных установок для быстрого контроля «параметров радиоде­ талей.

Г Л А В А С Е Д Ь М А Я

КОМПЕНСАЦИОННЫЙ МЕТОД ПОСТОЯННОГО ТОКА

7-1. ОСНОВНОЙ ПРИНЦИП И РАЗВИТИЕ КОМПЕНСАЦИОННОГО МЕТОДА

Основная идея компенсационного метода, как извест­ но, заключается в следующем. Измеряемая е. д. с.- Ех (или напряжение 'Их) включается навстречу компенса­ ционному напряжению 'IIк, которое представляет собой падение напряжения от определенного (рабочего) тока

/р на известном сопротивлении Як э. д. с. (рис. 7-1). Путем изменения компенсационного напряжения Ц1{ до­ биваются отсутствия отклонения указателя, т. е. отсут­ ствия тока в указательном контуре. Очевидно, это про­ изойдет при равенстве измеряемой э. д. <с. Ех и компен­

двумя способами; регулировкой сопротивления Цк или

тока /р. Прежде всего обратим внимание на весьма ха­ рактерную особенность компенсационного метода, что в момент отсчета ток от источника измеряемой э. д. с. не идет. Таким образом, в этом случае мы имеем все.

пр.).

Отметим также вторую особенность компенсацион­ ного метода, обусловленную отсутствием тока в указа­ тельной цепи: сопротивление соединительных проводов не сказывается на результатах измерения.

Очевидно, что компенсационный метод представляет собой измерительный процесс, позволяющий произво­ дить 'непосредственное измерение э. д. с. (и так же напряжения). Напомним (см. § 1-1), что эта особенность свойственна только компенсационному методу, посколь­ ку компенсационные цепи имеют два независимых ис­ точника энергии, один из которых может представлять собой образцовое напряжение. Мостовые цепи, имею­ щие -один источник питания, в общем случае не пригод­ ны для указанной цели. Однако заметим, что в принципе любая мостовая цепь без каких-либо существенных из­ менений путем добавления второго источника переходит

вкомпенсационную.

Вкачестве примера рассмотрим превращение в ком­ пенсационную такой типичной мостовой цепи, как четы­ рехплечий мост. Для этой цели неизвестную э. д. с., под­

лежащую измерению, надлежит включить в указатель­ ную диагональ последовательно с гальванометром. Не­ трудно видеть, что в этом случае цепь также может быть уравновешена. Это 'произойдет тогда, когда разность по­ тенциалов на вершинах указательной диагонали, создан­ ная основным источником питания, будет равна по вели­ чине и обратна по знаку неизвестной э. д. с., включенной последовательно с гальванометром. В этом случае, впол­ не сохраняя внешнюю форму цепи четырехплечего моста, мы только путем добавления еще одного источника энер­ гии получаем компенсационную цепь со всеми ее харак­ терными признаками. Забегая несколько вперед, отме­ тим, что полученная нами цепь есть не что иное, как принципиальная схема так называемого мостового ком­ пенсатора.

Вернемся теперь к .основному .принципу и отметим еще одно характерное свойство компенсационного мето­ да. Совершенно очевидна (и подразумевалась нами) воз­ можность измерения не только э. д. с., но и вообще на­ пряжения, например падения напряжения на некотором сопротивлении. Это обстоятельство в свою очередь дает нам также возможность косвенного определения тока (по падению напряжения на известном сопротивлении) и сопротивления (по отношению падений напряжения на включенных последовательно известном и неизвестном сопротивлениях). Добавим, что по известному току и на­ пряжению мы можем определить и мощность.

Эта в известной мере универсальность компенсацион­ ного метода представляет собой очень существенное и ценное свойство, определяя его роль в электрометрии, много большую, чем просто роль совершенного метода измерения напряжения. Без преувеличения можно ска­ зать, что в настоящее время компенсационный метод яв­ ляется основой всей электроизмерительной техники, так как он представляет собой общепризнанное орудие пере­ дачи значений электрических единиц от образцовых мер

э.д. с. к рабочим.

Сточки зрения технического осуществления компен­

сационного метода основным элементом измерительной цепи является известное, регулируемое по величине ком­ пенсирующее напряжение. В качестве этого компенси­ рующего напряжения используется падение напряжения, получаемое при прохождении известного тока по извест­

ному же сопротивлению. Ясно, что регулировка этого напряжения может быть осуществлена двумя путями: -из­ менением сопротивления и изменением тока. Оба эти метода возможны и применяются; однако преимущест­ венным распространением пользуется первый. Измене­ ние тока применяется в 1сра*внительно редких, специаль­ ных случаях; как правило, он поддерживается строго постоянным, равным некоторой заданной величине.

