Потенциометры постоянного тока

Лекция 8. Измерение напряжения постоянного тока

Методом сравнения

В приборах для измерения напряжения постоянного тока широкое распространение получили следующие методы сравнения: компенсации и дифференциальный.

Метод компенсации основан на уравновешивании (компенсации) измеряемого напряжения известным падением напряжения на опорном (измерительном) резисторе. Индикаторный прибор регистрирует равенство измеряемой и компенсирующей величин.

Для метода компенсации характерна высокая точность, определяемая точностью меры и чувствительностью индикатора. На этом методе основаны потенциометры, потенциометрические и интегропотенциометрические цифровые вольтметры.

При дифференциальном методе полного уравновешивания не происходит. Прибор измеряет разность между измеряемой величиной и мерой и отградуирован в единицах измеряемой величины. Измеряемая величина определяется по значению меры и показаниям прибора. Этот метод позволяет получить результаты с высокой точностью даже при применении относительно грубых средств измерения разности. Однако осуществление этого метода возможно только при условии воспроизведения с большой точностью меры, значение которой выбирается близким значению измеряемой величины.

Пусть значение измеряемого напряжения u_x записывается как , где u_обр — значение образцового напряжения (меры); — напряжение некомпенсации, измеряемое измерительным прибором; — погрешность измерения разности .

Так как u_обр значительно больше , то относительная погрешность измерения u_x значительно меньше относительной погрешности измерения . Если u_обр=9,9В, =0,1В, =0,01 (1%), тогда Таким образом, для достижения такой высокой точности можно применять сравнительно грубый прибор. Однако при этом измерении необходимо применять весьма точную меру u_обр, значение которой определено еще с меньшей (чем 0,01 %) погрешностью.

Потенциометры постоянного тока

Измерение тока и напряжения аналоговыми приборами непосредственной оценки производится в лучшем случае с погрешностью 0,1%. Более точные измерения можно выполнить методом компенсации. Приборы, основанные на компенсационном методе, называют потенциометрами или компенсаторами. В основном применяются схемы компенсации напряжения или ЭДС (рис. 8.1, а), электрического тока (рис. 8.1, б) и уравновешенного моста. При измерении напряжения наибольшее распространение получила схема компенсации напряжений (рис.8.1, а). В этой схеме измеряемое напряжение их уравновешивается известным напряжением компенсации u_k, противоположным ему по знаку. Падение напряжения u_k создается током I_p на изменяемом по величине образцовом резисторе R_K. Изменение сопротивления резистора R_K происходит до тех пор, пока u_k не будет равно u_x. Момент компенсации (уравновешивания) определяется по отсутствию тока в цепи индикатора И. Изменение напряжения компенсации u_k=I_pR_k можно осуществлять изменением сопротивления R_K при неизменном значении рабочего тока I_р.

Рис. 8.1. Структурные схемы компенсации постоянного напряжения (а) и тока (б)

Преимуществом компенсационного метода является отсутствие в момент полной компенсации тока от источника, измеряемой ЭДС в цепи компенсации. В этом случае измеряется именно значение ЭДС, а не напряжение на зажимах источника. Кроме того, отсутствие тока в цепи индикатора нуля позволяет исключить влияние сопротивления соединительных проводов на результат измерений. Выходное сопротивление компенсатора при этом равно бесконечности, т. е. при полной компенсации мощность от объекта измерения не потребляется.

Упрощенная принципиальная схема, лежащая в основе почти всех потенциометров постоянного тока, приведена на рис. 8.2. Она содержит три цепи: цепь образцовой ЭДС, в которую входят источник образцовой ЭДС Е_обр, образцовый резистор R_обр и индикатор И; рабочую или вспомогательную цепь, содержащую вспомогательный источник питания Е_в, регулировочный резистор R_р, магазин компенсационного сопротивления R_k и образцовый резистор R_обр; измерительную цепь, состоящую из источника измеряемой ЭДС Е_х, индикатора И и магазина компенсирующего сопротивления R_k.

