POLITECHNIKA BIAA
OSTOCKA
WYDZIAA
ELEKTRYCZNY
___________________________________________________________
Laboratorium Miernictwa Elektrycznego
Kompensator napięcia stałego
ćwiczenie nr 7
Białystok 1998
1
Ćwicz. nr 7 Kompensator napięcia stałego
1. Wprowadzenie
ompensator napięcia stałego jest układem elektrycznym przeznaczonym
do bezprądowego pomiaru napięć stałych. Oznacza to, że nie obciąża on
K
prądem obwodu elektrycznego, do którego został włączony. Z tego
punktu widzenia uważany być może za woltomierz o nieskończenie wielkiej
rezystancji wewnętrznej. Nadaje się z tej racji do pomiaru sił
elektromotorycznych z
ródeł napięcia stałego. W takim celu zresztą został
pierwotnie zbudowany, gdy w XIX wieku prowadzono prace nad konstrukcjÄ…
ogniw elektrochemicznych. W owym czasie bowiem nie istniały jeszcze
woltomierze mierzące napięcia bez poboru prądu.
Idea pomiaru kompensacyjnego jest stosowana z powodzeniem po dzień
dzisiejszy, żeby wspomnieć tylko kompensacyjne przetworniki analogowo -
cyfrowe stosowane w miernictwie cyfrowym.
Pomiar kompensacyjny (rys.1) polega na fizycznym przeciwstawieniu
sobie wielkości mierzonej UX i wzorcowej UK. Ta ostatnia jest płynnie
regulowana i ma w każdej chwili dokładnie określoną wartość. W stanie
równowagi (kompensacji) zarówno ze z
ródła wielkości mierzonej jak i
wzorcowej nie jest pobierana energia. Stan kompensacji stwierdza siÄ™,
obserwując wskazania galwanometru magnetoelektrycznego pełniącego rolę
detektorem zera (DZ). Należy podkreślić różnicę między detektorem a
klasycznym przyrzÄ…dem pomiarowym. RolÄ… tego pierwszego jest jedynie
wykrywanie stanu kompensacji, przejawiającego się brakiem różnicy
potencjałów między określonymi punktami układu pomiarowego. Detektor nie
musi być wzorcowany w jednostkach jakiejkolwiek wielkości fizycznej. Jego
wskazania nie wchodzą zresztą do równania pomiaru, jego obecność nie burzy
więc podstawowej zasady metody zerowej, to znaczy braku w układzie
jakichkolwiek elektrycznych przyrządów pomiarowych.
Na rysunku 1 przedstawiono schematycznie ideÄ™ pomiaru
kompensacyjnego napięcia UX.
UX UK
DZ
2
Ćwicz. nr 7 Kompensator napięcia stałego
Rys.1. Idea kompensacyjnej metody pomiaru napięcia UX
Znanych jest szereg rozwiązań kompensatorów napięcia stałego:
Cromptona, Diesselhorsta, Feussnera, Lindecka - Rothego, Rapsa.
W niniejszym ćwiczeniu układ kompensatora Feussnera stosowany jest do
weryfikacji wskazań, a w rezultacie klasy dokładności wybranego woltomierza
magnetoelektrycznego
Układ kompensatora Feussnera
Uproszczony schemat ideowy kompensatora Feussnera przedstawiony
został na rysunku 2.
EW EX
W X
PA

Ogniwo Westona
Mierzona SEM
lub napięcie
G
Ig
UN
Uk
Rk
RN Rt
IP 10186,5 &! 9x1 &!
IP
RF
IP = 100 µA
y
ródło prądu
pomocniczego
µA
Rr
EP
Rys.2. Uproszczony schemat kompensatora Feussnera
W układzie kompensatora z rys.2 mierzonej SEM EX przeciwstawiane jest
napięcie kompensacyjne Uk, będące spadkiem napięcia na rezystancji Rk, która
3
Ćwicz. nr 7 Kompensator napięcia stałego
jest częścią pięciodekadowego zestawu rezystorów Feussnera, przedstawionego
w uproszczeniu jako rezystor suwakowy RF.
Spadek napięcia Uk wywołuje prąd pomocniczy IP, który jest ważnym,
określonym z wysoką dokładnością parametrem kompensatora. Ma on w
badanym kompensatorze wartość 100 µA . Precyzyjne nastawianie tej wartoÅ›ci
jest oddzielnym etapem procesu pomiarowego i odbywa siÄ™ w obwodzie
zawierajÄ…cym ogniwo wzorcowe Westona oraz wzorcowe rezystory RN i Rt.
W procesie nastawiania prÄ…du pomocniczego stosowana jest tak samo jak w
głównym pomiarze SEM EX metoda kompensacyjna. Detektorem zera w obu
przypadkach jest ten sam galwanometr magnetoelektryczny przełączany między
pozycjami  X ,  W .
