Методика эксперимента

1. В первой части работы, цель которой - пояснить принцип компенсационного метода, используется реохордный вариант схемы потенциометра, представленный на рис.6. Сопротивление Rвыполнено в виде проволоки постоянного сечения, укрепленной на линейке с миллиметровой шкалой со скользящим контактом.

Вспомогательный источник эдс Епредставляет собой электронное устройство, в котором переменное напряжение сети преобразуется в постоянное (около 6 вольт). Этот источник и присоединен к реохорду - тонкой проволоке, закрепленной на миллиметровой линейке. Двухполюсный переключательК₁позволяет включать в цепь гальванометра Gнормальный элементE_nили источникE_x, эдс которого измеряется. В цепь гальванометра включено также большое сопротивление r,чтобы предохранить прибор от протекания через него чрезмерного тока. Параллельно присоединен кнопочный ключК₂, при нажатии которогоrкак бы выключается. Замыкается цепь гальванометра на реохорд с помощью подвижного контакта, перемещением которого вдоль проволоки и достигается компенсация, как было описано выше. ГальванометрGпредставляет собой не очень чувствительный для компенсационного метода прибор - микроамперметр магнитоэлектрической системы.

Нормальный элемент - это, как уже указывалось, гальванический элемент особого устройства, эдс которого известна с точностью до 5-го знака после запятой. Он отличается весьма высоким постоянством эдс во времени, но только при условии, что ток через него не превышает 10^-6ампера. В схеме с реохордом это обеспечить невозможно. К тому же по этой схеме можно измерить эдс с точностью до 2-го знака (в лучшем случае). Поэтому в нашей схеме вместо нормального элемента Вестона используется батарея, отличающаяся высоким постоянством эдс, величина которой известна с точностью до первого знака. Она указана на корпусе батареи.

Для измерения величины неизвестной эдс E_xпоступают следующим образом. КлючК₁ устанавливают в такое положение, при котором в цепь гальванометра включен источникE_x, и движением ползунка добиваются компенсации - равенства нулю тока через гальванометр, затем фиксируют значениеL_x. ЗатемК₁ переводится в положение, при котором в цепь гальванометра включен источникЕ_n, вновь проводится компенсация, и снова фиксируется положение движка на линейке, то есть значениеL_n. Далее величинаЕ_xрассчитывается по формуле (2). Точность определения величинL_xиL_nсоставляет3 мм.

2. Для точных измерений величины электродвижущей силы и сопротивления в данной работе используется потенциометр постоянного тока Р363-3. Максимально упрощенная схема этого потенциометра была приведена выше на рис.4.

Верхний предел измерения потенциометра - 2,121111В. Им можно проводить измерения с точностью до 0,1мкВ. Предел допускаемой основной погрешности показаний потенциометра Uопределяется по формуле

U = (50U + 0,04) 10^-6 (В), (4)

где U - показание потенциометра в вольтах.

Потенциометр состоит из измерительного блока, блока стабилизированного напряжения и автокомпенсатора напряжений, который включает в себя блок управления и усилитель постоянного тока. Автокомпенсатор есть не что иное, как высокочувствительный гальванометр.

Основная часть измеряемого напряжения компенсируется вручную с помощью магазинов сопротивления (декад) потенциометра. Нескомпенсированная декадами часть измеряемого напряжения уравновешивается автоматически с помощью автокомпенсатора.

Все основные детали и узлы блока измерения смонтированы на металлической раме. Все переключатели и реохорды блока измерения, выведенные на лицевую панель, смонтированы на металлической монтажной плате, укрепленной на раме. Расположение ручек управления и на лицевой и задней панелях блока показано на рис.7.

Рис.7

1- кнопка"Блокировка X₁ и X₂";2,3 - зажимы"X₁" и "X₂" для подключенияE_x;4- переключатель "Направление тока"; 5- переключатель “Автономная поверка";6 - переключатель “Род работы”;7-переключатель температурной декады нормального элемента;8- реохорд нормального элемента;9,10- ручки резисторов грубой и точной настройки токаI_A;11,12- ручки резисторов грубой и точной настройки токаI_B;13,14- ручки резисторов грубой и точной настройки токаI_C;15- измерительные декады рядаU₁;16- измерительные декады рядаU₂;17- разъем для подключения автокомпенсатора;18- разъем для подключения блока стабилизированного питания;19,20- зажимы цепиБ "Выход" и "Вход" для подключения внешней цепи;21- зажимы для подключения нормального элемента;22- зажимы “Rзам” с съемной перемычкой.

Автокомпенсационная часть потенциометра состоит из усилителя и блока управления. Усилитель весьма чувствителен к механическим вибрациям, поэтому он установлен на выносном кронштейне, закрепленном на капитальной стене. На лицевую панель усилителя выведен механический корректор нуля.

Расположение ручек управления на лицевой и задней панели автокомпенсатора указано на рис.8

Рис.8

1- переключатель "Чувствительность";2-выходной прибор автокомпенсатора;3,4,5 - ручки "Установка нуля О₁О₂О₃";6- кнопка "О₁О₂О₃;7- кнопка "Шунт АК";8 - кнопка "Измерение";9- разъем для подключения усилителя;10 - кабель для подключения к блоку измерения.

