Четвърта Сравнителни методи за измерване 1 Компенсатори



страница1/3
Дата15.10.2018
Размер3.35 Mb.
#87741
ТипГлава
  1   2   3
Глава четвърта

Сравнителни методи за измерване
4.1 Компенсатори

4.1.1. Общи сведения за сравнителните методи за измерване

При сравнителните методи измерването се заключава в установяване на равенство или определено съотношение между стойността на измерваната величина и нейната мярка. Мярката може да бъде еднородна с измерваната или нееднородна.

Всички сравнителни методи според характера на сравнението се делят на две групи: едновременно сравнение и сравнение в различно време. Първата група се характеризира с едновременно участие на мярката и измерваната величина в процеса на измерване. Тази група включва следните методи със сравняване: нулев, диференциален и метод на съвпадението. При нулевия метод измерваната величина се сравнява с мярка, а резултатът върху индикатора се свежда до нула. Той е намерил приложение в измервателните мостове и компенсаторите за постоянен и променлив ток с ръчно или автоматично уравновесяване. Нулевият метод се характеризира с висока точност. Например, компенсаторите за постоянен ток и напрежение могат да бъдат използвани като образцови средства за измерване, т.е. за проверка класа на точност на други уреди. По компенсационния метод се проверяват уреди с клас на точност 0,5 и по-точни (с класове на точност 0,2; 0,1; 0,05). Практически се препоръчва съотношението между класовете на точност на образцовия и на проверявания уреди да бъде 1:3 до 1:5.

Диференциалният метод също използва сравнение на търсената величина с мярка с известна стойност, при което се измерва разликата между тях. Методът със съвпадение се използва за определяна на стойността на измерваната величина с помощта на уреди за общо предназначение, например осцилограф за измерване на честотата на сигнала.

Към метода за сравнение в различно време се отнася методът със заместване, при който последователно с едно средство се измерват неизвестната величина и еднородна на нея величина с известна стойност. По резултатите от тези измервания се изчислява стойността на търсената величина. Този метод се характеризира с малка грешка от измерването, тъй като измерванията се провеждат с едно и също средство в еднакви условия. На фиг. 4.1 е показана схема за измерване на неизвестното съпротивление на резистор RX, илюстрираща метода за сравнение в различно време.


фиг. 4.1


При различните положения на превключвателя П с амперметъра се измерват стойностите на токовете: и . Стойността на измерваната величина се определя така:

(4.1) .

В процеса на измерване захранващият източник трябва да бъде един и същ, а съпротивлението на източника и на амперметъра трябва да е много по-малко от съпротивлението на образцовия резистор (мярката) и неизвестното RX.

Нулеви индикатори. Нулевите индикатори представляват високочувствителни уреди, с които се установява отсъствие на напрежение или ток в дадена електрическа верига. Използват се в компенсаторите за постоянен и променлив ток и в измервателните мостове.

Обикновено като нулеви индикатори за постоянен ток се използват магнитоелектрически галванометри, които се характеризират с надеждна работа и висока чувствителност. Недостатък е чувствителността им към удари и вибрации, а също така и към претоварване по ток. В някои случаи те се заменят с електронни волтметри за постоянно напрежение. Като нулеви индикатори за променлив ток при честоти 20÷100Hz се използват вибрационни галванометри. При честоти 1000÷2000Hz, където човешкото ухо е най-чувствително, като нулев индикатор за променлив ток може да се използват телефонна слушалка, която реагира на електрическа мощност. Над 3000Hz чувствителността намалява.

Нулевите индикатори за променливо напрежение представляват високочувствителни електронни волтметри с ненормиран клас на точност. Те се състоят от селективен усилвател, атенюатори за стъпкова и плавна промяна на усилването, детекторен волтметър и електроннолъчев индикатор или електроннолъчева тръба. Нулевите индикатори с електроннолъчева тръба са осцилоскопи със селективен Y-усилвател, но без генератор за развивка. Селективният усилвател е с голям коефициент на усилване за резонансната честота. Чрез него се отстранява влиянието на хармоничните съставляващи в основния сигнал и на външни индуктирани паразитни е.д.н., с честотата на мрежовото захранване. Детекторният волтметър се включва на изхода на селективния усилвател.

