12. Компенсаторы постоянного тока

Компенсаторы – приборы сравнения, в основу работы которых положен принцип компенсации эдс или напряжения.

Здесь: Е_х – измеряемая эдс с внутренним сопротивлением R_x; E_k – компенсирующая эдс с внутренним сопротивлением R_k; РА – нуль-индикатор (гальванометр высокой чувствительности или электронный прибор).

Если Е_х=Е_к, то ток в данной электрической цепи протекать не будет (I=0).

Сущность измерения заключается в том, что изменяя Е_к добиваются нулевого показания нуль-индикатора РА и по величине Е_к судят о величине Е_х.

В качестве регулируемой компенсации эдс обычно используется падение напряжения на точно известном регулируемом сопротивлении при протекании по нему точно известного тока.

Процесс измерения эдс компенсатором состоит из двух этапов: 1) установления рабочего тока; 2) компенсации измеряемой эдс или напряжения.

На первом этапе переключатель SA ставят в положение 1 и, изменяя сопротивление R, добиваются, чтобы ток I равнялся нулю, т.е. чтобы нуль-индикатор РА установился в нулевое положение. При этом будет выполняться равенство (по II-му закону Кирхгофа): Е_н=I_pR₀, откуда I_p=E_H/R₀.

Затем переключатель SA ставят в положение 2 и, перемещая движок R_k, добиваются отсутствия тока I (нулевого показания прибора РА). Т.к. ток I равен нулю, то через R_k будет протекать тот же рабочий ток I_p, что был установлен на первом этапе. При этом I_p=E_x. E_x=E_H.

Точность измерения Е_х определяется точностью эдс нормального элемента Е_н и точностью резисторов R_K и R₀, которые могут выполняться с малыми погрешностями.

Отличительной особенностью измерения компенсатором является то, что в режиме полной компенсации ток через нуль-индикатор не протекает, а значит, прибор в момент измерения не потребляет мощность из измеряемой цепи, т.е. входное сопротивление компенсатора (со стороны измеряемой величины – эдс или напряжения) равно бесконечности.

Диапазон измерения компенсаторов постоянного тока не превышает 2 В, для измерения больших напряжений применяют делители напряжения.

Благодаря высокой точности компенсаторы также используются при косвенных измерениях постоянных токов, а также сопротивлений.

12. Электронные аналоговые приборы

Электронные вольтметры

В электронных вольтметрах измеряемое напряжение преобразуется с помощью аналоговых устройств в постоянный ток, который подаётся на магнитоэлектрический ИМ со шкалой, градуированной в единицах напряжения. Электронные вольтметры обладают высокой чувствительностью и широким диапазоном измеряемых напряжений, большим входным сопротивлением (более 1 Мом), могут работать в широком частотном диапазоне. Наиболее часто в электронных вольтметрах применяют схемы с прямым преобразованием сигналов.

По своему назначению и принципу действия наиболее распространённые вольтметры могут быть подразделены на вольтметры постоянного тока и вольтметры переменного тока.

Вольтметры постоянного тока. Д – входной делитель напряжения; УПТ – усилитель постоянного тока; ИМ – магнитоэлектрический ИМ.

Последовательное соединение делителя напряжения и усилителя является характерной особенностью постоения всех электронных вольтметров. Такая структура позволяет делать вольтметры высокочувствительными и многопредельными за счёт изменения в широких пределах их общего коэффициента преобразования.

Для уменьшения влияния нестабильности УПТ в вольтметрах предусмативают возможность регулировки перед измерением «нуля» и коэффициента преобразования усилителя.

Вольтметры переменного тока. Такие вольтметры состоят из преобразователя переменного напряжения в постоянное, усилителя и магнитоэлектрического ИМ. Возможны две обобщённые структурные схемы вольтметров переменного тока, различающиеся своими характеристиками.

В вольтметрах по 1 схеме измеряемое напряжение u_x сначала преобразуется в постоянное напряжение, которое затем подаётся на УПТ и ИМ, являющиеся, по существу, вольтметром постоянного тока. Преобразователь Пр представляет собой малоинерционное нелинейное звено, поэтому вольтметры с такой структурой могут работать в широком частотном диапазоне. Недостатки УПТ и особенности работы нелинейных элементов при малых напряжениях не позволяют делать такие вольтметры высокочувствительными.

В вольтметрах, выполненных по 2 схеме, благодаря предварительному усилию удаётся повысить чувствительность. Однако создание усилителей переменного тока с большим коэффициентом усиления, работающих в широком диапазоне часот, - недостаточно трудная техническая задача. Поэтому такие вольтметры имеют относительно низки частотный диапазон.

В зависимости от вида преобразователя переменного напряжения в постоянное, отклонения указателя ИМ вольтметров могут быть пропорциональны амплитудному (пиковому), среднему (средневыпрямленному) или действующему значениям измеряемого напряжения. В связи с этим вольтметры называют соответственно вольтметрами амплитудного, среднего или действующего значения.

Электронные омметры

Электронные омметры имеют широкий диапазон измеряемых сопротивлений (10^-4 …10¹⁷ Ом). Однако точность измерений, как правило, не очень высока.

В основе работы электронных омметров лежит преобразование измеряемого сопротивления в функционально связанное с ним напряжение постоянного тока, которое затем подаётся на магнитоэлектрический ИМ; при этом шкала ИМ градуируется в единицах сопротивления.

ИСН – источник стабильного напряжения U₀; УПТ – усилитель постоянного тока; R₀ – образцовый резистор (мера сопротивления); R_x – измеряемое сопротивление; Р – магнитоэлектрический ИМ.

Учитывая, что входное сопротивление усилителя постоянного тока очень велико, можно считать, что I_вх≈0. Тогда I=; и соответственно U_x=.