2.8. Компенсаторы

Компенсаторами (илипотенциометрами) 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 GВ1 обеспечивает протекание рабочего токаI в цепи, составленной из последовательно соединенных резисторов: измерительногоR _и, установочногоR _уи регулировочногоR _р. Зажимы НЭ (на схеме не показаны) служат для подключения нормального элементаG В2, а зажимыU_x—для исключения измеряемого напряжения. При помощи переключателяSгальванометрРGможно включать либо в цепь нормального элемента (положение НЭ), либо в цепь измеряемого напряжения (положениеХ).

В соответствии с идеей метода измеряемое напряжение U_x необходимо сравнить с падением напряжения, создаваемым рабочим токомI на частиRизмерительного резистораR _и. На практике в качествеR _ииспользуют магазин резисторов, обеспечивающий высокую точность задания требуемого значенииR.

Процесс измерения напряжения состоит из двух операций: установления рабочего тока I и уравновешивания измеряемого напряженияU_x напряжением, создаваемым рабочим током наR. Для установления рабочего тока переключатель гальванометра ставят в положениеНЭи при помощи резистораR _рдобиваются отсутствия тока в гальванометре. Это будет иметь место в том случае, если падение напряжения на установочном резистореR _уравно 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 резисторовR _и устанавливают такое значение сопротивленияR, при котором происходит уравновешивание измеряемого напряжения падением напряженияIR, 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 _утаким, чтобы отношениеЕ_н/ R _убыло числом, представленным в виде 10 ^-n, гдеn—целое. Если, например,n=4, то Е_н/ R _у=10^-4и соотношение (2.70) принимает вид

При этом вычисление U_x существенно упрощается. Практически этап вычисления исключается полностью, так как на шкалах магазина резисторовR _и, при помощи которого устанавливается требуемое значениеR, наносятся числовые отметки, сразу дающие значениеU_x в вольтах.

К сожалению, ЭДС нормального элемента Е_нхотя и слабо, но зависит от температуры. Поэтому значение отношенияЕ_н/R _уможет несколько отличаться от требуемого "круглого" значения 10 ^-n. Для устранения такого отличия служит небольшой переменный резистор, который вместе с постоянным резистором входит в составR _у. Перед измерением значениеR _унесколько корректируется, чтобы компенсировать уход отношенияЕ_н/R _уза счет температурных измененийЕ_н.

При помощи компенсаторов можно измерять ЭДС и напряжения с весьма высокой точностью, так как резисторы R _ииR _умогут 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_xв цепь включается образцовый резистор, сопротивлениеR₀которого известно с большой точностью, и компенсатором измеряется падение напряженияUна этом сопротивлении. Ток вычисляется по формулеI_x=U/R₀. Для измерения сопротивления резистораR_xпоследовательно с ним включается образцовый резисторR0 и в этой цепи устанавливается токI. Падение напряжения наR_xиR₀измеряется 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 напряжениеU_xдолжно быть скомпенсировано напряжениемU _об , возникающим между точкойa и подвижным контактомбрезистораR _р, выполненного в виде реохорда. Если компенсации нет, то некомпенсированная разностьU_x-U _об (после преобразования ее в переменное напряжение вибропреобразователем и усиления усилителем переменного тока) воздействует на реверсивный двигательРД. Механическая связь двигателя с подвижным контактом б приводит к перемещению последнего в направлении, обеспечивающем компенсацию измеряемого напряженияU_xнапряжениемU _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 резистореR4должно быть равно ЭДС нормального элемента. Такое значение выбрано потому, что его удобно контролировать при помощи образцового компенсатора, снабженного нормальным элементом. Для этого на резистореR4имеются 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; j₁=j ₂+180° . Можно условие компенсации сформулировать по-другому, потребовав, чтобы активная и реактивная части одного напряжения компенсировали активную и реактивную части другого:U₀₁=- U₀₂;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 катушкиМ. В каждом из контуров имеется по одному реохорду (АВиСD) . Середины реохордов соединены перемычкойO—O. При подаче напряжения на трансформаторТV в контуре1 возбуждается рабочий токI _р , значение которого устанавливается переменным резисторомR _упо показаниям амперметраА, включенногов цепь контура. ТокI₂ , в контуре2определяется ЭДСE₂, наведенной во вторичной обмотке катушкиМ и сопротивлением контура

(2.71)

где R_CD—сопротивление реохордаCD;R_f—сопротивление резистора, предназначенного для поддержания требуемого значенияI₂, при изменении частоты;L₂—индуктивность вторичной обмотки катушкиМ, выбираемая достаточно малой, с тем чтобы удовлетворялось условие

Поскольку Е ₂=jw MI _р , выражение (2.71) для тока в контуре2принимает вид

(2.72)

Наличие множителя j в правой части формулы (2.71) говорит о том, что токиI _р иI₂ имеют фазовый сдвиг 90° . Падение напряжения на реохордахАВиСDпропорционально токам I₁ иI₂, поэтомуU _а иU _р также 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 реохордаАВ, является активной составляющейU _анапряжение, снимаемое с реохордаСD,—реактивной составляющейU _р полного напряженияU _к , которое должно компенсировать измеряемое напряжениеU_x. В зависимости от положения щеток реохордов конец вектораU _к = U _а +jU _рможет быть направлен в любую из точек квадрата, ограниченного на рис. 2.34 пунктиром. Ясно, что этим квадратом определяется область значений напряженийU_x, которые могут быть измерены данным потенциометром, Момент компенсации напряженийU_x иU _к отмечается по указателю нуляР G, в качестве которого может быть использован вибрационный гальванометр.

Две шкалы, относящиеся к реохордамАВиСD, градуируются в единицах напряжения. По этим шкалам считываются напряженияU _а иU _рсоответственно. Градуировка справедлива при определенных значениях рабочего токаI _р и частоты w. В момент компенсации

(2.73)

а фаза U_xможет быть найдена по формуле

(2.74)

Таким образом, оба параметра напряжения U_x оказываются измеренными. Следует указать, что согласно выражению (2.72) токI₂, а следовательно, и напряжениеU _рзависят не только от рабочего токаI _р , но и от частоты w. Поэтому при работе на частоте, отличной от номинальной, градуировка шкалыU _р будет нарушена. Для внесения поправки на частоту служит резисторR_f, при помощи которого можно поддерживать отношение токовI₂/I _р постоянным 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.