plik

wicz. nr 7 Kompensator napi

cia stałego

1. Wprowadzenie

ompensator napi

cia stałego jest układem elektrycznym przeznaczonym

do bezpr

dowego pomiaru napi

ęć

stałych. Oznacza to,

e nie obci

ą ż

a on

dem obwodu elektrycznego, do którego został wł

czony. Z tego

punktu widzenia uwa

any by

e za woltomierz o niesko

czenie wielkiej

rezystancji

wewn

trznej.

Nadaje

tej

racji

pomiaru

sił

elektromotorycznych

ródeł napi

cia stałego. W takim celu zreszt

został

pierwotnie zbudowany, gdy w XIX wieku prowadzono prace nad konstrukcj

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

ce napi

cia bez poboru pr

du.

Idea pomiaru kompensacyjnego jest stosowana z powodzeniem po dzie

dzisiejszy,

eby wspomnie

tylko kompensacyjne przetworniki analogowo -

cyfrowe stosowane w miernictwie cyfrowym.

Pomiar kompensacyjny (rys.1) polega na fizycznym przeciwstawieniu

sobie wielko

ci mierzonej U

i wzorcowej U

. Ta ostatnia jest płynnie

regulowana i ma w ka

dej chwili dokładnie okre

lon

warto

ś ć

. W stanie

równowagi (kompensacji) zarówno ze

ródła wielko

ci mierzonej jak i

wzorcowej nie jest pobierana energia. Stan kompensacji stwierdza si

obserwuj

c wskazania galwanometru magnetoelektrycznego pełni

cego rol

detektorem zera (DZ). Nale

y podkre

ró

nic

dzy detektorem a

klasycznym przyrz

dem pomiarowym. Rol

tego pierwszego jest jedynie

wykrywanie stanu kompensacji, przejawiaj

cego si

brakiem ró

nicy

potencjałów mi

dzy okre

lonymi punktami układu pomiarowego. Detektor nie

musi by

wzorcowany w jednostkach jakiejkolwiek wielko

ci fizycznej. Jego

wskazania nie wchodz

zreszt

do równania pomiaru, jego obecno

ś ć

nie burzy

c podstawowej zasady metody zerowej, to znaczy braku w układzie

jakichkolwiek elektrycznych przyrz

dów pomiarowych.

rysunku

przedstawiono

schematycznie

ide

pomiaru

kompensacyjnego napi

cia U

wicz. nr 7 Kompensator napi

cia stałego

Rys.1. Idea kompensacyjnej metody pomiaru napi

cia U

Znanych jest szereg rozwi

kompensatorów napi

cia stałego:

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

W niniejszym

wiczeniu układ kompensatora Feussnera stosowany jest do

weryfikacji wskaza

, a w rezultacie klasy dokładno

ci wybranego woltomierza

magnetoelektrycznego

Układ kompensatora Feussnera

Uproszczony schemat ideowy kompensatora Feussnera przedstawiony

został na rysunku 2.

PŁ

= 100

9x1

Ω

10186,5

Ω

Ogniwo Westona

ródło pr

pomocniczego

Mierzona SEM

lub napi

cie

Rys.2. Uproszczony schemat kompensatora Feussnera

W układzie kompensatora z rys.2 mierzonej SEM E

przeciwstawiane jest

napi

cie kompensacyjne U

, b

ce spadkiem napi

cia na rezystancji R

, która

wicz. nr 7 Kompensator napi

cia stałego

jest cz

ęś

ciodekadowego zestawu rezystorów Feussnera, przedstawionego

w uproszczeniu jako rezystor suwakowy R

Spadek napi

cia U

wywołuje pr

d pomocniczy I

, który jest wa

nym,

okre

lonym z wysok

dokładno

parametrem kompensatora. Ma on w

badanym kompensatorze warto

ść

100

A . Precyzyjne nastawianie tej warto

jest oddzielnym etapem procesu pomiarowego i odbywa si

w obwodzie

zawieraj

cym ogniwo wzorcowe Westona oraz wzorcowe rezystory R

i R

W procesie nastawiania pr

du pomocniczego stosowana jest tak samo jak w

głównym pomiarze SEM E

metoda kompensacyjna. Detektorem zera w obu

przypadkach jest ten sam galwanometr magnetoelektryczny przeł

czany mi

dzy

pozycjami „X” , „W”.