В блоке автокомпенсации применяется так называемый фотогальванометрический принцип. Его суть состоит в следующем. Маленькая легкая катушка свободно подвешена на нити и помещена в магнитное поле постоянного магнита. На нити укреплено зеркальце, которое отражает свет специальной лампочки и направляет его на два фоторезистора. (Фоторезистор - это такой резистор, сопротивление которого зависит от его освещенности). Эти фоторезисторы являются плечами моста постоянного тока (см. описание лабораторной работы №6). Если ток в катушке отсутствует, то освещенности резисторов одинаковы и равны их сопротивления. В этом случае мост уравновешен, т.е. ток в его диагонали равен нулю, и выходной прибор автокомпенсатора показывает нуль.

При появлении на входе автокомпенсатора нескомпенсированного блоком измерения напряжения через подвижную катушку потечет ток, что приводит к повороту катушки в поле постоянного магнита. В результате поворота катушки, а значит и зеркальца, изменяется соотношение освещенности фоторезисторов. Ток, возникающий в диагонали моста, подается на вход полупроводникового усилителя. Ток с выхода усилителя проходит через компенсационное сопротивление и выходной прибор автокомпенсатора. Этот ток создает падение напряжения на компенсационных сопротивлениях.

Подвижная катушка будет отклоняться до тех пор, пока падение напряжения, создаваемое током усилителя на компенсационных сопротивлениях, не уравновесит нескомпенсированное неавтоматической частью потенциометра напряжение. Так как компенсационное сопротивление неизменно (на данном пределе измерений), то значение тока, измеряемое выходным прибором автокомпенсатора, пропорционально измеряемому сопротивлению.

Вход автокомпенсатора подключается к выходу блока измерения нажатием и фиксацией кнопки "Измерение".

Все части потенциометра Р363 (кроме усилителя) располагаются на рабочем столе. Все необходимые соединения и подключения произведены заранее. Однако прежде, чем приступить к измерению значения неизвестной эдс, необходимо подготовить прибор к работе. Эта подготовка заключается в следующем. Прежде всего, необходимо установить стрелку выходного прибора автокомпенсатора на нулевую отметку шкалы механическим корректором микроамперметра. Включить усилитель и блок стабилизированного напряжения в сеть. После прогрева блоки готовы к работе.

На блоке управления автокомпенсатором отожмите кнопки " Измерение" и "Шунт АК", ручку "Чувствительность" установите в положение10^-6В и нажмите кнопку "О₁О₂О₃". Ручку электрического корректора нуля по току (О₁) установите приблизительно в среднее положение и ручкой "Механический корректор нуля" (она находится на корпусе усилителя) выставьте стрелку выходного прибора на нулевую отметку. Ручкой "О₁" установите стрелку выходного прибора более точно на нулевую отметку и отожмите кнопку. Дальнейшую настройку нуля производите ручками "О₂","О₃" (корректором по напряжению) при положении переключателя "Чувствительность"10^-7Ви10^-8В.

После подготовки к работе автокомпенсатора проводится подготовка к работе блока измерения. Для этого переключатель "Направление тока" поставьте в положениеI, а переключатель "Автономная поверка" в положение 0. Все декадные переключатели установите в положение 0, а на температурной декаде и реохорде НЭ (ручки7и8) установите эдс нормального элемента.

После этого необходимо настроить токи в контурах A,BиC. Настройка тока в контуреA(I_A) производится при двух положениях переключателя "Направление тока" (переключатель 4) в следующей последовательности. Установите переключатель5("Автономная поверка") в положение0, переключатель рода работ (6) - в положениеI_A, переключатель4 - в положениеI, переменные резисторы9,10настройки токаI_A- в среднее положение.

Зафиксируйте кнопку "Измерение" на блоке автокомпенсации. Увеличивая чувствительность автокомпенсатора до 10^-6В, настройте токI_A. Для этого ручками 9,10доустановите стрелку выходного прибора на ноль. Верните переключатель "Чувствительность" в положение10^-1В. Установите ручку переключателя "Направление тока" в положениеII.Увеличивая чувствительность до 10^-6В, произведите отсчетNпо выходному прибору. Установите стрелку выходного прибора на отметкуN/2вращением ручки10. При настройке токаI_Aна значениеN/2добейтесь такого состояния, чтобы стрелка выходного прибора оставалась на одной и той же отметке шкалы как в положенииI, так и в положении IIпереключателя "Направления тока". После настройки токаI_Aотожмите кнопку "Измерение" и верните переключатель "Чувствительность" в положение10^-1В.

Настройка токов I_BиI_C производится аналогично:I_Bнастраивается при чувствительности автокомпенсатора 10^-7В ручками11и12, аI_C- при чувствительности 10^-8В ручками 13и14.

3. После проведения всех этих операций потенциометр Р363-3 готов к работе. Измерения напряжения и эдс менее 2,121111В проводятся в следующей последовательности.

