3.5 Компенсаційні засоби вимірювань

Принцип дії компенсатора полягає в компенсації (протиставлені) двох спрямованих назустріч фізичних величин, одна з яких вимірювана, а інша – зразкова (відома з високою точністю).

В електровимірювальній техніці як такі величини використовують напруги, струми, е.р.с. Останні на практиці зустрічаються рідко, тому надалі розглядаються тільки компенсатори з компенсацією напруг.

3.5.1 Компенсатори постійного струму Дві схеми компенсації напруги

На рис.3.24, а показана принципова схема вимірювального кола компенсації напруг. Вимірювана напруга U_x компенсується зразковою напругою U_k, яка створюється у вигляді спаду напруги робочого струму I_p на опорі R_k, значення якого відомо з високою точністю. Змінюючи значення робочого струму I_p установочним резистором R_у, домагаються рівності вимірюваної U_x і компенсувальної U_k напруг. Момент рівності U_x=U_k характеризується відсутністю струму в індикаторі рівноваги ІР, тоді

. (3.48)

Аналіз (3.48) показує, що вимірювана напруга пропорційна значенню робочого струму I_p. Тому шкалу амперметра А градуюють у вольтах.

Рисунок 3.24

Компенсувальну напругу U_k можна змінювати також, змінивши значення опору резистора R_k (рис.3.24, б) при сталому робочому струмі I_p :

. (3.49)

В даному випадку вимірювана напруга U_x буде пропорційна значенню резистора R_k. Лінійні або кутові положення цього резистора градуюють у вольтах.

У момент повної компенсації компенсатор не споживає енергію від об’єкта вимірювання (струм у колі індикатора рівноваги відсутній I_IP=0), отже, режим роботи об’єкта вимірювання на порушується. Крім того, відсутність струму в колі ІР дозволяє суттєво зменшити вплив на результати вимірювання спаду напруги на з’єднувальних провідниках, за допомогою яких компенсатор з’єднано з об’єктом вимірювання.

Ці дві важливі переваги мають місце тільки в компенсаторах.

Компенсатор постійного струму

Н айбільш розповсюджена схема компенсатора постійного струму наведена на рис.3.25.В схемі НЕ – нормальний елемент, який є зразковою мірою е.р.с.; ДБ – допоміжна батарея. В положенні 1 ключа S регулюванням реостата R_Р установлюється робочий струм компенсатора I_р. При нульових показах ІР спад напруги на зразковому резисторі R_у дорівнює е.р.с. нормального елемента E_N: I_рR_у = E_N.

Рисунок 3.25

При точних значеннях E_N та R_у і високій чутливості ІР значення робочого струму встановлюється з високою точністю.

Після встановлення робочого струму перемикач S переводиться в положення 2. Регулюванням зразкового опору R_к добиваються нульового показу ІР. При цьому I_р R_к = U_к = U_х, де – частина зразкового опору R_к, яка відповідає нульовому показу ІР. З останньої рівності випливає, що при встановлених з високою точністю робочому струмі та R_к визначається з відповідною точністю значення U_х. При незмінному для даного компенсатора значенні робочого струму I_р регульований зразковий опір R_к можна проградуювати безпосередньо у вольтах.

Для вимірювання струму в деякій вітці кола в цю вітку вмикається зразковий опір R_N. Вимірявши спад напруги на цьому опорі, за законом Ома визначають струм: I=U_N/R_N. Для вимірювання опору його вмикають послідовно з R_N (рис.3.26).

За спадом напруги на R_N визначають струм в колі I, а вимірявши U_х та знаючи I, обчислюють R_х=U_х/I.

З а допомогою компенсаторів можна виміряти е.р.с. та напруги з високою точністю. Класи точності компенсаторів постійного струму лежать у межах від 0,005 до 0,5. При цьому верхня межа вимірювання

Рисунок 3.26 не перевищує 1,5‑2,5 В. Нижня межа вимірювання може складати одиниці нановольт. Якщо замість НЕ використати стабілізоване джерело напруги, то верхня межа вимірювання може бути підвищена до декількох десятків вольт. Для розширення діапазону вимірювання можуть застосовуватись подільники напруги.