Изборът на нулев индикатор зависи от чувствителността на схемата по напрежение или ток, напрежението и честотата на захранващия източник, влиянието на вътрешното му съпротивление върху измервателния процес и др.


4.1.2. Компенсатори за постоянно напрежение

Принципът на работа на компенсаторите за постоянно напрежение се основава на нулевия сравнителен метод. Измерваното (неизвестно) напрежение се компенсира с регулируемо образцово (известно) напрежение (фиг. 4.2), което се формира като напрежителен пад при точно известни стойности на и .



фиг. 4.2
Условието за равновесие (през нулевия индикатор не протича ток) е:

(4.2) .

Следователно, чрез компенсационния метод може да се измерва точно електродвижещото напрежение (е.д.н.) на различни източници.

Компенсаторите за постоянно напрежение могат да се използват за измерване по косвен начин и на ток и съпротивление. За разширяване на измервателния обхват на компенсатора се прилагат образцови делители на напрежение.

На фиг. 4.3 е дадена принципна схема на компенсатор за постоянно напрежение. Тя включва източник на напрежение DC (стабилизиран токоизправител), регулируем резистор (реостат) , чрез който се регулира работния ток при нестабилност на захранващия източник, два точни многоразредни резистора и (съпротивителни декади), баластно съпротивление със стойност , чрез което нулевият индикатор (високочувствителен магнитоелектрически галванометър) G и нормалният елемент се предпазват от претоварване и поляризиране, съответно. За нормална работа на компенсатора сумата от стойностите на двете променливи образцови съпротивления и трябва да бъде винаги постоянна:

(4.3) .
Е.д.н. на източника DC при всички случаи трябва да бъде по голямо от е.д.н. или . Като нулев индикатор се използва високочувствителен магнитоелектрически галванометър. Приложение намират и електронни нулеви индикатори, защитени от претоварване чрез специални насищащи се електронни усилватели.

фиг. 4.3
В зависимост от електролита нормалните елементи биват два вида – наситени и ненаситени. Метрологичните характеристики се определят от стабилността на е.д.н. и от температурната му зависимост. Класът на точност на нормалните елементи се определя по относителното изменение на е.д.н. в проценти за една година. Ненаситените нормални елементи са с клас 0,2, а наситените 0,001; 0,002 и 0,005. Нормалните елементи са източник на е.д.н. и практически допускат много малка консумация на ток. Максимално допустимия ток за наситените е 1μA, а за ненаситените - 10 μA. Температурната зависимост на е.д.н. на ненаситените нормални елементи се определя по формулата [4]:

(4.4) ,

където е стойността на е.д.н. при температура t, V е стойността на е.д.н. при температура C. Поправката се дава в табличен вид. Това е един пример за коригиране на систематична грешка. При известна стойност на температурата t, се определя е.д.н. на нормалния елемент

(4.5)

Големината на работния ток се задава в зависимост от очаквания порядък на стойността на измерваното е.д.н. (или напрежение ). В съответствие с това компенсаторите за постоянно напрежение в зависимост от съпротивлението на работната верига се делят на два вида:

- компенсатори с голямо съпротивление (високоомни – около 104Ω), с измервателен обхват 0÷2,5V, работен ток A;

- компенсатори с малко съпротивление (нискоомни – около 10÷2000Ω), за измерване на напрежение до 100mV, работен ток A.

Редът за измерване на неизвестното е.д.н. (или напрежение ) по схемата на фиг. 4.3 е следният. Задава се стойност на работния ток , съответстваща на високоомни компенсатори (). За тази цел при известна стойност на нормалния елемент и стойност на тока от равенството се определя и се нагласява с декадите на този резистор. Превключвателят П1 се поставя в положение 1 и токът се променя с реостата до нулево показание на галванометъра G ( се постига след шунтиране на предпазния баластен резистор с ключа П2 ). Така токът е установен на избраната за него стойност и след това стойностите на резисторите и не трябва да се променят. Ключът П2 се отваря.

За измерване на превключвателят П1 се поставя в положение 2. Така се превключва на напрежителен пад . От условието (4.3) се определя стойността на , за която е налице компенсация на . Определените стойности и се установяват на резисторните декади. След поставяне на стойността на и ключа П1 в положение 2, трябва през галванометъра G да не протича ток (), като окончателното равновесие се постига при затворен ключ П2. Така се определя стойността на чрез известните стойности на , и :

(4.6) .

