Раздел 5. компенсаторы и измерительные мосты

Тема 5.1. Упрощенная электрическая схема компенсатора постоянного тока. Четырёхплечный мост.

Рассмотренные ранее приборы электромеханической группы являются приборами непосредственной оценки измеряемого параметра и все (в большей или меньшей степени) потребляют мощность из измерительной цепи, что может приводить к нарушению работы исследуемого объекта. Измерение тока и напряжения аналоговыми электромеханическими приборами возможно в лучшем случае с погрешностью 0,l % (класс точности прибора 0,1).Более точные измерения можно выполнить методом сравнения с мерой. Средства измерений, использующие метод сравнения, называются компенсаторами или потенциометрами.

Компенсаторы— приборы, в которых измерение производится методом сравнения измеряемой величины с эталонной. Принцип действия компенсатора основан на уравновешивании (компенсации) измеряемого напряжения известным падением напряжения на образцовом резисторе. Момент полной компенсации фиксируется индикаторным прибором (нуль-индикатором), Разработаны компенсаторы переменного и постоянного тока. Компенсационный метод применяется также в цифровых измерительных приборах.

Рис. 5.1 Упрощенная принципиальная схема компенсатора постоянного тока

Источник, постоянного напряжения Е₀ обеспечивает протекание рабочего тока I_р по цепи, состоящей из последовательно включенных измерительного R_и , установочного (образцового) R_у и регулировочного R_рег резисторов.

Установочный резистор R_у , представляет собой катушку сопротивлений специальной конструкции с точно известным и стабильным сопротивлением. В схеме элемент НИ — нуль-индикатор, реагирующий на очень маленькие постоянные токи. С помощью переключателя нуль-индикатор вначале включается в цепь установочного сопротивления R_у (положение переключателя 1). При этом регулировочным сопротивлением R_рег добиваются отсутствия тока в цепи НИ. Это означает, что I_р R_у= Е_нэ, откуда значение рабочего тока определяется через соотношение:

(5.1)

где Е_нэ – напряжение источника.

Затем нуль-индикатор включается в измерительную цепь (положение переключателя 2) и изменением измерительного сопротивления R_и -добиваются нулевого тока, а значит; равенства:

(5.2)

Итак, измеряемое напряжение определяется с достаточно высокой точностью и без нарушения работы измерительной цепи, так как в момент измерения ток через индикатор не протекает

При измерениях напряжений на производстве применение находят автоматические компенсаторы, в которых поддерживается разностное значение с помощью следящей системы.

Мостышироко используют для измерения сопротивления, индуктивности, емкости, добротности и угла потерь. На основе мостовых схем выпускают приборы для измерения неэлектрических величин (температуры, перемещений и др.) и различные устройства автоматики. Широкое применение мостов объясняется возможностью получения высокой точности результатов измерений, высокой чувствительности и возможностью измерения различных величин.

В зависимости от характера сопротивлений плеч, образующих мост, и рода тока, питающего мост, выделяют мосты:

- постоянного тока;

- переменного тока.

В зависимости от вида схемы (числа плеч) мосты постоянного тока бывают:

- четырехплечие (одинарные);

- шестиплечие (двойные).

Мосты выпускаются с ручным и автоматическим уравновешиванием.

Мост постоянного тока содержит четыре резистора, соединенных в кольцевой замкнутый контур. Резисторы R₁, R₂, R₃ и R₄ этого контура называются плечами моста, а точки соединения соседних плеч – вершинами моста. Цепи, соединяющие противоположные вершины, называют диагоналями. Одна из диагоналей (3-4) содержит источник питания GB, а другая (1-2) — указатель равновесия PG.

Мост называется уравновешенным, если разность потенциалов между точками 1 и 2 равна нулю, т.е. напряжение на диагонали, содержащей индикатор нуля, отсутствует и ток через индикатор равен нулю.

