POLITECHNIKA BIAŁOSTOCKA

WYDZIAŁ ELEKTRYCZNY

___________________________________________________________

Laboratorium Miernictwa Elektrycznego

Kompensator napi

ę

cia stałego

ć

wiczenie nr 7

Białystok 1998

Ć

wicz. nr 7 Kompensator napi

ę

cia stałego

1

1. Wprowadzenie

ompensator napi

ę

cia stałego jest układem elektrycznym przeznaczonym

do bezpr

ą

dowego pomiaru napi

ęć

stałych. Oznacza to,

ż

e nie obci

ą ż

a on

pr

ą

dem obwodu elektrycznego, do którego został wł

ą

czony. Z tego

punktu widzenia uwa

ż

any by

ć

mo

ż

e za woltomierz o niesko

ń

czenie wielkiej

rezystancji

wewn

ę

trznej.

Nadaje

si

ę

z

tej

racji

do

pomiaru

sił

elektromotorycznych

ź

ródeł napi

ę

cia stałego. W takim celu zreszt

ą

został

pierwotnie zbudowany, gdy w XIX wieku prowadzono prace nad konstrukcj

ą

ogniw elektrochemicznych. W owym czasie bowiem nie istniały jeszcze
woltomierze mierz

ą

ce napi

ę

cia bez poboru pr

ą

du.

Idea pomiaru kompensacyjnego jest stosowana z powodzeniem po dzie

ń

dzisiejszy,

ż

eby wspomnie

ć

tylko kompensacyjne przetworniki analogowo -

cyfrowe stosowane w miernictwie cyfrowym.

Pomiar kompensacyjny (rys.1) polega na fizycznym przeciwstawieniu

sobie wielko

ś

ci mierzonej U

X

i wzorcowej U

K

. Ta ostatnia jest płynnie

regulowana i ma w ka

ż

dej chwili dokładnie okre

ś

lon

ą

warto

ś ć

. W stanie

równowagi (kompensacji) zarówno ze

ź

ródła wielko

ś

ci mierzonej jak i

wzorcowej nie jest pobierana energia. Stan kompensacji stwierdza si

ę

,

obserwuj

ą

c wskazania galwanometru magnetoelektrycznego pełni

ą

cego rol

ę

detektorem zera (DZ). Nale

ż

y podkre

ś

li

ć

ró

ż

nic

ę

mi

ę

dzy detektorem a

klasycznym przyrz

ą

dem pomiarowym. Rol

ą

tego pierwszego jest jedynie

wykrywanie stanu kompensacji, przejawiaj

ą

cego si

ę

brakiem ró

ż

nicy

potencjałów mi

ę

dzy okre

ś

lonymi punktami układu pomiarowego. Detektor nie

musi by

ć

wzorcowany w jednostkach jakiejkolwiek wielko

ś

ci fizycznej. Jego

wskazania nie wchodz

ą

zreszt

ą

do równania pomiaru, jego obecno

ś ć

nie burzy

wi

ę

c podstawowej zasady metody zerowej, to znaczy braku w układzie

jakichkolwiek elektrycznych przyrz

ą

dów pomiarowych.

Na

rysunku

1

przedstawiono

schematycznie

ide

ę

pomiaru

kompensacyjnego napi

ę

cia U

X

.

U

K

U

X

DZ

K

Ć

wicz. nr 7 Kompensator napi

ę

cia stałego

2

Rys.1. Idea kompensacyjnej metody pomiaru napi

ę

cia U

X

Znanych jest szereg rozwi

ą

za

ń

kompensatorów napi

ę

cia stałego:

Cromptona, Diesselhorsta, Feussnera, Lindecka - Rothego, Rapsa.

W niniejszym

ć

wiczeniu układ kompensatora Feussnera stosowany jest do

weryfikacji wskaza

ń

, a w rezultacie klasy dokładno

ś

ci wybranego woltomierza

magnetoelektrycznego

Układ kompensatora Feussnera

Uproszczony schemat ideowy kompensatora Feussnera przedstawiony

został na rysunku 2.