Рис. 8.2. Упрощенная принципиальная схема потенциометра постоянного тока

Работа начинается с установки рабочего тока в рабочей цепи компенсатора с помощью вспомогательного источника Е_обр. Значение рабочего тока I_р контролируется по ЭДС образцового нормального элемента. Для этого при положении 1 переключателя П с помощью реостата R_p устанавливается такое значение I_р, чтобы падение напряжения, создаваемое им на резисторе R_обр, было равно ЭДС нормального элемента Е_обр. При компенсации И покажет отсутствие тока в цепи нормального элемента:

,

где _обр — значение образцового резистора R_обр при компенсации ЭДС Е_обр.

Для измерения Е_х переключатель П ставят в положение 2 и регулировкой компенсирующего резистора R_к вновь доводят до нуля ток в цепи И, при этом , где — значение компенсирующего резистора R_к при компенсации ЭДС Е_х.

Так как в момент равновесия ток в цепи индикатора отсутствует, то можно считать, что входное сопротивление R_вх потенциометра (со стороны измеряемой ЭДС) равно бе­сконечности, т. е. при компенсации напряжения (ЭДС) R_вх = ∞.

Отсюда видно одно из основных достоинств компенсационного метода измерения — отсутствие потребления мощности от объекта измерения. Из уравнения Е_х = E_обр / видно, что неизвестное напряжение сравнивается с образцовой мерой — ЭДС нормального элемента. Среднее значение ЭДС насыщенных нормальных элементов при температуре 20 °С известно с точ­ностью до пятого знака и равно Е_обр = 1,0186 В. Так как неизвестная ЭДС Е_х связана с ЭДС нормального элемента Е_обр отношением , то, следовательно, точность результата измерения определяется точностью изготовления и подгонки образцового R_обр и компенсирующего R_k резисторов.

Точность установления момента уравновешивания определяется чувствительностью нулевого индикатора.

Следовательно, точность компенсационной схемы определяется точностью установки и поддержания рабочего тока I_р, точностью изготовления и подгонки образцового R_обр и компенсирующего R_k резисторов, чувствительностью индикатора.

Одной из основных характеристик потенциометра является его чувствительность. Под чувствительностью S потенциометра понимают S = S_и S_к, где S_и — чувствительность индикатора; S_к — чувствительность компенсационной цепи.

Чувствительность индикатора определяется применяемым измерителем, следовательно, для определения S необходимо найти чувствительность компенсационной цепи S_к. Чувствительность компенсационной цепи определяется отношением приращения тока в индикаторе , возникающего при появлении в уравновешенной цепи приращения ЭДС , к этому приращению, т. е. S_к = .

Приращение тока где R_и — сопротивление индикатора; R_x — сопротивление источника измеряемой ЭДС Е_х. Следовательно, чувствительность потенциометра

Чувствительность схемы должна выбираться в строгом соответствии с допустимой погрешностью измерения при условии .

Это выражение позволяет определить необходимую чувствительность нулевого указателя S_и > 1/ S_к. В качестве нулевых указателей применяются высокочувствительные приборы непосредственной оценки, автокомпенсационные и фотокомпенсационные усилители и др. В качестве компенсирующего резистора R_к применяются образцовые магазины сопротивлений. Образцовый резистор R_обр конструктивно представляет собой магазин сопротивлений, состоящий из двух частей: неизменного сопротивления и так называемой температурной декады . Эта декада позволяет регулировать в соответствии с действительным значением ЭДС Е_обр при данной температуре, что обеспечивает точную установку рабочего тока I_обр.

По значению сопротивления измерительной цепи потенциометры делятся на низкоомные и высокоомные. Низкоомные потенциометры (с сопротивлением менее 1000 Ом) применяются для измерения малых напряжений (до 100 мВ), высокоомные (с сопротивлением более 1000 Ом) — для из­мерения напряжений до 1 — 2,5 В.

Компенсационный метод измерения принадлежит к числу наиболее точных. Потенциометры постоянного тока выпускаются классов точности 0,0005; 0,001; 0,002; 0,005; 0,01; 0,02; 0,05; 0,1; 0,2.

По способу введения компенсирующей величины потенциометры делятся на неавтоматические, полуавтоматические и автоматические. В неавтоматических компенсаторах большая часть измеряемого напряжения компенсируется вручную, а оставшаяся часть — автоматически.