Компенсаторами (или потенциометрами) называются приборы для измерения методом сравнения ЭДС, напряжений или величин, функционально с ними связанных. Существуют компенсаторы как постоянного, так и переменного тока [2, 5].
Принцип действия компенсатора основан на уравновешивании (компенсации) измеряемого напряжения известным падением напряжения на образцовом резисторе. Момент полной компенсации фиксируется по показаниям индикаторного прибора (нуль-индикатора).
Рис. 20. Схема компенсатора постоянного тока | Упрощенная схема компенсатора постоянного тока приведена на рис. 20. Схема содержит источник образцовой ЭДС Е н, образцовый резистор R 0, вспомогательный источник питания ВБ (обеспечивает протекание рабочего тока I в цепи, составленной из последовательно соединенных резисторов R, R 0, R 1), переменное сопротивление R, регулировочный реостат R1 и нуль-индикатор НИ. Нуль-индикатором служит обычно гальванометр с нулем посередине шкалы. |
В качестве источника образцовой ЭДС (меры ЭДС) используется нормальный элемент – изготавливаемый по специальной технологии гальванический элемент, среднее значение ЭДС которого при температуре 20°С известно с точностью до пятого знака – Е н=1,0186 В. При помощи переключателя П гальванометр можно включать либо в цепь нормального элемента (положение 1), либо в цепь измеряемого напряжения (положение 2).
В соответствии с идеей метода измеряемое напряжение Ех необходимо сравнить с падением напряжения, создаваемым рабочим током I на части Rх переменного сопротивления R.
Процесс измерения напряжения состоит из двух операций: установления рабочего тока I и уравновешивания измеряемого напряжения Ех напряжением, создаваемым рабочим током на Rх. Для установления рабочего тока переключатель П ставят в положение 1 и, регулируя сопротивление R 1, добиваются отсутствия тока в гальванометре. Это будет иметь место в том случае, когда падение напряжения на резисторе R 0 станет равным ЭДС нормального элемента:
.
Таким образом, при отсутствии тока в цепи гальванометра рабочий ток
. (29)
После этого переходят ко второй операции: переключатель П устанавливают в положение 2 и при помощи переменного сопротивления R устанавливают такое значение сопротивления Rх, при котором происходит уравновешивание измеряемого напряжения падением напряжения IRх. Это произойдет тогда, когда ток через гальванометр снова будет отсутствовать. В результате уравновешивания
. (30)
После подстановки выражения для рабочего тока I (29) в (30) получим
. (31)
Из (31) следует, что при постоянстве значений Е ни R 0 шкала сопротивления R может быть проградуирована непосредственно в единицах напряжения постоянного тока.
Так как в момент равновесия ток в цепи индикатора отсутствует, то можно считать, что входное сопротивление R вх компенсатора (со стороны измеряемого напряжения) равно бесконечности, т.е. R вх=¥. Отсюда следует одно из основных достоинств компенсатора – отсутствие потребления мощности от объекта измерения, т.е. возможность измерения ЭДС.
Современные потенциометры постоянного тока выпускают классов точности от 0,0005 до 0,2. Верхний предел измерения не превосходит 1…2,5 В. Нижний предел может составлять единицы нановольт. Для измерения более высоких напряжений применяются схемы с делителем напряжения. Промышленностью выпускаются компенсаторы с ручным и автоматическим уравновешиванием.
Компенсаторы переменного тока значительно уступают по точности компенсаторам постоянного тока.
Измерительные мосты
Важным классом устройств, предназначенных для измерения параметров электрических цепей (сопротивления, емкости, индуктивности и др.) методом сравнения, являются мосты [5]. Сравнение измеряемой величины с образцовой мерой, которое производится в процессе измерения при помощи моста, может осуществляться вручную или автоматически, на постоянном или на переменном токе. Мостовые схемы обладают большой точностью, высокой чувствительностью, широким диапазоном измеряемых значений параметров. На основе мостовых методов измерения строятся средства измерения, предназначенные как для измерения какой-либо одной величины, так и универсальные аналоговые и цифровые приборы. На основе мостовых схем выпускаются приборы и для измерения неэлектрических величин – температуры, перемещения и т.д.