Рис.5.2. Схема четырехплечего (одинарного) моста постоянного тока

Для того чтобы мост был уравновешен, произведения сопротивлений противолежащих плеч должны быть равны. Если сопротивление одного из плеч неизвестно (например, R₁ = R_x), то условие равновесия будет иметь вид:

(5.3)

Таким образом, измерение при помощи одинарного моста можно рассматривать как сравнение неизвестного сопротивления R_x с образцовым сопротивлением R₂ при сохранении неизменным отношения R₃/R₄. По этой причине плечо R₂ называют плечом сравнения, плечи R₃ и R₄ — плечами отношения.

Тема 5.2. Применение мостов постоянного тока для определения места повреждения электрического кабеля.

При повреждении кабельной линии определяют предварительно зону повреждения, а затем уточняют и выявляют место повреждения. Применяя в зависимости от характера повреждения: индукционный (определяется зона однофазного или многофазного замыкания, зона обрыва любого количества фазных жил); акустический (позволяет определить место однофазных и многофазных замыканий в кабеле при заплывающем пробое); петлевой (применяется для определения зоны однофазных и двухфазных замыканий на землю); емкостный (позволяет определить зону обрыва фазных жил кабеля); импульсный (определяется зона однофазного или многофазного замыкания, зона обрыва любого количества фазных жил); метод колебательного разряда (применяется при заплывающих пробоях кабелей).

Рассмотрим более подробно петлевой метод.

Метод петли применяют для определения зоны повреждения при одно- и двухфазных замыканиях при наличии одной неповрежденной жилы или параллельного кабеля с неповрежденными жилами.

Метод основан на принципе измерительного моста постоянного тока, позволяющего определить отношение сопротивлений поврежденной жилы кабеля от места измерения до точки замыкания и обратной петли.

Рис. 5.3 Cхема определения места повреждения кабеля методом петли: 1 – фазы испытываемой кабельной линии; 2 – перемычка (закоротка); Lк – длина кабельной линии; L – расстояние до места повреждения; Г – гальванометр; ИП – источник питания; R1, R2 – регулируемые плечи моста; Rx – сопротивление участка кабеля L; Rу – сопротивление участка кабеля 2Lк - L

Для этого поврежденную и неповрежденную жилы кабеля соединяют на одном конце линии перемычкой в форме петли (рис.5.3). В результате образуется четырехплечевой мост, состоящий из регулируемых сопротивлений: R₁ – сопротивление моста подключенное к неповрежденной жиле кабеля и R₂ – сопротивление моста подключенное к поврежденной жиле кабеля, а также сопротивлений жил кабеля: R_x – пропорционального длине участка кабеля L и R_у – пропорционального длине участка кабеля 2L_к - L. Регулируя сопротивления R₁ и R₂ устанавливают стрелку гальванометра в нулевое положение, что соответствует равновесию плеч моста

(5.4)

Поскольку сопротивление жилы прямо пропорционально ее длине (расстояние до места повреждения L пропорционально сопротивлению этого участка кабеля R_x), то расстояние от места измерения до места повреждения кабельной линии можно определяется по формуле

(5.5)

Для проверки точности измерения следует поменять концы проводов идущие от прибора (моста) к кабелю и провести новое измерение, при этом будет найдено расстояние 2L_к - L. Если результаты обоих измерений в сумме заметно отличаются от двойной длины кабеля, то измерения произведены неточно и их надо повторить, предварительно проверив все контакты в схеме.

В качестве приборов определения зоны повреждения силовых кабелей, петлевым методом применяются мосты постоянного тока Р333, Р333-М1. Петлевой метод был самым первым методом отыскания места повреждения и в настоящее практически не применяется, так как он недостаточно точен, трудоемок и не позволяет определить место обрыва жилы без ее замыкания на оболочку.

Тема 5.3. Мосты переменного тока. Измерение параметров конденсаторов и катушек индуктивности.

Мосты переменного тока предназначены доля измерения емкости и угла потерь конденсаторов, индуктивности и добротности катушек, взаимной индуктивности. Схемы мостов могут иметь различные варианты включения в плечи измеряемых и образцовых резисторов, катушек индуктивностей и конденсаторов.