Podczas nastawiania prądu pomocniczego IP galwanometr  porównuje
SEM ogniwa Westona z napięciem UN, które jest spadkiem napięcia na
rezystorach RN i Rt wywołanym przez prąd pomocniczy. Rezystor Rt ma
regulowaną wartość, która musi być dostosowywana do zależnej od temperatury
siły elektromotorycznej EW.
Mierzący odczytuje na wstępie temperaturę panującą wewnątrz ogniwa
Westona (służy do tego mały termometr umieszczony wewnątrz obudowy
ogniwa), a następnie nastawia potrzebną wartość rezystancji Rt , taką aby
spełniona byłą równość,
RN + Rt Å"10-4 = EW
( )
Wynika ona z tabeli poprawek dołączonej do ogniwa Westona i pozwalającej
określić wartości jego SEM dla danej temperatury otoczenia. Z tabeli tej wynika,
że SEM EW maleje wraz ze wzrostem temperatury otoczenia. Współczynnik 10-4
wynika z wartoÅ›ci prÄ…du pomocniczego równej 100 µA= 10-4 A.
Po nastawieniu właściwej wartości rezystancji Rt, przystępuje się do
nastawiania prÄ…du pomocniczego IP =100 µA.. PrÄ…d ten czerpany jest ze z
ródła
pomocniczego EP i regulowany przy pomocy rezystora Rr. Wstępnie jego
wartość mierzący nastawia kierując się wskazaniami mikroamperomierza,
następnie zaś znacznie dokładniej, porównując wywołany tym prądem spadek
napięcia na wzorcowej rezystancji (RN+Rt) z SEM EW ogniwa Westona.
Przełącznik galwanometru ustawia się wówczas w pozycji  W i poprzez
delikatnÄ… regulacjÄ™ rezystancji Rr doprowadza do stanu kompensacji SEM EW i
napięcia UN. Uzyskanie zerowego wskazania galwanometru kończy etap
nastawiania zadanej wartości prądu pomocniczego.
Następuje teraz zasadniczy pomiar SEM EX (lub napięcia stałego).
Przełącznik galwanometru ustawia się w położeniu  X i regulując rezystancję
4
Ćwicz. nr 7 Kompensator napięcia stałego
Rk (rezystancję pięciodekadowego zestawu rezystorowego), doprowadza do
zerowego wskazania galwanometru, które oznacza stan kompensacji napięć: EX
oraz UK. Wartość SEM (lub napięcia UX) oblicza się z zależności,
Ex = Rk Å"100µA ,
gdzie RK jest wartością rezystancji odczytaną z nastaw poszczególnych dekad.
Podwójna dekada Feussnera
Rezystor RF występujący na rysunku 2 jest w istocie złożonym zestawem
pięciu dekad, z których trzy środkowe mają specjalną konstrukcję przedstawioną
w uproszczeniu na rysunku 3. Noszą one nazwę podwójnych dekad Feussnera.
Występują w niej dwie grupy identycznych rezystorów i specjalny przełącznik
PK. W układzie tym bez względu na położenie przełącznika PK, na drodze
prądu pomocniczego występuje zawsze ta sama rezystancja (tu równa 5R).
Zmiana położenia przełącznika potrzebna jest do regulacji napięcia
kompensacyjnego UK.
Uk
I R R R R R
G
IP
PK
R R R R R
I
P
Rys.3. Uproszczony schemat podwójnej dekady Feussnera
Na rysunku 3 napięcie kompensacyjne UK jest  zbierane z dwóch górnych
rezystorów. Regulując to napięcie nie narusza się wartości prądu pomocniczego
nastawionego w pierwszy etapie procesu pomiarowego. Rezystory, przez które
płynie prąd pomocniczy IP odróżniono szarym kolorem. Należy jeszcze raz
podkreślić, że taka konstrukcja dekady rezystorowej potrzebna jest tylko w
dekadach środkowych, skrajne dekady mogą zawierać pojedynczy zestaw
rezystorów.
