Лекція 2. Електровимірювальні прилади

2.4. Компенсаційні методи вимірювання

Компенсаційний метод вимірювання покладений в основу приладів порівняння, які отримали назву потенціометрів.

Головне призначення компенсаційного методу – вимірювання малих величин ЕРС (наприклад, ЕРС на виході термопари) і градуювання електровимірювальних приладів.

Суть методу полягає у порівнянні невідомої ЕРС або напруги із заздалегідь відомою величиною (ЕРС або напруги), яка береться за зразок. В основному для вимірювання малих величин ЕРС або напруги застосовують потенціометри постійного струму. Потенціометри змінного струму застосовують для вимірювання магнітних величин. Найпростіша схема потенціометра постійного струм наведена на рис. 2.5.

Рис. 2.5. Схема потенціометру постійного струму

 

У наведеній на рис. 2.5 схемі можна виділити три контури.

Контур I утворює коло робочого струму.

Контури II та III утворюють вимірювальне коло.  

До контуру I входять:

Е_доп - допоміжна батарея;

R_рег - регулювальний резистор;

R_N - зразковий резистор, опір якого відомий з високою точністю (величина цього опору вибирається в залежності від величини робочого струму);

R_K - компенсаційний резистор, опір якого регулюється і відомий з високою точністю.

До контурів II та III входять:

E_H - ЕРС нормованого (іноді кажуть нормального) елемента (відома з високою точністю);

E_x - невідома ЕРС;

НІ –нуль-індикатор.

 

Перший етап вимірювання – калібрування потенціометра, тобто встановлення робочого струму.

Перемикач П встановлюємо в положення 1.

За допомогою резистора R_рег регулюємо робочий струм I_роб до тих пір, поки нуль-індикатор не покаже 0, що відповідатиме ситуації, за якої струм через НІ не проходить. Тобто маємо

I_ні = 0.

Це означає, що ЕРС нормованого елемента (діє в контурі II) урівноважується падінням напруги на зразковому резисторі R_N. Тобто маємо:

Звідки

 

Другий етап вимірювання – реалізація процесу вимірювання ЕРС.

Перемикач П встановлюємо в положення 2.

Змінюючи величну компенсаційного резистора R_к, досягаємо того, щоб струм через НІ знову став дорівнювати нулю. Це означає, що невідома ЕРС Е_x урівноважується падінням напруги на частині компенсаційного резистора – R¹_K (див. рис. 2.5). Тобто маємо:

Підставивши в останнє співвідношення визначену раніше величину робочого струму I_роб, отримуємо величину невідомої ЕРС як:

Точність вимірювання E_x визначається:

- чутливістю нуль-індикатора (НІ);

- незмінністю робочого струму I_роб, тобто стабільністю Е_доп;

- точністю виготовлення резисторів R_N та R_К (останній зазвичай виконується у вигляді високостабільних багато-декадних магазинів опорів).

 

Потенціометри, що на сьогодні випускаються серійно, мають класи точності від 0,005 до 0,5. Однак максимальна напруга, яку можна виміряти такими потенціометрами постійного струму не перевищує 2 В.

Зазначимо, що компенсаційний метод застосовується для градуювання амперметрів і вольтметрів. Для цього встановлюють положення рухомого елемента потенціометра так, щоб струм нормального елемента дорівнював нулю. При цьому, знаючи опір потенціометра, можна отримати відповідність між відхиленнями стрілок амперметра і вольтметра з величинами вимірюваних струмів. Змінення опору регульованих резисторів в колах амперметра і вольтметра, дозволяє градуювати шкали цих приборів.

Переваги компенсаційних методів вимірювання:

- висока точність вимірювання, адже величини Е_Н, R_N відомі з високою точністю;

- компенсаційне вимірювальне коло функціонує без відбирання енергії від об’єкта вимірювання, адже в робочій фазі вимірювання

I_ні = 0;

- створені умови для вимірювання дуже малих величин ЕРС і напруги, адже в момент компенсації струм від джерела Е_x у компенсатор не надходить;

- відсутній вплив на результати вимірювань опору з’єднуючих провідників.

Недоліки компенсаційних методів вимірювання:

- складність виготовлення високоточних потенціометрів;

- висока вартість;

- помітний вплив на покази приладів зовнішніх факторів (наприклад, вібрації, температури тощо).