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