Для уравновешивания моста две его составляющие должны быть регулируемыми, чтобы обеспечить уравновешивание как по модулю, так и по фазе. Неизвестная катушка имеет собственную индуктивность L_X, взаимную индуктивность M_X и сопротивление R_X. Далее представлены схемы мостов для измерения индуктивности методом сравнения с известной индуктивностью либо известной емкостью.

Измерение индуктивности L_X с помощью моста показанного на рис. 5.4 состоит в сравнении с известной индуктивностью L₁.

Рис. 5.4 Измерение индуктивности L_X с помощью моста в сравнении с известной индуктивностью L₁.

При уравновешивании моста можно регулировать R₁ и L₁ для достижения с R_X и L_X. Так как индуктивности имеют относительно большие собственные сопротивления, можно включить в схему резистор r и изменять его сопротивление в процессе уравновешивания, чтобы расширить диапазон измеряемых индуктивностей. При равновесии моста и определяются выражениями

(5.6)

(5.7)

Такой измеритель индуктивности используется сравнительно редко из-за трудности получения стабильных и точных образцовых индуктивностей.

В схеме моста, представленной на рис.5.5 его уравновешивание осуществляется с помощью резистора R₂ и конденсатора C, при этом обеспечивается независимое уравновешивание L_X и L_X. Условия равновесия моста описываются выражениями

(5.8)

(5.9)

Рис. 5.5 Cхема моста, уравновешивание осуществляется с помощью резистора R₂ и конденсатора C

Индуктивность измеряется с помощью емкостей высокого качества, которые значительно точнее и легче в изготовлении, чем образцовые индуктивности, и создают незначительное поле.

В мостах часто не указывается R_X, а вместо этого дается значение добротности Q_X, которое определяется по формуле

(5.10)

Рассмотренный мост широко используется для измерения индуктивности катушек с добротностью Q ниже 10. Этот верхний предел добротности обусловлен тем, что при больших значениях Q резистор R₂ должен иметь слишком большое сопротивление.

Для измерения индуктивности с высокой добротностью (Q>10) может использоваться мост, схема которого показана на рис. 5.6.

Рис. 5.6 Cхема моста, для измерения индуктивности с высокой добротностью

Условия равновесия данного моста определяются выражениями

(5.11)

(5.12)

(5.13)

Недостатком этого моста является то, что его равновесие зависит от частоты, но при Q > 10 в выражении для L_X членом с Q_x² можно пренебречь. В этом случае значение индуктивности не зависит от частоты и погрешность измерений составит менее 1%.

При измерении емкости конденсатора следует учесть, что он обычно обладает потерями. Реальный конденсатор представляется эквивалентной схемой в виде идеальной емкости, последовательно или параллельно соединенной с активным сопротивлением потерь. Шкалы приборов могут градуироваться в значениях тангенса угла диэлектрических потерь конденсатора (tgδ). Так как tgδ зависит от частоты, градуировка прибора действительна для одной частоты, а для других частот необходимо вводить поправку.

На рис. 5.7,а,б показаны схемы мостов для измерения емкости методом сравнения с мерой.

а) б) в)

Рис. 5.7. a) для измерения емкости конденсатора с малым tgδ , б) Для измерения емкости с большим tgδ, в) для точного определения tgδ

Мост показанный на рис. 5.7,а используется для измерения емкости конденсатора с малыми потерями. Условия равновесия моста имеют вид

(5.14)

(5.15)

(5.16)

Емкость С₃ - обычно образцовый конденсатор высокой точности, который не регулируется. Сопротивления R₃ и R₄ регулируются до уравновешивания моста.

Для измерения емкости с большим значением tgδ используется схема с параллельным включением (рис. 5.7,б), так как при последовательном включении сопротивление R₃ должно быть большим. Равновесие моста определяется выражениями

(5.17)

(5.18)

(5.19)

Метод сравнения с мерой не очень точен при измерении емкости с малым тангенсом угла диэлектрических потерь.

Для измерения емкости и для точного определения tgδ может использоваться мост, схема которого показана на рис. 5.7, в. Условия равновесия описываются выражениями

(5.20)

(5.21)

(5.22)

В этой схеме С₃ – образцовая емкость с малым tgδ, С₄ и R₄ регулируются до достижения равновесия.