Компенсаторы переменного тока. Полярно- и прямоугольно-координаторные. Схемы и особенности компенсаторов переменного тока

2.3.1 Принцип действия потенциометров переменного тока.

Этот прин­цип заключается в том, что измеряемая э.д.с. уравновешивается известным компенсационным напряжением, создаваемым рабочим током на участке сопротивления рабочей цепи.

Для уравновешивания двух напряжений переменного тока необ­ходимо равенство этих напряжений по модулю, противоположность по фазе, равенство частоты и идентичность формы кривой. Первые три условия можно обеспечить путем выбора принципиальной схемы потенциометра и питания исследуемой цепи и потенциометра от одного источника. Последнее условие обеспечивается дополни­тельными мерами.

В качестве нуль-индикаторов, так же как и в мостах переменного тока, применяются вибрационные гальванометры, электроннолу­чевые нуль-индикаторы или усилители с указателями выходного сигнала.

При помощи потенциометров переменного тока можно измерять напряжения и э. д. с. переменного тока и косвенно ток, сопротив­ление, магнитный поток и другие величины. Потенциометры пере­менного тока позволяют определять не только значения величин, но и их фазу.

Применение потенциометров переменного тока необходимо так­же при измерениях напряжений и э. д. с., в таких цепях, в которых включение обычного прибора непосредственной оценки может нару­шить режим этой цепи вследствие потребления мощности и тем са­мым исказить результаты измерений.

Потенциометры переменного тока по точности измерений зна­чительно уступают потенциометрам постоянного тока. Это объяс­няется главным образом тем, что не существует меры э. д. с. пере­менного тока, аналогичной нормальному элементу. Рабочий ток в потенциометрах переменного тока приходится устанавливать по приборам ограниченной точности, обычно по амперметрам в лучшем случае класса точности 0,05 или 0,1 либо, как это будет показано далее, по нормальному элементу с использованием промежуточного термопреобразователя.

2.3.2 Устройство потенциометров переменного тока.

2.3.2.1Потенциометры, снабженные фазорегулятором, с помощью которого производится изменение фазы компенсирующего напря­жения до момента компенсации.

Такие по­тенциометры позволяют представить измеряе­мую э. д. с. Е_х в полярной системе коорди­нат и называются полярно-координатными.

2.3.2.2 Потенциометры, имеющие две рабочие цепи, в которых рабочие токи сдвинуты по фазе относительно друг друга на 90°, т.к. контура разделены с помощью воздушного трансформатора.

В этих потенциометрах измеряемое напряжение (э. д. с.) уравновешивается напряжением, оп­ределяемым по составляющим падений напря­жений на участках двух рабочих цепей. По­скольку эти составляющие сдвинуты по фазе на 90°, то потенциометры этого типа могут быть названы прямоугольно-координатными потен­циометрами или потенциометрами, измеряю­щими Е_х в прямоугольной системе координат. На рисунке 2.4 приведена схема потенцио­метра, измеряющего Е_х в полярной системе координат. Измеряемая э. д. с. (напряжение) подключается к за­жимам Е_х. Э. д. с. определяется по положению указателей движ­ков Д_в1 и Д_в2 на шкале калиброванной проволоки а — б и мага­зина сопротивлений б — в. Фаза напряжений на участке рабочей цепи регулируется фазорегулятором ФР, благодаря чему можно добиться практически полного отсутствия тока в нуль-индика­торе НИ. Отсчет сдвига фазы производится по фазорегулятору. Необходимое значение рабочего тока устанавливается по ампер­метру А при помощи реостата R.

Рисунок 2.4 – Схема потенциометра, измеряющего в полярной системе координат

На рисунке 2.5, а показана принципиальная схема потенциометра, измеряющего Е_х в прямоугольной системе координат.

Рисунок 2.5 - Схема потенциометра (а), измеряющего Е_х в пря­моугольной системе координат, и векторная диаграмма (б)

Потенциометр имеет две рабочие цепи А и Б. Рабочая цепь А состоит из калиброванной проволоки а — б, первичной обмотки _: «воздушного» трансформатора Тр_в (без стали), амперметра А и реостата R, Ток I₁ в этой цепи создает на калиброванной проволоке а — б падение напряжения U_a-б . Так как ток Д устанавливается заданного значения, то напряжение U_а-б будет определяться сопро­тивлением R_a-б калиброванной проволоки а — б, шкала которой может быть отградуирована в единицах напряжения. Вторая рабо­чая цепь Б состоит из калиброванной проволоки в — г, вторичной обмотки «воздушного» трансформатора Тр_в и магазина сопротив­лений R_f. Ток I₂ , протекающий во второй рабочей цепи, отстает по фазе от тока I₁ практически на 90°. Объясняется это тем, что при незначительном индуктивном сопротивлении вторичной цепи транс­форматора Тр_В ток I₂ будет практически совпадать по фазе с э. д. с. Е₂ и, следовательно, отставать по фазе на 90° от тока I₁ .

Падение напряжения 1/_в-г на сопротивлении R_e-a калиброванной проволоки в — г, создаваемое током I₂ при постоянном значении тока I₁ и частоте f будет также постоянным. Таким образом, шкалу калиброванной проволоки в — г также можно проградуировать в единицах напряжения. Поскольку сопротивления R_a-б и R_e-г проволок чисто активные, то напряжения U_{a б} и U_{в г} совпадут по фазе с токами, но будут сдвинуты относительно друг друга на 90°. Обычно значение тока I₂ при неизменном значении тока I₁ зависит от частоты, так как

(2.7)

где — угловая частота тока;

М — коэффициент взаимной индук­ции воздушного трансформатора;

R₂ — полное активное сопротив­ление второй рабочей цепи, включая и сопротивление вторичной обмотки трансформатора.

