Измерительные схемы: общие сведения, компенсационная схема

Компенсационный метод (метод противопоставления) измерения заключается в уравновешивании, осуществляемом включением на индикатор равновесия либо двух электрически не связанных между собой, но противоположно направленных напряжений или ЭДС, либо двух раздельно регулируемых токов. Компенсационный метод используют для непосредственного сравнения напряжений или ЭДС, тока и косвенно для измерения других электрических, а также неэлектрических величин, преобразуемых в электрические.

Применяют следующие схемы компенсации: а) напряжений или ЭДС (рис. 10); б) электрических токов (рис. 11).

Схема, показанная на рис. 7.2, наиболее распространенная. В ней измеряемое напряжение U_xкомпенсируется равным, но противоположным по знаку известным напряжением U_K. Падение напряжения U_K создается током / на изменяемом по значению компенсирующем образцовом сопротивлении R_K. Изменение R_к происходит до тех пор, пока U_K не будет равно U_x. Момент компенсации определяют по отсутствию тока в цепи магнитоэлектрического гальванометра G; при этом мощность от объекта измерения не потребляется.

Компенсационный метод обеспечивает высокую точность измерения.

Компенсаторами или потенциометрами называют устройства, предназначенные для измерения методом компенсации напряжения или э.д.с., а также ряда других электрических величин, связанных с напряжением или э.д.с. с функциональной зависимостью (например, I, P, R, и др.).

В практических схемах компенсаторов для обеспечения необходимой точности измерения ток I в рабочей цепи определяют не амперметром непосредственной оценки, а компенсационным методом с помощью эталона ЭДС нормального элемента. Нормальные элементы обеспечивают постоянную во времени ЭДС, равную 1,1 865 В при температуре 20 °C, внутреннее сопротивление 500−1000 Ом, ток перегрузки 1 мкА. С изменением температуры окружающей среды значение ЭДС уменьшается на каждый градус повышения температуры:

E_t = E20 — 0,4 (t — 20) — 0,1 (t ~ 20)², (7.3).

где E t — ЭДС при температуре t, °С; E₂₀ — ЭДС при 20 °C.

Схема компенсатора представлена на рис. 7.4. Она содержит источник вспомогательной ЭДС E_вспдля питания рабочей цепи, в которую включают регулировочное R_p, компенсирующее R_K и образцовоеR_H сопротивления. К зажимам НЭ подключают нормальный элемент, ЭДС которого E_нэ, к зажимам X — искомую ЭДС Е_х. В качестве индикатора равновесия используют высокочувствительный магнитоэлектрический гальванометр G.

При работе с Компенсатором выполняют две операции:

• 1) устанавливают ток / в рабочей цепи компенсатора с помощью источника вспомогательной ЭДС E_всп (положение 1 переключателя В);
• 2) измеряют искомую ЭДС Е_х (положение 2 переключателя В).

Для установки рабочего тока предварительно определяют температуру окружающей среды, затем по (11) вычисляют точное значение ЭДС нормального элемента для данной температуры. Далее устанавливают образцовое сопротивление R_H, значение которого выбирают в зависимости от значений тока в рабочей цепи и ЭДС при температуре t (сопротивление R_K состоит из катушки с постоянным значением сопротивления и последовательно соединенной с ней температурной декадой). Затем переключатель Вставят в положение 1 и ЭДС нормального элемента противопоставляют падению напряжения на R_u, которое регулируется с помощью изменяющего значение тока / в рабочей цепи резистором R_p. Момент компенсации соответствует нулевому отклонению гальванометра G, т. е. E_нэ = IR_n.

После установления рабочего тока I для измерения Е_х переключатель В ставят в положение 2 и регулировкой образцового компенсирующего сопротивления R_к вновь доводят до нуля ток в цепи гальванометра G. Тогда.

где I — значение тока, установленное при положении 1 переключателя В;RK — значение образцового компенсирующего сопротивления, при котором имеет место состояние равновесия.

Сопротивление R_K выполняют по специальным схемам, которые обеспечивают постоянное сопротивление между точками 3, 4 и переменное сопротивление между точками 3, Д, а также необходимое число знаков и точность отсчета.

