2.8. 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 GB1 обеспечивает протекание рабочего тока I в цепи, составленной из последовательно соединенных резисторов: измерительного /?_и, устано­вочного R_y и регулировочного jR_p. Зажимы НЭ (на схеме не показаны) служат для подключения нормального элемента GB2, а зажимы U_x — для подключения измеряемого напряжения. При помощи переключате­ля S гальванометр PG можно включать либо в цепь нормального эле­мента (положение НЭ), либо в цепь измеряемого напряжения (положе­ние X).

В соответствии с идеей метода измеряемое напряжение U_x необходимо сравнить с падением напряжения, создаваемым рабочим током / на ча­сти R измерительного резистора R_u. На практике в качестве R_u исполь­зуют магазин резисторов, обеспечивающий высокую точность задания требуемого значения/?.

Процесс измерения напряжения состоит из двух операций: установ­ления рабочего тока / и уравновешивания измеряемого напряжения U_x напряжением, создаваемым рабочим током на R. Для установления

(2.67)

Рис. 2.31

рабочего тока переключатель гальвано­метра ставят в положение НЭ и при помо­щи резистора R_p добиваются отсутствия тока в гальванометре. Это будет иметь место в том случае, если падение напря­жения на установочном резисторе R_y равно ЭДС нормального элемента:

Таким образом, при отсутствии тока в цепи гальванометра рабочий ток

(2.68)

у •

IR_V = Е_Н

I = E_H/R

После этого переходят ко второй операции: переключатель гальва­нометра устанавливают в положение X и при помощи магазина резисто­ров R_K устанавливают 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)

^и* = ^т-

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

(2.70)

^Ux = (W* "

Чтобы избежать вычислений по (2.70) при каждом из актов измере­ний, удобно выбрать значение R_y таким, чтобы отношение E_H/R_y было числом, представимым в виде 10~", где п — целое. Если, например, п = 4, то Е_н /R_y = Ю~⁴ и соотношение (2.70) принимает вид

U_x = 0,0001R.

При этом вычисление U_x существенно упрощается. Практически этап вычисления исключается полностью, так как на шкалах магазина ре­зисторов R_K, при помощи которого устанавливается требуемое зна­чение R, наносятся числовые отметки, сразу дающие значение U_x в воль­тах.

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

3-6016

При помощи компенсаторов можно измерять ЭДС и напряжения с весьма высокой точностью, так как резисторы R_u и R_y 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—2,5 В. 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 1_Х в цепь включается образцовый резистор, сопротивление R₀ которого известно с большой точностью, и компенсатором измеряется падение напряжения U на этом сопротивлении. Ток вычисляется по формуле I_x = U/R₀. 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 R₀ измеряется компенсатором. Из уравнений

U_x = IR_X и U₀ = /Я о

следует формула для вычисления значения измеряемого сопротивле­ния R_x:

^Rx ^{= R}oU_x/U₀.

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_qq, возникающим между точкой а и подвижным контактом б резистора R_p, выполненного в виде реохор­да. Если компенсации нет, то некомпенсированная разность U_x — U_qq (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_qq. 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_y, 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 ^ = t/_m2;

<Pi = ip₂ ± 180°. Можно условие компенсации сформулировать по-дру­гому, потребовав, чтобы активная и реактивная Wcth одного напря-

жения компенсировали активную и реактивную части другого: U_0l = = -U₀₂; U_pi = -Up2-

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 компецсаторы 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 CD). Середины реохордов соединены пере­мычкой О—О. При подаче напряжения на трансформатор TV в конту­ре 1 возбуждается рабочий ток /_р, значение которого устанавливается переменным резистором R_y по показаниям амперметра А, включенного в цепь контура. Ток_/₂ в контуре 2 определяется ЭДС Е₂, наведенной во вторичной обмотке катушки М и сопротивлением контура

h =E₂/(R_cd + R_f + /со1₂), (2.71)

где R_cd — сопротивление реохорда CD; R^ — сопротивление резисто­ра, предназначенного для поддержания требуемого значения /₂ при изменении частоты; L₂ — индуктивность вторичной обмотки катуш-

V-

(2.72)

ки М, выбираемая достаточно малой, с тем что­бы удовлетворялось условие

CoL 2 < R-CD ⁺ Я

Поскольку Е₂ - /соЖ_р, выражение (2.71) для тока в контуре 2 принимает вид

ь = i"^Ml_pl(R_CD ⁺ Я/)-

г ; их X	: л 0 иа
0 ир 1	1

Рис. 2.34

Наличие множителя / в правой части формулы (2.71) говорит о том, что токи_/р и_Г₂ имеют фазовый сдвиг 90°. Падение напряжения на рео­хордах АВ и CD пропорционально токам /р и , поэтому U_& и Д, 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 реохорда АВ, является активной составляющей t/_a, а напряже­ние, снимаемое с реохорда CD, — реактивной составляющей t/_p полного напряжения U_K, которое должно компенсировать измеряемое напря­жение U_x. В зависимости от положения щеток реохордов конец векто­ра U_K = U_a + jUp 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 Ux ^и Лк отмечается по указателю нуля PG, в качестве которого может быть использован вибрационный гальванометр.

Две шкалы, относящиеся к реохордам АВ и CD, градуируются в единицах напряжения. По этим шкалам считываются напряжения U_a и Up соответственно. Градуировка справедлива при определенных зна­чениях рабочего тока /_р и частоты со. В момент компенсации

U² Р

^их

=

(2.73)

(2.74)

а фаза U может быть найдена по формуле

= У"*

Таким образом, оба параметра напряжения U_x оказываются измерен­ными. Следует указать, что согласно выражению (2.72) ток_/₂, а следо­вательно, и напряжение Up зависят не только от рабочего тока/_р, но и от частоты со. Поэтому при работе на частоте, отличной от номиналь­ной, градуировка шкалы Up будет нарушена. Для внесения поправки на частоту служит резистор Rt, при помощи которого можно поддер­живать отношение токов _/₂//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.