книги / Специальные методы электрических измерений
..pdfк переходу иа более надежный с точки зрения контакт ного сопротивления тип регулятора сопротивления — ры чажный переключатель. Сохранить же требуемую гиб кость и .плавность регулировки при этом удалось путем •применения определенных усовершенствований схем соединений. В частности, широкое распространение полу чило применение шунтирующих и двойных сопротивле ний. Эти способы, как их чаще всего называют «шунти рующих» и «двойных декад», дали вполне удовлетвори тельное решение вопросов, позволяющее получить принципиально сколь угодно плавную регулировку ком пенсирующего напряжения.
'Принцип использования шунтирующих декад заклю чается в том, что некоторая доля основного сопротивле ния шунтируется вторым сопротивлением, большим по величине, чем шунтируемая часть, и в свою очередь раз битым на ряд секций. Лри соответствующем подборе со противлений можно добиться того, что падение напряже ния на одной секции шунтирующего сопротивления бу дет в 10 раз меньше, чем на одной секции основного сопротивления, давая, таким образом, возможность регу лировки следующего знака компенсирующего напряже ния. Конструктивно шунтирующее сопротивление при ключается к любому участку основной декады при томо ши двойного рычажного переключателя. Благодаря это му грубая компенсация достигается перемещением двой ного переключателя основной декады, а более тонкая — перемещением переключателя шунтирующей декады.
•В техническом осуществлении этого принципа суще ствуют два основных варианта. По первому из них две секции основного сопротивления, разбитого на одиннад цать секций, одновременно шунтируются сопротивлени ем, по величине равным суммарному сопротивлению этих двух секций, но разбитым в свою очередь на десять секций. Очевидно, что полное сопротивление этой зашунтированной части из двух параллельных ветвей одинако вого сопротивления равно сопротивлению одной секции. Следовательно, и падение напряжения на ней сохраняет ся неизменным, распределяясь на десять секций шунти рующей декады, на каждой из которых получается па дение напряжения, в 10 раз меньшее по сравнению с основной декадой. Принцип шунтирования по рассматри ваемому варианту может быть применен многократно,
262
т. е. две катушки шунтирующей декады в свою очередь :могуть быть зашунтированы третьим сопротивлением и т. д.; следует только три этом все шунтирующие дека ды (кроме последней) выполнять не с десятью, а с один надцатью секциями, сопротивление каждой из которых равно Уб сопротивления одной секции предыдущей де кады.
|По второму 'варианту шунтируется только одна сек ция основной декады (рис. 7-3). Если при этом шунти
рующее сопротивление выбрать в 9 раз большим сопро тивления этой секции и разбитым на девять секций, то очевидно, что сопротивление параллельной части, а сле довательно и падение напряжения на ней, будет теперь равно 9/ю сопротивления и соответственно падения на пряжения на одной секции основной декады. Это паде ние напряжения распределяется по девяти катушкам шунтирующей декады, на каждую из которых, как и в первом варианте, приходится, очевидно, Ую соответ ствующего падения напряжения в основной декаде. По сравнению с первым рассматриваемый вариант несколь ко удобнее тем, что все катушки и основной и шунти рующей декады выполняются равного сопротивления, что облегчает подгонку и поверку прибора. К сожале нию, это преимущество второго варианта шунтирова ния свойственно только группе из двух ступеней (одна шунтируемая и одна шунтирующая декада). При боль шем числе ступеней (т. е. при многократном шунтиро вании) только катушки двух последних декад могут быть
равными по сопротивлению, сопротивления же катушек всех иных декад для различных ступеней различны, как и в случае первого варианта. Очевидно, что при приме нении многократного шунтирования по второму вариан ту все шунтирующие декады (кроме последней) следует выполнять с десятью секциями. При этом сопротивле ние одной катушки любой из шунтирующих декад '(в том числе и последней, которая состоит из девяти катушек, равных по сопротивлению катушкам предпоследней де кады) может быть определено <по формуле
г _ 1П /л (2« — ш — 1)
• т — |
2 ' 0> |
где г0— сопротивление катушки (секции) основной де кады (шунтируемой); п —число шунтирующих декад; т — порядковый номер .рассматриваемой ступени (пер вой считается ступень, следующая после основной дека ды). Нетрудно видеть, что на сей раз степень изменения сопротивлений при переходе от ступени к ступени боль ше по величине, чем в случае первого варианта много кратного шунтирования, и растет с увеличением числа декад и уменьшением порядковых номеров рассматри-. ваемых ступеней.
