книги / Специальные методы электрических измерений

Очевидно, что при полном (равновесии схемы включе­ ние или .отключение одного из гальванометров 'никак не отразится на показаниях другого. Поэтому один из них может 'быть заменен замыкающей цепь накоротко пере­ мычкой с ключом. Регулирование схемы в этом случае должно производиться так, чтобы гальванометр оставал­ ся установленным на нуль при разомкнутом и замкну­ том ключе.

Для «полноты представления о диапазоне примени­ мости 'компенсационного метода постоянного тока рас­ смотрим еще вопрос о поверке ваттметра. Поскольку по­ следняя сводится к измерению тока и напряжения в со­ ответствующих обмотках: ваттметра, то возможность этой поверки с помощью компенсационного метода впол­ не очевидна.

Поверка ваттметра обычно ведется при номинальном напряжении и различных значениях тока, соответствую­ щих оцифрованным отметкам 'шкалы прибора. При по­ верке цепи тока и напряжения разделены и имеют раз­ личные источники питания. Контроль напряжения и из­ мерение тока (при положении указателя на оцифрован­ ной отметке шкалы) могут осуществляться или с по­ мощью двух различных компенсаторов (тогда контроль напряжения осуществляется .непрерывно), или с по­ мощью одного компенсатора путем .поочередного пере­ ключения его в ту или другую цепь. Обычно номиналь­ ное напряжение ваттметра превосходит предел измере­ ния компенсатора, и поэтому, как правило, приходится использовать соответствующий делитель напряжения. Поверку производят в следующем порядке: е помощью компенсатора устанавливают номинальное для данного предела измерения напряжение, приложенное -к парал­ лельной цепи ваттметра (в процессе поверки оно должно непрерывно или периодически поверяться в зависимости от числа используемых компенсаторов). Затем регулиро­ ванием тока во второй цепи указатель ваттметра после­ довательно устанавливают на все оцифрованное отмет­ ки шкалы, измеряя соответствующие значения тока. Зна­ чение мощности подсчитывается как произведение поми­ нального напряжения и тока, 'полученного в результате измерения. Сравнивая вычисленное значение с пока­ занием ваттметра, легко определить основную приведен­ ную погрешность.

Г Л А В А В О С Ь М А Я

КОМПЕНСАЦИОННЫЙ МЕТОД

ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

8-1. ОСОБЕННОСТИ КОМПЕНСАЦИОННОГО МЕТОДА ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Компенсационный метод (подобно мостово-му с успе­

равновесия должно быть выражено в комплексной фор­ ме; необходима, следовательно, регулировка компенси­ рующего напряжения не только «по амплитуде, но и по фазе.

Однако .по сравнению «с мостовым методом компенса­

Невыполнение этих требований вызывает появление до­ полнительных погрешностей или даже вообще делает измерение невозможным. Дело в том, что благодаря наличию двух (в общем случае независимых) источников питания 'мы можем встретиться -с несовпадением частот и в особенности — формы кривой. Первое препятствие практически устраняется тем, что обычно питание соб­ ственно компенсационной цепи и той цепи, исследование которой производится, осуществляется от одного источ­ ника с разделением .цепей в случае необходимости при помощи трансформаторов. Естественно, что при этом возможность расхождения частот исключается. Возмож­ но также осуществить требуемое питание обеих цепей и от /разных генераторов тока, но находящихся на одном валу, приводимом во вращение одним двигателем. Необ­ ходимость в строгой идентичности частот компенсирую­ щей и измеряемой э. д. с., вероятно, достаточно очевид­ на; ведь в противном случае вообще невозможна ком­ пенсация (т. е. равенство нулю разности векторов на­ пряжения— измеряемого и компенсирующего).

Значительно сложнее устранить влияние фо-рмы кри­ вой из-за возможности (возникновения © любой момент дополнительных местных искажений, если в цепи ока­ жутся, например, нелинейные параметры (катушки со сталью и пр.). Чтобы иметь возможность «привести цепь к определенному состоянию равновесия и при наличии высших гармоник, в качестве нулевого указателя обыч­

но «применяют вибрационный гальванометр — резонанс­ ный прибор с довольно резко выраженной частотной из­ бирательностью, а также избирательные электронные указатели (на повышенных частотах) К Но очевидно, что и и этом случае мы не устраняем возможную по­ грешность. В самом деле, избирательный указатель на­ страивается на основную частоту (первую гармонику) и не учитывает составляющих высших частот. Поэтому отсутствию отклонений указателя будет соответствовать равенство (компенсация) именно первых гармоник, а не мгновенных значений результирующей кривой.

