Компенсаторы

Компенсаторами (или потенциометрами) называются приборы для измерения методом сравнения ЭДС, напряжений или величин, функционально с ними связанных. Существуют компенсаторы как постоянного, так и переменного тока.

Компенсаторы постоянного тока обычно выполняются по принципиальной схеме, приведенной на рис. 2.31. Источник постоянного тока GВ1обеспечивает протекание рабочего тока I в цепи, составленной из последовательно соединенных резисторов: измерительного R _и, установочного R _у и регулировочного R _р. Зажимы НЭ (на схеме не показаны) служат для подключения нормального элемента G В2, а зажимы U _x — для исключения измеряемого напряжения. При помощи переключателя S гальванометр РG можно включать либо в цепь нормального элемента (положение НЭ), либо в цепь измеряемого напряжения (положение Х).

В соответствии с идеей метода измеряемое напряжение U _xнеобходимо сравнить с падением напряжения, создаваемым рабочим током I на части R измерительного резистора R _и. На практике в качестве R _и используют магазин резисторов, обеспечивающий высокую точность задания требуемого значении R.

Процесс измерения напряжения состоит из двух операций: установления рабочего тока I и уравновешивания измеряемого напряжения U _xнапряжением, создаваемым рабочим током на R. Для установления рабочего тока переключатель гальванометра ставят в положение НЭ и при помощи резистора R _р добиваются отсутствия тока в гальванометре. Это будет иметь место в том случае, если падение напряжения на установочном резисторе R _у равно ЭДС нормального элемента:

(2.67)

Таким образом, при отсутствии тока в цепи гальванометра рабочий ток

(2.68)

После этого переходят ко второй операции: переключатель гальванометра устанавливают в положение Х и при помощи магазина резисторов R _иустанавливают такое значение сопротивления R, при котором происходит уравновешивание измеряемого напряжения падением напряжения IR, Это произойдет тогда, когда ток через гальванометр снова будет отсутствовать, В результате уравновешивания

(2.69)

После подстановки выражения для рабочего тока 1 (2.68) в (2.69) получим

(2.70)

Чтобы избежать вычислений по (2.70) при каждом из актов измерений, удобно выбрать значение R _у таким, чтобы отношение Е _н / R _у было числом, представленным в виде 10 ^-n, где n— целое. Если, например, n= 4, то Е_н / R _у =10^-4 и соотношение (2.70) принимает вид

При этом вычисление U _xсущественно упрощается. Практически этап вычисления исключается полностью, так как на шкалах магазина резисторов R _и, при помощи которого устанавливается требуемое значение R, наносятся числовые отметки, сразу дающие значение U _xв вольтах.

К сожалению, ЭДС нормального элемента Е _н хотя и слабо, но зависит от температуры. Поэтому значение отношения Е _н / R _у может несколько отличаться от требуемого "круглого" значения 10 ^-n. Для устранения такого отличия служит небольшой переменный резистор, который вместе с постоянным резистором входит в состав R _у. Перед измерением значение R _у несколько корректируется, чтобы компенсировать уход отношения Е _н / R _у за счет температурных изменений Е _н.

При помощи компенсаторов можно измерять ЭДС и напряжения с весьма высокой точностью, так как резисторы R _и и R _у могут иметь погрешности, не превышающие 0,001%.Значение ЭДС нормального элемента известно также с не меньшей точностью. Классы точности компенсаторов постоянного тока лежат в пределах от 0,0005 до 0,5. Верхний предел измерения не превосходит 1,5—2,5В. Нижний предел может составлять единицы нановольт. Если вместо нормального элемента используется стабилизированный источник постоянного тока, то верхний предел измерения может быть повышен до нескольких десятков вольт. Для измерения более высоких напряжений применяются схемы с делителем напряжения. При этом, однако, утрачивается одно из основных достоинств компенсационного метода измерения—отсутствие потребления мощности от объекта измерения.

Компенсаторы используются также для точных косвенных измерений токов и сопротивлений. Для измерения тока I _x в цепь включается образцовый резистор, сопротивление R ₀ которого известно с большой точностью, и компенсатором измеряется падение напряжения U на этом сопротивлении. Ток вычисляется по формуле I_x=U/R ₀. Для измерения сопротивления резистора R _x последовательно с ним включается образцовый резистор R0 и в этой цепи устанавливается ток I. Падение напряжения на R _x и R ₀ измеряется компенсатором. Из уравнений

и

следует формула для вычисления значения измеряемого сопротивления R _x:

Автоматические компенсаторы постоянного тока. Измерения ручными компенсаторами требуют много времени. При этом не обеспечивается непрерывное слежение за текущим значением измеряемой величины. Непосредственное использование схемы, представленной на рис. 2.31, для построения автоматических компенсаторов неудобно из-за трудности автоматизации описанных выше последовательных этапов процесса измерения, таких, как установка рабочего тока, сравнение измеряемого и известного напряжений, считывание результата измерения и т.д. Поэтому для построения автоматических компенсаторов используют другие схемы. Одна из наиболее распространенных приведена на рис. 2.32. В данном случае измеряемое напряжение U _x должно быть скомпенсировано напряжением U _об, возникающим между точкой a и подвижным контактом б резистора R _р, выполненного в виде реохорда. Если компенсации нет, то некомпенсированная разность U _x -U _об(после преобразования ее в переменное напряжение вибропреобразователем и усиления усилителем переменного тока) воздействует на реверсивный двигатель РД. Механическая связь двигателя с подвижным контактом б приводит к перемещению последнего в направлении, обеспечивающем компенсацию измеряемого напряжения U _x напряжением U _об. Двигатель при своем вращении перемещает также указатель вдоль шкалы компенсатора, обеспечивая возможность визуального считывания показаний. Кроме того, большинство автоматических компенсаторов имеют механизмы записи показаний на бумажной ленте или диске.