•Возможны, конечно, и иные варианты в выборе соот ношения сопротивлений шунтирующих декад. Так, на пример, можно обеспечить падение напряжения на каж дой секции шунтирующей декады, равное не 0,1 падения напряжения шунтируемой, а 0,01, 0,001 и вообще 10~А этого напряжения, где к — любое положительное целое число. Для этого в случае шунтирования двух секций ос новной декады необходимо шунтирующее сопротивление выполнить состоящим из декады с секциями, сопротивле ние каждой из которых равно 2 • 10_Л сопротивления од ной секции шунтируемой декады, и добавочного со противления такой величины, чтобы общее значение шун тирующего сопротивления равнялось суммарному сопро тивлению шунтируемых секций. 1В случае шунтирования одной секции основной декады необходимо последова тельно с шунтирующей декадой, состоящей из секций одинакового сопротивления и секциями шунтируемой дека ды, включить добавочное сопротивление такой величины, чтобы общее значение шунтирующего сопротивления бы ло в 99, 999 и вообще в 1ЮА— 1 раз больше сопротивле ния шунтирующей секции.
Ознакомимся теперь с принципом использования двойных декад. Идея применения двойных декад заклю чается в возможности регулировать сопротивление како го-то участка без изменения общего сопротивления всей цепи, а следовательно, и без изменения тока в ней (при постоянном приложенном напряжении). Практически это осуществляется путем применения двух одинаковых со противлений, регулирующие органы которых связаны механически с таким расчетом, что уменьшение одного сопротивления вызывает точно такое же увеличение вто рого, и наоборот. Таким образом, каждое из этих сопро тивлений (порознь может изменяться от некоторого мини мума (в «частном случае от нуля) до максимума, но сум ма их всегда остается постоянной. Декады, включенные только в цепь рабочего тока, принято называть заме щающими. Принципиальная схема обычного включения двойной декады изображена на рис. 7-4, где выделены сопротивления, по которым проходит ток; очевидно, что сумма их постоянна. Этот принцип может быть исполь зован многократно путем соответствующего последова тельного включения ряда двойных декад, величины со противлений которых кратны десяти. Известным недо статком метода двойных декад в его обычном виде является необходимость иметь сопротивление по величине в 2 раза больше, чем это непосредственно необходимо, причем под током всегда находится только половина этого сопротивления.
Из рассмотренных выше способов увеличения плав ности регулировки компенсирующего напряжения метод шунтирующих декад в принципиальном отношении не сколько уступает методу двойных декад, потому что при его применении чувствительность компенсатора очень сильно меняется в зависимости от абсолЕотного значе ния измеряемой величины (см. § 7-3). Кроме того, мето ду шунтирующих декад по сравнению с методом двой ных декад свойственны и недостатки практического ха-
рактера; так, например, в то время как при вы полнении компенсатора с двойными декадами внесение поправок вследствие неточности изготовления сопротивлений не вызывает никаких затруднений (результирующая по правка компенсатора равна практически алгебраической сумме поправок для сопротивлений декад), внесение .по правок компенсаторов с шунтирующими декадами прак тически невозможно (поправки к отсчету напряжения по шунтирующей декаде, очевидно, зависят не только от неточности изготовления катушек этой декады, но и от поправок для шунтируемых участков).
Еще одним существенным недостатком компенсато ров с шунтирующими декадами является возможность появления дополнительной погрешности из-за влияния температуры окружающей среды. Это обусловливается тем, что сопротивление для установки рабочего тока в этих компенсаторах непременно должно быть отдель ное. Следовательно, при наличии разности в темпера турных коэффициентах установочного сопротивления и сопротивлениях декад (обычно первой) возможно появ ление дополнительной погрешности в величине рабочего тока, а следовательно, и погрешности измерения. В ком пенсаторах с двойными декадами установочное сопротив ление (основная его доля) представляет собой десять катушек первой декады, и некоторая неточность в уста новке рабочего тока, вызванная изменением температу ры окружающей среды, не вызовет сколько-нибудь за метной погрешности. Наряду с этим обоим рассмотрен ным методам присущ один недостаток — наличие по движных контактов в указательной цепи, с которым свя зана возможность возникновения дополнительных по грешностей за счет изменения сопротивления контактов и те!рмо-э. д. с. при перемещении контактных рычагов.
Получениере гулируемого компенсирующего напряжения при отсутствии подвижных контактов в цепи указа теля возможно прежде всего путем применения тех же двойных декад, «о -включенных по '.несколько иным схе мам. Как это непосредственно видно из рис. 7-4, условие равновесия компенсационной цепи с двойной декадой не изменится, если мы указатель присоединим не к точке соединения контактного рычага и полюса батареи, а к свободному концу основной декады. Воспользовав шись отмеченным обстоятельством, мы непосредственно
266
приходим от схемы рис. 7-4 к -схеме обратного включе ния двойных декад, изображенной на рис. 7-5,а и отли чающейся принципиально от схемы рис. 7-4 тем, что в указательной цепи компенсатора отсутствуют подвиж ные контакты; другие практически использующиеся ва рианты обратного включения двойных декад приведены на рис. 7-‘5,6 и в.
