POLITECHNIKA BIAŁOSTOCKA
WYDZIAŁ ELEKTRYCZNY
___________________________________________________________
Laboratorium Miernictwa Elektrycznego
Kompensator napię cia stałego
ć wiczenie nr 7
Białystok 1998
1
Ć wi c z . n r 7 K o m p e n s a t o r n a p i ę c i a s t a ł e g o
1. Wprowadzenie
ompensator napięcia stałego jest układem elektrycznym przeznaczonym
do bezprą dowego pomiaru napięć stałych. Oznacza to, ż e nie obcią ż a on
K prą dem obwodu elektrycznego, do którego został włą czony. Z tego punktu widzenia uważ any być moż e za woltomierz o nieskoń czenie wielkiej rezystancji
wewnętrznej.
Nadaje
się
z
tej
racji
do
pomiaru
sił
elektromotorycznych ź ródeł napięcia stałego. W takim celu zresztą został
pierwotnie zbudowany, gdy w XIX wieku prowadzono prace nad konstrukcją ogniw elektrochemicznych. W owym czasie bowiem nie istniały jeszcze woltomierze mierzą ce napięcia bez poboru prą du.
Idea pomiaru kompensacyjnego jest stosowana z powodzeniem po dzień
dzisiejszy, ż eby wspomnieć tylko kompensacyjne przetworniki analogowo -
cyfrowe stosowane w miernictwie cyfrowym.
Pomiar kompensacyjny (rys.1) polega na fizycznym przeciwstawieniu
sobie wielkoś ci mierzonej UX i wzorcowej UK. Ta ostatnia jest płynnie regulowana i ma w każ dej chwili dokładnie okreś loną wartoś ć . W stanie równowagi (kompensacji) zarówno ze ź ródła wielkoś ci mierzonej jak i wzorcowej nie jest pobierana energia. Stan kompensacji stwierdza się, obserwują c wskazania galwanometru magnetoelektrycznego pełnią cego rolę detektorem zera (DZ). Należ y podkreś lić róż nicę między detektorem a klasycznym przyrzą dem pomiarowym. Rolą tego pierwszego jest jedynie
wykrywanie stanu kompensacji, przejawiają cego się brakiem róż nicy
potencjałów między okreś lonymi punktami układu pomiarowego. Detektor nie musi być wzorcowany w jednostkach jakiejkolwiek wielkoś ci fizycznej. Jego wskazania nie wchodzą zresztą do równania pomiaru, jego obecnoś ć nie burzy więc podstawowej zasady metody zerowej, to znaczy braku w układzie
jakichkolwiek elektrycznych przyrzą dów pomiarowych.
Na
rysunku
1
przedstawiono
schematycznie
ideę
pomiaru
kompensacyjnego napięcia UX.
UX
U
DZ
K
2
Ć wi c z . n r 7 K o m p e n s a t o r n a p i ę c i a s t a ł e g o Rys.1. Idea kompensacyjnej metody pomiaru napięcia UX
Znanych jest szereg rozwią zań kompensatorów napięcia stałego:
Cromptona, Diesselhorsta, Feussnera, Lindecka - Rothego, Rapsa.
W niniejszym ć wiczeniu układ kompensatora Feussnera stosowany jest do
weryfikacji wskazań , a w rezultacie klasy dokładnoś ci wybranego woltomierza magnetoelektrycznego
Układ kompensatora Feussnera
Uproszczony schemat ideowy kompensatora Feussnera przedstawiony
został na rysunku 2.
EW
EX
W
X
PŁ
Ogniwo Westona
Mierzona SEM
lub napię cie
G
Ig
UN
Uk
RN
R
Rk
t
IP
IP
10186,5 Ω
9x1 Ω
RF
IP = 100 µA
Źródło prą du
pomocniczego
µA
Rr
EP
Rys.2. Uproszczony schemat kompensatora Feussnera
W układzie kompensatora z rys.2 mierzonej SEM EX przeciwstawiane jest
napięcie kompensacyjne Uk, będą ce spadkiem napięcia na rezystancji Rk, która
3
Ć wi c z . n r 7 K o m p e n s a t o r n a p i ę c i a s t a ł e g o 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 wartości jest oddzielnym etapem procesu pomiarowego i odbywa się w obwodzie
zawierającym ogniwo wzorcowe Westona oraz wzorcowe rezystory RN i Rt.
W procesie nastawiania prądu 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,
(
−
R
+ R )⋅10 4 = E
N
t
W
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 wartości prądu pomocniczego równej 100 µA= 10-4 A.
Po nastawieniu właściwej wartości rezystancji Rt, przystępuje się do
nastawiania prądu pomocniczego IP =100 µA.. Prąd ten czerpany jest ze źródła 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 delikatną regulację 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
Ć wi c z . n r 7 K o m p e n s a t o r n a p i ę c i a s t a ł e g o Rk (rezystancję pięciodekadowego zestawu rezystorowego), doprowadza do
zerowego wskazania galwanometru, które oznacza stan kompensacji napięć : EX
oraz UK. Wartoś ć SEM (lub napięcia UX) oblicza się z zależ noś ci,
E = R ⋅100µ A ,
x
k
gdzie RK jest wartoś cią rezystancji odczytaną z nastaw poszczególnych dekad.