■Плавность и точность регулировки компенсирующего напряжения в значительной степени определяют собой и точность .всего метода в целом *. Очевидно, что эта точ­ ность будет зависеть от качества подгонки отдельных элементов переменного сопротивления и совершенства определения и поддержания постоянства тока в этом со­ противлении — так называемого «рабочего тока». Совер­ шенная технология изготовления высококачественных сопротивлений способна удовлетворить весьма строгим требованиям, так что, принимая, конечно, соответствую­ щие меры предосторожности, можно с достаточной уве­ ренностью считать, что входящие в -схему сопротивления достаточно надежны и точны. Что же касается установ­ ления нужного значения рабочего тока, то описанные ниже специальные приемы, основанные на непосред­ ственном применении образцовой меры — нормального элемента, позволяют и эту задачу решать вполне удач­ но. 1В силу этого компенсационный .метод ныне-принадле­ жит к числу .наиболее точных и совершенных. Погреш­ ность при определении напряжения порядка 1 в может быть доведена до исключительно малого значения, в спе­ циальных случаях до 0,001—0,003%.

Практически компенсационный метод воплощается в виде достаточно сложных специальных измерительных установок — компенсаторов (потенциометров).

Рассмотрим теперь вкратце ход развития компенса­ ционного метода и те характерные особенности и элемен­

1 Заметим, что точность компенсирующего напряжения в пер­ вую очередь определяется образцовым напряжением Е м .

ном ранее рис. 7-1. Передвигая движок реохорда и до­ биваясь отсутствия отклонения гальванометра, по поло­ жению движка мы лепко определяем искомую э. д. с. по формуле

Е х = 1&

Несомненным недостатком этой цепи является то, что по реохорду проходит ток источника Ех. Поэтому вво­ дить «в расчет э. д. (С. Ем является не вполне -правильным. Следовательно, в этом случае мы не получаем в чистом виде сравнения двух э. д. с. Так «как внутреннее падение напряжения источника Ея учесть трудно, то возникает довольно заметная «погрешность (что, кстати, и явилось толчком «к разработке второго варианта этого метода, основанного на регулировке и измерении силы тока). Очевидно, что погрешность эта будет тем меньше, чем меньше ток в реохорде. Поэтому очень скоро в целях уве­ личения сопротивления цепи и расширения пределов из­ мерений стали применять добавочные сопротивления в виде магазинов, которые включались последовательно с реохордом. Однако это только полумеры, снижающие, но не устраняющие основную погрешность от нагрузки известной э. д. «с. Ея.

Радикальным решением, приведшим компенсацион­ ный метод к вполне современной форме и явившимся единственным принципиальным улучшением, было пред­ ложение 'питать основную цепь (реохорд) от вспомога­ тельного источника тока, величина э. д. с. которого зна­ чения не имеет, а известную и неизвестную э. д. с. вклю­ чать поочередно на место Ех (рис. 74) и дважды произ­ водить уравновешивание. Естественно, что в этом слу­ чае обе эти э. д. с. находятся в совершенно одинаковых условиях. )В -момент отсчета они не нагружены (ток ра­ вен нулю), и, следовательно, вводя в расчет э. д. с. Е#, мы никакой принципиальной ошибки не делаем. Обозна­

жение вспомогательной батареи через (/, получаем:

Этот вариант компенсационного метода, изменяя спо­ соб сравнения с образцовой мерой, превращает его из метода «прямого одновременного сравнения в метод раз­ новременного сравнения подстановкой. Как уже указы­

димости производить двойное уравновешивание цепи при каждом измерении (если речь идет о нескольких из­ мерениях подряд). Действительно, если напряжение вспомогательного источника тока достаточно устойчиво, а, следовательно, ток в измерительной цепи (так назы­ ваемый «рабочий ток») постоянный, то очевидно, что

точка равновесия цепи (т. е. значение /?^) также не бу­

дет изменяться. Следовательно, при серийных измерени­ ях достаточно только время от времени проверять неизменность этой точки равновесия, что будет свиде­ тельствовать о неизменности рабочего тока.

Естественным развитием этой идеи явилось осуществ­ ление компенсаторов с прямым отсчетом, градуирован­ ных непосредственно -в вольтах. Для достижения этой це­ ли надлежит поддерживать рабочий трк при измерениях равным некоторой определенной, наперед заданной вели­ чине. Очевидно, что и падения напряжения на опреде­ ленных участках компенсационного сопротивления так­ же будут совершенно определенные и всегда одинако­ вые. Следовательно, в этом случае вместо значения со­ противления на отсчетных сопротивлениях могут быть нанесены соответствующие значения падения напряже­ ния. Обычно в современных приборах высокой точности рабочий ток выбирается кратным десяти в некоторой отрицательной степени. Б этом случае значения сопро­ тивлений и падений напряжений на них будут различать­ ся только множителем вида 10п, где п — положительное целое число.