Требуемое значение рабочего тока устанавливается при помощи переменного резистора R _у, включенного последовательно со стабилизированным источником питания.

При правильной установке рабочего тока падение напряжения на резисторе R4 должно быть равно ЭДС нормального элемента. Такое значение выбрано потому, что его удобно контролировать при помощи образцового компенсатора, снабженного нормальным элементом. Для этого на резисторе R4 имеются специальные зажимы.

Погрешность автоматических потенциометров не превышает 0,5%.Время пробега указателем шкалы составляет несколько секунд. Порог чувствительности составляет доли милливольта.

Компенсаторы переменного тока. Компенсационный метод измерения может использоваться также для измерения переменного напряжения. Тогда, однако, приходится иметь дело с определением не одного, а двух параметров. Это связано с тем, что переменное (синусоидальное) напряжение определенной частоты характеризуется заданием его амплитуды и фазы либо при представлении в комплексном виде—заданием активной и реактивной частей. Поэтому для компенсации одного синусоидального напряжения другим необходимо, чтобы их частоты и амплитуды были равны, а фазы различались на 180°: U _m1 = U _m2; j ₁ =j ₂+180°. Можно условие компенсации сформулировать по-другому, потребовав, чтобы активная и реактивная части одного напряжения компенсировали активную и реактивную части другого: U ₀₁ =- U ₀₂; U _p1 =U _p2.

В соответствии со сказанным выше можно по-разному осуществлять построение компенсатора. Можно в его состав включить элементы, предназначенные для регулировки амплитуды (делители), и элементы, обеспечивающие изменение фазы (фазорегуляторы) компенсирующего напряжения. Такого рода компенсаторы называют полярно-координатными. Они не получили широкого распространения из-за необходимости использования фазорегулятора, относительно сложного элемента, для которого нелегко обеспечить требуемые метрологические параметры. На практике находят применение компенсаторы, принцип действия которых основан на раздельной компенсации активной и реактивной составляющих измеряемого напряжения соответствующими составляющими известного напряжения. Эти компенсаторы называются прямоугольно-координатными. На рис. 2.33 представлена принципиальная схема прямоугольно-координатного компенсатора.

Компенсатор имеет два электрических контура, связанных между собой взаимоиндуктивностью катушки М. В каждом из контуров имеется по одному реохорду (АВ и СD). Середины реохордов соединены перемычкой O—O. При подаче напряжения на трансформатор ТV в контуре 1 возбуждается рабочий ток I _р, значение которого устанавливается переменным резистором R _у по показаниям амперметра А, включенного в цепь контура. Ток I ₂, в контуре 2 определяется ЭДС E ₂, наведенной во вторичной обмотке катушки М и сопротивлением контура

(2.71)

где R _CD —сопротивление реохорда CD; R_f —сопротивление резистора, предназначенного для поддержания требуемого значения I ₂, при изменении частоты; L ₂ —индуктивность вторичной обмотки катушки М, выбираемая достаточно малой, с тем чтобы удовлетворялось условие

Поскольку Е ₂ =jw M I _р, выражение (2.71) для тока в контуре 2 принимает вид

(2.72)

Наличие множителя j в правой части формулы (2.71) говорит о том, что токи I _ри I ₂ имеют фазовый сдвиг 90°. Падение напряжения на реохордах АВ и СD пропорционально токам I ₁ и I ₂, поэтому U _аи U _ртакже сдвинуты относительно друг друга на 90', как это показано на векторной диаграмме рис. 2.34. Поскольку центры реохордов соединены перемычкой, их потенциал можно принять за нулевой. Напряжение, снимаемое с реохорда АВ, является активной составляющей U _а напряжение, снимаемое с реохорда СD,—реактивной составляющей U _рполного напряжения U _к, которое должно компенсировать измеряемое напряжение U _x. В зависимости от положения щеток реохордов конец вектора U _к = U _а +j U _р может быть направлен в любую из точек квадрата, ограниченного на рис. 2.34 пунктиром. Ясно, что этим квадратом определяется область значений напряжений U _x, которые могут быть измерены данным потенциометром, Момент компенсации напряжений U _x и U _котмечается по указателю нуля Р G, в качестве которого может быть использован вибрационный гальванометр.

Две шкалы, относящиеся к реохордам АВ и СD, градуируются в единицах напряжения. По этим шкалам считываются напряжения U _аи U _р соответственно. Градуировка справедлива при определенных значениях рабочего тока I _ри частоты w. В момент компенсации

(2.73)

а фаза U _x может быть найдена по формуле

(2.74)

Таким образом, оба параметра напряжения U _x оказываются измеренными. Следует указать, что согласно выражению (2.72) ток I ₂, а следовательно, и напряжение U _р зависят не только от рабочего тока I _р, но и от частоты w. Поэтому при работе на частоте, отличной от номинальной, градуировка шкалы U _рбудет нарушена. Для внесения поправки на частоту служит резистор R_f, при помощи которого можно поддерживать отношение токов I ₂/ I _рпостоянным в определенном диапазоне изменения частоты.

Компенсаторы переменного тока значительно уступают по точности компенсаторам постоянного тока. Это связано с тем, что рабочий ток приходится устанавливать по амперметрам, точность которых в лучшем случае соответствует классу 0,1 или 0,2. Поэтому к основной области применения компенсаторов переменного тока относится не поверка приборов, а лабораторные измерения напряжения, тока и комплексного сопротивления, особенно если важно знать не только модули измеряемых величин, но и их фазы (аргументы). Ток и сопротивление измеряют косвенно, опираясь на закон Ома.