Podczas nastawiania pr

du pomocniczego I

galwanometr „porównuje”

SEM ogniwa Westona z napi

ciem U

, które jest spadkiem napi

cia na

rezystorach R

i R

wywołanym przez pr

d pomocniczy. Rezystor R

regulowan

warto

ść

, która musi by

dostosowywana do zale

nej od temperatury

siły elektromotorycznej E

Mierz

cy odczytuje na wst

pie temperatur

panuj

wewn

trz ogniwa

Westona (słu

y do tego mały termometr umieszczony wewn

trz obudowy

ogniwa), a nast

pnie nastawia potrzebn

warto

ść

rezystancji R

, tak

aby

spełniona był

równo

ść

(

)

⋅

−

Wynika ona z tabeli poprawek doł

czonej do ogniwa Westona i pozwalaj

cej

okre

warto

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

e SEM E

maleje wraz ze wzrostem temperatury otoczenia. Współczynnik 10

-4

wynika z warto

ci pr

du pomocniczego równej 100

A= 10

-4

Po nastawieniu wła

ciwej warto

ci rezystancji R

, przyst

puje si

nastawiania pr

du pomocniczego I

=100

A.. Pr

d ten czerpany jest ze

ródła

pomocniczego E

i regulowany przy pomocy rezystora R

. Wst

pnie jego

warto

ść

mierz

cy nastawia kieruj

c si

wskazaniami mikroamperomierza,

nast

pnie za

znacznie dokładniej, porównuj

c wywołany tym pr

dem spadek

napi

cia na wzorcowej rezystancji (R

) z SEM E

ogniwa Westona.

Przeł

cznik galwanometru ustawia si

wówczas w pozycji „W” i poprzez

delikatn

regulacj

rezystancji R

doprowadza do stanu kompensacji SEM E

napi

cia U

. Uzyskanie zerowego wskazania galwanometru ko

czy etap

nastawiania zadanej warto

ci pr

du pomocniczego.

Nast

puje teraz zasadniczy pomiar SEM E

(lub napi

cia stałego).

Przeł

cznik galwanometru ustawia si

w poło

eniu „X” i reguluj

c rezystancj

wicz. nr 7 Kompensator napi

cia stałego

(rezystancj

ciodekadowego zestawu rezystorowego), doprowadza do

zerowego wskazania galwanometru, które oznacza stan kompensacji napi

ęć

: E

oraz U

. Warto

ś ć

SEM (lub napi

cia U

) oblicza si

z zale

ci,

100

⋅

gdzie R

jest warto

rezystancji odczytan

z nastaw poszczególnych dekad.

Podwójna dekada Feussnera

Rezystor R

wyst

puj

cy na rysunku 2 jest w istocie zło

onym zestawem

ciu dekad, z których trzy

rodkowe maj

specjaln

konstrukcj

przedstawion

w uproszczeniu na rysunku 3. Nosz

one nazw

podwójnych dekad Feussnera.

Wyst

puj

w niej dwie grupy identycznych rezystorów i specjalny przeł

cznik

PK. W układzie tym bez wzgl

du na poło

enie przeł

cznika PK, na drodze

du pomocniczego wyst

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

Zmiana poło

enia przeł

cznika potrzebna jest do regulacji napi

cia

kompensacyjnego U

Rys.3. Uproszczony schemat podwójnej dekady Feussnera

Na rysunku 3 napi

cie kompensacyjne U

jest „zbierane” z dwóch górnych

rezystorów. Reguluj

c to napi

cie nie narusza si

warto

ci pr

du pomocniczego

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

d pomocniczy I

odró

niono szarym kolorem. Nale

y jeszcze raz

podkre

e taka konstrukcja dekady rezystorowej potrzebna jest tylko w

dekadach

rodkowych, skrajne dekady mog

zawiera

pojedynczy zestaw

rezystorów.

