5.4.3. Компенсационные методы измерения

Компенсационный метод измерения положен в основу приборов сравнения второй группы – потенциометров. Основное назначение компенсационного метода – измерение малых ЭДС, (например, ЭДС термопары) и градуировка электроизмерительных приборов.

Сущность метода состоит в сравнении неизвестной ЭДС или напряжения с известным, взятым за образец.

В основном для измерения малых ЭДС или напряжений применяются потенциометры постоянного тока. Потенциометры переменного тока применяются для измерения магнитных величин.

Простейшая схема потенциометра постоянного тока показана на рис. 47.

Контур I называется цепью рабочего тока. Контуры II и III представляют собой измерительную цепь.

В контур I входят:

– E_всп – вспомогательная батарея;

– R_рег – регулировочный резистор;

– образцовый резистор R_N с точным значением сопротивления, который выбирается в зависимости от значения рабочего тока;

– компенсирующий резистор R_К с точно известным регулируемым сопротивлением.

В контуры II и III входят:

– Е_нэ – нормальный элемент, ЭДС которого известна с большой точностью;

– Е_x – неизвестная ЭДС;

– НИ – нуль-индикатор.

Первый этап измерения – калибровка потенциометра, т. е. установка рабочего тока. Для этого переключатель П устанавливается в положение 1. С помощью резистора R_рег регулируем рабочий ток I_раб до тех пор, пока нуль-индикатор не покажет 0, т. е. ток через НИ проходить не будет (I_ни = 0). Это означает, что ЭДС нормального элемента (в контуре II ) уравновешивается падением напряжения на образцовом резисторе R_N , т. е. I _раб R_N = E_нэ,

отсюда

I_раб = E_нэ / R_N .

Второй этап – собственно измерение ЭДС (переключатель П устанавливается в положение 2). Изменением компенсирующего резистора R_К добиваемся того, чтобы ток через НИ опять стал равным нулю. Это значит, что ЭДС Е_x уравновешивается падением напряжения на части компенсирующего резистора – , т. е.:

I_раб = E_x.

Подставив в последнее выражение уже определенное ранее значение рабочего тока (I_раб), получим значение неизвестной ЭДС

.

Точность измерения E_x определяется:

– чувствительностью нуль-индикатора НИ;

– неизменностью рабочего тока I_раб, т. е. стабильностью E_всп ;

– точностью изготовления резисторов R_N и R_К (последний выполняется в виде высокостабильных многодекадных магазинов сопротивлений).

Выпускаемые потенциометры имеют классы точности 0,005–0,5. Однако максимальное напряжение, которое может быть измерено потенциометрами постоянного тока – не более 2 В.

Важным преимуществом компенсационного метода является возможность измерять (или использовать для управления) ЭДС объектов малой мощности. Существуют схемы компенсационного метода градуировки амперметра и вольтметра. Если установить положение движка потенциометра так, чтобы ток нормального элемента равнялся нулю, то зная сопротивление потенциометра, можно получить соответствие между отклонениями стрелок амперметра и вольтметра и значениями измеренных токов. Изменяя сопротивления регулируемых резисторов в цепях амперметра и вольтметра, можно проградуировать шкалы этих приборов.

Достоинства компенсационных методов измерения:

– высокая точность измерения, так как величины Е_НЭ, R_N имеют весьма точные значения;

– компенсационная измерительная цепь работает без отбора энергии от объекта измерения, так как I_НЭ = 0;

– возможность измерять очень малые ЭДС и напряжения, поскольку в момент компенсации ток от источника Е_x в компенсатор не поступает;

– отсутствие влияния сопротивления соединительных проводов.

Недостатки компенсационных методов измерения:

– сложность изготовления потенциометров;

– высокая стоимость;

– влияние на показания приборов внешних воздействий (например вибраций).