Компенсационные измерительные схемы

Компенсационные схемы используют для измерения неэлектрических величин, которые преобразуются датчиками в ЭДС или напряжение. Сигнал датчика сравнивается с компенсирующим напряжением, вырабатываемым потенциометром. Подбор компенсирующего напряжения выполняется вручную или автоматически.

Приборы с автоматической компенсацией называют также автоматическими потенциометрами.

Рассмотрим простейшую компенсационную схему (рис. 13) с ручным уравновешиванием. Измеряемая ЭДС Е_х или напряжение U _х уравновешиваются равным и противоположным по знаку напряжением U _К, снимаемым с переменного проволочного резистора R _К, представляющего собой часть резистора R. Этот резистор имеет два неподвижных вывода и один подвижный, выполненный в виде щетки, скользящей по проволоке. Все сопротивление резистора R включено в цепь источника питания с ЭДС Е. Переменное сопротивление R_K пропорционально перемещению х движка (щетки): R_K = (R / L) x, где L — общая длина проволочной намотки между неподвижными выводами. Соответственно и компенсирующее напряжение U_K будет пропорционально перемещению движка х U_K = (IR / L) x, где I — ток, проходящий через резистор R под действием ЭДС Е.

Движок необходимо перемещать до тех пор, пока компенсирующее напряжение U _К не сравняется с измеряемым напряжением U _х: U_K = U_x. Для определения положения точной компенсации используется чувствительный прибор (гальванометр или микроамперметр).

 Рис. 13 Компенсационная измерительная схема с ручным уравновешиванием

Ток через прибор

  (30)

где  - сопротивление датчика;  - сопротивление прибора.

Если компенсация произошла, то ток через прибор равен нулю: = 0. Значит, прибор в данном случае нужен не для измерения тока, а для определения его нулевого значения. Поэтому такой прибор называют нуль-индикатором (НИ). О значении измеряемого напряжения можно судить по перемещению движка, т.е. движок можно соединить со стрелкой, а вдоль резистора R расположить шкалу, проградуировав ее в единицах напряжения или сразу в единицах той неэлектрической величины, которая преобразуется датчиком в ЭДС Е_х или в напряжение U_x.

Отметим также, что при компенсационном методе измерения Е_х = U_x. Действительно, , но в момент компенсации  = 0.

Точность измерения при компенсационном методе зависит от стабильности поддержания тока I в цепи питания резистора R. Ведь именно от силы этого тока зависит значение компенсирующего напряжения U_K. Если ЭДС источника питания Е уменьшилась (из-за разряда аккумулятора или батарейки), то уменьшится и ток I. Для компенсации придется на большее расстояние х переместить движок резистора R, и стрелка укажет на иное, ошибочное значение измеряемой величины. Для поддержания стабильного тока питания I можно использовать регулировочный резистор  и миллиамперметр или применить источник стабилизированного напряжения, как в автоматическом потенциометре (рис. 14).

Чувствительность компенсационной схемы можно определить как отношение приращения тока через прибор к вызывающему его изменению измеряемого напряжения:

 (31)

 Рис. 14. Схема автоматического потенциометра

Если достигнуто состояние компенсации, то измеряемое напряжение U_x уравновешено компенсирующим напряжением U_K (U_x = U_K) и ток через прибор равен нулю. Пусть измеряемое напряжение изменилось на Δ U_x, а компенсирующее напряжение не изменилось (движок потенциометра резистора R неподвижен).

В этом случае разность между измеряемым и компенсирующим напряжениями равна Δ U_x. Под действием этого напряжения через прибор пройдет ток

 (32)

где — внутреннее сопротивление электрической цепи питания, замеренное на зажимах а — б при отключенном датчике;  — сопротивление прибора (нуль-индикатора);  — сопротивление датчика. Сопротивление  можно представить как параллельное соединение части сопротивления компенсирующего резистора  с сопротивлением, состоящим из оставшейся части компенсирующего резистора (R - R_K) и регулировочного резистора :

 (33)

Подставив (32) и (33) в (31), получим выражение для чувствительности компенсационной схемы:

 (34)

Анализ формулы (34) показывает, что чувствительность схемы зависит от R_K, а так как R_K = (R / L) x, то чувствительность зависит от положения движка х. Чувствительность непостоянна в разных точках шкалы. На рис. 15 показана зависимость чувствительности от положения движка компенсирующего резистора. В начальном положении движка (R_K = 0) чувствительность максимальна: . В среднем положении движка чувствительность минимальна, что необходимо учитывать при точных измерениях ЭДС.

Компенсационный метод измерения применяется в цепях как постоянного, так и переменного токов. Однако потенциометры переменного тока дают меньшую точность измерения и сложнее, поскольку необходимо компенсировать падение напряжения не только по абсолютной величине, но и по фазе. Это требует одновременного регулирования не менее двух параметров для обеспечения полной компенсации. На практике стремятся упростить мост переменного тока, выполняя одну пару плеч моста чисто активными, а другую пару — из однотипных элементов.

Рис. 15. Зависимость чувствительности компенсационной схемы от положения движка потенциометра