Пояснения к работе. Для измерения малых постоянных напряжений (менее 10 мВ) с погрешностью менее 0,01 % применяются потенциометры (компенсаторы) постоянного тока или прецизионные

Для измерения малых постоянных напряжений (менее 10 мВ) с погрешностью менее 0,01 % применяются потенциометры (компенсаторы) постоянного тока или прецизионные интегрирующие цифровые вольтметры. Потенциометры существенно дешевле аналогичных по точности цифровых вольтметров, поэтому для измерений малых постоянных напряжений в лабораторных условиях они могут оказаться предпочтительней.

Потенциометры постоянного тока предназначены для измерения напряжения методом сравнения с мерой. При использовании этого метода измеряемая величина одновременно или периодически сравнивается с мерой, и результирующий эффект воздействия этих величин на устройство сравнения доводится до нуля. В связи с этим данную разновидность метода сравнения обычно называют нулевым или компенсационным методом измерений. Используемая в нулевом методе мера должна быть регулируемой, а погрешность измерений тем меньше, чем выше чувствительность устройства сравнения.

Компенсационный принцип измерений иллюстрирует рис. 1. Измеряемое напряжение U_x сравнивается с мерой, в качестве которой выступает образцовое компенсирующее напряжение U_ком, создаваемое регулируемым источником образцового напряжения (ИОН). Этот источник включается встречно с источником измеряемого напряжения. В качестве устройства сравнения (нуль-индикатора) служит гальванометр. Компенсирующее напряжение U_ком на выходе ИОН изменяется в процессе измерений до тех пор, пока оно не уравновесит напряжение U_x. При выполнении условия U_ком = U_x ток через нуль-индикатор не проходит и его стрелка устанавливается на ноль.

Рис. 1 Схема, поясняющая принцип работы потенциометра

Компенсационный метод обеспечивает высокую точность измерений напряжения по следующим причинам:

- напряжение на выходе ИОН известно с высокой точностью;

- условие U_ком = U_x выполняется с высокой точностью благодаря чувствительному гальванометру;

- в момент снятия показаний ток через источник измеряемого напряжения U_x не протекает и падение напряжения на его внутреннем сопротивлении R_вн отсутствует, следовательно, методическая погрешность, обусловленная влиянием входного сопротивления средства измерений, сведена к нулю.

Последнее свойство потенциометров уникально и позволяет выполнять прямые измерения не только величины падения напряжения, но и ЭДС источника. Выпускаемые промышленностью потенциометры постоянного тока обычно имеют класс точности от 0,0005 до 0,5.

Недостатками потенциометров постоянного тока являются более трудоемкий по сравнению с вольтметрами процесс измерений и небольшое максимальное значение измеряемого напряжения на входных клеммах прибора – обычно не более 1,5…2 В.

Для расширения пределов измерений потенциометра, напряжение U_x подают на его вход через делитель напряжения (рис. 2). Основными характеристиками делителя напряжения являются номинальное значение коэффициента деления К и погрешность воспроизведения этого значения.

Рис. 2 Схема подключения потенциометра через делитель напряжения

Значение коэффициента деления

Для удобства измерений номинальное значение К выбирается из ряда 10^-n, где n = 0, 1, 2 и т. д.

При использовании делителя через него, а следовательно и через источник измеряемого напряжения, протекает ток, то есть теряется одно из основных преимуществ компенсационного метода измерений. Чтобы свести влияние этого фактора к минимуму, общее сопротивление делителя R1+R2 должно быть намного больше, чем внутреннее сопротивление источника измеряемого напряжения R_вн. Использование делителя приводит к изменению вида измерений. Измерения, выполняемые потенциометром без делителя, являются прямыми, с делителем измерения становятся косвенными. Зависимость между измеряемой величиной U_х и показаниями потенциометра U_пот имеет вид

.

Как правило, R2≪R1, поэтому погрешность косвенных измерений в рассматриваемом случае можно вычислить по формуле:

(1)

где ΔU_пот/U_пот – предел относительной погрешности потенциометра, определяемый по его классу точности;

ΔR1/R1 – предел относительной погрешности воспроизведения сопротивления верхнего плеча делителя.

Упрощенная электрическая схема используемого в работе потенциометра постоянного тока показана на рис. 3. Компенсирующее напряжение образуется за счет сложения падений напряжений, возникающих при протекании рабочего тока I_р1 через декады R2, R4 измерительного резистора в первом контуре и рабочего тока I_р2 через декады R6, R8 во втором контуре. Рабочие токи создаются с помощью высокостабильных вспомогательных источников питания Б2, Б3. Значения рабочих токов поочередно в первом и втором контурах регулируются резисторами R1 и R5. Данная регулировка выполняется до тех пор, пока падение напряжения, возникающее при протекании рабочего тока через резистор R3 (R7), не станет равным ЭДС нормального элемента Б1. Нуль-индикатор ИП1 включается в цепь первого контура кнопкой В1 «▲1», а в цепь второго – кнопкой В2 «▲2».

При измерении неизвестного напряжения U_х нуль-индикатор подключается кнопкой В3 (переключаемый контакт В3 при этом устанавливается в левое положение). С помощью декадного измерительного резистора происходит уравновешивание измеряемого напряжения U_х суммарным падением напряжения на декадах R2, R4, R6, R8. Значение U_х определяют как сумму значений, отсчитанных по шкалам декад измерительного резистора.

Высокая точность измерений напряжения обеспечивается точностью воспроизведения ЭДС нормального элемента, точностью и температурной стабильностью сопротивлений резисторов, стабильностью вспомогательных источников питания.

Рис. 3. Электрическая схема потенциометра постоянного тока