МСиС / M_lab_PDF / LAB1

21

Потенциометрами или компенсаторами называются приборы для измере-

ния методом сравнения ЭДС, напряжений или величин, функционально с ними связанных.

Существуют потенциометры постоянного и переменного тока, автоматические и ручные. Ручные потенциометры постоянного тока часто используют для поверки образцовых и щитовых приборов непосредственного преобразования (амперметров и вольтметров).

Упрощенная схема компенсатора постоянного тока приведена на рис. 15. Источник постоянного тока GB1 обеспечивает протекание рабочего тока I в цепи, составленной из последовательно соединенных резисторов: измерительного Rи, установочного Rу и регулировочного Rр. Зажимы НЭ (на схеме не показаны) служат для подключения нормального элемента GB2, а зажимы Ux - для подключения измеряемого напряжения. При помощи переключателя гальванометрPG можно включать либо в цепь нормального элемента(положение НЭ), либо в цепь измеряемого напряжения (положение X).

В соответствии с идеей метода измеряемое напряжениеU необходимо

x

сравнить с падением напряжения, создаваемым рабочим током I на части R измерительного резистора Rи. На практике в качестве Rи используют магазин резисторов, обеспечивающий высокую точность задания требуемого значения R.

Процесс измерения напряжения состоит из двух операций: установления рабочего тока I и уравновешивания измеряемого напряженияUx напряжением, создаваемым рабочим током наR. Для установления рабочего тока переключатель гальванометра ставят в положение НЭ и при помощи резистораRp добиваются отсутствия тока в гальванометре. Это будет иметь место в том случае, если падение напряжения на части установочного резистора Ry равно ЭДС нормального элемента:

I Ry=Eн.

_______________________________

Грачев А.Н. Метрология, стандартизация и сертификация. Лабораторная работа №1

22

Таким образом, при отсутствии тока в цепи гальванометра рабочий ток вычисляется по формуле

R у

После этого переходят ко второй операции: переключатель гальванометра устанавливают в положение X и при помощи магазина резисторовRи устанавливают такое значение сопротивления R, при котором происходит уравновешивание измеряемого напряжения падением напряженияI R. Это произойдет тогда, когда ток через гальванометр снова будет отсутствовать. В результате уравновешивания имеем

Ux=I R. (31)

После подстановки выражения для рабочего токаI (30) в формулу (31) получим

представимым в виде 10-n, где n - целое. Если, например, n=4, то E н =10-4 и соот-

R у

ношение (32) принимает вид

Ux=0,0001R.

При этом определение Ux существенно упрощается. Практически этап вычисления исключается полностью, так как на шкалах магазина резисторовRи, при помощи которого устанавливается требуемое значениеR, наносятся числовые отметки, сразу дающие значение Ux в вольтах.

К сожалению, ЭДС нормального элементаЕн хотя и слабо, но зависит от

температуры. Поэтому значение отношения E н может несколько отличаться от

R у

требуемого "круглого" значения 10-n. Для устранения такого отличия служит небольшой переменный резистор, который вместе с постоянным резистором входит в состав Ry. Перед измерением значение Ry несколько корректируется, чтобы ком-

пенсировать уход отношения E н за счет температурных изменений Ен.

R у

При помощи компенсаторов можно измерять ЭДС и напряжения с весьма высокой точностью, так как резисторы Rи и Ry могут иметь погрешности, не превышающие 0,001%. Значение ЭДС нормального элемента известно также с не меньшей точностью. Классы точности компенсаторов постоянного тока лежат в пределах от 0,0005 до 0,5. Верхний предел измерения не превосходит1,5-2,5 B.

_______________________________

Грачев А.Н. Метрология, стандартизация и сертификация. Лабораторная работа №1

23

Нижний предел может составлять единицы нановольт. Если вместо нормального элемента используется стабилизированный источник постоянного тока, то верхний предел измерения может быть повышен до нескольких десятков вольт. Для измерения более высоких напряжений применяются схемы с делителем напряжения. При этом, однако, утрачивается одно из основных достоинств компенсационного метода измерения - отсутствие потребления мощности от объекта измерения.