Указанным условиям удовлетворяют схемы с замещающими (рис. 13) и шунтирующими декадами (рис. 14). В схеме с замещающими декадами все секции верхних декад полностью дублированы соответствующими секциями нижних декад. Переключатели двух одинаковых декад связаны механически. При перемещении переключателей общее сопротивление остается неизменным: если уменьшаются значения сопротивлений верхних декад, то увеличиваются значения сопротивлений нижних декад, и наоборот. Компенсирующее напряжение можно снимать с верхних или нижних декад. Каждая последующая декада имеет сопротивление секции в десять раз меньше предыдущей. Р схеме с шунтирующими декадами при каждом положении двойных переключателей одна секция верхней декады шунтируется девятою секциями нижней декады, при этом общее сопротивление между точками 3 и 4 (см. рис. 7.4) остается неизменным. Ток через ceкции сопротивлений нижней декады Г в десять раз меньше тока ' через секции сопротивлений верхней декады, т. е.

Компенсирующее напряжение можно определить так:

UK=mUA + Nuб, где m, n — соответственно число включенных секций верхней и нижней декад; ua, U б — падения напряжения на отдельных секциях соответствующих декад.

Рассмотренные варианты выполнения сопротивления R_K обеспечивают неизменность его полного значения, а следовательно, и неизменность тока I в момент компенсации, если ЭДС вспомогательного источника E_всп — const.

В зависимости от значения сопротивления рабочей цепи различают компенсаторы постоянного тока большого сопротивления (высокоомные 10−40 кОм, ток рабочей цепи 10~³ — 10~⁴ А, порядок измеряемого напряжения 1−2,5 В, погрешность измерения 0,02% от измеряемой величины) и малого сопротивления (низкоомные 10−1000 Ом; ток рабочей цепи 0,1- 0.001 А, порядок измеряемого напряжения до 100Мв, погрешность измерения 0,5% от измеряемого значения.

Высокоомные компенсаторы применяются для измерений в высокоомных цепях, где из-за условий успокоения гальванометра и согласования его сопротивления с сопротивлением схемы применяют высокоомные гальванометры, а потому целесообразно иметь высокоомный и цепь самого компенсатора. Низкоомные компенсаторы применяются в противоположных условиях. Высокоомные компенсаторы рассчитываются на измерение напряжений порядка I-2,5 в, имеют рабочий ток в главной рабочей цепи 10~^s -10 ~* а и сопротивление этой цепи 10 000−40 000 ом.

Низкоомные компенсаторы рассчитаны на измерение напряжений менее 100 мв , сопротивление главной рабочей цепи их имеет величину от десятков до 2000 ом и ток в главной рабочей цепи 10 ~¹-10~³ а.

Как высокоомные, так и низкоомные компенсаторы предназначены для поверки измерительных приборов и мер (шунтов, делителей, измерительных катушек, нормальных элементов и пр.), а также для выполнения всякого рода рабочих измерений.

Компенсационный метод относится к наиболее точным среди методов и приборов, предназначенных для измерения напряжений: погрешность его может иметь порядок 0,01% и даже 0,0011%.

В компенсаторе постоянного тока, как и в любом другом приборе, построенном на косвенном методе измерения, результирующая погрешность измерения (абсолютная или относительная) является функцией частных погрешностей, вносимых каждым элементом схемы. В компенсаторе к таким элементам относятся нормальный элемент, гальванометр, сопротивления R_H и R-чем точнее выполнены эти элементы, тем точнее результат измерения.

Своей высокой точности компенсаторы постоянного тока обязаны присутствию в схеме нормального элемента, э. д. с. которого известна с точностью до тысячных долей процента, с которым (косвенным образом) производится сравнение неизвестного напряжения или э. д. с.

Для облегчения расчета допустимой погрешности измерения большая часть современных компенсаторов снабжается формулой, указанной в инструкции к пользованию прибором. В этой формуле допустимые для данного компенсатора погрешности, возникающие за счет несовершенства изготовления элементов схемы, остающиеся постоянными в процессе измерений, объединяются в постоянный член уравнения и не требуют постоянного пересчета.

Переменной величиной в формуле является сопротивление Rbc, которое в процессе работы может принимать разные значения в зависимости от порядка измеряемого напряжения и от опыта экспериментатора.

При измерении ЭДС источников с большим внутренним сопротивлением или напряжений, действующих в высокоомных цепях, входное сопротивление магнитоэлектрических и электронных вольтметров может быть недостаточно большим, поэтому целесообразно использовать дифференциальный или компенсационный метод.

Дифференциальный метод основан на измерении разности между измеряемым и образцовым напряжением при их неполной компенсации. Схема измерения представлена на рис. 15. Высокоомный электронный вольтметр у! с чувствительным пределом служит для измерения разностного напряжения между измеряемым U_x и образцовым U_K напряжениями. Магнитоэлектрический аналоговый или цифровой вольтметр У₂ используется для измерения образцового напряжения 1/_к. Рекомендуется при U_K — 0 измерить вольтметром V1 ориентировочное значение U_x, а уже затем установить по вольтметру V₂ удобное для отсчета напряжение U_K.Измеряемое напряжение U_x при указанной полярности включения вольтметра V1 определяется какU_x=U_K +?U.

