2.9. Измерительные приборы с уравновешиванием электрических величин

Измерительные приборы с уравновешиванием электрических вели­чин – наиболее распространенная группа приборов. Их можно класси­фицировать по различным признакам, наиболее существенными из кото­рых являются следующие: уравновешиваемая физическая величина – напряжение или ток; постоянный или переменный ток (напряжение); принцип действия элементов сравнения; принцип формирования уравновешнващей величины (непрерывный, дискретный); алгоритм формирова­ния сравниваемых величин и другие.

Отличительной особенностью приборов рассматриваемого класса является наличие элемента сравнения, реагирующего на напряжение или ток. В приборах, основанных на нулевом методе измерений, при­меняют магнитоэлектрические гальванометры, вибрационные гальвано­метры, усилители с электродвигателями, ферродинамические гальвано­метры, а в цифровых приборах – компараторы, управляющие счётчиками электрических импульсов или интеграторами. Основной задачей их яв­ляется: обнаружить состояние равновесия в контурах уравновешивания напряжений или в узлах сравнения токов и выдать соответствующий сигнал опе­ратору или в схему управления. В этом случае от них требуется лишь высокая чувствительность, малые аддитивные погрешности (смещение и дрейф нулевого уровня), достаточное для целей измерения бы­стродействие. Поскольку на вход (входы) элемента сравнения посту­пает в момент равновесия величина, равная нулю, то не приходится говорить об относительных и приведенных погрешностях. Класс точности для них не устанавливается. Они могут иметь неградуированную шкалу, что отличает их от измерительных приборов. Такие уст­ройства называют индикаторами.

При дифференциальном методе измерений напряжения или токи в контурах или узлах уравновешиваются частично, а неуравновешенная часть измеряется при помощи электромеханических или каких-либо дру­гих приборов, метрологические характеристики которых должны быть известны.

Среди измерительных приборов с уравновешиванием электрических величин широкое распространение получили компенсаторы постоянного напряжения и тока, компенсаторы переменного напряжения, измерительные мосты постоянного и переменного тока, цифровые приборы для измерения непрерывных величин – напряжений, токов и других, преоб­разуемых в напряжение или ток.

2.10. Компенсаторы постоянного напряжения

Компенсаторы постоянного напряжения содержат контур уравнове­шивания напряжений, состоящий из измеряемого напряжения U_х, или ЭДС Е_х и уравновшивающего (компенсируещего) напряжения U_k включенных встречно. Разность указанных напряжений воздействует на элемент сравнения – индикатор равновесия. Простейшая схема, компен­сатора представлена на рис. 2.9.

Рис. 2.9.

Преобразователь, формирующий компенсирующее напряжение, содер­жит меру ЭДС E_n , меру сопротивления R_n, преобразователь рабоче­го тока Iр в компенсирущее напряжение, вспомогательный источник питания и реостат установки рабочего тока.

Компенсирующее напряжение устанавливают путем изменения сопротивленияR_к в положении контактов ключа – 1. Предва­рительно устанавливают рабочий ток I_p. При положении контактов ключа – 2 образуется контур уравновешивания напряжений где состояние равновесия достигается изменением рабочего токаI_Р, которым зависит от напряжения вспомогательного источника питания U_в и сопротивления R_y. В результате измерения получим уравнение

, (2.72)

из которого видно, что измеряемое напряжение равно произведению постоянного коэффициента – на сопротивлениеR_k. Значения E_n и R_n воспроизводятся постоянными мерами напряжения и сопротивле­ния соответственно, следовательно, могут иметь высокую точность (до 0,001%). Сложнее изготовить высокоточные преобразователи напряжение–ток–напряжение R₁- R₂. Это, как правило, делители напряже­ния, к которым, кроме высокой точности преобразования, предъявля­ется такое требование, как постоянство сопротивления со стороны входных зажимов, обеспечивающее неизменность рабочего тока при из­мерениях. В компенсаторах невысокой точности применяют реостатные делители напряжения, а в компенсаторах высокой точности – декадные. В настоящее время декадные компенсаторы являются наиболее точ­ными из приборов, предназначенных для измерения напряжений. Важным свойством компенсаторов напряжения является отсутствие тока в цепи измеряемого напряжения в момент равновесия, что позволяет измерять ЭДС источников с большим внутренним сопротивлением. Применяя дополнительные ИП, преобразующие измеряемые величины в напряжение или ЭДС, компенсаторами напряжения можно измерять ток, сопро­тивление, температуру, деформацию, скорость полета самолета и многие другие.

Большинство компенсаторов постоянного напряжения не содержит в конструкции нормальный элемент. Имеются лишь зажимы для его подключения при поверках. В этом случае предъявляются высокие тре­бования к стабильности напряжения U_в вспомогательного источника.

Индикаторами равновесия в компенсаторах с ручным уравновешиванием служат магнитоэлектрические гальванометры, которые в ряде случаев для увеличения чувствительности и улучшения динамических характеристик снабжаются усилителями. Быстродействие таких компен­саторов мало, кроме того, с ними утомительно работать. Поэтому они нашли распространение лишь при высокоточных измерениях и при по­верке.

В авиационной технике широко применяются самоуравновешиваю­щиеся компенсаторы. По принципу уравновешивания они могут быть разделены на компенсаторы со следящим уравновешиванием и с цикли­ческим уравновешиванием. У первых при изменении измеряемого напря­жения и_х происходит изменение компенсирующего напряжения, завися­щее от разности  и = и_х – и_к и направленное таким образом, чтобы уменьшить эту разность до нуля. Они выполняются в виде непрерыв­ных следящих систем автоматического управления, в которых индика­тором равновесия служит усилитель, нагруженный на реверсивный двигатель, ротор которого механически соединен с движками резисто­ров R₁ и R₂ (рис.2.9).

В компенсаторах с циклическим уравновешиванием компенсирую­щее напряжение U_к независимо от Е_х изменяется, например, от нуля до U_kmax (или наоборот), и регистрируется то его значение, при котором имело место равновесие, т.е. U_к =U_х. Как правило, в приборах с циклическим уравновешиванием элемент сравнения выполняет­ся в виде электронного усилителя (компаратора), который управляет работой счётчика электрических импульсов. Компенсирующее напряже­ние формируется цифро-аналоговым преобразователем, управляемым счетчиком импульсов. Приборы с циклическим уравновешиванием выпол­няются с цифровым отсчётом показаний. Все элементы его могут быть выполнены на базе современной электроники, что позволяет получить очень высокое быстродействие приборов.