книги / Специальные методы электрических измерений
..pdf•Практически постоянство рабочего тока в компенса торе,по мостовой схеме достигается главным образом путем использования двойных декад по обратным схе мам включения, а также двойных шунтирующих декад. При этом 'благодаря зависимости результата от двух противоположных по направлению токов <в двух парал лельных ветвях компенсатора имеется возможность лег ко избавиться от свойственного схемам обратного вклю чения двойных декад ненулевого начального значения компенсирующего напряжения в случае многоступенчато го регулирования напряжения, так как падения напряже ния на декадах одной ветви при нулевых положениях переключающих рычагов можно скомпенсировать паде ниями напряжения на соответствующих декадах (при ну левом положении рычагов) или добавочных сопротивле ниях во второй ветви. Соотношение между токами, раз ветвляющимися в обе параллельные ветви, может быть выбрано любым (например, 1 Ш, 1 :9 и др.); необходи мое соотношение токов достигается за счет включения в параллельные ветви соответствующих добавочных со противлений.
Схема простейшего трехдекадного мостового компен сатора приведена на рис. 7-9. Компенсатор имеет три двойные декады, включение которых соответствует об ратным схемам включения двойных декад (включение декады I отвечает схеме рис. 7-5,а и декад II и III — схе ме рис. 7-5,6). Добавочные сопротивления, включенные в |Цепи рабочего тока между декадами I и соответствен но II и III, подбираются так, чтобы обеспечить необхо димое соотношение токов в обеих ветвях компенсатора. Заметим, что эти добавочные сопротивления являются одновременно необходимым условием замечательного свойства компенсатора мостового типа — практического постоянства его чувствительности во всем диапазоне из мерения (см. § 7-3).
1Все рассмотренные выше способы увеличения точно сти отсчета с помощью шунтирующих и двойных декад характеризуются большим количеством (более или ме нее разнообразных по величине) катушек сопротивле ния, составляющих секции соответствующих декад, что является в известной мере недостатком этих способов. Указанного недостатка лишен способ получения несколь ких знаков отсчета (в принципе их может быть сколь-
272
ко угодно много) с помощью одной одинарной декады с секциями равного «сопротивления, основанный на прин ципе суперпозиции токов. Схема этого способа приведена
на рис. 7-10. |
Очевидно, -что |
если токи / ь /2, |
от |
|
носятся, как |
1 : 0,1: |
10~Л, где к — число ступеней ре |
||
гулирования, |
то компенсирующее напряжение будет рав |
|||
но = |
-Ь0,1/г2+ |
-Ь10- |
где п и п 2, |
пи — по- |
По 0,11ом |
|
|
По Том |
0 ------ |
0° |
Лг |
р111] |
|
|
/ |
|
А |
|
-1 |
|
|
|
||
------ |
|
-------- 0, |
|
|
|
[шМ |
|
По 0,11ом |
|
|
|
|
|
По Том |
|
у-
По 0,11ом
ршш!)!
*ж > |
\ |
» |
\юл |
V\ |
о пл . |
№,тМ1
По 0,11ом
Тг
► | —1_____ 1“
М
В
___ а ||(1±________
Ретс. 7-9.
ложения соответствующих рычагов, через которые под водятся токи / 1, /2,..., /л; г — сопротивление одной сек ции декады. Следовательно, перемещая движки, можно при помощи только десяти равных по величине катушек сопротивления получить любой многозначный отсчет компенсирующего напряжения.
В современных моделях компенсаторов используется тот или иной из рассмотренных принципов увеличения точности отсчета, а чаще всего некоторая комбинация от дельных принципов. Так, например, по схеме с шунти-
рующими декадами с добавлением (в качестве пятой де кады) одной двойной декады то обычной схеме включе ния (рис. 7-4) выполнены компенсаторы типа ШТГ1В и П1В-2. Заметим, однако, что в настоящее время приборо строительная промышленность практически отказалась уже от выпуска этих компенсаторов (в силу принципи альных и практических недостатков схем с шунтирую-
и— 0 4
Контактный ряд щетки щ1
. Контактный \^ряд щетки щ2
А 4Контактный ряд щетки щк
Тонераспределительное
устройство
Рис. 7-10.
щими декадами, о которых упоминалось выше), хотя и до сих пор их можно встретить в лабораториях.