Необходимая для получения прямого отсчета уста­ новка правильного значения рабочего тока компенсато­

ра, равного номинальному, представляет собой весьма ответственную операцию, так ка.к погрешность в этой установке целиком войдет в погрешность всего измере­ ния. 1В силу этого для контроля рабочего тока не могут быть применены обычные стрелочные приборы, так как их точность ограничена и в этом случае явно недоста­ точна. Поэтому установка рабочего тока производится также компенсационным методом. Для этой цели в из­ мерительную цепь на место измеряемой включается из­ вестная э. д. с. (нормальный элемент), а регулировоч­ ные органы прибора ставятся так, что отсчет соответ­ ствует действительному значению Ем- Очевидно, что в случае правильного установленного рабочего тока мы при этом получим полную компенсацию, т. е. гальвано­ метр станет на нуль. Наличие отклонений указателя сви­ детельствует о несоответствии рабочего тока номиналь­ ному значению. Таким образом, нужно производить ре­ гулировку рабочего тока до получения полной компенса­ ции. Эта операция часто носит наименование «установки рабочего тока» компенсатора (потенциометра).

После того как рабочий ток установлен, компенсатор превращается практически в прибор с постоянной регу­ лировкой, и потребность в нормальном элементе с прин­ ципиальной точки зрения исчезает. Очевидно, однако, что это может быть справедливо только в идеальных услови­ ях: при наличии полной уверенности в абсолютной устой­ чивости рабочего тока, т. е. в первую очередь в устой­ чивости напряжения вспомогательного источника пита­ ния. Естественно, что такой уверенности у нас быть не может; поэтому нормальный элемент остается неизмен­ ной принадлежностью измерительной установки и при­ меняется и далее для периодической поверки устойчиво­ сти рабочего тока.

Для удобства этой поверки практически у всех совре­ менных приборов предусмотрен специальный переключа­ тель, при помощи которого нормальный элемент вклю­ чается в цепь к постоянным выводам, падение напряже­ ния на которых всегда соответствует Ем, вне зависимости от положения регулировочных устройств (движков). Та­ кой метод установки и поверки рабочего тока, не тре­ бующий предварительной установки движков на напря­ жение нормального элемента, весьма удобен. Для учета небольших колебаний э. д. с. Ем (например, температур-

гонки сопротивлений и установкой рабочего тока. При со­ временной технологии изготовления сопротивлений мож­ но считать, что в большинстве случаев они будут впол­ не удовлетворять необходимым техническим условиям. Что же касается чувствительности (подробнее см. §7-3), то при современных магнитоэлектрических гальваномет­ рах в качестве указателя она, безусловно, достаточна для большинства практических случаев. Поэтому дей­ ствительно (можно считать, что степень совершенства ра­ боты компенсатора определяется в основном плавностью регулировки компенсирующего напряжения, т. е. в ко­ нечном счете рациональной конструкцией регулируемого сопротивления. Эта задача и является первоочередной.

Очевидно, что наиболее простой путь увеличения плавности регулировки и, следовательно, точности отсче­ та — это увеличение геометрических размеров сопротив­

ления Кх- 1В тех случаях, когда это сопротивление вы­

полнено в виде реохорда, можно применять более длин­ ную проволоку увеличенного поперечного сечения, обыч­ но навиваемую в этом случае на поворачивающийся на оси барабан с контактом в виде ролика соответствую­ щего профиля, скользящего по проволоке. В тех же слу­ чаях, когда это сопротивление выполнено по принципу магазинов (из отдельных сопротивлений с рычажным переключением), надлежит применять более мелкое раз­ деление этого сопротивления на большое число неболь­ ших по своему сопротивлению катушек. Можно .приме­ нять и комбинированное устройство; например, выпу­ скался компенсатор с пределом измерения 1,5 в, у кото­ рого компенсационное сопротивление состояло из 149 катушек с рычажным переключателем на столько же положений и дополнительного реохорда, полное падение напряжения на котором было 0,01 в.

Однако применение реохорда со скользящим контак­ том не являлось вполне удовлетворительным решением, так как при очень большой чувствительности гальвано­ метра скользящий контакт вызывает добавочные погреш­ ности, например за счет термо-э. д. с. -в контакте. По­ этому хотя и до настоящего времени сохранились в при­ менении отдельные варианты конструкции, использую­ щие реохорды (главным образом компенсаторы невысо­ кой точности, например типа ЛП, Л-4 или П-5), для точ­ ных компенсаторов определялась отчетливая тенденция