5
Ćwicz. nr 7 Kompensator napięcia stałego
BÅ‚Ä…d metody
Błąd graniczny pomiaru SEM EX w układzie kompensatora Feussnera wyraża się
zależnością:
´ = ´ + ´ + ´ + ´n1 + ´n2
EX EW RW RK
gdzie:
´ - bÅ‚Ä…d, z jakim okreÅ›lona jest SEM EW ogniwa Westona
EW
´ - bÅ‚Ä…d, z jakim okreÅ›lona jest rezystancja wzorcowa RW
RW
´ - bÅ‚Ä…d, z jakim okreÅ›lona jest
RK
"EW
- błąd nieczułości kompensatora w chwili równoważenia SEM
´ =
n1
EW E
EW
"E
X
´ = - bÅ‚Ä…d nieczuÅ‚oÅ›ci kompensatora w chwili równoważenia
n2
E
X
SEM EX
przy czym umownie przyjmuje siÄ™:
"EW - zmiana SEM EW powodująca przemieszczenie wskazówki
galwanometru
o "a = 0,1Å" mm
"E - zmiana SEM EX powodująca przemieszczenie wskazówki
X
galwanometru
o "a = 0,1Å" mm
2. Przebieg pomiarów
Do skrzynki zawierającej zespół rezystorów, przełączników zacisków
wejściowych, należy dołączyć elementy zewnętrzne układu pomiarowego według
rysunku 4. Zestaw fabryczny może być wykorzystywany także do pomiarów
rezystancji w układzie mostka Wheatstone a, dlatego część zacisków i
przełączników nie będzie tu wykorzystywana.
6
Ćwicz. nr 7 Kompensator napięcia stałego
Opis elementów układu pomiarowego
V - badany woltomierz, magnetoelektryczny o zakresie pomiarowym 1,5 V
EW - ogniwo wzorcowe Westona
G - galwanometr magnetoelektryczny statyczny
ZS1, ZS2 - zasilacze stabilizowane
R1, R2 - rezystory dekadowe
µA - mikroamperomierz magnetoelektryczny o zakresie 150 µA
Z - specjalny zwieracz galwanometru
Zerowanie galwanometru
Galwanometr należy ustawić na stole tak, aby osoba siedząca mogła
widzieć podziałkę przyrządu i jednocześnie mogła swobodnie operować
przełącznikami korbkowymi rezystorów dekadowych. Zwieracz Z galwanometru
powinien znajdować się pod ręką, aby można go szybko użyć w przypadku
silnych oscylacji wskazówki lub gwałtownego jej zniknięcia z pola widzenia.
Po włączeniu napięcia zasilającego żaróweczkę wbudowaną do
galwanometru (6V), na tle podziałki pojawi się świecący prostokąt. Zerowanie
przyrządu polega na ustawieniu go na środku podziałki (zerowa kreska działowa
znajduje się na środku podziałki) przy pomocy przeznaczonego do tego celu
pokrętła. Galwanometr można uznać za wyzerowany także wtedy, gdy lewa
amplituda oscylacji równa jest prawej. Od tej chwili nie wolno zmieniać
położenia galwanometru na stole.
ZS1 ZS2
Z
R2
EW
UV
R1
µA
V
G
IP
100µA
10x1&!
+ +
+
NE Wh Br Galv Batt Komp Ux1 Ux2
Rt
App
1
15x1000&! 10x100&! 10x10&! 10x1&! 10x 0,1&!
2
3
4
R
F
Rys.4. Schemat układu kompensatora badany w ćwiczeniu
7
Ćwicz. nr 7 Kompensator napięcia stałego
Nastawianie prÄ…du pomocniczego
Nastawianie prądu pomocniczego, będące pierwszy etapem pomiaru,
obywać się powinno według następującej kolejności.
1. Odczytaj temperaturÄ™ panujÄ…cÄ… w laboratorium
2. Posługując się tabelą poprawek, ustal wartość SEM EW ogniwa Westona dla
danej temperatury
3. Pokrętłem Rt nastaw wartość tej rezystancji wynikającą z tabeli poprawek
4. Włącz napięcie zasilające zasilacza ZS1 i nastaw na jego wyjściu ok. 3V
5. Nastaw wstępnie R1= 9999 &!
6. Przełącznik  1 ustaw w pozycji  Komp.App. - mikroamperomierz
powinien wskazać przepływ prądu pomocniczego IP
RegulujÄ…c rezystancjÄ™ R1, nastaw wskazanie mikroamperomierza równe 100 µA
7. Przełącznik  2 ustaw w pozycji  NE - do układu zostanie w ten sposób
włączone ogniwo Westona
8. Zamknij zwieracz Z
9. Przełącznik  4 ustaw w pozycji  Grob - do układu włączony zostanie
galwanometr z rezystorem zabezpieczającym przyrząd przed przeciążeniem i
ograniczającym jednocześnie jego czułość
10. Otwórz zwieracz Z i jeżeli galwanometr nie wskazuje zera (brak stanu
kompensacji), doprowadz
do takiego wskazania przez regulacjÄ™ prÄ…du
pomocniczego przy pomocy rezystora R1
11. Przełącznik  4 ustaw w pozycji  Fein - galwanometr uzyskuje pełną
czułość, może on wtedy wskazywać brak stanu kompensacji, należy
ponownie użyć rezystora R1 i uzyskać wskazanie zerowe
Proces nastawiania prądu pomocniczego zostaje zakończony. Przełączniki
 4 ,  2 ,  1 ustawić w położeniach środkowych. Od tej chwili nie wolno
niczego zmieniać w obwodzie prÄ…du pomocniczego (ZS1, R1, µA)
Pomiary zasadnicze
Pomiary polegają w tym wypadku na weryfikacji wskazań wybranego
woltomierza magnetoelektrycznego o zakresie pomiarowym Un=1,5 V, a w
konsekwencji jego klasy dokładności. Pomiary dokonywane przy pomocy
8
Ćwicz. nr 7 Kompensator napięcia stałego
kompensatora są bowiem obarczone błędem co najmniej trzykrotnie mniejszym
od błędu wskazań badanego woltomierza.