По схеме с обычным включением двойных декад выполнены ком пенсаторы типа ПВ-6, ПВ-7, П-ПТВ-1 и Р375. По мостовой схеме с обратным включением двойных декад и с двойными шунтирующи ми декадами выполнен компенсатор КЛ-48; по мостовой схеме с об ратным включением двойных декад и с использованием постоянных шунтирующих сопротивлений построен компенсатор ПМС-48. По схе ме с использованием принципа суперпозиции декадных токов по строены компенсаторы ППТН-1 и РЗЗО.
Современные компенсаторы строятся на пределы измерений не выше 1—(2 в. Из этого не следует, что они не могут быть применены для измерения более высоких напряжений; в целях расширения пределов измерения применяется специальное вспомогательное устройство — так называемый д е л и т е л ь н а п р я ж е н и я . Дели тель представляет собой точное сопротивление, довольно большое по своей величине (десятки тысяч ом и выше), с отводами от определенных участков, обычно от одной десятой, сотой и тысячной доли всего сопротивления, счи-
274
тая от одного из его -концов — общей точки. На -все это сопротивление целиком подается неизвестное напряже ние, а от общей точки и одного из отводов .падение на пряжения 1подводитея к компенсатору. Так как напряже ние распределяется .пропорционально сопротивлениям, то, очевидно, измеряемое компенсатором значение будет точно равно определенной доле неизвестного (десятой, сотой или тысячной, в зависимости от того, каким имен но отводом 'мы в данный момент пользуемся).
Заметим, что делителем напряжения можно пользо ваться только в сочетании с компенсационным методом, так как в момент отсчета компенсатор представляет со бой бесконечно большое сопротивление (ток равен ну лю) и, следовательно, не нарушает распределения на пряжения вдоль сопротивления делителя.
Следует обратить внимание на то, что делитель на пряжения представляет собой хотя и небольшую, но все же совершенно определенную нагрузку для исследуемой цепи. Поэтому -при его ррименении уже нельзя говорить об измерении -э.- д. с.
В некоторых моделях компенсаторов применяется приспособление обратного характера, понижающее пре дел измерения прибора. Для этой цели необходимо уменьшить в заданное число раз рабочий ток в компен сирующих сопротивлениях, что достигается шунтирова нием их. Одновременно, для того чтобы избежать необ ходимости в новом регулировании тока, последователь но с прибором до разветвления включается добавочное сопротивление такой величины, чтобы общее сопротивле ние всего прибора осталось без изменения.
Изложенными общими способами и ограничиваются по существу все принципиально важные характерные черты современных компенсаторов постоянного тока.
1В заключение упомянем еще об одном приеме изме рения разностей потенциалов, который дает очень хоро ший результат при сравнениях близких по величине зна чений. Этот прием часто применяется -при измерениях
э.д. с. нормальных элементов и при поверке измеритель ных трансформаторов. Идея его заключается в том, что сравниваемые известное и неизвестное напряжения или
э.д. с. включаются во вспомогательной цепи навстречу друг другу. -Получающаяся в результате этого разность их значений измеряется компенсационным методом. Оче-
видно, что поскольку эта разность по отношению ко всей измеряемой (величине мала, то и -погрешность в ее опре делении, будучи отнесена к полному значению, особого влияния иметь не будет. :В основном точность получае мого результата будет определяться точностью той образ цовой меры, -с помощью которой образуется измеряемая разность. Этот прием принято называть дифференциаль ным методом измерения разностей потенциалов.
7-2. ПРАКТИЧЕСКИЕ ЦЕПИ КОМПЕНСАТОРОВ ПОСТОЯННОГО ТОКА
Как уже указывалось, практически применяются ком пенсаторы исключительно заводского изготовления, представляющие собой смонтированную полностью схе му без указателя и источника питания. Монтаж произво дится чаще всего пв одном, иногда в двух отдельных ящи ках (блоках). Вспомогательные балластные сопротивле ния для регулирования рабочего тока обычно не преду сматриваются, но в некоторых моделях они также смон тированы вместе с основной цепью. Таким образом, в целом современный компенсатор представляет собой довольно сложную измерительную установку, требую щую большой тщательности в изготовлении.
Прежде чем переходить к разбору практических це пей компенсаторов, посмотрим, какими общими призна ками можно их оценивать.
