7-6. КОМПЕНСАТОРЫ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Принцип действия компенсаторов переменного тока.

Этот принцип заключается в том, что измеряемая ЭДС (напряжение) уравновешивается известным напряжением, создаваемым рабочим током на участке рабочей цепи.

Для уравновешивания двух напряжений переменного тока необходимо равенство этих напряжений по модулю, противоположность по фазе, равенство частоты и идентичность формы кривой. Первые три условия можно обеспечить путем выбора принципиальной схемы компенсатора и питания исследуемой цепи и компенсатора от одного источника. Последнее условие обеспечивается дополнительными мерами.

В качестве нуль-индикаторов, так же как и в мостах переменного тока, применяют вибрационные гальванометры, электроннолучевые нуль-индикаторы или усилители с выпрямительными приборами на выходе.

При помощи компенсаторов переменного тока можно измерять напряжения и ЭДС переменного тока и косвенно ток, сопротивление, магнитный поток и другие величины. Компенсаторы переменного тока позволяют определять не только модули величин, но и их фазу.

Компенсаторы переменного тока по точности измерений значительно уступают компенсаторам постоянного тока. Это объясняется главным образом тем, что не существует меры ЭДС переменного тока, аналогичной нормальному элементу. Рабочий ток в компенсаторах переменного тока приходится устанавливать по амперметрам в лучшем случае класса точности 0,05 или 0,1 либо, как это будет показано далее, по нормальному элементу с использованием промежуточного термопреобразователя.

Рис. 7-12. Схема полярно-координатного компенсатора.

Устройство компенсаторов переменного тока.

В зависимости от того, как производится уравновешивание по модулю и фазе известной и измеряемой ЭДС и в каких координатах получается отсчет компенсаторы переменного тока делят на две группы.

1. Компенсаторы полярно-координатные, имеющие фазорегулятор и делитель напряжения, с помощью которых регулируется компенсирующее напряжение по фазе и модулю.

На рис. 7-12 приведена схема компенсатора, измеряющего в полярной системе координат. Измеряемая ЭДС (напряжение) подключается к зажимам определяется по положению подвижных контактов на шкале калиброванной проволоки а - б и магазина сопротивлений б - в. Фаза напряжений на участке рабочей цепи регулируется фазорегулятором благодаря чему можно добиться практически полного отсутствия тока в нуль-индикаторе НИ. Отсчет угла фазового сдвига производится по фазорегулятору. Необходимое значение рабочего тока устанавливается по амперметру А при помощи реостата

2. Компенсаторы прямоугольно-координатные, имеющие две рабочие цепи, в которых угол фазового сдвига рабочих токов относительно друг друга составляет 90°. Измеряемая ЭДС (напряжение) уравновешивается напряжением, определяемым по составляющим падений напряжений на участках двух рабочих цепей. Угол фазового сдвига составляющих падений напряжения равен 90°.

На рис. 7-13, а показана схема прямоугольно-координатного компенсатора. Компенсатор имеет две рабочие цепи Л и Б. Рабочая цепь А состоит из калиброванной проволоки а - б, первичной обмотки «воздушного» трансформатора (без стали), амперметра А и регулируемого резистора Ток этой цепи создает на калиброванной проволоке а - б падение напряжения Так как ток устанавливают заданного значения, то напряжение определяется сопротивлением калиброванной проволоки а - б, шкала которой градуируется в единицах напряжения. Вторая рабочая цепь Б состоит из калиброванной проволоки в — вторичной обмотки «воздушного» трансформатора и магазина сопротивлений Ток протекающий во второй рабочей цепи, отстает по фазе от тока практически на угол 90°.

Объясняется это тем, что при незначительном индуктивном сопротивлении вторичной цепи трансформатора ток 12 практически совпадает по фазе с , следовательно, отстает по фазе на угол 90° от тока

Падение напряжения на участке проволоки сопротивлением калиброванной проволоки в — г, создаваемое током при постоянном значении тока и частоте постоянно. Шкалу калиброванной проволоки в — г также градуируют в единицах напряжения. Поскольку сопротивления проволок чисто активные, то напряжения совпадают по фазе с токами, но сдвинуты относительно друг друга на угол 90°. Ток зависит от частоты, так как где — угловая частота тока; М — коэффициент взаимной индуктивности воздушного трансформатора; — полное активное сопротивление второй рабочей цепи.

Из этого следует, что изменение частоты приводит к изменению тока а следовательно, и к изменению градуировки шкалы калиброванной проволоки в — г. Во избежание этого при изменении частоты необходимо изменять сопротивление так чтобы оставалось неизменным при всех частотах в пределах заданных значений. Для этой цели во второй рабочей цепи включен магазин сопротивлений значение сопротивления которого изменяют в зависимости от частоты источника питания.

Главная входная цепь компенсатора состоит из источника измеряемого напряжения нуль-индикатора НИ и участков калиброванных проволок

На рис. 7-13, б показаны координатные оси на которых отложены падения напряжений на участках

Рис. 7-13. Схема (а) и векторная диаграмма (б) прямоугольно-координатного компенсатора

Рис. 7-14. Схема компаратора для установки рабочего тока

. При отсутствии тока в нуль-индикаторе геометрическая сумма этих падений напряжений равна по модулю измеряемому напряжению но сдвинута по отношению к нему на угол 180°.

Фазу и модуль можно найти по составляющим, пользуясь следующими выражениями:

где — составляющие вектора измеряемого напряжения отсчитанные, соответственно, по шкалам калиброванной проволоки а - б и в - г; — угол между вектором и составляющей .

При синфазности рабочего тока первого контура и напряжения питания компенсатора угол как и в полярно-координатных компенсаторах, представляет собой фазовый сдвиг измеряемого напряжения относительно напряжения питания.

Как указывалось выше, рабочий ток компенсаторов можно контролировать при помощи амперметров, которые могут обеспечить измерение тока с погрешностью Можно повысить точность установки рабочего тока компенсатора (примерно до 0,02%) и, следовательно, точность измерения, применяя для установки рабочего тока компаратор, производящий сравнение постоянного тока с действующим значением переменного тока.

На рис. 7-14 приведена схема установки рабочего тока компенсатора при помощи компаратора с использованием термопреобразователя Первой операцией является точная установка постоянного тока в цепи нагревателя термопары. Для этого переключатель должен быть установлен в положение ключ разомкнут, переключатель также должен находиться в положении Изменяя сопротивление резистора следует добиться отсутствия тока в нуль-индикаторе которое наступит при

требуемом токе так как соответственно этому значению тока выбрано сопротивление резистора Затем переключатель ставится в положение 2 и фиксируется показание гальванометра, которое незначительно (желательно иметь ток в гальванометре равным нулю), что достигается выбором сопротивления резистора После установки постоянного тока переключатель ставится в положение 2, замыкается ключ чем достигается неизменность тока (сопротивление резистора должно быть точно равно сопротивлению нагревателя термопары). Регулируя сопротивление резистора добиваются прежнего показания нуль-индикатора, которое, очевидно, будет при равенстве действующего значения переменного тока постоянному току