Regulując napięcie wyjściowe zasilacza ZS2, należy nastawiać wskazania
woltomierza odpowiadające wszystkim ocyfrowanym kreskom działowym
podziałki (patrz Tablica 1), mierząc następnie napięcie panujące na jego
zaciskach przy pomocy kompensatora.
Pomiary należy przeprowadzać według następującej kolejności:
1. Nastaw dla bezpieczeństwa R2 = 9999 &!
2. Pokrętło regulacji napięcia wyjściowego zasilacza ZS2 ustaw w pozycji
zerowej
3. Włącz napięcie zasilające tego zasilacza i nastaw na jego wyjściu ok. 4V
4. Obserwując wskazania woltomierza, zmniejszaj wartość rezystancji R2, aż do
pojawienia się wskazania równego dokładnie 1,5 V
5. Nastaw wartość rezystancji Rk stosownie do wartości napięcia, które będzie za
chwilÄ™ mierzone, w tym przypadku
1,5 Å"V
Rk = = 15000 Å" &!
10-4 A
6. Dla zapewnienia większej swobody regulacji, zaleca się nastawić Rk = 14
999 &!
7. Przełącznik  1 ustaw teraz w pozycji  Komp.App. - amperomierz powinien
wskazać przepływ prądu pomocniczego
8. Przełącznik  2 ustaw w pozycji  UX
9. Przełącznik  3 - w pozycji  Ux1
Przełącznik  4 - w pozycji  Grob
10. Jeżeli wskazówka galwanometru nie wskazuje zera, można wstępnie
zrównoważyć układ używając małych dekad rezystora Rk
11. Przełącznik  4 ustawić w pozycji  Fein - galwanometr uzyskuje pełną
czułość, należy wtedy przeprowadzić ostateczne równoważenie układu,
uzyskujÄ…c zerowe wskazanie galwanometru
12. Odczytaną dla tego stanu wartość rezystancji Rk zanotuj w Tablicy 1
13. Oblicz wartość zmierzonego przy pomocy kompensatora napięcia Uk według
formuły:
Uk = Rk Å"10-4 [V]
15. Nastawiaj kolejne, podane w Tablicy 1 wskazania woltomierza i dokonuj
pomiarów odpowiadających im napięć przy pomocy kompensatora według
podanych wyżej reguł
16. Dla każdego wskazania woltomierza oblicz błąd bezwzględny wskazań:
9
Ćwicz. nr 7 Kompensator napięcia stałego
"U = UV -Uk
17. Odnieś największy spośród obliczonych błędów bezwzględnych do zakresu
pomiarowego Un = 1,5 V :
("U )
max
´U = 100%
Un
18. Określ klasę dokładności badanego woltomierza, wybierając spośród ośmiu
znormalizowanych wartości najmniejszą, która spełnia nierówność:
k e" ´U
Znormalizowane wartości klas dokładności: 0,05 / 0,1 / 0,2 / 0,5 /1 /1,5/
2,5/ 5.
Tablica 1
UV V 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,5
Rk
&!
Uk V
V
"U
Obliczony wzglÄ™dny bÅ‚Ä…d wskazaÅ„: ´ = .........%
U
Klasa dokładności woltomierza: k = ...........
W sprawozdaniu należy:
Sporządzić wykres zależności "U = f UV
( )
10
Ćwicz. nr 7 Kompensator napięcia stałego
3. Pytania i zadania kontrolne
1. Wyjaśnij zasadę kompensacyjnego pomiaru napięcia stałego
2. Opisz w oparciu o schemat z rysunku 2 przebieg nastawiania prÄ…du
pomocniczego kompensatora
3. Opisz przebieg pomiaru SEM w układzie z rysunku 2
4. Jaką rolę pełni w układzie kompensatora ogniwo Westona?
5. Wyjaśnij istotę konstrukcji podwójnej dekady Feussnera
6. Wyjaśnij rolę rezystancji Rt w układzie z rysunku 2
7. Wyjaśnij sens pomiarów przewidzianych w programie ćwiczenia
4. Literatura
1. Lebson S. Podstawy miernictwa elektrycznego WNT, Warszawa 1972
2. A
apiński M. Miernictwo elektryczne WNT, Warszawa 1967