wicz. nr 7 Kompensator napi

cia stałego

Bł

d metody

Bł

d graniczny pomiaru SEM E

w układzie kompensatora Feussnera wyra

a si

zale

gdzie:

- bł

d, z jakim okre

lona jest SEM E

ogniwa Westona

- bł

d, z jakim okre

lona jest rezystancja wzorcowa R

- bł

d, z jakim okre

lona jest

E E

∆

- bł

d nieczuło

ci kompensatora w chwili równowa

enia SEM

∆

- bł

d nieczuło

ci kompensatora w chwili równowa

enia

SEM E

przy czym umownie przyjmuje si

∆

- zmiana SEM E

powoduj

ca przemieszczenie wskazówki

galwanometru
o

∆

⋅

0 1

∆

- zmiana SEM E

powoduj

ca przemieszczenie wskazówki

galwanometru
o

∆

⋅

0 1

2. Przebieg pomiarów

Do skrzynki zawieraj

cej zespół rezystorów, przeł

czników zacisków

wej

ciowych, nale

y doł

czy

elementy zewn

trzne układu pomiarowego według

rysunku 4. Zestaw fabryczny mo

e by

wykorzystywany tak

e do pomiarów

rezystancji w układzie mostka Wheatstone’a, dlatego cz

ę ś ć

zacisków i

przeł

czników nie b

dzie tu wykorzystywana.

wicz. nr 7 Kompensator napi

cia stałego

Opis elementów układu pomiarowego

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

- ogniwo wzorcowe Westona

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

, R

- rezystory dekadowe

A - mikroamperomierz magnetoelektryczny o zakresie 150

Z - specjalny zwieracz galwanometru

Zerowanie galwanometru

Galwanometr nale

y ustawi

na stole tak, aby osoba siedz

ca mogła

widzie

podziałk

przyrz

du i jednocze

nie mogła swobodnie operowa

przeł

cznikami korbkowymi rezystorów dekadowych. Zwieracz Z galwanometru

powinien znajdowa

pod r

, aby mo

na go szybko u

w przypadku

silnych oscylacji wskazówki lub gwałtownego jej znikni

cia z pola widzenia.

Po wł

czeniu napi

cia zasilaj

cego

aróweczk

wbudowan

galwanometru (6V), na tle podziałki pojawi si

wiec

cy prostok

t. Zerowanie

przyrz

du polega na ustawieniu go na

rodku podziałki (zerowa kreska działowa

znajduje si

rodku podziałki) przy pomocy przeznaczonego do tego celu

pokr

tła. Galwanometr mo

na uzna

za wyzerowany tak

e wtedy, gdy lewa

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

poło

enia galwanometru na stole.

wicz. nr 7 Kompensator napi

cia stałego

Nastawianie pr

du pomocniczego

Nastawianie pr

du pomocniczego, b

ce pierwszy etapem pomiaru,

obywa

powinno według nast

puj

cej kolejno

ci.