R

k

G

X

W

PŁ

E

X

E

W

U

N

U

k

R

F

R

t

R

N

I

P

= 100

µ

A

I

g

I

P

I

P

R

r

E

P

9x1

Ω

10186,5

Ω

µ

A

Ogniwo Westona

Ź

ródło pr

ą

du

pomocniczego

Mierzona SEM

lub napi

ę

cie

Rys.2. Uproszczony schemat kompensatora Feussnera

W układzie kompensatora z rys.2 mierzonej SEM E

X

przeciwstawiane jest

napi

ę

cie kompensacyjne U

k

, b

ę

d

ą

ce spadkiem napi

ę

cia na rezystancji R

k

, która

Ć

wicz. nr 7 Kompensator napi

ę

cia stałego

3

jest cz

ęś

ci

ą

pi

ę

ciodekadowego zestawu rezystorów Feussnera, przedstawionego

w uproszczeniu jako rezystor suwakowy R

F

.

Spadek napi

ę

cia U

k

wywołuje pr

ą

d pomocniczy I

P

, który jest wa

ż

nym,

okre

ś

lonym z wysok

ą

dokładno

ś

ci

ą

parametrem kompensatora. Ma on w

badanym kompensatorze warto

ść

100

µ

A . Precyzyjne nastawianie tej warto

ś

ci

jest oddzielnym etapem procesu pomiarowego i odbywa si

ę

w obwodzie

zawieraj

ą

cym ogniwo wzorcowe Westona oraz wzorcowe rezystory R

N

i R

t

.

W procesie nastawiania pr

ą

du pomocniczego stosowana jest tak samo jak w

głównym pomiarze SEM E

X

metoda kompensacyjna. Detektorem zera w obu

przypadkach jest ten sam galwanometr magnetoelektryczny przeł

ą

czany mi

ę

dzy

pozycjami „X” , „W”.

Podczas nastawiania pr

ą

du pomocniczego I

P

galwanometr „porównuje”

SEM ogniwa Westona z napi

ę

ciem U

N

, które jest spadkiem napi

ę

cia na

rezystorach R

N

i R

t

wywołanym przez pr

ą

d pomocniczy. Rezystor R

t

ma

regulowan

ą

warto

ść

, która musi by

ć

dostosowywana do zale

ż

nej od temperatury

siły elektromotorycznej E

W

.

Mierz

ą

cy odczytuje na wst

ę

pie temperatur

ę

panuj

ą

c

ą

wewn

ą

trz ogniwa

Westona (słu

ż

y do tego mały termometr umieszczony wewn

ą

trz obudowy

ogniwa), a nast

ę

pnie nastawia potrzebn

ą

warto

ść

rezystancji R

t

, tak

ą

aby

spełniona był

ą

równo

ść

,

(

)

R

R

E

N

t

W

+

⋅

=

−

10

4

Wynika ona z tabeli poprawek doł

ą

czonej do ogniwa Westona i pozwalaj

ą

cej

okre

ś

li

ć

warto

ś

ci jego SEM dla danej temperatury otoczenia. Z tabeli tej wynika,

ż

e SEM E

W

maleje wraz ze wzrostem temperatury otoczenia. Współczynnik 10

-4

wynika z warto

ś

ci pr

ą

du pomocniczego równej 100

µ

A= 10

-4

A.

Po nastawieniu wła

ś

ciwej warto

ś

ci rezystancji R

t

, przyst

ę

puje si

ę

do

nastawiania pr

ą

du pomocniczego I

P

=100

µ

A.. Pr

ą

d ten czerpany jest ze

ź

ródła

pomocniczego E

P

i regulowany przy pomocy rezystora R

r

. Wst

ę

pnie jego

warto

ść

mierz

ą

cy nastawia kieruj

ą

c si

ę

wskazaniami mikroamperomierza,

nast

ę

pnie za

ś

znacznie dokładniej, porównuj

ą

c wywołany tym pr

ą

dem spadek

napi

ę

cia na wzorcowej rezystancji (R

N

+R

t

) z SEM E

W

ogniwa Westona.

