книги / Специальные методы электрических измерений

ничивающего тока позволяет определить и полные удельные потери в исследуемом образце.

В заключение .укажем, что компенсаторы переменно­ ге тока с успехом могут быть применены и для повер­ ки электроизмерительных приборов. Так, например, на рис. 8-9 приведена

прямоугольно - координат­ ного компенсатора (на­ пример, типа Р-56). В основу ее положен ме­

приложенного к параллельной цепи фазометра, геомет­ рической сум'мой двух падений напряжения, одно из ко­ торых ({Ус) совпадает по фазе с током, проходящим по последовательной цепи фазометра, а другое ((Ук) нахо­ дится с ним в квадратуре (на рте. 8-9 синфазное и квадратурное оточенные устройства представлены для простоты в виде реохордов). Очевидно, что в момент

компенсации значение угла сдвига ф хможет быть опреде-

ц

лено из выражения ф=агс1д-^-. При соответствующем

выборе элементов цепи поверка может быть произведе­ на с достаточной точностью.

ГЛАВА ДЕВЯТАЯ

ЗАЩИТА ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК

9-1. ОСНОВНЫЕ ИСТОЧНИКИ ПОГРЕШНОСТЕЙ

Результат измерений, полученный с помощью тон или иной из­ мерительной .установки, всегда будет в некоторой степени несовер­ шенен. Одной из причин возникновения погрешностей являются элек­ тромагнитные помехи, а также паразитные термоэлектрические и контактные э. д. с. Все эти помехи могут обусловить возникновение в схеме всевозможных паразитных токов или напряжений (помимо рабочих токов или напряжений, обусловленных рабочими источни­ ками тока или напряжения и сознательно вводимыми пассивными элементами схемы), которые могут привести к перераспределению рабочих токов или напряжений в схеме, т. е. в конечном итоге

ложному представлению о состоянии измерительной установки. Характер и природа помех в сильной степени зависят от рода

тока, на котором работает измерительная установка.

В электроизмерительных схемах постоянного тока помехи прояв­

Паразитные термо-э. д. с. могут появляться прежде всего благо­ даря нагреванию рабочими токами спаев и контактов из различных материалов, находящихся в электрической цепи схемы, а также при тепловом воздействии на эти спаи посторонних источников тепла (например, при расположении приборов вблизи радиатора отопи­ тельной системы, нагревании всего прибора или его части прямыми лучами солнца и т. п.). Контактные э. д. с. появляются от трения контактов из разных металлов в переключателях, выключателях, ключах, а также при перемещении движков по струнам реохордов. Особенно неблагоприятно появление э. д. с. при трении движков о струны, если они изготовлены из разных материалов, пара кото­ рых дает большие термо-э. д. с. (например, если движок изготовлен из меди, а струна — из констаитана).

При ручном уравновешивании появление э. д. с. при трении кон­ тактов из разных материалов вообще не представляет особой опас­ ности, так как после прекращения трения движка эти э. д. с. быстро спадают до нуля (хотя безусловно они затрудняют процесс оконча­ тельного уравновешивания, значительно удлиняя его и нервируя экс­ периментатора). При уравновешивании же автоматическим устройст­ вом паразитные э. д. с. могут вызвать качания системы, замедляю­ щие процесс уравновешивания, а в случае больших и быстрых изме­ нений измеряемой величины вообще не позволяют добиться удовле­ творительной работы измерительной установки.

Одной из причин возникновения паразитных э. д. с. может явиться нагревание рукоятки и контактов переключателя или кноп­ ки рукой экспериментатора. Это наблюдается при работе в помеще­ нии или на открытом воздухе при низкой окружающей температуре.

Проводимости утечки обусловливаются несовершенством изоля­

с применением высокочувствительных гальванометров. Несовершен­ ство изоляции отдельных участков схемы высокого сопротивления и наличие значительной разности потенциалов между ними вызывают появление токов утечки, искажающих распределение основных токов в схеме. Например, проводимость изоляции может шунтировать из­ меряемое сопротивление, а также приводить к утечкам с зажимов гальванометра, что при нулевых методах измерения особенно опасно.

Переходя к рассмотрению помех в электроизмерительных уста­ новках переменного тока, следует указать, что специфичным для этих установок являются электромагнитные помехи. Другие виды помех в силу ряда причин -и прежде всего специфических свойств переменного тока, а также из-за относительно меньшей точности из­ мерений для этих схем имеют практически весьма малое значение, хотя принципиально могут иметь место и в этом случае.