Дифференциальный метод обеспечивает высокую точность измерения напряжения. Погрешность измерения определяется в основном погрешностью вольтметра, измеряющего L/_K.

Входное сопротивление цепи.

RВХ=UX/I=(UK+?U)/(?U/RV1)=RV1(UK/?U+1).

намного превышает входное сопротивление rvi вольтметра V_t. Гальванометрические компенсаторы служат для измерения малых постоянных напряжений (порядка 10~⁸ В). Основными элементами гальванометрического компенсатора (рис. 16) являются: измерительный механизм магнитоэлектрического зеркального гальванометра G, образцовый резистор обратной связи R_к, фоторезисторы ФR1 и ФR₂, источники постоянного напряжения с Е1 = Е2, магнитоэлектрический микроамперметр.

На зеркальце гальванометра G направлен луч света от прожектора Пр. При отсутствии напряженияV_х луч света, отраженный от зеркала, одинаково освещает фотосопротивления, в результате ток Iк = 0. При подаче на вход измерителя напряжения U_x в цепи гальванометра G появляется ток Iг, подвижная часть гальванометра поворачивается на некоторый угол и происходит перераспределение освещенности фоторезисторов и изменение их сопротивлений.

Согласно схеме включения фоторезисторов и полярности U_х сопротивление фоторезистора ФR1 уменьшится, а ФR₂ увеличится. Через резистор R_K потечет ток I_к, создавая на R_K компенсирующее напряжение U_K, почти равное измеряемому напряжению U_x. Значение тока I_к автоматически изменяется в зависимости от изменения измеряемого напряжения U_x, но всегда так, что выполняется условие U_x ~ U_K обеспечиваемое за счет небольших изменений тока Iг в цепи гальванометра:

Iг -= (U_x — UK)/(Rr + R_K) = ?U/(Rr + R_K). (7.8).

Чем чувствительнее гальванометр, тем при меньших изменениях I_Г произойдет соответствующее изменение тока I_к, нужное для выполнения условия U_K ?U_X.

Повышение чувствительности достигается благодаря применению специальной конструкции гальванометра, что обеспечивает при токах порядка 10~¹⁰— 10~¹⁴ А максимальный угол поворота подвижной части.

Значение компенсирующего тока I_к зависит от значений E1 = E₂, относительного изменения фотосопротивлений и может достигать нескольких десятков микроампер.

Гальванический компенсатор имеет высокую чувствительность: при высоком входном сопротивлении.

Электрометрические компенсаторы — измерители напряжения, использующие электромеханический электрометр и имеющие весьма * высокое входное сопротивление (10¹⁶-10¹⁷Ом). Они просты, и удобны в эксплуатации. Электромеханический электрометр представляет собой чувствительный электростатический измерительный механизм, легкая подвижная часть которого подвешивается на тонкой упругой нити. В механизме применяется световой указатель положения подвижной части. Схема электрометрического компенсатора представлена на рис. 17, где электрический электрометр, состоящий из двух неподвижных обкладок 1, 2 и подвижной обкладки 3, расположенной симметрично относительно неподвижных.

К подвижной обкладке прикреплено миниатюрное зеркальце. На неподвижные обкладки подается напряжение возбуждения U_В, что позволяет повысить чувствительность и возможность установки нуля показаний электрическим путем (при замкнутых зажимах U_x

посредством переменного резистора R₀).

Принцип работы электрометрического компенсатора аналогичен работе гальванометрического компенсатора.

При подключении измеряемого напряжения U_x подвижная часть электрометра Э повернется на некоторый угол, что приведет к перераспределению световых потоков, освещающих фоторезисторы ФR_l

и ФR₂ к появлению тока компенсации I_к и соответственно напряжения U_К, уравновешивающего измеряемое напряжение U_x. Подвижная часть электрометра будет отклоняться до тех пор, пока не наступит равенство напряжений U_x = U_K. Так как сопротивление резистора обратной связи R_K может быть незначительным, то ток I_к может быть сравнительно большим и измеряться микроамперметром. Входной ток компенсатора определяется токами утечки, поэтому он мал, а следовательно, входное сопротивление велико (10¹⁶ — 10¹⁷ Ом). Кроме измерителей напряжения строятся и высокочувствительные электрометрические измерители тока.