Przeł

ą

cznik galwanometru ustawia si

ę

wówczas w pozycji „W” i poprzez

delikatn

ą

regulacj

ę

rezystancji R

r

doprowadza do stanu kompensacji SEM E

W

i

napi

ę

cia U

N

. Uzyskanie zerowego wskazania galwanometru ko

ń

czy etap

nastawiania zadanej warto

ś

ci pr

ą

du pomocniczego.

Nast

ę

puje teraz zasadniczy pomiar SEM E

X

(lub napi

ę

cia stałego).

Przeł

ą

cznik galwanometru ustawia si

ę

w poło

ż

eniu „X” i reguluj

ą

c rezystancj

ę

Ć

wicz. nr 7 Kompensator napi

ę

cia stałego

4

R

k

(rezystancj

ę

pi

ę

ciodekadowego zestawu rezystorowego), doprowadza do

zerowego wskazania galwanometru, które oznacza stan kompensacji napi

ęć

: E

X

oraz U

K

. Warto

ś ć

SEM (lub napi

ę

cia U

X

) oblicza si

ę

z zale

ż

no

ś

ci,

A

R

E

k

x

µ

100

⋅

=

,

gdzie R

K

jest warto

ś

ci

ą

rezystancji odczytan

ą

z nastaw poszczególnych dekad.

Podwójna dekada Feussnera

Rezystor R

F

wyst

ę

puj

ą

cy na rysunku 2 jest w istocie zło

ż

onym zestawem

pi

ę

ciu dekad, z których trzy

ś

rodkowe maj

ą

specjaln

ą

konstrukcj

ę

przedstawion

ą

w uproszczeniu na rysunku 3. Nosz

ą

one nazw

ę

podwójnych dekad Feussnera.

Wyst

ę

puj

ą

w niej dwie grupy identycznych rezystorów i specjalny przeł

ą

cznik

PK. W układzie tym bez wzgl

ę

du na poło

ż

enie przeł

ą

cznika PK, na drodze

pr

ą

du pomocniczego wyst

ę

puje zawsze ta sama rezystancja (tu równa 5R).

Zmiana poło

ż

enia przeł

ą

cznika potrzebna jest do regulacji napi

ę

cia

kompensacyjnego U

K

.

I

P

I

G

I

P

PK

R

R

R

R

R

R

R

R

R

R

U

k

Rys.3. Uproszczony schemat podwójnej dekady Feussnera

Na rysunku 3 napi

ę

cie kompensacyjne U

K

jest „zbierane” z dwóch górnych

rezystorów. Reguluj

ą

c to napi

ę

cie nie narusza si

ę

warto

ś

ci pr

ą

du pomocniczego

nastawionego w pierwszy etapie procesu pomiarowego. Rezystory, przez które
płynie pr

ą

d pomocniczy I

P

odró

ż

niono szarym kolorem. Nale

ż

y jeszcze raz

podkre

ś

li

ć

,

ż

e taka konstrukcja dekady rezystorowej potrzebna jest tylko w

dekadach

ś

rodkowych, skrajne dekady mog

ą

zawiera

ć

pojedynczy zestaw

rezystorów.

Ć

wicz. nr 7 Kompensator napi

ę

cia stałego

5

Bł

ą

d metody

Bł

ą

d graniczny pomiaru SEM E

X

w układzie kompensatora Feussnera wyra

ż

a si

ę

zale

ż

no

ś

ci

ą

:

2

1

n

n

K

R

W

R

W

E

X

E

δ

δ

δ

δ

δ

δ

+

+

+

+

=

gdzie:

δ

EW

- bł

ą

d, z jakim okre

ś

lona jest SEM E

W

ogniwa Westona

δ

RW

- bł

ą

d, z jakim okre

ś

lona jest rezystancja wzorcowa R

W

δ

RK

- bł

ą

d, z jakim okre

ś

lona jest

δ

n

W

W

E

E E

1

=

∆

- bł

ą

d nieczuło

ś

ci kompensatora w chwili równowa

ż

enia SEM

E

W

δ

n

X

X

E

E

2

=

∆

- bł

ą

d nieczuło

ś

ci kompensatora w chwili równowa

ż

enia

SEM E

X

przy czym umownie przyjmuje si

ę

:

∆

E

W

- zmiana SEM E

W

powoduj

ą

ca przemieszczenie wskazówki

galwanometru
o

∆

a

mm

=

⋅

0 1

,

∆

E

X

- zmiana SEM E

X

powoduj

ą

ca przemieszczenie wskazówki

galwanometru
o

∆

a

mm

=

⋅

0 1

,

2. Przebieg pomiarów

Do skrzynki zawieraj

ą

cej zespół rezystorów, przeł

ą

czników zacisków

wej

ś

ciowych, nale

ż

y doł

ą

czy

ć

elementy zewn

ę

trzne układu pomiarowego według

rysunku 4. Zestaw fabryczny mo

ż

e by

ć

wykorzystywany tak

ż

e do pomiarów

rezystancji w układzie mostka Wheatstone’a, dlatego cz

ę ś ć

zacisków i

przeł

ą

czników nie b

ę

dzie tu wykorzystywana.

Ć

wicz. nr 7 Kompensator napi

ę

cia stałego

6

Opis elementów układu pomiarowego

V - badany woltomierz, magnetoelektryczny o zakresie pomiarowym 1,5 V
E

W

- ogniwo wzorcowe Westona

G - galwanometr magnetoelektryczny statyczny
ZS1, ZS2 - zasilacze stabilizowane
R

1

, R

2

- rezystory dekadowe

µ

A - mikroamperomierz magnetoelektryczny o zakresie 150

µ

A

Z - specjalny zwieracz galwanometru

Zerowanie galwanometru

Galwanometr nale

ż

y ustawi

ć

na stole tak, aby osoba siedz

ą

ca mogła

widzie

ć

podziałk

ę

przyrz

ą

du i jednocze

ś

nie mogła swobodnie operowa

ć

przeł

ą

cznikami korbkowymi rezystorów dekadowych. Zwieracz Z galwanometru

powinien znajdowa

ć

si

ę

pod r

ę

k

ą

, aby mo

ż

na go szybko u

ż

y

ć

w przypadku

silnych oscylacji wskazówki lub gwałtownego jej znikni

ę

cia z pola widzenia.

Po wł

ą

czeniu napi

ę

cia zasilaj

ą

cego

ż

aróweczk

ę

wbudowan

ą

do

galwanometru (6V), na tle podziałki pojawi si

ę

ś

wiec

ą

cy prostok

ą

t. Zerowanie

przyrz

ą

du polega na ustawieniu go na

ś

rodku podziałki (zerowa kreska działowa

znajduje si

ę

na

ś

rodku podziałki) przy pomocy przeznaczonego do tego celu

pokr

ę

tła. Galwanometr mo

ż

na uzna

ć

za wyzerowany tak

ż

e wtedy, gdy lewa

amplituda oscylacji równa jest prawej. Od tej chwili nie wolno zmienia

ć

poło

ż

enia galwanometru na stole.

R

F

I

P

100

µ

A

Batt Komp

App

R

1

R

2

U

V

U

x2

U

x1

Galv

10x1

Ω

Wh Br

4

1

3

2

Z

E

W

NE

+

+

+

10x 0,1

Ω

10x100

Ω

10x10

Ω

10x1

Ω

15x1000

Ω

G

µ

A

V

ZS2

ZS1

R

t

Rys.4. Schemat układu kompensatora badany w

ć

wiczeniu

Ć

wicz. nr 7 Kompensator napi

ę

cia stałego

7

Nastawianie pr

ą

du pomocniczego

Nastawianie pr

ą

du pomocniczego, b

ę

d

ą

ce pierwszy etapem pomiaru,

obywa

ć

si

ę

powinno według nast

ę

puj

ą

cej kolejno

ś

ci.