Схемы рис. 7-5,а и б в дополнительных пояснениях не нуждаются. Что же касается схемы рис. 7-5,в, где неко торое постоянное число катушек, соединенных перемыч кой (сопротивление которой равно нулю или имеет лю бое .постоянное конечное значение), зашунтировано с по мощью некоторого постоянного сопротивления, то ее осо бенность заключается в том, чго изменение напряжения при передвижении контактных рычагов на один контакт, очевидно, равно произведению сопротивления одной ка тушки декады и величины тока в шунте (а не величины тока в катушке, что имело место во всех иных рассмот ренных нами случаях); таким образом, изменение напря жения на желаемую величину здесь можно получить пу тем подбора сопротивлений катушек и шунта.
Недостаток схем рис. 7-5,а и б заключается в том, что с их помощью можно обеспечить не больше двух ступе ней регулирования (так как число ступеней здесь огра-
ничивается числом точек присоединения указательной ветви к сопротивлению, с которого снимается регулируе мое напряжение). Схема рис. 7-5,в может обеспечить любое число ступеней регулирования напряжения, так как здесь -мы можем сопротивление, включенное в указа тельную цепь, разбить на любое число декад с соответ ствующими замещающими декадами и постоянными шунтирующими сопротивлениями (рис. 7-6а). Получение многоступенчатого регулирования напряжения возмож но и путем сочетания -схем рис. 7-5,а и б и схемы рис. 7-5,б (рис. 7-66). Очевидно, что поскольку падения
напряжения на секциях разных декад зависят от со противлений секций и от токов в соответствующих шун тах, а не от токов в этих секциях, то отношения значений сопротивлений секций разных декад необязательно получаются кратными десяти, как это было до сих пор. Недостатком приведенных схем многоступенчатого регу лирования компенсирующего напряжения с использова нием двойных декад с постоянными шунтирующими со
противлениями является то, что применение их (очевидно, начиная с трех ступеней) связано с неизбежностью от личного от нуля начального значения компенсирующего напряжения. Отметим, что указанный недостаток легко устраняется при использовании рассмотренной ниже мостовой схемы компенсатора.
возможным способом получения компенсирующего напряжения при отсутствии подвижных контактов в цепи указателя является применение двойных шунтирующих декад. Схема такого соединения изображена на рис. 7-7, где два равных постоянных сопротивления (например,
сопротивления Я = |
шунтируются двумя одинаковы |
ми декадами, состоящими из десяти неравных секций;
270
последние рассчитаны так, что падение напряжения при единичном перемещении рычага шунтирующей декады изменяется на одну десятую максимального значения на пряжения на декаде; включение секций происходит во взаимно-обратном порядке. Двойные шунтирующие де кады позволяют обеспечить любую степень многократ ности без каких-либо (принципиальных осложнений. Оче видным практическим недостатком указанного метода является необходимость в весьма большой номенклатуре сопротивлений, значения кото рых к тому же могут выра жаться далеко не «круглыми» цифрами.
Перейдем теперь к рас смотрению компенсатора мо стового типа. Основная идея компенсатора по мостовой схе ме заключается в использова нии цепи с двумя параллель ными ветвями, аналогичной четырехплечему мосту, у кото рого неизвестная э. д. с. вклю
чена в указательную диагональ последовательно с гальва нометром; очевидно, что такая цепь может быть уравнове шена. Так как уравновешивание цепи можно производить разными путями, то, в частности, возможно сосредоточить контактные -сопротивления так, чтобы они в цепь ука зательной диагонали не входили. В простейшем случае их следует отнести к диагонали питания, как это пока зано на принципиальной схеме рис. 7-8. Из схемы оче видно, что условием равновесия цепи будет равенство Ях= / \Ял—/2Я2. Токим образом, в этом случае результат равен разности двух падений напряжения на разных со противлениях, вызванных разными токами. Это обстоя тельство несколько осложняет расчет .входящих в схему сопротивлений, тем более, что при этом также неизбеж но следует учитывать требование постоянства общего со противления схемы, т. е. 'постоянства рабочего тока (в то же время это обстоятельство имеет и свою (положитель ную сторону, о чем будет сказано ниже). Понятно, что и © этом случае (подобно, как и в случаях, соответ ствующих схемам рис. 7-6) значения сопротивлений сек ций разных декад получаются очень разнообразными.