Источник измеряемого напряжения, соблюдая полярность, подключается к зажимам "Х₁" и переключатель рода работ6 устанавливается в положениеХ₁. Зафиксировав кнопку "Измерение" на блоке автокомпенсатора и последовательно увеличивая его чувствительность, уравновешивается измеряемое напряжение ручками декад15. По выходному прибору автокомпенсатора производится отсчет показаний в деленияхN₁иN₂при положенияхIиIIпереключателя "Направление тока".

Измеряемое напряжение определяется в вольтах по формуле:

U_x = U₁ + U_ак, (5)

где U₁- отсчет по декадам потенциометра в вольтах,U_ак - показание выходного прибора блока автокомпенсации, определяемое по формуле:

, (6)

где n-номер положения переключателя "Чувствительность". ЗначенияN₁иN₂должны подставляться в формулу (6) со своими знаками ( "+" или "-" ) согласно надписи на шкале выходного прибора.

4. Потенциометр Р363-3 имеет два ряда измерительных декад переключателей (ручки 15и16), что позволяет уравновешивание двух независимых напряжений. Одно из них подается на зажимы "Х₁", другое - на зажимы "Х₂". Наличие двух рядов декадных переключателей позволяет значительно ускорить измерения и повысить их точность, поскольку ослабляется влияние различных посторонних факторов в промежутке между двумя последующими измерениями.

Эта особенность конструкции потенциометра используется для измерения значений сопротивления вышеуказанным способом. При этом падение напряжения на сопротивлении R_nизмеряется при помощи декадU₁(зажимы "Х₁"), а падение напряжения наR_xуравновешивается при помощи декадU₂(зажимы "X₂").

Рис.9.

Для измерения сопротивлений при помощи потенциометра необходимо собрать схему, показанную на рис.9. На этой схеме П₁ иП₂обозначают потенциальные клеммы, аТ₁ иТ₂- токовые клеммы нормального сопротивления.

.Цепь, подключаемая к зажимам "Б Вход" (зажимы20на задней панели блока управления) есть не что иное, как цепь "U - R" на схеме рис.5. Цепь, подключенная к зажимам "Б Выход" (зажимы19на задней панели), - есть участок цепи "R_x - R_n" схемы рис.5. Амперметр в схеме рис.9 служит для оценки тока в цепиБ: если ток менее 0,1A, то перемычкаR_замснимается; если значение тока лежит в диапазоне 0,1 - 10A, то перемычкаR_замне снимается.

После того как все блоки потенциометра подготовлены к работе в соответствии с указаниями, на блоке измерений проводятся следующие переключения. Переключатель "Направление тока" устанавливается в положениеI, переключатель "Автономная поверка" - в положение 0, переключатель рода работ - в положениеХ₁, кнопка "Блокировка Х₁ и Х₂" фиксируется поворотом в нажатом состоянии. На блоке управления автокомпенсатора переключатель "Чувствительность" переводится в положение10^-1В.

В цепи "R_n - R_x" с помощью регулировочного сопротивления R устанавливается такой ток, чтобы мощность, выделяемая наR_n,не превышала номинальной. Номинальный ток обозначен на корпусе нормального сопротивления и равенI_ном = 0,1A. Далее на декадных переключателяхU₁устанавливается значение напряженияU_n,I, соответствующее действительному значению нормального сопротивления (оно также указано на корпусе R_n).

Измерение сопротивления выполняется в следующем порядке. Повышая постепенно чувствительность автокомпенсатора, настройте в цепи "R_n-R_x" ток с помощью регулировочного сопротивленияRтаким образом, чтобы стрелка выходного прибора автокомпенсатора установилась на нуль или на отметку, близкую к нулю. Запишите отсчетU_n,Iпо декадам компенсатора и отсчетN_n,I (с учетом знака) по выходному прибору автокомпенсатора.

После этого, уменьшив чувствительность автокомпенсатора до величины 10^-1В, переключатель рода работ установите в положениеХ₂и измерьте напряжениеU_x,I наR_x, также как в пункте 3 данного раздела. Запишите отсчетU_x,I по декадам16и отсчетN_x,I (с учетом знака) по выходному прибору автокомпенсатора. Затем чувствительность вновь уменьшается до 10^-1В.

Далее переключатель "Направление тока" установите в положениеIIи, не изменяя установленного на декадах значенияU_x,I, ток в цепи "R_n - R_x" настройте с помощьюRтак, чтобы стрелка выходного прибора установилась на отметку, близкую к нулю, при необходимой чувствительности автокомпенсатора. Запишите отсчетN_x,II по выходному прибору с учетом знака.

Наконец, установив переключатель рода работ в положение Х₁, измерьте напряжениеU_n,II с помощью декад15(пункт 3 данного раздела). Запишите отсчетU_n,IIпо декадам15 и отсчетN_n,IIпо автокомпенсатору. Значение неизвестного сопротивления рассчитывается по формуле:

(7)

Нетрудно заметить, что при N_x,I = N_x,II иN_n,I = N_n,II полученная формула эквивалентна формуле (3). Следует заметить, что при использовании (7) все величины подставляются в нее в одних единицах.