Podwójna dekada Feussnera
Rezystor RF występują cy na rysunku 2 jest w istocie złoż onym zestawem
pięciu dekad, z których trzy ś rodkowe mają specjalną konstrukcję przedstawioną w uproszczeniu na rysunku 3. Noszą one nazwę podwójnych dekad Feussnera.
Występują w niej dwie grupy identycznych rezystorów i specjalny przełą cznik PK. W układzie tym bez względu na położ enie przełą cznika PK, na drodze prą du pomocniczego występuje zawsze ta sama rezystancja (tu równa 5R).
Zmiana położ enia przełą cznika potrzebna jest do regulacji napięcia
kompensacyjnego UK.
Uk
IG
R
R
R
R
R
IP
PK
R
R
R
R
R
IP
Rys.3. Uproszczony schemat podwójnej dekady Feussnera
Na rysunku 3 napięcie kompensacyjne UK jest „zbierane” z dwóch górnych
rezystorów. Regulują c to napięcie nie narusza się wartoś ci prą du pomocniczego nastawionego w pierwszy etapie procesu pomiarowego. Rezystory, przez które płynie prą d pomocniczy IP odróż niono szarym kolorem. Należ y jeszcze raz podkreś lić , ż e taka konstrukcja dekady rezystorowej potrzebna jest tylko w dekadach ś rodkowych, skrajne dekady mogą zawierać pojedynczy zestaw rezystorów.
5
Ć wi c z . n r 7 K o m p e n s a t o r n a p i ę c i a s t a ł e g o Błąd metody
Błąd graniczny pomiaru SEM EX w układzie kompensatora Feussnera wyraż a się zależ noś cią:
δ
= δ
+ δ
+ δ
+ δ + δ
E
1
n
n 2
K
R
W
R
W
E
X
gdzie:
δ
- bł
E
ąd, z jakim okreś lona jest SEM E
W
W ogniwa Westona
δ
- bł
R
ąd, z jakim okreś lona jest rezystancja wzorcowa R
W
W
δ
- bł
R
ąd, z jakim okreś lona jest
K
δ
E
∆ W
=
- bł
n 1
ąd nieczułoś ci kompensatora w chwili równoważ enia SEM
E E
W
EW
δ
∆ E X
=
- bł
n
ąd nieczułoś ci kompensatora w chwili równoważ enia
2
E X
SEM EX
przy czym umownie przyjmuje się :
∆ E - zmiana SEM E
W
W powodująca przemieszczenie wskazówki
galwanometru
o ∆ a = 0 1
, ⋅ mm
∆ E - zmiana SEM E
X
X powodująca przemieszczenie wskazówki
galwanometru
o ∆ a = 0 1
, ⋅ mm
2. Przebieg pomiarów
Do skrzynki zawierającej zespół rezystorów, przełączników zacisków
wejś ciowych, należ y dołączyć elementy zewnę trzne układu pomiarowego według rysunku 4. Zestaw fabryczny moż e być wykorzystywany takż e do pomiarów rezystancji w układzie mostka Wheatstone’a, dlatego czę ś ć zacisków i przełączników nie bę dzie tu wykorzystywana.
6
Ć wi c z . n r 7 K o m p e n s a t o r n a p i ę c i a s t a ł e g o
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 siedzą ca mogła
widzieć podziałkę przyrzą du i jednocześ nie mogła swobodnie operować przełą cznikami korbkowymi rezystorów dekadowych. Zwieracz Z galwanometru
powinien znajdować się pod rę ką , aby można go szybko użyć w przypadku silnych oscylacji wskazówki lub gwałtownego jej zniknię cia z pola widzenia.
Po włą czeniu napię cia zasilają cego żaróweczkę wbudowaną do
galwanometru (6V), na tle podziałki pojawi się ś wiecą cy prostoką t. Zerowanie przyrzą du polega na ustawieniu go na ś rodku podziałki (zerowa kreska działowa znajduje się na ś rodku podziałki) przy pomocy przeznaczonego do tego celu pokrę tła. 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
R
µ
1
A
G
V
IP
100µA
10x1Ω
+
+
+
NE
Wh Br
Galv
Batt Komp
Ux1
Ux2
Rt
App
1
15x1000Ω
10x100Ω
10x10Ω
10x1Ω
10x 0,1Ω
2
3
4
RF
Rys.4. Schemat układu kompensatora badany w ćwiczeniu
7
Ć wicz. nr 7 K o m p e n s a t o r n a p i ę c i a s t a ł e g o
Nastawianie prądu pomocniczego
Nastawianie prądu pomocniczego, bę dące pierwszy etapem pomiaru,
obywać się powinno według nastę pującej kolejnoś ci.
