Компенсационные измерительные цепи
Компенсационные цепи предназначены для сравнения двух независимых токов или напряжений нулевым методом сравнения (методом компенсации). На рис. 6.23 показана схема простейшей компенсационной цепи, используемой для измерения ЭДС Е1. Если контур компенсации Z1, Z2, E2 выполнить c учетом условия:
Ż1
——— Ė2 = Ė1
Ż1+Ż2
то напряжение и ток в цепи сравнивающего устройства отсутствует, т.е. цепь уравновешена. По известным Ż1, Ż2, Ė2 после уравновешивания цепи можно определить неизвестную Ė1. В отличие от мостовых схем, в условие равновесия компенсационных схем входит ЭДС. Так как ток через сравнивающее устройство не течет, то работа схемы не зависит от величины внутреннего сопротивления Z источника, измеряемой ЭДС Е1. Компенсаторы, называемые также потенциометрами, используют для измерения напряжений. В зависимости от вида измеряемого напряжения различают компенсаторы постоянного и переменного тока.
В компенсаторах постоянного тока компенсирующая ЭДС Е2 может быть задана с высокой точностью при помощи нормальных
элементов, а компенсация производится магазином сопротивлений Z2. В качестве сравнивающего устройства применяют гальванометрические нуль-органы. Классы точности компенсаторов постоянного напряжения от 0,0005 и хуже. Максимальное значение напряжения, которое может быть измерено компенсатором непосредственно, 2,12111 В. При измерении больших напряжений применяют входной делитель напряжения, но при этом теряется важное достоинство метода - отсутствие тока, отбираемого от измеряемой цепи, при равновесии схемы.
 |
Z Ż2
Ż1 Ė2
E1
Рис. 6.23. Компенсационная цепь.
н и Ex
а б в г
r ФР
Рис. 6.24. Полярно-координатный компенсатор.
Для защиты гальванометра от перегрузок последовательно с ним включают резистор до 20 МОм, который по мере уравновешивания цепи уменьшают до нуля, увеличивая тем самым чувствительность цепи.
Компенсаторы постоянного тока применяют для точных измерений ЭДС, а также для поверок показывающих приборов – вольтметров, амперметров и ваттметров.
На переменном токе возможны два пути создания компенсационных цепей: регулированием модуля и фазы компенсирующего напряжения (полярно-координатные компенсаторы) или использованием двух регулируемых напряжений, сдвинутых по фазе на π/2 (прямоугольно- координатные компенсаторы). В связи с тем, что на переменном токе нет нормальных элементов, точность задания компенсационного напряжения гораздо хуже, чем на постоянном токе. Классы точности компенсаторов переменного тока не лучше 0,2. В
качестве нуль-органа используется вибрационный гальванометр.
На рис. 6.24 приведена схема полярно-координатного компенсатора переменного тока. Рабочий ток в компенсирующем контуре устанавливается с помощью резистора r и контролируется амперметром А . Уравновешивание схемы по модулю осуществляется при помощи регулируемых резисторов аб (точно) и вг (грубо) В качестве точного резистора аб используется калиброванная проволока (реохорд). Уравновешивание по фазе осуществляется фазорегулятором ФР. Отсчет показаний производится по положению движков резисторов и ротора фазорегулятора.
r
Ux1 U
a D1 O1 b Tp -Ux
I1 в E2 I2 Ux2
O2 α
Ux2 rf a б
ни Ux D2 г 0
Рис. 6.25. Прямоугольно-координатный компенсатор.
Компенсатор имеет дна рабочих контура А и Б. Контур А состоит из реостата r, амперметра, реохорда аб и первичной цепи трансформатора Тр без магнитного сердечника. Реостатом r устанавливается заданная величина тока I1 в контуре. Напряжение Uаб определяется величиной сопротивления rаб, которое может быть проградуировано в единицах напряжения.
Контур Б состоит из вторичной обмотки трансформатора Тр, реохорда вг и резистора rf .Ток I2 контура при незначительной индуктивности вторичной цепи трансформатора совпадает по фазе с вторичным напряжением Е2, а следовательно, отстает по фазе от тока I1 на 90° . Падение напряжения Uв2 на реохорде в2 при постоянном токе I1 и частоте f также будет постоянно, поэтому шкалу реохорда также можно проградуировать в единицах напряжения. Напряжения Uаб и Uв2 сдвинуты друг относительно друга на π/2. В связи с тем, что I2 зависит от частоты питающего напряжения, то в случае возможного изменения частоты f устанавливают резистор rf , с помощью которого поддерживают заданное значение тока
E2 ωM
I2 ═—— ═ —— I1 ,
r1 r2
где ω = 2πf – угловая частота тока, М - коэффициент взаимной индукции обмоток трансформатора, r2 - полное активное сопротивление контура.
Цепь компенсации состоит из источника измеряемого напряжения Ux, нуль-индикатора и участков реохорда О1Д1 и О2Д2. При отсутствии тока в нуль-индикаторе сумма падений напряжений на этих участках равна по модулю измеряемому напряжению Ux, но сдвинута по отношению к нему на π . Величину и фазу вектора Ux можно найти по составляющим Ux1 и Ux2 :
Ux = √ Ux12 + Ux22
tg φ = Ux2/Ux1
Угол φ представляет собой сдвиг фаз питающего напряжения Ux относительно напряжения питания U.