Основным -источником электромагнитных помех в измерительных установках переменного тока являются электрические и магнитные поля между различными частями схемы и между схемой и окру-

жающнми предметами. Помимо этого, измерительная установка мо­ жет оказаться под воздействием внешнего электромагнитного поля. Следствием влияния электромагнитных помех могут быть искажение и плохая воспроизводимость результатов измерения, зависимость последних от положения экспериментатора относительно схемы и схемы относительно окружающих предметов и т. п.

Электрические и магнитные поля между различными частями схемы и между схемой и окружающими предметами воздействуют в схеме >в общем случае через множество паразитных связей, т. е. паразитных активных и реактивных проводимостей, обусловленных несовершенством изоляции, емкостями н индуктивностями частей схе­ мы друг относительно друга и относительно земли или окружаю­ щих предметов (например, тело оператора)1. Поэтому рассмотрение влияния электромагнитных помех в измерительных установках пере­ менного тока сводится практически к рассмотрению влияния двух факторов — паразитных связей п внешнего электромагнитного гюлч.

Паразитные связи могут быть разделены на электрические и маг­ нитные и по своему характеру разбиты на две группы:

1) связи элементов схемы друг с другом (внутренние связи);

2) связи с окружающими предметами, землей и посторонними токонесущими цепями (внешние связи).

Паразитные электрические связи измерительной схемы перемен­ ного тока как. внутренние, так и внешние состоят в общем случае из распределенных активных и реактивных проводимостей. Однако благодаря использованию в конструкциях измерительных установок переменного тока высококачественных изоляционных материалов, причем в минимальном количестве, обеспечивающем механическую прочность конструкций, паразитные активные проводимости по ве­ личине обычно пренебрежимо малы но сравнению с паразитными реактивными, главным образом емкостными, проводимостями. Иными словами, паразитные электрические связи установок переменного тока могут рассматриваться большей частью как емкостные. Значе­ ния емкостных проводимостей связей являются функцией геомет­ рических 'размеров и пространственного расположения частей схемы.

Влияние емкостных связей может проявляться прежде всего в их шунтирующем действии на элементы схемы, вызывающем непосред­ ственное изменение условия равновесия вследствие изменения пол­ ных сопротивлений элементов установки н их фазовых углов и, сле­ довательно, перераспределения токов и напряжений в схеме. Изме­ нение полных сопротивлений и фазовых углов вследствие шунтирую­ щего действия емкостей, как правило, мало заметно при низких ча­ стотах II сравнительно небольших сопротивлениях схемы. Однако и здесь в случае применения, например, схем для измерения малых реактивностей и углов потерь или больших полных сопротивлении емкостные связи могут внести значительные погрешности.

Если схема имеет емкостные связи с землей (окружающими предметами), то потенциалы точек схемы относительно земли опре­ деляются суммарным действием-этих емкостей. Значения последних

щие схему мредметы, имеющие потенциал земли.

вследствие изменения положения экспериментатора относительно схе­ мы или изменения положения схемы в пространстве) приводит к из­ менению потенциалов всех точек схемы, что может существенно по­ влиять на работу последней. При этом возможно появление погреш­ ности от наличия указанных связей как за счет шунтирующего дей­ ствия проводимостей связей на элементы схемы, так и за счет влия­ ния токов утечки на указатель равновесия (изменения токов в вет­ ви указателя).

Влияние емкостных связей цепи указателя равновесия с землей является особенно опасным. Благодаря большой чувствительности указателя наличие даже небольших емкостей и при низкой частоте может привести к значительным погрешностям (вследствие появле­ ния паразитных токов в цепи указателя, соразмерных по величине с током неравновесия измерительной схемы). Существенное влияние здесь могут оказать емкости соединительных проводов, через посред­ ство которых указатель присоединяется к схеме.

Возможным результатом действия внешних емкостных связей является появление посторонних напряжений в измерительной схеме, что имеет место при наличии емкостных связей схемы с объектами, находящимися под напряжением (например, с другими контурами и цепями). При этом частота наведенного напряжения может отли­ чаться от рабочей частоты схемы или может равняться этой частоте. Появление в измерительной схеме переменного тока постороннего напряжения с частотой, отличной от рабочей частоты схемы, может создать неверное представление о равновесии за счет повышения уровня помех в часготонейзби;рательном указателе равновесия типа осциллографа I(«размытый нуль») или привести к ложному равно­ весию для указателей типа неизбирательного усилителя со стрелоч­ ным прибором; для частотоизбирательных указателей влияние этих помех мало. Более неблагоприятной является связь на рабочей час­ тоте схемы, имеющая место, например, при питании измерительной

разделительные трансформаторы. Наличие емкостных связей между обмотками трансформаторов в этом случае может привести к по­ грешностям из-за наложения на рабочие токи цепей токов утечки между контурами (проходящие из одного контура в другой) и про­ хождения этих токов через указатель равновесия.