1. Odczytaj temperaturę panującą w laboratorium
2. Posługując się tabelą poprawek, ustal wartoś ć SEM EW ogniwa Westona dla danej temperatury
3. Pokrę tłem Rt nastaw wartoś ć tej rezystancji wynikającą z tabeli poprawek 4. Włącz napię cie zasilające zasilacza ZS1 i nastaw na jego wyjś ciu ok. 3V
5. Nastaw wstę pnie R1= 9999 Ω
6. Przełącznik „1” ustaw w pozycji „Komp.App.” - mikroamperomierz
powinien wskazać przepływ prądu pomocniczego IP
Regulując rezystancję 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 przeciąż eniem i
ograniczającym jednocześ nie jego czułoś ć
10. Otwórz zwieracz Z i jeż eli galwanometr nie wskazuje zera (brak stanu kompensacji), doprowadź do takiego wskazania przez regulację prądu
pomocniczego przy pomocy rezystora R1
11. Przełącznik „4” ustaw w pozycji „Fein” - galwanometr uzyskuje pełną czułoś ć , moż e on wtedy wskazywać brak stanu kompensacji, należ y
ponownie uż yć rezystora R1 i uzyskać wskazanie zerowe
Proces nastawiania prądu pomocniczego zostaje zakoń czony. Przełączniki
„4”, „2”, „1” ustawić w położ eniach ś rodkowych. Od tej chwili nie wolno niczego zmieniać w obwodzie prądu 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 dokładnoś ci. Pomiary dokonywane przy pomocy
8
Ć wicz. nr 7 K o m p e n s a t o r n a p i ę c i a s t a ł e g o
kompensatora są bowiem obarczone błę dem co najmniej trzykrotnie mniejszym od błę du wskazań badanego woltomierza.
Regulując napię cie wyjś ciowe zasilacza ZS2, należ y nastawiać wskazania
woltomierza odpowiadające wszystkim ocyfrowanym kreskom działowym
podziałki (patrz Tablica 1), mierząc nastę pnie napię cie panujące na jego zaciskach przy pomocy kompensatora.
Pomiary należ y przeprowadzać według nastę pującej kolejnoś ci:
1. Nastaw dla bezpieczeń stwa R2 = 9999 Ω
2. Pokrę tło regulacji napię cia wyjś ciowego zasilacza ZS2 ustaw w pozycji zerowej
3. Włącz napię cie zasilające tego zasilacza i nastaw na jego wyjś ciu ok. 4V
4. Obserwując wskazania woltomierza, zmniejszaj wartoś ć rezystancji R2, aż do pojawienia się wskazania równego dokładnie 1,5 V
5. Nastaw wartoś ć rezystancji Rk stosownie do wartoś ci napię cia, które bę dzie za chwilę mierzone, w tym przypadku
5
,
1 ⋅
=
V
R
k
=
⋅Ω
−
15000
10 4 A
6. Dla zapewnienia wię kszej swobody regulacji, zaleca się nastawić Rk = 14
999 Ω
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. Jeż eli wskazówka galwanometru nie wskazuje zera, moż na wstę pnie zrównoważ yć układ uż ywając małych dekad rezystora Rk
11. Przełącznik „4” ustawić w pozycji „Fein” - galwanometr uzyskuje pełną czułoś ć , należ y wtedy przeprowadzić ostateczne równoważ enie układu, uzyskując zerowe wskazanie galwanometru
12. Odczytaną dla tego stanu wartoś ć rezystancji Rk zanotuj w Tablicy 1
13. Oblicz wartoś ć zmierzonego przy pomocy kompensatora napię cia Uk według formuły:
4
U
R
[V]
k =
10−
k ⋅
15. Nastawiaj kolejne, podane w Tablicy 1 wskazania woltomierza i dokonuj pomiarów odpowiadających im napię ć przy pomocy kompensatora według
podanych wyż ej reguł
16. Dla każ dego wskazania woltomierza oblicz błąd bezwzglę dny wskazań :
9
Ć wicz. nr 7 K o m p e n s a t o r n a p i ę c i a s t a ł e g o
∆ U = U − U
V
k
17. Odnieś najwię kszy spośród obliczonych błę dów bezwzglę dnych do zakresu pomiarowego Un = 1,5 V :
( U
∆ )max
δ =
10 %
0
U
Un
18. Określ klasę dokładności badanego woltomierza, wybierają c spośród ośmiu znormalizowanych wartości najmniejszą, która spełnia nierówność :
k ≥ δ
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
Ω
Uk
V
∆U V
Obliczony wzglę dny błą d wskazań : δ = .........%
U
Klasa dokładności woltomierza: k = ...........
W sprawozdaniu należ y:
Sporzą dzić wykres zależ ności ∆ U = f ( UV )
10
Ć wicz. nr 7 K o m p e n s a t o r n a p i ę c i a s t a ł e g o
3. Pytania i zadania kontrolne
1. Wyjaśnij zasadę kompensacyjnego pomiaru napię cia stałego
2. Opisz w oparciu o schemat z rysunku 2 przebieg nastawiania prą 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 ć wiczenia
4. Literatura
1. Lebson S. Podstawy miernictwa elektrycznego WNT, Warszawa 1972
2. Łapiń ski M. Miernictwo elektryczne WNT, Warszawa 1967