Для того чтобы представить себе характер влияния формы кривой на результаты измерений компенсатора­ ми переменного тока, определим величину получающейся при этом погрешности.

Действующее значение несинусоидального напряже­ ния измеряемого источника может быть представлено так:

/~ 1 1 \+ р \+ и \+ ...+ { Г п=

При компенсации первые гармоники равны, т. е. 1^ = Подставляя их значения из (8-1) и (8-2), получаем:

и = 11' 1+ ( Й У + ( Й У * - + №(8-3)У

1 + &У*ЮЧ*У

1 Заметим, что при применении других, меизбирателыгых, ука­ зателей в случае искаженных кривых вообще практически не уда­ ется получить полного равновесия, так как при компенсации основ­ ной частоты остаются нескомпёисированиыми гармоники.

Так как обычно все же действующие значения высших гармонических по сравнению с первой невеликими отно­ шения их в квадрате малы по сравнению с единицей, то радикал в выражении (8-3) можно преобразовать, поль­ зуясь известными соотношениями:

Из выражения (8-4) видно, что погрешность будет от­ сутствовать (О— О’) в двух случаях:

1) когда форма кривых напряжеиия~синусоидальна и высшие гармоники отсутствуют, т. е.

I X = 1 ^ = 0;

п=2 /1=2

2) когда форма кривых обоих напряжений в точности одинакова, т. е. все гармоники одинаковы, и, следова­ тельно,

Обычно более близка к синусоиде кривая компенси­ рующего напряжения, т. е. 2^ — 21/^2> 0.

Следовательно, результат измерения V без учета по­ грешности обычно будет несколько преуменьшен по срав­ нению с истинным значением V.

Относительная погрешность измерения в процентах будет:

Г /1=00 / 1 = 0 0 I*

Наиболее вероятным является присутствие третьей гармоники. Определим, какое действующее значение ее можно дап-устить у одной из 'кривых, чтобы погрешность не превысила 0,Г;% (в предположении, что остальные гармоники отсутствуют):

Ц'3= 1/0,02-О,Ш'2=0,045и'.

Таким образом, уже 4,'5% третьей гармоники вызовет погрешность от формы кривой, равную 0,1%’. Аналогич­ но можно получить, что при С/з/=0,14[// погрешность составит уже 1%. Следовательно, погрешностью этого рода .пренебрегать при сколько-нибудь ответственных измерениях нельзя; следует всемерно стремиться к ее устранению, тщательно следя за синусоидальностью формы кривой. Однако во многих случаях измерения избежать искажений практически невозможно. Это об­ стоятельство снижает точность (а следовательно, и цен­ ность) компенсационного метода переменного тока.

Еще более существенным недостатком компенсацион­ ного метода, также сильно увеличивающим .погрешность, является несовершенная 'методика установки рабочего тока. Действительно, огромным преимуществом компен­ саторов .постоянного тока, обусловливающим их очень малую погрешность, является возможность установления рабочего тока непосредственно при помощи нормального элемента — образцовой меры высшего класса. Очевидно, что подобная возможность для компенсаторов перемен­ ного тока исключена. Устройства, аналогичного нормаль­ ному элементу и являющегося образцовой мерой пере­ менной э. д. с., «е -существует. .Поэтому установка рабо­ чего тока в этом случае производится на основании измерения его при .помощи хорошего прибора с непо­ средственным отсчетом. В -разных схемах это осуще­ ствляется различно: иногда путем измерения тока ам­ перметром, в некоторых случаях посредством контроля вольтметром -подводимого к компенсатору напряжения. Но во всяком случае точность установки рабочего тока определяется точностью стрелочного ‘прибора перемен­

ного тока.

