Компенсационный метод измерения
КОМПЕНСАЦИОННЫЙ МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ
Компенсационный метод (метод противопоставления) измерения заключается в
уравновешивании, осуществляемом включением на индикатор равновесия либо
двух электрически
[pic]
Рис. 7.2, Схема компенсации напряжений
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.
7.2); б) электрических токов (рис. 7.3).
[pic]
Рис. 7.3. Схема компенсации токов
Схема, показанная на рис. 7.2, наиболее распространенная. В ней
измеряемое напряжение Ux компенсируется равным, но противоположным по знаку
известным напряжением UK. Падение напряжения UK создается током / на
изменяемом по значению компенсирующем образцовом сопротивлении RK.
Изменение Rк происходит до тех пор, пока UK не будет равно Ux. 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 1,01865 В при температуре 20 °С, внутреннее
сопротивление 500—1000 Ом, ток перегрузки 1 мкА. С изменением температуры
окружающей среды значение ЭДС уменьшается на каждый градус повышения
температуры:
Et = E20 - 0,00004 (t - 20) - 0,000001 (t ~ 20)2, (7.3)
где E t — ЭДС при температуре t, °С; E20 — ЭДС при 20 °С.
Схема компенсатора представлена на рис. 7.4. Она содержит источник
вспомогательной ЭДС Eвсп для питания рабочей цепи, в которую включают
регулировочное Rp, компенсирующее RK и образцовое RH сопротивления. К
зажимам НЭ подключают нормальный элемент, ЭДС которого Eнэ, к зажимам X —
искомую ЭДС Ех. 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 Eвсп (положение 1 переключателя В);
2) измеряют искомую ЭДС Ех (положение 2 переключателя В).
Для установки рабочего тока предварительно определяют температуру
окружающей среды, затем по (7.3) вычисляют точное значение ЭДС
нормального элемента для данной температуры. Далее устанавливают
образцовое сопротивление RH, значение которого выбирают в зависимости
от значений тока в рабочей цепи и ЭДС при температуре t (сопротивление RK
состоит из катушки с постоянным значением сопротивления и последовательно
соединенной с ней температурной декадой). Затем переключатель В ставят в
положение 1 и ЭДС
[pic]
Рис. 7.4. Схема компенсатора
нормального элемента противопоставляют падению напряжения на Ru, которое
регулируется с помощью изменяющего значение тока / в рабочей цепи
резистором Rp. Момент компенсации соответствует нулевому отклонению
гальванометра G, т. е. Eнэ = IRn.
После установления рабочего тока I для измерения Ех переключатель В
ставят в положение 2 и регулировкой образцового компенсирующего
сопротивления Rк вновь доводят до нуля ток в цепи гальванометра G. Тогда
[pic] (7.4)
где I — значение тока, установленное при положении 1 переключателя В;RK—
значение образцового компенсирующего сопротивления, при котором имеет место
состояние равновесия.
Сопротивление RK 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. 7.5) и
шунтирующими декадами (рис. 7.6). 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
[pic]
Рис. 7.5, Схема с замещающими декадами
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.
[pic]
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 RK обеспечивают
неизменность его полного значения, а следовательно, и неизменность тока I в
момент компенсации, если ЭДС вспомогательного источника Eвсп — 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
[pic]
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
10000—40000 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 RH 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
[pic]
Рис. 7.7. Схема измерения постоянного напряжения дифференциальным
методом
измеряемым и образцовым напряжением при их неполной компенсации. Схема
измерения представлена на рис. 7.7. Высокоомный электронный вольтметр у! с
чувствительным пределом служит для измерения разностного напряжения между
измеряемым Ux и образцовым UK напряжениями. Магнитоэлектрический аналоговый
или цифровой вольтметр У2 используется для измерения образцового напряжения
1/к. Рекомендуется при UK — 0 измерить вольтметром V1 ориентировочное
значение Ux, а уже затем установить по вольтметру V2 удобное для отсчета
напряжение UK. Измеряемое напряжение Ux при указанной полярности включения
вольтметра V1 определяется как Ux=UK +?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) (7.7)
намного превышает входное сопротивление rvi вольтметра Vt.
Гальванометрические компенсаторы служат для измерения малых постоянных
напряжений (порядка 10~8 В). Основными элементами гальванометрического
компенсатора (рис. 7.8) являются: измерительный механизм
магнитоэлектрического зеркального гальванометра G, образцовый резистор
обратной связи Rк, фоторезисторы ФR1 и ФR2, источники постоянного
напряжения с Е1 = Е2, магнитоэлектрический микроамперметр.
На зеркальце гальванометра G направлен луч света от прожектора Пр. При
отсутствии напряжения Vх луч света, отраженный от зеркала,
Страницы: 1, 2