1. Odczytaj temperatur

ę

panuj

ą

c

ą

w laboratorium

2. Posługuj

ą

c si

ę

tabel

ą

poprawek, ustal warto

ś ć

SEM E

W

ogniwa Westona dla

danej temperatury

3. Pokr

ę

tłem R

t

nastaw warto

ś ć

tej rezystancji wynikaj

ą

c

ą

z tabeli poprawek

4. Wł

ą

cz napi

ę

cie zasilaj

ą

ce zasilacza ZS1 i nastaw na jego wyj

ś

ciu ok. 3V

5. Nastaw wst

ę

pnie R

1

= 9999

Ω

6. Przeł

ą

cznik „1” ustaw w pozycji „Komp.App.” - mikroamperomierz

powinien wskaza

ć

przepływ pr

ą

du pomocniczego I

P

Reguluj

ą

c rezystancj

ę

R

1

, nastaw wskazanie mikroamperomierza równe 100

µ

A

7. Przeł

ą

cznik „2” ustaw w pozycji „NE” - do układu zostanie w ten sposób

wł

ą

czone ogniwo Westona

8. Zamknij zwieracz Z
9. Przeł

ą

cznik „4” ustaw w pozycji „Grob” - do układu wł

ą

czony zostanie

galwanometr z rezystorem zabezpieczaj

ą

cym przyrz

ą

d przed przeci

ąż

eniem i

ograniczaj

ą

cym jednocze

ś

nie jego czuło

ś ć

10. Otwórz zwieracz Z i je

ż

eli galwanometr nie wskazuje zera (brak stanu

kompensacji), doprowad

ź

do takiego wskazania przez regulacj

ę

pr

ą

du

pomocniczego przy pomocy rezystora R

1

11. Przeł

ą

cznik „4” ustaw w pozycji „Fein” - galwanometr uzyskuje pełn

ą

czuło

ś ć

, mo

ż

e on wtedy wskazywa

ć

brak stanu kompensacji, nale

ż

y

ponownie u

ż

y

ć

rezystora R

1

i uzyska

ć

wskazanie zerowe

Proces nastawiania pr

ą

du pomocniczego zostaje zako

ń

czony. Przeł

ą

czniki

„4”, „2”, „1” ustawi

ć

w poło

ż

eniach

ś

rodkowych. Od tej chwili nie wolno

niczego zmienia

ć

w obwodzie pr

ą

du pomocniczego (ZS1, R

1

,

µ

A)

Pomiary zasadnicze

Pomiary polegaj

ą

w tym wypadku na weryfikacji wskaza

ń

wybranego

woltomierza magnetoelektrycznego o zakresie pomiarowym U

n

=1,5 V, a w

konsekwencji jego klasy dokładno

ś

ci. Pomiary dokonywane przy pomocy

Ć

wicz. nr 7 Kompensator napi

ę

cia stałego

8

kompensatora s

ą

bowiem obarczone bł

ę

dem co najmniej trzykrotnie mniejszym

od bł

ę

du wskaza

ń

badanego woltomierza.

Reguluj

ą

c napi

ę

cie wyj

ś

ciowe zasilacza ZS2, nale

ż

y nastawia

ć

wskazania

woltomierza odpowiadaj

ą

ce wszystkim ocyfrowanym kreskom działowym

podziałki (patrz Tablica 1), mierz

ą

c nast

ę

pnie napi

ę

cie panuj

ą

ce na jego

zaciskach przy pomocy kompensatora.

Pomiary nale

ż

y przeprowadza

ć

według nast

ę

puj

ą

cej kolejno

ś

ci:

1. Nastaw dla bezpiecze

ń

stwa R

2

= 9999

Ω

2. Pokr

ę

tło regulacji napi

ę

cia wyj

ś

ciowego zasilacza ZS2 ustaw w pozycji

zerowej

3. Wł

ą

cz napi

ę

cie zasilaj

ą

ce tego zasilacza i nastaw na jego wyj

ś

ciu ok. 4V

4. Obserwuj

ą

c wskazania woltomierza, zmniejszaj warto

ś ć

rezystancji R

2

, a

ż

do

pojawienia si

ę

wskazania równego dokładnie 1,5 V

5. Nastaw warto

ś ć

rezystancji R

k

stosownie do warto

ś

ci napi

ę

cia, które b

ę

dzie za

chwil

ę

mierzone, w tym przypadku

Ω

⋅

=

⋅

=

−

15000

10

5

,

1

4

A

V

R

k

6. Dla zapewnienia wi

ę

kszej swobody regulacji, zaleca si

ę

nastawi

ć

R

k

= 14

999

Ω

7. Przeł

ą

cznik „1” ustaw teraz w pozycji „Komp.App.” - amperomierz powinien

wskaza

ć

przepływ pr

ą

du pomocniczego

8. Przeł

ą

cznik „2” ustaw w pozycji „U

X

”