Исходя из принципа, положенного в основу цепи, мы можем говорить о компенсаторах с последовательной (использующих двойные декады) или параллельной (ис пользующих шунтирующие декады) схемой, о компенса торах, построенных по принципу суперпозиции декадных токов, и т. п. Однако такое деление будет носить услов ный характер, поскольку (как уже указывалось) в со временных компенсаторах чаще всего имеет место ис пользование некоторой комбинации известных принципов построения компенсаторов. Более реальным с практиче ской точки зрения, хотя, -конечно, совсем не носящим принципиальный характер, будет деление компенсаторов на две группы в зависимости от величины полного со противления их: большого (порядка десятков тысяч ом) и малого (порядка сотен ом). Так как верхний предел измерений у всех компенсаторов более или менее оди наков (1—<2 в), то естественно, что такая разница в со-
270
противлении вызовет также и соответствующую разницу в рабочем токе. Из этого следует основное достоинство приборов первого типа: поддержание постоянства рабо чего тока для них благодаря его очень малому значению (обычно 0,1 ма) несравненно 'проще, чем для прибо ров малого сопротивления, у которых ток не менее чем в ДО, а то и в 100 или 1 000 раз больше.
С другой стороны, приборы второй группы обладают по сравнению с первой значительно большей чувстви тельностью. .Поэтому в тех случаях, когда необходимо измерять очень малые значения э. д. с. и, -следователь но, чувствительность имеет решающее значение, следует применять компенсаторы малого сопротивления. Если же измеряемая «величина порядка 1 в (весьма распростра ненный случай — поверка нормальных элементов), то прибор большого сопротивления будет более подходя щим. Заметим, что если в этих условиях будет использо ван компенсатор малого сопротивления, то благодаря его высокой чувствительности при сравнительно неболь ших отклонениях от равновесия в указательной цепи мо жет возникнуть заметный ток, опасный и для гальвано метра и для объекта испытания (особенно, если это нор мальный элемент). Хотя само .по себе это явление не вы зывает опасений, но может .повлечь за собой некоторые экспериментальные осложнения. Поэтому последова тельно с гальванометром включается защитное сопро тивление, отключаемое при подходе к равновесию, и от экспериментатора требуются сугубая осторожность и тщательность при проведении измерений. (В случае же компенсатора большого сопротивления возможность по вреждения элементов цепи менее -вероятна, так-как зна чение така в индикаторе ограничивается большим ком пенсационным сопротивлением. Однако защитное сопро тивление, должно быть установлено и в этом случае.
■С точки зрения техники эксперимента компенсаторы бывают как с ручным управлением (уравновешенные и неуравновешенные), так и с автоматическим, а также полуавтоматическим уравновешиванием. Наиболее со вершённый и широко распространенный в лабораторной практике тип компенсатора— уравновешенный компен сатор с ручным управлением. Что касается неуравнове шенных компенсаторов, то, хотя такие модели и выпу скались, ню так как они по своим метрологическим свой
ствам обычно значительно уступают уравновешенным, они и не получили сколько-нибудь широкого распростра нения. Заметим, что эти «приборы правильнее называть полууравновешенными, так как они основаны на том, что большая часть измеряемого напряжения все же гру бо уравновешивается нормальным образом, и только последний знак отсчитывается по показаниям гальвано метра. Благодаря некоторым «специальным изменениям в схеме сопротивление указательного контура всегда ос тается .постоянным, и, следовательно, отклонение гальва нометра пропорционально нескомненсированной «разно сти потенциалов. Таким образом, эти приборы все же требуют участия человека для их регулировки, которая производится только несколько грубее, чем обычно.
В полуавтоматических компенсаторах большая часть измеряемого напряжения уравновешивается '(«компенси руется) вручную, а м«алая доля — автоматически. Следо вательно, они представляют собой компенсаторы с пол ным уравновешиванием, в которых, однако, процесс уравновешивания (измерения) производится значитель но проще и скорее.
Автоматические .компенсаторы работают в режиме полного уравновешивания, производимого без участия исполнителя, и их рассмотрение выходит за пределы на стоящей книги.