| Рис. 21. Схема одинарного моста постоянного тока | В простейшем случае мостовая схема содержит четыре резистора, соединенных в кольцевой замкнутый контур. Такую схему имеет одинарный мост постоянного тока (рис. 21). Резисторы R 1, R 2, R 3 и R 4 этого контура называются плечами моста, а точки соединения соседних плеч – вершинами моста. Цепи, соединяющие противоположные вершины, называются диагоналями. Одна из диагоналей (3 – 4) содержит источник питания и называется диагональю питания, а другая (1 – 2) – указатель равновесия G и называется измерительной диагональю. |
В мостах постоянного тока в качестве индикатора обычно используется гальванометр, а в мостах переменного тока – электронный милливольтметр. В случае моста переменного тока его плечи могут включать в себя не только резисторы, но также конденсаторы и катушки индуктивности, т.е. сопротивления могут иметь комплексный характер.
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.
Соотношение между сопротивлениями плеч, при котором мост уравновешен, называется условием равновесия моста. Это условие можно получить, используя законы Кирхгофа для расчета мостовой схемы. Например, для одинарного моста постоянного тока зависимость протекающего через гальванометр тока IG от сопротивлений плеч, сопротивления гальванометра RG и напряжения питания U имеет вид
. (32)
Из (32) следует, что IG =0 при
. (33)
Это и есть условие равновесия одинарного моста постоянного тока, которое можно сформулировать следующим образом: для того чтобы мост был уравновешен, произведения сопротивлений противолежащих плеч должны быть равны. Если сопротивление одного из плеч неизвестно (например, R 1 =Rx), то условие (33) будет иметь вид
.
Таким образом, измерение при помощи одинарного моста можно рассматривать как сравнение неизвестного сопротивления Rx с образцовым сопротивлением R 2 при сохранении неизменным отношения R 3 /R 4. По этой причине плечо R 2 называют плечом сравнения, плечи R 3 и R 4 – плечами отношения.
Основная погрешность уравновешенного моста определяется чувствительностью гальванометра, чувствительностью схемы, погрешностью сопротивлений плеч, а также сопротивлениями монтажных проводов и контактов. При этом ограниченная чувствительность гальванометра и мостовой схемы приводит к погрешности от неполного уравновешивания мостов.
Чувствительность гальванометра SG представляет собой отношение приращения отклонения стрелки Da к приращению тока D IG через гальванометр:
.
Чувствительность мостовой схемы к току S сх I определяется как отношение изменения выходного сигнала D IG к изменению входного сигнала D Rx:
.
Чувствительность моста S м = Da/D Rx можно представить в виде
. (34)
Необходимая чувствительность моста достигается рациональным выбором мостовой схемы, индикатора нуля и напряжения питания моста.
Автоматизация производственных процессов потребовала создания и широкого использования автоматических устройств для измерения температуры и других неэлектрических величин. Очень часто изменение этих величин преобразуется в изменение электрического сопротивления, которое и измеряется.
На рис. 22 приведена схема автоматического моста для измерения активного сопротивления Rx. Схема по существу представляет собой обычный одинарный мост, уравновешивание которого достигается перемещением ползунка реохорда, включенного в измерительную диагональ. Перемещение осуществляется при помощи реверсивного двигателя РД, ротор которого вращается до тех пор, пока не будет достигнуто равновесие моста, т.е. пока ток в измерительной диагонали не будет равен нулю. В этом случае управляющий сигнал на выходе усилителя тока исчезнет и двигатель остановится. Одновременно с перемещением ползунка реохорда происходит движение указателя и пера регистрирующего устройства, если таковое имеется. Если сопротивление в одном из плеч изменить, то мост будет разбалансирован, в
Рис. 22. Схема автоматического моста | измерительной диагонали появится ток и процесс автоматического уравновеши-вания повторится вновь. Питание моста обычно производится переменным током, поскольку в этом случае схема оказывается проще, чем при использовании постоянного тока. Приведенная погрешность автоматических мостов равна 0,25 – 0,5%. |
Конструктивно мосты обычно выполняют в металлическом корпусе, на панели которого размещаются ручки магазина образцовых сопротивлений (плечо сравнения), переключатели плеч отношения, зажимы для подключения измеряемого объекта, наружного гальванометра, источника питания. Некоторые мосты выпускаются со встроенными гальванометрами.
Схемы и конструкции автоматических мостов переменного тока для измерения емкости и индуктивности значительно сложнее и обеспечивают меньшую точность.