Предимства на компенсаторите:

1) може да се измерва действителната стойност на е.д.н. на източници, независимо от вътрешното им съпротивление и съпротивлението на свързващите проводници, тъй като при постигнато равновесие през обекта на измерването ток не протича. Следователно, може с пълно основание да се твърди, че се измерва правилно действителната стойност на е.д.н. , а не някаква потенциална разлика. По този повод може да се каже, че няма друг начин, който да предлага измерването на е.д.н. при подобни условия.

2) на основата на закона на Ом компенсаторите могат да се използват за точно измерване на токове и съпротивления. Например измервания ток се пропуска през образцов резистор и полученият напрежителен пад се измерва с компенсатор. Търсената стойност се определя от:

(4.7) .

3) Процесът на компенсиране може да се автоматизира. При тях равенството се постига чрез регулиране с помощта на реверсивен двигател, управляван от индикаторната верига на компенсатора. Нулевият индикатор е заменен с високочувствителен усилвател на разликата между и (некомпенсацията), а валът на реверсивния двигател е свързан с регулируемото съпротивление. Образуваната отрицателна обратна връзка действа в посока на намаляване на разликата . Автоматичните компенсатори са с по-нисък клас на точност от декадните ръчно регулируеми компенсатори поради по-ниска чувствителност на двигателя, шумове в електронните звена и др. Автоматичните компенсатори обикновено се използват като регистриращи (записващи) уреди.

4) компенсационните методи принадлежат към най-точните и съвършени методи. Например грешката, която се прави при измерване на една потенциална разлика от 1V, при специални случаи може да се сведе до 0,005%. За да се определи стойността на измерваното е.д.н. , (или напрежение ) се изхожда от е.д.н. на нормалния елемент и образцовите съпротивления и , стойностите на които са известни с голяма точност. Стойностите на първокласните нормални елементи и образцови съпротивления се определят с точност до 0,001%, а стойностите на второкласните – с точност до 0,01%, т.е. имат систематични грешки в петия или четвъртия знак след нулата. Освен това, при отчитане на равновесието се използва единствено нулевия репер на галванометъра и по този начин липсват грешките, които произлизат от неправилно градуираните скали на уредите.

При компенсаторите работният ток не се избира случайно. На него се придава такава стойност, че на всяко едно от образцовите съпротивления и да се получи напрежителен пад от 10nV, където n е цяло отрицателно число. Това улеснява работата, особено при серийни измервания, и позволява потенциометърът (компенсаторът) да се градуира директно във волтове.

Пример [4]: Трябва да бъде измерен ток A. Измерването на този ток с прецизен амперметър не гарантира необходимата точност. Чрез компенсационния метод измерването се извършва като от израза и A се получава Ω. Ако е известно, че температурата е 200C, е.д.н. V и се изчислява Ω. Тази стойност се установява на декадното съпротивление . Приема се сумата да се поддържа 11110 Ω, следователно от условието (4.3) се определя =11110–10186=924Ω. Тази стойност се установява на съпротивлението . След това се включва нормалния елемент чрез ключа П1 (фиг. 4.3) и с реостата се уравновесява галванометъра G, така че . При това равновесие на компенсатора е очевидно, че A. Уравновесява се отново компенсатора за измерваното и се намира стойността му (след превключване на П1 в положение 2 от израза (4.6) V.

От изложеното се подразбира, че точността на измерването при компенсационните методи зависи от постоянството на работния ток , което се поддържа с регулируемия резистор.



При измерване на напрежения, чиито стойности са по-големи от измервателния обхват на компенсатора се използват делители на напрежение. Това са образцови секционирани съпротивления, групирани по така, че приложното им напрежение може да се редуцира в десетократни стойности.

На фиг. 4.4 е показана схема на делител на напрежение с общо съпротивление R=100000Ω, разчленено на секции от 10, 90, 900, 9000, 90000Ω. Измерваното напрежение се подава към изводи + и - на делителя. Делителят на напрежение се включва на мястото на е.д.н. (фиг. 4.3). Така приложеното напрежение се редуцира и чрез съответното съпротивление r се снема определена част от него.