Как видно из рис. 9-1, где в качестве примера схематически изображено влияние межобмоточных емкостей разделительных транс­ форматоров в прямоугольно-координатном компенсаторе, межкон­ турный ток утечки /у может привести к ложному равновесию изме­ рительной цепи.

Влияние паразитных магнитных связей в измерительных уста­ новках переменного тока сводится к наведению магнитным полем паразитных э. д. с. в измерительных цепях и проявляется наиболее заметно в тех случаях, когда схема содержит элементы с значи­ тельным магнитным полем рассеяния (катушки индуктивности и взаимной индуктивности, трансформаторы), или при значительных постоянных времени (Ь/Я ) измерительной цепи.

Внутренние магнитные связи обусловливаются наличием взаим­ ной индуктивности между элементами схемы. Поэтому и? влияние

бого типа, если последняя содержит значительные по величине кон­ туры, образованные ее элементами и соединительными проводни­ ками. Особенную опасность представляет собой случай использова­ ния в измерительной схеме образцовых катушек индуктивности и взаимонндуктивности неастатнческого типа, которые весьма чувст­ вительны к влиянию внешних магнитных полей.

Что же касается влияния внешнего электромагнитного поля, то оно особенно существенно при работе измерительной установки пере­ менного тока на высокой частоте и проявляется главным образом в наведении напряжении помех в измерительной схеме и указателе, а также может проявляться в некотором изменении активных и ре­ активных составляющих сопротивлений элементов схемы.

9-2. ЗАЩИТА УСТАНОВОК ПОСТОЯННОГО ТОКА

Очевидно, что наилучшнм методом борьбы с помехами является уничтожение самой причины, их вызывающей. В применении к за­ щите установок постоянного тока от влияния термо-э. д. с. сказан­ ное нашло, в частности, свое выражение в том, что в качестве мате­ риала для сопротивлений применяется главным образом манганин, дающий в контакте с медью очень малую термо-э. д. с. И тем ие менее в ответственных случаях элементы схемы, которые могут на­ греваться под действием проходящего по ним тока или от внешних источников тепла, надлежит специально охлаждать, помещая в ван­ ны с маслом.

Для уменьшения погрешностей от паразитных э. д. с. необходи­ мо при проектировании и изготовлении деталей установки также следить за тем, чтобы трущиеся контакты переключателей были из материалов, ие дающих в паре больших термо-э. д. с. Рукоятки переключателен и ключей в переносных приборах, предназначенных

для производственных измерений, должны быть выполнены таким образом, чтобы исключить возможность нагревания контактов рукой.

Одним из способов уменьшения влияния паразитных э. д. с. в точных приборах для измерения малых значений э. д. с. (когда эго влияние особенно вредно и нежелательно) является применение схем, в которых контакты переключателей введены в цепь источника тока. Так как э. д. с. источника тока значительно превышает э. д. с., воз­ никающие при трении контактов, то появление паразитных э. д. с. лишь незначительно изменяет величину рабочего тока. Примером может явиться рассмотренная в § 7-3 схема компенсатора мостового типа.

Очевидно, что исключение влияния паразитных э, д. с. может быть также достигнуто применением одного из специальных приемов измерения, рассмотренных в § 1-3, а именно: метода компенсации погрешности по знаку или метода замещения.

Перейдем теперь к рассмотрению защиты установок постоями го тока от влияния проводимостей утечки.

Одним из возможных методов защиты является тщательная изоляция схемы. В частности, в большинстве случаев обычных изме­ рений с гальванометрами нормальной чувствительности бывает до­ статочным применить хорошую высококачественную изоляцию от­ дельных токоведущнх частей схемы н главным образом тщательно изолировать цепь гальванометра от цепи источника питания.

Во всех иных случаях, когда даже тщательная изоляция и при­ менение высококачественных изолирующих материалов помогают мало, единственным радикальным средством защиты является при­ менение специальных потенциальных экранов в виде особым образом расположенных проводников и изолирующих подставок (прокладок). Смысл такого мероприятия сводится к тому, что между отдельными участками цепи, утечки с которых наиболее опасны, и землей уста­ навливается соединенный электрически со схемой проводник (в виде металлической прокладки, листа, кольца и т. п.), уменьшающий раз­ ность потенциалов и изменяющий направление путей токов утечки.

