Компенсационные схемы используют для измерения неэлектрических величин, которые преобразуются датчиками в ЭДС или напряжение. Сигнал датчика сравнивается с компенсирующим напряжением, вырабатываемым потенциометром. Подбор компенсирующего напряжения выполняется вручную или автоматически.
Приборы с автоматической компенсацией называют также автоматическими потенциометрами.
Рассмотрим простейшую компенсационную схему (рис. 13) с ручным уравновешиванием. Измеряемая ЭДС Ехили напряжение Uх уравновешиваются равным и противоположным по знаку напряжением UК, снимаемым с переменного проволочного резистора RК, представляющего собой часть резистора R. Этот резистор имеет два неподвижных вывода и один подвижный, выполненный в виде щетки, скользящей по проволоке. Все сопротивление резистора R включено в цепь источника питания с ЭДС Е. Переменное сопротивление RKпропорционально перемещению х движка (щетки): RK = (R/L) x, где L — общая длина проволочной намотки между неподвижными выводами. Соответственно и компенсирующее напряжение UKбудет пропорционально перемещению движка х UK= (IR/L)x, где I — ток, проходящий через резистор R под действием ЭДС Е.
Движок необходимо перемещать до тех пор, пока компенсирующее напряжение UК не сравняется с измеряемым напряжением Uх: UK = Ux. Для определения положения точной компенсации используется чувствительный прибор (гальванометр или микроамперметр).
Рис. 13 Компенсационная измерительная схема с ручным уравновешиванием
Ток через прибор
(30)
где - сопротивление датчика; - сопротивление прибора.
Если компенсация произошла, то ток через прибор равен нулю: = 0. Значит, прибор в данном случае нужен не для измерения тока, а для определения его нулевого значения. Поэтому такой прибор называют нуль-индикатором (НИ). О значении измеряемого напряжения можно судить по перемещению движка, т.е. движок можно соединить со стрелкой, а вдоль резистора R расположить шкалу, проградуировав ее в единицах напряжения или сразу в единицах той неэлектрической величины, которая преобразуется датчиком в ЭДС Ехили в напряжение Ux.
Отметим также, что при компенсационном методе измерения Ех = Ux. Действительно, , но в момент компенсации = 0.
Точность измерения при компенсационном методе зависит от стабильности поддержания тока I в цепи питания резистора R. Ведь именно от силы этого тока зависит значение компенсирующего напряжения UK. Если ЭДС источника питания Е уменьшилась (из-за разряда аккумулятора или батарейки), то уменьшится и ток I. Для компенсации придется на большее расстояние х переместить движок резистора R, и стрелка укажет на иное, ошибочное значение измеряемой величины. Для поддержания стабильного тока питания I можно использовать регулировочный резистор и миллиамперметр или применить источник стабилизированного напряжения, как в автоматическом потенциометре (рис. 14).
Чувствительность компенсационной схемыможно определить как отношение приращения тока через прибор к вызывающему его изменению измеряемого напряжения:
(31)
Рис. 14. Схема автоматического потенциометра
Если достигнуто состояние компенсации, то измеряемое напряжение Uxуравновешено компенсирующим напряжением UK (Ux= UK) и ток через прибор равен нулю. Пусть измеряемое напряжение изменилось на ΔUx, а компенсирующее напряжение не изменилось (движок потенциометра резистора R неподвижен).
В этом случае разность между измеряемым и компенсирующим напряжениями равна ΔUx. Под действием этого напряжения через прибор пройдет ток
(32)
где — внутреннее сопротивление электрической цепи питания, замеренное на зажимах а—б при отключенном датчике; — сопротивление прибора (нуль-индикатора); — сопротивление датчика. Сопротивление можно представить как параллельное соединение части сопротивления компенсирующего резистора с сопротивлением, состоящим из оставшейся части компенсирующего резистора (R - RK) и регулировочного резистора :
(33)
Подставив (32) и (33) в (31), получим выражение для чувствительности компенсационной схемы:
(34)
Анализ формулы (34) показывает, что чувствительность схемы зависит от RK, а так как RK = (R/L)x, то чувствительность зависит от положения движка х. Чувствительность непостоянна в разных точках шкалы. На рис. 15 показана зависимость чувствительности от положения движка компенсирующего резистора. В начальном положении движка (RK = 0) чувствительность максимальна: . В среднем положении движка чувствительность минимальна, что необходимо учитывать при точных измерениях ЭДС.
Компенсационный метод измерения применяется в цепях как постоянного, так и переменного токов. Однако потенциометры переменного тока дают меньшую точность измерения и сложнее, поскольку необходимо компенсировать падение напряжения не только по абсолютной величине, но и по фазе. Это требует одновременного регулирования не менее двух параметров для обеспечения полной компенсации. На практике стремятся упростить мост переменного тока, выполняя одну пару плеч моста чисто активными, а другую пару — из однотипных элементов.
Рис. 15. Зависимость чувствительности компенсационной схемы от положения движка потенциометра