Компенсационный метод измерения Компенсационный метод (метод противопос­тавления) измерения заключается в уравновешивании, осуществляе­мом включением на индикатор равновесия либо двух электрически 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). 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 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 (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 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. 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 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 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, одинаково освещает фотосопро­тивления, в результате ток Iк = 0. При подаче на вход измерителя напряжения Ux в цепи гальванометра G появ­ляется ток Iг, подвижная часть гальванометра повора­чивается на некоторый угол и происходит перераспределе­ние освещенности фоторези­сторов и изменение их соп­ротивлений. Рис. 7.8 Согласно схеме включения фоторезисторов и полярности Uх сопротивление фоторезистора ФR1 уменьшится, а ФR2 увеличится. Через резистор RK потечет ток Iк, создавая на RK компенсирующее напряжение UK, почти равное измеряемому напряжению Ux. Значение тока Iк авто­матически изменяется в зависимости от изменения измеряемого напряжения Ux, но всегда так, что выполняется условие Ux ~ UK обеспечиваемое за счет небольших изменений тока Iг в цепи галь­ванометра: Iг -= (Ux – UK)/(Rr + RK) = ∆U/(Rr + RK). (7.8) Чем чувствительнее гальванометр, тем при меньших измене­ниях IГ произойдет соответствующее изменение тока Iк, нужное для выполнения условия UK ≈UX. Повышение чувствительности достигается благодаря примене­нию специальной конструкции гальванометра, что обеспечивает при токах порядка 10~10— 10~14 А максимальный угол поворота подвижной части. Значение компенсирующего тока Iк зависит от значений E1 = E2, относительного изменения фотосопротивлений и может достигать нескольких десятков микроампер. Гальванический компенсатор имеет высокую чувствительность :при высоком входном сопротивлении. Электрометрические компенсаторы — измерители напряжения, использующие электромеханический электрометр и имеющие весьма • высокое входное сопротивление (1016—1017 Ом). Они просты ,и удобны в эксплуатации. Электромеханический электрометр представляет собой чувствительный электростатический измерительный механизм, легкая подвижная часть которого подвешивается на тонкой упругой нити. В механизме применяется световой ука­затель положения подвижной части. Схема электрометрического компенсатора представлена на рис. 7.9, где электрический электро­метр, состоящий из двух неподвижных обкладок 1, 2 и подвижной обкладки 3, расположенной симметрично относительно неподвиж­ных. Рис. 7,9, Схема электрометрического компенсатора К подвижной обкладке прикреплено миниатюрное зеркальце. На неподвижные обкладки подается напряжение возбуждения UВ, что позволяет повысить чувствительность и возможность установки нуля показаний электрическим путем (при замкнутых зажимах Ux посредством переменного резистора R0). Принцип работы элект­рометрического компенса­тора аналогичен работе гальванометрического ком­пенсатора. При подключении изме­ряемого напряжения Ux подвижная часть электро­метра Э повернется на не­который угол, что приве­дет к перераспределению световых потоков, освещаю­щих фоторезисторы ФRl и ФR2 к появлению тока компенсации Iк и соответст­венно напряжения UК, уравновешивающего измеряемое напря­жение Ux. Подвижная часть электрометра будет отклоняться до тех пор, пока не наступит равенство напряжений Ux = UK. Так как сопротивление резистора обратной связи RK может быть незначительным, то ток Iк может быть сравнительно большим и измеряться микроамперметром. Входной ток компенсатора опре­деляется токами утечки, поэтому он мал,