Принцип компенсационного метода измерений

Компенсационный метод основан на уравновешивании двух электрически независимых величин (напряжений или токов) и осуществляется путем подключения этих величин в цепь индикатора равновесия.

Этот метод используют для прямых измерений напряжения (ЭДС) или тока и для косвенных измерений величин тока, сопротивления и не электрических величин. В основном применяются две схемы компенсации:

а) схема компенсации напряжений;

б) схема компенсации тока.

Из них наиболее распространенной является схема компенсации напряжений. Рассмотрим ее работу.

Рис. 2.1

В схеме (рис. 2.1) измеряемое напряжение U_x уравновешивается равным, но противоположным по знаку известным компенсирующим напряжением U_к. Падение напряжения U_к создается на образцовом регулируемом сопротивлении Rк током I. Изменение сопротивления Rк происходит до тех пор, пока U_к не будет равно U_х. Момент компенсации определяют по отсутствию тока в цепи гальванометра. Точность установления этого момента зависит от чувствительности гальванометра, которая может быть очень высокой.

При компенсации мощность от объекта измерения не потребляется, что является основной причиной использования компенсационного метода для измерения ЭДС (напряжений) в маломощных цепях.

Компенсационный метод имеет большое практическое применение и обеспечивает высокую точность измерения. Последняя обусловлена большой точностью и стабильностью элементов параметров цепей и может достигать тысячной доли процента.

В практических схемах компенсаторов для обеспечения необходимой точности измерения ток I_р в рабочей цепи определяется не амперметром, а компенсационным методом с помощью эталона ЭДС – нормального элемента. Нормальные элементы (НЭ) обеспечивают постоянную во времени ЭДС, равную 1,01865 В при t = 20°С.

С изменением температуры окружающей среды величина ЭДС уменьшается на каждый градус повышения температуры в соответствии с приближенной зависимостью:

, (2.1)

где – ЭДС при температуре t;

– ЭДС при t = 20 °C.

В зависимости от допустимых колебаний ЭДС, НЭ выпускаются трех классов 1, 2, 3 (табл. 2.1)

Таблица 2.1

Характеристики нормальных элементов.

Классы изготовления	ЭДС при 20°С	Допустимая температура °С	Допустимые измерения за один год мкВ
от	до
	1,0185	1,0187	18-22
	1,0185	1,0187	10-30
	1,0185	1,0195	10-40

Точность измерения потенциометрами во многом зависит от стабильности как ЭДС нормальных элементов, так и параметров других измерительных элементов.

Измерительная аппаратура, основанная на компенсационном методе измерения, различается по точности, конструкции и назначению. Различают потенциометры постоянного и переменного тока, ручного и автоматического уравновешивания.

2.2. Потенциометры постоянного тока (ППТ).

Принципиальная схема ППT представлена на рис 2.2.

Схема состоит из трех цепей: А – рабочей цепи с источником питания Е_всп, регулировочным (Rр), компенсирующим (Rк) и образцовым (Rн) резисторами с регулирующим сопротивлениями; Б – цепи компенсации, предназначенной для определения значения величины I_р и содержащей НЭ и образцовое сопротивление Rн; В – цепи компенсации, предназначенной для определения искомой величины Uх. В качестве органа сравнения используется высокочувствительный гальванометр (Г) магнитоэлектрической системы.

Рис. 2.2

При измерении в начале производят температурную коррекцию в цепи Б. Для этого, измерив температуру, рассчитывают уточненное значение Е_н.э. по формуле (2.1), в соответствии с которым устанавливают определенное значение Rн. Затем устанавливают I_р. Для этого переключатель П переводят в положение 1 и с помощью Rр устанавливают I_р. О заданной величине I_р свидетельствует нулевое показание указателя Г. При этом I_р = E_н.э./Rн. После установки Iр переключатель П переводят в положение 2, т. е. подключают цепь В, и определяют искомую величину, добиваясь уравновешивания компенсирующим напряжением U_к с помощью Rк. В момент компенсации ток в цепи Г вновь равен 0, а

где R'к – величина образцового компенсирующего сопротивления, при котором имеет место состояние равновесия.

Сопротивление Rк выполняют по специальным схемам, которые обеспечивают постоянное сопротивление между точками 3 и 4 и переменное сопротивление между точками 3 и Д, а также необходимое число знаков и точность отсчета. Неизменность полной величины Rк обеспечивает неизменность рабочего тока I в момент компенсации, если ЭДС вспомогательного источника
E_всп = const. При нестабильности источника питания необходимо проверить величину рабочего тока, переводя переключатель П в положение 1.

В зависимости от величины сопротивления рабочей цепи компенсаторы постоянного тока делят на компенсаторы:

- большого сопротивления (высокоомные) R = 10 – 40 кОм, ток [A], порядок измеряемого напряжения I = 2,5 [B], класс точности 0,02;

- малого сопротивления (низкоомные) R = 10 ¸ 1000 Ом, ток [A], порядок измеряемого напряжения до 100 мB, классы точности от 0,005 до 0,2.

Компенсационный метод измерения на постоянном токе широко применяется для измерения напряжения или ЭДС, а также величин, функционально связанных с ними (тока, мощности, сопротивления).

2.3. Измерение тока ППТ

Для измерения Iх в цепь включается дополнительно образцовый резистор Rо (рис. 2.3) с сопротивлением Rо<<R.

Рис. 2.3 Рис. 2.4

На образцовом сопротивлении возникает падение напряжения U_х пропорциональное величине измеряемого тока I_x. С помощью потенциометра измеряется U_x, а значение I_x определяется выражением

(2.2)

2.4. Измерение Rx.

Для измерения сопротивления Rx резистора (рис. 2.4) его соединяют последовательно с образцовым резистором Ro. При помощи переключателя П потенциометра поочередно измеряют падение напряжения на Ro (U_o) и
Rx (U_x) при неизменном токе I. Измеряемое сопротивление можно рассчитать по формуле

Rx = Ro

Для расширения пределов измерения потенциометра применяются образцовые делители напряжения.