Компенсационный метод измерений.

Измерение тока и напряжения аналоговыми (стрелочными) приборами непосредственной оценки производится в лучшем случае с погрешностью 0,1%. До появления цифровых приборов единственным методом, обеспечивавшим более высокую точность, был метод компенсации. Приборы для измерения компенсационным методом напряжений и электродвижущей силы (ЭДС) называются потенциометрами или компенсаторами.

В настоящее время при одинаковой точности измерений потенциометры значительно дешевле цифровых приборов. Важной особенностью потенциометров является отсутствие потребления тока от источника измеряемого напряжения в режиме точной компенсации. Это позволяет использовать компенсаторы для измерений в маломощных цепях, например ЭДС термопар.

Кроме того, компенсационный метод устраняет ошибки, присущие вольтметрам с невысокими входными сопротивлениями. Пусть по некоторому сопротивлению R протекает ток I. При подключении параллельно ему вольтметра c внутренним сопротивлением r (рис. 1) суммарное сопротивление уменьшится и станет равным

.

Рис.1 Рис.2

При этом общий ток I разветвляется на ток через сопротивление I_R и ток через вольтметр I_V. Если при этом общий ток I не изменился, то напряжение, измеренное вольтметром, , будет отличаться от истинного напряжения на величину абсолютной погрешности

(1)

Величина DU, также как и относительная погрешность измерений

(2)

будут зависеть от сопротивления вольтметра r. Обе погрешности будут уменьшаться с ростом величины сопротивления вольтметра r и устремятся к нулю только при r ® ¥. Если же R = r, то e достигает величины 50%. Таким образом, вольтметр шунтирует сопротивление и искажает режим работы цепи, где производится измерение, что может приводить к значительным ошибкам в измерениях. Указанный недостаток устраняется при применении компенсационного метода измерений.

Компенсационный метод основан на сравнении (компенсации) неизвестного измеряемого напряжения U_X (или неизвестной измеряемой ЭДС E_X) с известным компенсирующим напряжением U_К. Источники измеряемого и компенсирующего напряжения соединяются одноименными полюсами (рис 3). При этом два полюса соединяют непосредственно, а два других – через индикатор равенства (чувствительный гальванометр). Сила и направление тока, протекающего через гальванометр, будет определяться разностью U_X и U_К. При равенстве этих величин сила тока в цепи равна нулю, и «индикатор равенства» даёт

Рис 3

нулевое показание. Таким образом, плавно регулируя U_К, можно добиться нулевого показания «индикатора равенства». Тогда неизвестное измеряемое напряжения U_Х равно известному компенсирующему напряжению U_К.

Очевидно, что при компенсационном методе вследствие отсутствия тока в измерительной цепи в момент компенсации не вносится искажений в режим работы той цепи, где производится измерение. Поэтому погрешности измерений, определяемые формулами (1) и (2), исключаются. В качестве индикатора используются чувствительные гальванометры с нулем посредине. В высокоточных потенциометрах используются специальные фотогальванометрические индикаторы. Индикатор должен лишь фиксировать отсутствие тока, поэтому в данном случае имеет значение только чувствительность индикатора, а его класс точности роли не играет. Всё указанное приводит к тому, что компенсационный метод измерения и в настоящее время является одним из наиболее точных и чувствительных методов измерений.