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 ux записывается как , где uобр — значение образцового напряжения (меры);
— напряжение некомпенсации, измеряемое измерительным прибором;
— погрешность измерения разности
.
Так как uобр значительно больше , то относительная погрешность измерения ux значительно меньше относительной погрешности измерения
. Если uобр=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 uобр, 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 uk, противоположным ему по знаку. Падение напряжения uk создается током Ip на изменяемом по величине образцовом резисторе RK. Изменение сопротивления резистора RK происходит до тех пор, пока uk не будет равно ux. Момент компенсации (уравновешивания) определяется по отсутствию тока в цепи индикатора И. Изменение напряжения компенсации uk=IpRk можно осуществлять изменением сопротивления RK при неизменном значении рабочего тока Iр.
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 Еобр, образцовый резистор Rобр и индикатор И; рабочую или вспомогательную цепь, содержащую вспомогательный источник питания Ев, регулировочный резистор Rр, магазин компенсационного сопротивления Rk и образцовый резистор Rобр; измерительную цепь, состоящую из источника измеряемой ЭДС Ех, индикатора И и магазина компенсирующего сопротивления Rk.
Рис. 8.2. Упрощенная принципиальная схема потенциометра постоянного тока
Работа начинается с установки рабочего тока в рабочей цепи компенсатора с помощью вспомогательного источника Еобр. Значение рабочего тока Iр контролируется по ЭДС образцового нормального элемента. Для этого при положении 1 переключателя П с помощью реостата Rp устанавливается такое значение Iр, чтобы падение напряжения, создаваемое им на резисторе Rобр, было равно ЭДС нормального элемента Еобр. При компенсации И покажет отсутствие тока в цепи нормального элемента:
,
где обр — значение образцового резистора Rобр при компенсации ЭДС Еобр.
Для измерения Ех переключатель П ставят в положение 2 и регулировкой компенсирующего резистора Rк вновь доводят до нуля ток в цепи И, при этом , где
— значение компенсирующего резистора Rк при компенсации ЭДС Ех.
Так как в момент равновесия ток в цепи индикатора отсутствует, то можно считать, что входное сопротивление Rвх потенциометра (со стороны измеряемой ЭДС) равно бесконечности, т. е. при компенсации напряжения (ЭДС) Rвх = ∞.
Отсюда видно одно из основных достоинств компенсационного метода измерения — отсутствие потребления мощности от объекта измерения. Из уравнения Ех = Eобр /
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 Еобр = 1,0186 В. Так как неизвестная ЭДС Ех связана с ЭДС нормального элемента Еобр отношением
, то, следовательно, точность результата измерения определяется точностью изготовления и подгонки образцового Rобр и компенсирующего Rk резисторов.
Точность установления момента уравновешивания определяется чувствительностью нулевого индикатора.
Следовательно, точность компенсационной схемы определяется точностью установки и поддержания рабочего тока Iр, точностью изготовления и подгонки образцового Rобр и компенсирующего Rk резисторов, чувствительностью индикатора.
Одной из основных характеристик потенциометра является его чувствительность. Под чувствительностью S потенциометра понимают S = Sи Sк, где Sи — чувствительность индикатора; Sк — чувствительность компенсационной цепи.
Чувствительность индикатора определяется применяемым измерителем, следовательно, для определения S необходимо найти чувствительность компенсационной цепи Sк. Чувствительность компенсационной цепи определяется отношением приращения тока в индикаторе , возникающего при появлении в уравновешенной цепи приращения ЭДС
, к этому приращению, т. е. Sк =
.
Приращение тока где Rи — сопротивление индикатора; Rx — сопротивление источника измеряемой ЭДС Ех. Следовательно, чувствительность потенциометра
Чувствительность схемы должна выбираться в строгом соответствии с допустимой погрешностью измерения при условии
.
Это выражение позволяет определить необходимую чувствительность нулевого указателя Sи > 1/ Sк. В качестве нулевых указателей применяются высокочувствительные приборы непосредственной оценки, автокомпенсационные и фотокомпенсационные усилители и др. В качестве компенсирующего резистора Rк применяются образцовые магазины сопротивлений. Образцовый резистор Rобр 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 Еобр при данной температуре, что обеспечивает точную установку рабочего тока Iобр.
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.