1. Odczytaj temperatur

panuj

w laboratorium

2. Posługuj

c si

tabel

poprawek, ustal warto

ś ć

SEM E

ogniwa Westona dla

danej temperatury

3. Pokr

tłem R

nastaw warto

ś ć

tej rezystancji wynikaj

z tabeli poprawek

4. Wł

cz napi

cie zasilaj

ce zasilacza ZS1 i nastaw na jego wyj

ciu ok. 3V

5. Nastaw wst

pnie R

= 9999

Ω

6. Przeł

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

powinien wskaza

przepływ pr

du pomocniczego I

Reguluj

c rezystancj

, nastaw wskazanie mikroamperomierza równe 100

7. Przeł

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

wł

czone ogniwo Westona

8. Zamknij zwieracz Z
9. Przeł

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

czony zostanie

galwanometr z rezystorem zabezpieczaj

cym przyrz

d przed przeci

ąż

eniem i

ograniczaj

cym jednocze

nie jego czuło

ś ć

10. Otwórz zwieracz Z i je

eli galwanometr nie wskazuje zera (brak stanu

kompensacji), doprowad

do takiego wskazania przez regulacj

pomocniczego przy pomocy rezystora R

11. Przeł

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

czuło

ś ć

, mo

e on wtedy wskazywa

brak stanu kompensacji, nale

ponownie u

rezystora R

i uzyska

wskazanie zerowe

Proces nastawiania pr

du pomocniczego zostaje zako

czony. Przeł

czniki

„4”, „2”, „1” ustawi

w poło

eniach

rodkowych. Od tej chwili nie wolno

niczego zmienia

w obwodzie pr

du pomocniczego (ZS1, R

Pomiary zasadnicze

Pomiary polegaj

w tym wypadku na weryfikacji wskaza

wybranego

woltomierza magnetoelektrycznego o zakresie pomiarowym U

=1,5 V, a w

konsekwencji jego klasy dokładno

ci. Pomiary dokonywane przy pomocy

wicz. nr 7 Kompensator napi

cia stałego

kompensatora s

bowiem obarczone bł

dem co najmniej trzykrotnie mniejszym

od bł

du wskaza

badanego woltomierza.

Reguluj

c napi

cie wyj

ciowe zasilacza ZS2, nale

y nastawia

wskazania

woltomierza odpowiadaj

ce wszystkim ocyfrowanym kreskom działowym

podziałki (patrz Tablica 1), mierz

c nast

pnie napi

cie panuj

ce na jego

zaciskach przy pomocy kompensatora.

Pomiary nale

y przeprowadza

według nast

puj

cej kolejno

ci:

1. Nastaw dla bezpiecze

stwa R

= 9999

Ω

2. Pokr

tło regulacji napi

cia wyj

ciowego zasilacza ZS2 ustaw w pozycji

zerowej

3. Wł

cz napi

cie zasilaj

ce tego zasilacza i nastaw na jego wyj

ciu ok. 4V

4. Obserwuj

c wskazania woltomierza, zmniejszaj warto

ś ć

rezystancji R

, a

pojawienia si

wskazania równego dokładnie 1,5 V

5. Nastaw warto

ś ć

rezystancji R

stosownie do warto

ci napi

cia, które b

dzie za

chwil

mierzone, w tym przypadku

Ω

⋅

−

15000

6. Dla zapewnienia wi

kszej swobody regulacji, zaleca si

nastawi

= 14

999

Ω

7. Przeł

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

wskaza

przepływ pr

du pomocniczego

8. Przeł

cznik „2” ustaw w pozycji „U

”

9. Przeł

cznik „3” - w pozycji „U

”

Przeł

cznik „4” - w pozycji „Grob”

10. Je

eli wskazówka galwanometru nie wskazuje zera, mo

na wst

pnie

zrównowa

układ u

ywaj

c małych dekad rezystora R

11. Przeł

cznik „4” ustawi

w pozycji „Fein” - galwanometr uzyskuje pełn

czuło

ś ć

, nale

y wtedy przeprowadzi

ostateczne równowa

enie układu,

uzyskuj

c zerowe wskazanie galwanometru

12. Odczytan

dla tego stanu warto

ś ć

rezystancji R

zanotuj w Tablicy 1

13. Oblicz warto

ś ć

zmierzonego przy pomocy kompensatora napi

cia U

według

formuły:

−

⋅

[V]

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

pomiarów odpowiadaj

cych im napi

ę ć

przy pomocy kompensatora według

podanych wy

ej reguł

16. Dla ka

dego wskazania woltomierza oblicz bł

d bezwzgl

dny wskaza

wicz. nr 7 Kompensator napi

cia stałego

−

∆

17. Odnie

najwi

kszy spo

ród obliczonych bł

dów bezwzgl

dnych do zakresu

pomiarowego U

= 1,5 V :

( )

100

max

∆

18. Okre

l klas

dokładno

ci badanego woltomierza, wybieraj

c spo

ród o

miu

znormalizowanych warto

najmniejsz

, która spełnia nierówno

ść

≥

Znormalizowane warto

ci klas dokładno

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

2,5/ 5.

Tablica 1

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

1,5

Ω

∆

Obliczony wzgl

dny bł

d wskaza

= .........%

Klasa dokładno

ci woltomierza:

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

W sprawozdaniu nale

Sporz

dzi

wykres zale

( )

∆

f U