Компенсаційний метод

8.1. Основи компенсаційного методу вимірювання

Основне призначення компенсаційного методу — це вимі­рювання малих ЕРС, наприклад термопари, і градуювання електровимірювальних приладів. Вимірювання струму, напруги і потужності показуючими приладами: амперметрами, вольт­метрами і ватметрами виконується з точністю до 0,1%. Більш точні вимірювання вказаних величин можна виконати тільки компен­саційним методом. Цей метод полягає в тому, що вимірювана напруга порівнюється із спадом напруги, який створюється допоміжним струмом, що має строго визначене значення і протікає через опір, значення якого відоме з великою точністю. Порівняння вимірюваної напруги з відомим спадом напруги здійснюється нульовим способом, при якому вимірювана напруга компенсується (зрівноважується) регульованим відомим спадом напруги. Для вимірювання компенсаційним методом струму або потужності ці величини потрібно попередньо перетворити тим чи іншим способом у різницю потенціалів (спад напруги), що строго пропорційна величині, яка підлягає вимірюванню. Вимірювання компенсаціііним методом виконують за допомогою особливих приладів, які називають потенціометрами або компенсаторами.

На рис. 8.1 наведена схема, яка пояснює компенсаційний метод вимірювання і покладена в основу майже всіх потенціометрів постійного струму. Батарея акумуляторів або гальванічних еле­ментів Б живить коло із трьох послідовно з'єднаних опорів: R_В — вимірювального, R_у — настановного, R_р — регулювального. До затискачів X підводиться вимірювана напруга U_х, до затискачів Не підключається нормальний елемент Е_н. Крім того, при роботі з потенціометром необхідно використовувати високочутливий гальванометр G, який за допомогою перемикача може бути включений або в коло вимірюваної напруги, або в коло нормального елементу.

Вимірювання на потенціометрі складається з двох операцій: 1) встановлення в колі потенціометра робочого струму І, що має строго визначене значення, 2) власне вимірювання невідомої напруги. Для встановлення струму І перемикач гальванометра ставлять у положення, відзначене буквами НЕ. При цьому ЕРС нормального елементу буде протиставлений спадові напруги на настановному опорі, що дорівнює IR_у .

Під дією різниці цих величин стрілка гальванометра відхи­литься в той чи інший бік. Регулюючи струм І за допомогою реостата Rp отримують нульове відхилення гальванометра при умові Е_н = IR_у , де Е_н — значення ЕРС нормального елементу; з останнього рівняння витікає:

(8.1)

Після цього гальванометр переключають у коло вимірюваної напруги і, не змінюючи струм І, знову доводять стрілку гальва­нометра до нуля за допомогою переміщення контакту Д. При цьому вимірювана напруга буде компенсована спадом напруги на дільниці вимірюваного опору, який позначений буквою R. В цьому разі

(8.2)

З формул (8.1) і (8.2) витікає

Звідси бачимо, що результат вимірювання визначається відношенням опорів R і R_у . Для забезпечення правильності результатів необхідно, щоб обидва опори були дуже точними. Крім того, пристрій вимірювального опору повинен давати можливість дуже плавно змінювати опір R у дуже широких межах. Для досягнення цього застосовують різні спеціальні схеми.

Висока точність компенсаційного методу вимірювання забезпе­чується високою чутливістю гальванометра, високою точністю параметрів нормального елемента і резисторів, а також високою стабільністю допоміжного джерела живлення Б. Похибка вимі­рювання у сучасних потенціометрів з ручним і напівавтоматичним зрівноважуванням не перевищує ± 0,02%. Похибка вимірювання автоматичних компенсаторів не перевищує ± (0,1—0,5)%.

Потенціометр не споживає енергії від кола, яке повіряється і не викликає порушень режиму його роботи, що с великою Перевагою компенсаційного методу вимірювання. За допомогою Потенціометра можна також вимірювати струм і опір. Для виз­начення струму І_х у коло включають зразковий резистор з опором Ry, на якому вимірюється напруга U_х. Далі за формулою U_х = Ry І_х знаходиться струм.

На рис. 8.1 настановний опір R_у показаний постійним, але практично він завжди складається з двох частин: основна частина його має незмінне значення, а невелику частину (біля 1 %) вико­нують змінною — у вигляді температурної декади. Наявність температурної декади дає змогу змінювати в деяких межах опір R_у , для того, щоб його числове значення було рівно в 10ⁿ разів більшим числового значення ЕРС нормального елементу. Число п вибирається при конструюванні потенціометра цілим, що дорівнює 2,3 або 4. Змінна частина опору R має назву температурної декади, тому що опір R_у доводиться встановлювати у відповідності з температурою нормального елементу, ЕРС якого суттєво зале­жить від температури.

За значенням опорів робочого кола потенціометри постійного струму поділяються на дві групи: низькоомні і високоомні. До низькоомних відносяться компенсатори, які мають сумарний опір контуру робочого струму, що дорівнює 50—1500 Ом. Компен­сатори, опір контура робочого струму яких перевищує 10 кОм, відносяться до високоомних.

Необхідно відзначити, що існують потенціометри і для вимірювання в колах змінного струму з визначенням не тільки значень струмів і напруг, але і зсуву фаз між ними. Потенціометри змінного струму за точністю вимірювань значно поступаються потенціометрам постійного струму в основному через відсутність міри ЕРС змінного струму, яка аналогічна нормальному елементу.