Из этого выражения следует, что изменение частоты f приведет к изменению тока I₂, а следовательно, и к изменению градуировки шкалы калиброванной проволоки в — г. Во избежание этого при изменении частоты необходимо изменять сопротивление R₂, так чтобы ( оставалось неизменным при всех частотах в пределах заданных значений. Для этой цели во второй рабочей цепи включен магазин сопротивлений R_f, значение сопротивления которого должно изменяться в зависимости от частоты источника пита­ния.

Главная входная цепь потенциометра состоит из источника измеряемого напряжения U_x (э. д. с. Е_х), нуль-индикатора НИ и участков калиброванных проволок Дв₁ — О и Дв₂ — О.

На рис. 2.5, б показаны координатные оси а — б и в — г, на которых отложены падения напряжений на участках Дв₁ — О и Дв₂ — О. При отсутствии тока в нуль-индикаторе геометрическая сумма этих падений напряжений равна по модулю измеряемому напряжению U_x, но сдвинута по отношению к нему на 180°.

Фазу и модуль U_x можно найти по составляющим, пользуясь следующими выражениями:

(2.8)

где U_x1 и U_x2, — составляющие вектор а измеряемого напряжения U_x, отсчитанные соответственно по шкалам калиброванной проволоки а — б и в — г; — угол между вектором U_x и составляющей U_x1 (или между —U_x и —U_xl).

При синфазности рабочего тока первого контура и напряжения питания потенциометра угол , как и в полярно-координатных представля­ет собой сдвиг фазы измеряе­мого напряжения относитель­но напряжения питания рабочего тока. Как указывалось выше, рабочий ток потенциометра можно контролировать при помощи амперметров, кото­рые могут обеспечить измерение тока с погрешностью 0,05—0,1%. Можно повысить
точность установки рабочего тока потенциометра (примерно до 0,02%) и, следовательно, точность измерения, при­меняя для установки рабочего тока компаратор, производящий сравнение постоянного тока с действующим значением перемен­ного тока.

2.3.2.3 Схема установки рабочего тока потенциометра при помощи компаратора с использованием термопреобразователя Тп.

На рисунке 2.6 приведена схема установки рабочего тока потенциометра при помощи компаратора с использованием термопреобразователя Тп.

Рисунок 2.6 - Схема установки при помощи компаратора

Первой опе­рацией является точная установка постоянного тока в цепи нагревателя термо­пары. Для этого переключатель В₂ должен быть установлен в положение 1, ключ В₃ разомкнут, переключатель B₁ также должен находиться в положении 1. Изменяя сопротивление резистора R₁ следует добиться отсутствия тока в нуль-индикаторе НИ, которое наступит при требуемом токе I, так как соответственно этому значению тока выбрано сопротивление резистора R_н. Затем переключа­тель В₁ ставится в положение 2 и фиксируется показание гальванометра, которое незначительно (желательно иметь ток в гальванометре равным нулю), что дости­гается выбором сопротивления резистора R_K. После установки постоянного тока I переключатель В₂ ставится в положение 2, замыкается ключ В₃, чем достигается неизменность тока I (сопротивление резистора R₀ должно быть точно равно со­противлению нагревателя термопары). Регулируя сопротивление резистора R₂,добиваются прежнего показания нуль-индикатора, которое, очевидно, будет при равенстве действующего значения переменного тока постоянному току .

2.3.2.4 Полярно-координатные компенсаторы переменного тока.

В полярно-координатном компенсаторе, схема которого изображена на рисунке 2.7, измеряемое напряжение уравновешивается компенсационным напряжением с переменной амплитудой и фазой .

Рисунок 2.7 –Схема полярно-координатного компенсатора переменного тока

В соответствии с тем, что

(2.9)

Равновесие компенсационной схемы происходит при условии равенства амплитуд и модулей фазовых углов компенсационных напряжений, т.е.

(2.10)

Компенсационное напряжение снимают с компенсационного резистора , который, из условия , градуируют в вольтах. Фазу компенсационного напряжения регулируют фазорегулятором ФР.

Переменной и добиваются равновесия компенсационной схемы, которую фиксируют по нулевом показателе ноль-индикатора, и по соответствующим значениям рассчитывают амплитуду , а по показаниям фазорегулятора – фазу измеряемого напряжения .

Полярно-координатные компенсаторы серийно не выпускают, но в практике измерения электрических и магнитных величин их использут также, как и прямоугольно-координатные.

Список использованной литературы

1 Электрические измерения: Учебник для вузов/ Байда Л.И. Добротворский Н.С., Душин Е.М. и др.; Под ред. А.В. Фремке и Е.М. Душина.- 5-е изд., перераб. и доп.- Л.: Энергия. Ленинград. отд-ние, 180.- 392 с.

2 3 А.В. Фремке и Е.М. Душина.- 5-е изд., перераб. и доп.- Л.: Энергия. Ленинград. отд-ние, 180.- 392 с.Основи метрології та вимірювальної техніки: Підручник: У 2 томах./ М. Дорожовець, В. Мотало, Б. Стадник, В. Василюк, Р. Борюк, А. Ковальчик; За ред. Б. Стадника.-Львів: Видавництво Національного університету “Львівська політехніка”, 2005. Том 2.

3 Конспект лекций по курсу “Методы и способы измерений”.