Обычно для этой цели применяются наиболее совер­ шенные электродинамические приборы. Однако их погрешность в самых благоприятных случаях все же не может быть ниже 0,2—0,3%'. Если же учесть неизбеж-

ные погрешности от влияния ‘высших гармоник, несовер­ шенства подгонки элементов схемы и т. д., то полная погрешность компенсатора переменного тока едва ли может быть ниже 0,5%. Следовательно, <по своей точно­ сти эти компенсаторы даже уступают наиболее совер­ шенным образцам «приборов с непосредственным отсче­ том. Но при этом не следует забывать, что основное свойство компенсационных методов вообще — отсут­ ствие -в момент отсчета тока в цепи указателя 1— в пол­ ной мере сохраняется и при переменном токе. Таким об­ разом, мы получаем возможность, во-первых, измерения действительно э. д. с., а во-вторых, исследования весьма маломощных цепей и источников, для которых нагрузка даже измерительным прибором является непосильной. Это обстоятельство является сугубо существенным имен­ но при измерениях >в цепях переменного тока, так как приборы, пригодные для этой цели2, потребляют доволь­ но большую энергию (в сотни раз большую, чем магни­ тоэлектрические). Кроме того, приборы переменного тока относительно очень мало чувствительны. Б этом от­ ношении компенсаторы все лее значительно их превос­ ходят.

Еще одним характерным и во многих случаях очень ценным свойством этих приборов является возможиость определения измеряемой разности потенциалов не только .по величине, но и .по фазе. Это свойство компен­ саторов переменного тока позволяет, в частности, пред­ ставить результат измерения нескольких величии в виде векторной диаграммы (т. е. позволяет снимать вектор­ ные диаграммы электрических цепей).

Указанные достоинства и недостатки компенсаторов переменного тока определяют и основную область их применения, т. е. лабораторные исследования маломощ­ ных электрических систем, в особенности в тех случаях, когда требуется определение векторных величин. До­ вольно успешно они применяются при магнитных испы­ таниях и измерениях и в некоторых случаях для изме­ рения неэлектрических величин. В общем же широкого

1 Можно принять, что внутреннее сопротивление компенсатора (в момент отсчета) равно бесконечности.

2 Мы не касаемся в этом случае 'специфической п весьма пер­ спективной области электронных приборов, входное сопротивление,

которых может быть очень большим.

распространения они не получили, хотя принципиально обладают большими возможностями и в некоторых слу­ чаях просто незаменимы 1.

1В заключение -укажем, что основной недостаток ком­ пенсаторов—1необходимость в применении стрелочного прибора для установки рабочего тока — неоднократно привлекал «внимание разных авторов, делавших попыт­ ки найти иное, более «совершенное 'решение этого вопро­ са. Эти попытки шли и идут по трем основным направ­ лениям.

Во-первых, по аналогии с постоянным током пред­ принимались опыты по 1СОзда.нию образцовой меры пере­ менной э. д. с. в виде миниатюрного генератора с воз­ буждением от постоянных магнитов. Во-вторых, пере­ менный рабочий ток определялся сравнением с постоян-; ным по тепловому эффекту, например при помощи диф­ ференциального термоэлемента или иного подходящего устройства (основанного на тепловом эффекте). Посто­ янный ток в свою очередь измерялся нормальным ком­ пенсационным методом. Иногда для этой же цели при­ меняется простой термоэлемент, термо-э. д. с. которого определяется путем компенсации (нулевым методом). Его нагреватель переключается попеременно в цепи пе­ ременного или точно измеряемого постоянного тока, ко­ торый регулируется до получения той же термо-э, д. с., которая была -при прохождении переменного тока. Оче­ видно, что в этом случае действующее значение пере­ менного тока и постоянный ток равны. Возможно также применение и любых других термозависимых элементов, например полупроводниковых термисторов и т. д.

Наконец, для этой же цели в последнее время пы­ таются применять те или иные типы стабилизаторов, в частности мостовые схемы с нелинейными сопротивле­ ниями. Действительно, если два сопротивления, значе­ ния которых зависят от силы проходящего через них тока, включить в два противолежащих плеча моста, то равновесие такой схемы будет зависеть от величины питающего така. 1В качестве подобных нелинейных со­

для -повер.ки измерительных трансформаторов тока к напряжения. Применяемые для этого специализированные измерительные уста­ новки мы рассматривать не будем.