Рассмотрим теперь несколько примеров практических цепей при
меняющихся в настоящее время компенсаторов |
постоянного |
тока. |
||||
На рис. 7-11 |
приведена |
принципиальная |
схема компенсатора |
|||
ПВ-7. Компенсатор этот имеет шесть ступеней регулирования |
(дека |
|||||
ды 1—VI) и позволяет производить отсчет до |
шестого знака |
после |
||||
нуля (т. е. до '1 м к в). Предел |
измерения самого прибора (без |
дели |
||||
теля напряжения) |
1,9 в. Компенсатор относится к |
категории |
прибо |
|||
ров с большим сопротивлением (10 000 ом на |
1 |
в |
измеряемого на |
|||
пряжения). Рабочий ток прибора 0,1 ма\ питание предусмотрено от внешней батареи напряжением в ‘2±0,1 в. Для регулирования рабо чего тока в компенсатор встроены реостаты, последовательно соеди ненные с компенсационным сопротивлением. Гальванометр может попе ременно включаться в цепь нормального элемента и в цепь измеряе
мого напряжения |
при помощи двухполюсного переключателя Е 1|.а— |
|
Е х. Компенсатор |
снабжен тремя |
арретнрующими кнопками, имею |
щими обозначения 105 ом, 0 и |
КЗ (короткое замыкание зажимов |
|
гальванометра). |
|
|
По своему принципу цепь компенсатора основана на использо |
||
вании двух одинарных декад (I |
и II), включенных постоянно в цепь |
|
рабочего тока, и четырех двойных декад по обычной схеме включе ния. Измеряемое напряжение присоединяется к компенсационному сопротивлению через щетки I и П декад,
4+
Установка рабочего тока производится путем включения нор
мального элемента на установочное |
сопротивление |
180— |
10 190 о,и), позволяющее применять |
элементы, имеющие э. д. |
с. от |
1,0180 до 1,0190 в. В качестве основной части установочного сопро тивления используются первые десять катушек I декады. Для воз можности учета температурных и других изменений э. д. с. нормаль ных элементов с точностью до 0,001% в приборе предусмотрены две декады Х‘1 ом и Х0,1 ом , называемые температурными, входя щие одна в сопротивление первой катушки, другая — в сопротивле ние одиннадцатой катушки I декады. Нормальный элемент присоеди няется к концам установочного сопротивления через щетки темпера турных декад.
Нетрудно видеть, что при включении в цепь нормального элемен та гальванометр должен стать на нуль при любом положении рыча гов основных декад, если только рабочий ток установлен правильно. Подобное устройство, применяющееся в той или иной форме практи чески у всех современных компенсаторов, позволяет чрезвычайно просто в любой момент проверить правильность значения рабочего тока без помехи для основных измерений, т. е. без передвижения основных рычагов.
На рис. 7-12 изображена схема встречающегося еще в лабора торной практике компенсатора большого сопротивления типа ППТВ, построенного с использованием принципа шунтирующих декад. Ком пенсатор имеет пять ступеней регулирования и позволяет произво дить отсчет до пятого знака после нуля (т. е. до 10 м к в ). Четыре ступени регулировки компенсирующего напряжения получаются пу тем двукратного использования шунтирующих декад: 1—II и III—IV. Последний, пятый, знак отсчета получается при помощи двойной декады (V) по обычной схеме включения. Предел измерения ком пенсатора (без делителя) 2,1 в. Компенсационное сопротивление до 21 000 ом. Рабочий ток 0,1 ма. Установочное сопротивление в этом компенсаторе (сопротивление 10180 ом и температурная декада 9X1 ом) выполнено независимо от компенсационного сопротивления.
К приборам большого сопротивления (или к так называемым компенсаторам высокого сопротивления) относятся также и упоми навшиеся нами ранее компенсаторы типов ПВ-2, ППТВ-1, ПВ-6 и Р375. Все эти приборы не могут быть применены в том случае, когда наряду с требованием большой чувствительности необходимо умень шение влияния паразитных термо-э. д. с. и вариации контактных со противлений щеток. В последнем случае, имеющем место при изме рении малых значений э. д. с. или напряжений .(например, при из мерении э. д. с. термопар или при поверке милливольтметров), при меняются, как правило, компенсаторы малого сопротивления.
Все новейшие типы компенсаторов малого сопротивления по строены таким образом, что в указательной цепи отсутствуют по движные контакты, которые могли бы внести неопределенность в ре зультат измерения.
Принципиальная схема лабораторного компенсатора малого со противления типа КЛ-48, выпускаемого львовск-им заводом «Теплоконтроль», приведена на рис. 7-13. Компенсатор, построенный по мостовой схеме, имеет пять ступеней регулирования компенсирую щего напряжения. Он отличается от изображенного на рис. 7т9 мо
стового трехдекадного компенсатора тем, что |
помимо двойных |
декад по обратным схемам включения, здесь |
применены также |
Рис. 7-12.