Следует иметь в виду, что при использовании в схеме указанных защитных проводников последние соединяются между собой и одним из проводов схемы таким образом, чтобы ни одна «из возможных проводимостей утечки не шунтировала самого большого сопротивле­ ния измерительной схемы.

Простейшим примером, поясняющим идею метода, является слу­ чай измерения больших сопротивлений с помощью гальванометра и вольтметра. Путями возможных утечек являются сопротивления изо­ ляции Я и Я'. Очевидно, что через эти сопротивления будет прохо­ дить некоторый ток / ь который в отдельных случаях может быть соизмеримым с током в объекте /*. Если изолятор Я разделить на две части металлическим экраном, электрически соединенным с по­ люсом батареи при помощи проводника (рис. 9-2, пунктир), то одна нз половин изолятора (сопротивление /?2) окажется под напряже­ нием, равным только падению напряжения на гальванометре. Следо­ вательно, ток утечки практически не будет проходить через /?2 ввиду ничтожно малой разности потенцилов. Через вторую половину изо­ лятора (сопротивление Я \) ток по-прежнему будет проходить, одна­ ко з гальванометр он не попадет н, следовательно, влияние на ре­ зультат измерения не окажет. Конструктивное выполнение подобной двойной изоляции может быть различным. Например, можно выпол­

лить конструкцию подставки в виде -столика с ножками на двойных изоляторах (из эбонита или другого материала), разделенных метал­ лическими прокладками; последние соединены электрически между собой и одним из зажимов гальванометра.

Наилучший результат в отношении защиты схемы рис. 9-2 от то­ ков утечки дает установка всех элементов схемы на подобных изо­ лирующих подставках, разделительные экранные проводники кото­ рых соединены между собой и с общим зажимом гальванометра л батареи.

Подобным образом защита может быть осуществлена и в случае любых других схем, в том числе мостовых н компенсационных. На­ пример, при измерениях больших сопротивлений одинарным мостом,

в котором сопротивления остальных плеч относительно малы, наибо­ лее опасно влияние сопротивлений утечки с зажима гальванометра с, связанного электрически с одним из зажимов измеряемого сопротив­ ления, и зажима а . В этом случае может быть рекомендована защи­ та гальванометра по схеме рис. 9-3, в которой утечка с зажима с на землю исключается благодаря введению экрана, соединяющего точ­ ку а схемы и среднюю точку двойного изолятора.

Аналогичный эффект может быть достигнут при применении схе­ мы рис. 9-4, где экрану Э гальванометра сообщается с помощью вспомогательного делителя Л потенциал, близкий к потенциалу диа­ гонали гальванометра, и тем самым предотвращается возможность появления токов утечки с зажимов гальванометра.

(рис. 9-5), повторяющей распределение потенциала в основной схе­ ме. В данном случае каждый элемент основного моста изолируется не по отношению к земле, а по отношению к соответствующей точке защитной схемы, имеющей приблизительно тот же самый потенциал. Благодаря этому на пути возможных утечек (верхние половины двойных изоляторов) будут иметь место лишь незначительные раз­ ности потенциалов, которые не вызовут заметных токов утечки, даже при несовершенной изоляции. Такая сложная защита позво­ ляет практически вообще исключить влияние токов утечки. Однако нужда в ней возникает только при точном измерении весьма высо­ ких сопротивлений— порядка 10е ом и выше. Что же касается более

Простых способов— защита одной указательной диагонали по схе­ мам рис. 9-3 или 9-4 (выбор одной из них может быть произведен окончательно лишь в каждом конкретном случае), то их следует ре­ комендовать и в случае точных измерений сопротивлений, меньших по своей величине.

В случае измерения большого напряжения с помощью компен­ сатора при возникновении утечек в точках А и В (рис. 9-6) измере­

ние будет произведено неверно из-за дополнительного, •обусловлен­ ного утечкой тока в цепи гальванометра. Для устранения этой по­ грешности следует устанавливать элементы схемы иа двойных изо­ ляторах, разделительные прокладки которых присоединяются общим проводом к зажиму гальванометра, подключаемому к делителю на­ пряжения. При таком соединении токи утечки в гальванометр уже не попадут и пройдут через нижнюю часть двойного изолятора |/?2,

минуя гальванометр. Это мероприятие позволяет эффективно бороть­ ся с влиянием токов утечки и является наиболее радикальным сред­ ством защиты гальванометра в рассматриваемой схеме.

При измерениях с помощью компенсатора, как и в случае мос­ товой схемы, сообщение разделительной прокладке потенциала, близкого потенциалу ветви указателя, может быть произведено так­ же и с помощью вспомогательного делителя.