9. Przeł

ą

cznik „3” - w pozycji „U

x1

”

Przeł

ą

cznik „4” - w pozycji „Grob”

10. Je

ż

eli wskazówka galwanometru nie wskazuje zera, mo

ż

na wst

ę

pnie

zrównowa

ż

y

ć

układ u

ż

ywaj

ą

c małych dekad rezystora R

k

11. Przeł

ą

cznik „4” ustawi

ć

w pozycji „Fein” - galwanometr uzyskuje pełn

ą

czuło

ś ć

, nale

ż

y wtedy przeprowadzi

ć

ostateczne równowa

ż

enie układu,

uzyskuj

ą

c zerowe wskazanie galwanometru

12. Odczytan

ą

dla tego stanu warto

ś ć

rezystancji R

k

zanotuj w Tablicy 1

13. Oblicz warto

ś ć

zmierzonego przy pomocy kompensatora napi

ę

cia U

k

według

formuły:

4

10

−

⋅

=

k

k

R

U

[V]

15. Nastawiaj kolejne, podane w Tablicy 1 wskazania woltomierza i dokonuj

pomiarów odpowiadaj

ą

cych im napi

ę ć

przy pomocy kompensatora według

podanych wy

ż

ej reguł

16. Dla ka

ż

dego wskazania woltomierza oblicz bł

ą

d bezwzgl

ę

dny wskaza

ń

:

Ć

wicz. nr 7 Kompensator napi

ę

cia stałego

9

k

V

U

U

U

−

=

∆

17. Odnie

ś

najwi

ę

kszy spo

ś

ród obliczonych bł

ę

dów bezwzgl

ę

dnych do zakresu

pomiarowego U

n

= 1,5 V :

( )

%

100

max

n

U

U

U

∆

=

δ

18. Okre

ś

l klas

ę

dokładno

ś

ci badanego woltomierza, wybieraj

ą

c spo

ś

ród o

ś

miu

znormalizowanych warto

ś

ci

najmniejsz

ą

, która spełnia nierówno

ść

:

U

k

δ

≥

Znormalizowane warto

ś

ci klas dokładno

ś

ci: 0,05 / 0,1 / 0,2 / 0,5 /1 /1,5/

2,5/ 5.

Tablica 1

U

V

V

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

1,5

R

k

Ω

U

k

V

∆

U

V

Obliczony wzgl

ę

dny bł

ą

d wskaza

ń

:

δ

U

= .........%

Klasa dokładno

ś

ci woltomierza:

k

= ...........

W sprawozdaniu nale

ż

y

:

Sporz

ą

dzi

ć

wykres zale

ż

no

ś

ci

( )

∆

U

f U

V

=

Ć

wicz. nr 7 Kompensator napi

ę

cia stałego

10

3. Pytania i zadania kontrolne

1. Wyja

ś

nij zasad

ę

kompensacyjnego pomiaru napi

ę

cia stałego

2. Opisz w oparciu o schemat z rysunku 2 przebieg nastawiania pr

ą

du

pomocniczego kompensatora

3. Opisz przebieg pomiaru SEM w układzie z rysunku 2
4. Jak

ą

rol

ę

pełni w układzie kompensatora ogniwo Westona?

5. Wyja

ś

nij istot

ę

konstrukcji podwójnej dekady Feussnera

6. Wyja

ś

nij rol

ę

rezystancji R

t

w układzie z rysunku 2

7. Wyja

ś

nij sens pomiarów przewidzianych w programie

ć

wiczenia

4. Literatura

1. Lebson S. Podstawy miernictwa elektrycznego WNT, Warszawa 1972
2. Łapi

ń

ski M. Miernictwo elektryczne WNT, Warszawa 1967