металлические нити типа бареттеров или полупроводни­ ковые элементы. Очевидно, что чем круче характеристи­ ка нелинейных сопротивлений, тем чувствительнее вся схема в целом.

Подобные устройства позволяют несколько улучшить результат. Однако все же вполне удовлетворительного и достаточно простого решения вопроса пока еще не по­ лучено; работы в этом направлении ведутся достаточно широко, и можно в будущем ждать необходимых резуль­ татов, надобность в которых несомненна.

8-2. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ И ПРАКТИЧЕСКИЕ ЦЕПИ КОМПЕНСАТОРОВ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Прежде чем переходить к рассмотрению практически применяемых цепей компенсаторов 1 переменного тока, установим, какие основные типы подобных приборов можно себе представить. Если вспомнить, что компенса­ ции подлежат две векторные величины, то станет очевид­ ным, что для достижения равновесия цепи необходимо иметь (возможность регулировать компенсирующее на­

рующего напряжения. Это будет формально соответство­ вать представлению компенсирущего (или измеряемого) вектора напряжения в полярных координатах. Во-вто­ рых, мы можем вообще не регулировать -отдельно ни модуля, ни фазы, а представить вектор в виде геометри­ ческой суммы сдвинутых на 90° друг относительно дру­ га синфазной и квадратурной составляющих. В этом случае регулировке подлежат порознь эти две состав­ ляющие. Такое решение соответствует представлению вектора в прямоугольных координатах.

На практике применяются оба варианта. Первый — несколько нагляднее и дает сразу требуемый результат, а второй— проще конструктивно, но требует дополни­ тельного вычисления модуля и фазы по двум состав­ ляющим вектора. Компенсаторы первой группы обычно носят название полярно-координатных (или проще—по­

1 Напомним, что компенсаторы переменного тока -(так же как и постоянного) часто пока еще именуются потенциометрамл.

лярных), второй — прямоугольно-координатных (или комплексных).

Полярные компенсаторы можно по существу рассмат­ ривать 'как устройство, состоящее нз двух самостоятель­ ных частей: 'приспособлений для регулировки амплиту­ ды и для регулировки фазы. Первое представляет собой сопротивление, с части которого снимается компенси­ рующее напряжение. Изменение его значения может быть произведено любым известным способом. В сущ­ ности все варианты подобного рода, рассмотренные нами в гл. 7 применительно к приборам постоянного тока, с успехом могут быть применены и в настоящем случае. Однако, так как точность, а также и чувстви­ тельность компенсаторов переменного тока в общем не­ велики, обычно регулировка компенсирующего напряже­ ния в них производится упрощенным способом. Часто для этой цели применяется реохорд со скользящим кон­ тактом, иногда — метод шунтирующих или двойных декад. Все это дает вполне удовлетворительные резуль­ таты, ибо, как правило, регулировка напряжения про­ изводится только до третьего знака.

Что же касается устройства для регулирования сдви­ га фаз, то в свою очередь эти устройства могут быть раз­ биты на две группы: фазорегуляторы индукционного типа (с вращающимся магнитным полем) и параметри­ ческие (иногда 'называемые «схемными») фазорегуля­ торы. Первые представляют собой небольшую индукци­ онную машину, ротор которой заторможен и может только при помощи червячной передачи с отсчетным при­ способлением поворачиваться на некоторый угол (в пре­ делах 360°) относительно статора, но не вращаться. Лег­ ко видеть, что ивдукти ровэнная вращающимся магнит­ ным полем статора э. д. с. в роторе будет менять свою фазу относительно тока (напряжения) статора в зависи­ мости от их взаимного геометрического расположения.

Параметрические («схемные») фазорегуляторы в об­ щем случае представляют собой некоторые четырех­ полюсники, изменение параметров которых изменяет фазу выходного напряжения относительно входного. При этом желательно (но практически .недостижимо), чтобы изменение фазы без дополнительных переключений про­ исходило на 360°, а выходное напряжение менялось только по фазе, а не по величине.