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} E_x

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

U_x1 U

a D₁ O₁ b Tp -U_x

I₁ в E₂ I₂ U_x2

O₂ α

U_x2 r_f a б

^ни U_x 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 U_аб определяется величиной сопротивления r_аб, которое может быть проградуировано в единицах напряжения.

Контур Б состоит из вторичной обмотки трансформатора Тр, реохорда вг и резистора r_f .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 U_в2 на реохорде в2 при постоянном токе I₁ и частоте f также будет постоянно, поэтому шкалу реохорда также можно проградуировать в единицах напряжения. Напряжения U_аб и U_в2 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 r_f , 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 U_x, 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 U_x, но сдвинута по отношению к нему на π . Величину и фазу вектора U_x можно найти по составляющим U_x1 и U_x2 :

U_x = √ U_x1² + U_x2²

tg φ = U_x2/U_x1

Угол φ представляет собой сдвиг фаз питающего напряжения U_x относительно напряжения питания U.