фиг. 4.4
Към компенсатора се подвеждат тези краища на делителя (ab, ac, ad, ae), между които напрежителния пад не превишава стойността на нормалното напрежение на компенсатора. В момента на компенсация в компенсатора не протича ток, т.е. през целия делител и през частта r преминава един и същ ток. Така падът на напрежение в участъка със съпротивление r е пропорционален на съпротивлението r. Токът през делителя е:

(4.8) .

Така чрез стойността на измереното от компенсатора напрежение UXr може да се изчисли неизвестното :

(4.9) ,

където отношението R/r се нарича коефициент на делителя.



При измерване на електрически ток с компенсатор се използва схема, показана на фиг. 4.5.

фиг. 4.5
Във веригата на измервания ток се включва малко образцово съпротивление R0 и с компенсатора се измерва падението на напрежение в него. Неизвестната стойност на тока може да се изчисли по закона на Ом:

(4.10) .
Съпротивления може да се измерят с помощта на компенсатор по схемата на фиг. 4.6.

Неизвестното съпротивление RX се включва последователно с образцово съпротивление R0. С компенсатора се измерва последователно падът на напрежение в тези съпротивления и . През двете съпротивления протича ток с една и съща стойност I:

(4.11) .

Следователно

(4.12) .

фиг. 4.6
Поради високата точност на резултата от измерването, компенсаторите се използват за проверка и еталониране на прецизни амперметри и волтметри. Схемите на включване са показани на фиг. 4.6 а и б.






а) б)

фиг. 4.7
Проверка на волтметри се извършва по схемата на фиг. 4.7 а. Реостатът R е с голямо съпротивление. Товарното съпротивление се включва за предпазване на източника от късо съединение. Проверката се извършва като плазгачът на реостата се премества постепенно от крайно дясно в ляво положение и обратно. За различните положения на плъзгача се отчитат показанията на проверявания волтметър и се изчислява измерената от компенсатора стойност на същото напрежение. Стойностите на и се сравняват и се изчислява допуснатата относителна грешка:

(4.13)

и корекционният фактор за различни точки от скалата на волтметъра. При по-голям обхват на скалата на проверявания волтметър се използва делител на напрежение, който се включва между волтметъра и компенсатора.

Проверката на амперметри се извършва по схемата на фиг. 4.7 б. Променливите съпротивления R1 и R2 служат за грубо и фино регулиране на тока. Чрез тях се задават различни стойности на тока през амперметъра, така че стрелката да показва съответните деления върху скалата. Образцовото съпротивление R0 се включва последователно на амперметъра паралелно към компенсатора. Стойността на тока се изчислява от:

(4.14) .

Стойността на образцовото съпротивление R0 е известна, а стойността на U0 се измерва с компенсатора. Стойността на тока от (4.14) се сравнява с измерения от амперметъра Ix и се изчислява относителната грешка:

(4.15)

и корекционният фактор .

Компенсаторите може да се използват за проверка и градуиране на прецизни електродинамични ватметри. За целта последователно на токовата бобина се включва образцово съпротивление R0, а напрежението към напрежителната бобина се подава през потенциометър. Чрез превключвател последователно се измерва падът на напрежение в образцово съпротивление и се изчислява стойността на тока в токовата бобина. След това компенсаторът (през делител на напрежение) измерва напрежението, подавано към напрежителната бобина на ватметъра от потенциометъра. Произведението на измерените стойности на тока и напрежението представлява действителната стойност на измерената мощност. За различни точки от скалата на ватметъра се изчислява относителната грешка:

(4.16)

и корекционният фактор .


Каталог: Home -> Emo -> СЕМЕСТЪР%203 -> електрически%20измервания
електрически%20измервания -> Измерване на електрически величини с виртуални инструменти I цел на упражнението и задачи за изпълнение целта на упражнението
СЕМЕСТЪР%203 -> Васил Левски " Факултет "
СЕМЕСТЪР%203 -> Същност и разпределение на металите в периодичната система на елементите
СЕМЕСТЪР%203 -> Защитни свойства на металните покрития. Електрохимично отлагане на метали
електрически%20измервания -> Пета електронни измервателни уреди Електронни аналогови измервателни уреди
електрически%20измервания -> Изследване на терморезисторен преобразувател и приложението му за измерване на температура целта на упражнението


Сподели с приятели:
  1   2   3




©obuch.info 2024
отнасят до администрацията

    Начална страница