Компенсаторы используются также для точных косвенных измерений токов и сопротивлений. Для измерения тока Ix в цепь включается образцовый резистор, сопротивление R0 которого известно с большой точностью, и компенсатором измеряется падение напряженияU на этом сопротивлении. Ток вычисляется по

формуле Ix= U . Для измерения сопротивления резистораRx последовательно с

R 0

ним включается образцовый резистор R0 и в этой цепи устанавливается токI. Падение напряжения на Rx и R0 измеряется компенсатором. Из уравнений

Ux=I Rx и U0=I R0

следует формула для вычисления значения измеряемого сопротивления Rx:

Rx= R 0U x . U 0

Чувствительность компенсаторов постоянного тока определяется следую-

где Sсх.к. - чувствительность схемы компенсатора по току; Sg - чувствительность гальванометра к току.

Предел допускаемой основной погрешности для компенсаторов постоянного тока определяют как

d=±100 DU =±с

U k

или

d=± éêc + dæç U k -1ö÷ùú. ë è U øû

Компенсаторы постоянного тока бывают двух типов: высокоомные и низкоомные. У первых сопротивление рабочей цепи достигает10 кОм на один вольт напряжения питания. Гальванометры в них применяют также с относительно большим критическим сопротивлением. Поэтому такие приборы предназначены для измерения относительно больших ЭДС до2,5 В. Для измерения малых ЭДС, например, термоЭДС, применяют низкоомные компенсаторы, рабочий ток в которых обычно составляет от1 до 25 мА, а применяемый гальванометр имеет небольшое критическое сопротивление.

_______________________________

Грачев А.Н. Метрология, стандартизация и сертификация. Лабораторная работа №1

24

2.2.2. Компенсаторы переменного тока Для уравновешивания двух напряжений переменного тока необходимо -ра

венство этих напряжений по модулю и противоположность их по фазе, также равенство их частот и идентичность формы кривой. Два последних условия могут быть выполнены путем организации питания исследуемой схемы и компенсатора от одного источника при соблюдении некоторых дополнительных мер. Соблюдение двух первых условий обеспечивается схемой компенсатора.

Вкачестве нуль индикаторов в компенсаторах переменного тока используют вибрационные гальванометры, электронно-лучевые нуль-индикаторы или усилители с выпрямительными приборами на выходе. Рабочий ток в таких компенсаторах обычно устанавливают с помощью амперметров, которые бывают классов точности не выше 0,05. Это объясняется тем, что на переменном токе не существует высокоточных эталонных мер, аналогов нормальных элементов на постоянном токе. Поэтому общая точность компенсаторов переменного тока значительно ниже точности компенсаторов постоянного тока.

Взависимости от того, как осуществляется уравновешивание измеряемой и известной ЭДС и в каких координатах получается отсчетЕх, компенсаторы делят на полярно-координатные и прямоугольно-координатные.

Вполярно-координатных компенсаторах имеются фазорегулятор и дели-

тель эталонного напряжения, с которых и снимаются отсчеты модуля и фазы измеряемого напряжения в момент полного отсутствия тока в нуль-индикаторе.

Прямоугольно-координатные компенсаторы имеют две рабочие цепи, в

которых угол сдвига по фазе между рабочими токами составляет90 градусов. Измеряемая ЭДС уравновешивается напряжением из двух составляющих, получаемых соответственно в этих двух рабочих цепях. Следовательно, модуль и фазу измеряемого напряжения по этим двум составляющим (Ux1 и Ux2) можно рассчитать, пользуясь известными соотношениями:

Таким образом, при помощи компенсаторов переменного тока можно непосредственно измерять ЭДС и напряжение переменного тока. Косвенно с их помощью измеряют ток, сопротивление, магнитный поток и т.п.

2.2.3. Автоматические компенсаторы Компенсаторы, у которых процесс компенсации происходит автоматически,

называются автоматическими компенсаторами. Как и ручные компенсаторы они бывают постоянного и переменного тока, причем последние также делятся на полярно- и прямоугольно-координатные. Также как и в случае ручных компенсаторов, гораздо более точными являются компенсаторы постоянного тока, они же чаще используются на практике.

Схема автоматического компенсатора постоянного тока приведена на рис. 16. Измеряемая ЭДС Ех уравновешивается напряжением Uбг на диагонали моста.

_______________________________

Грачев А.Н. Метрология, стандартизация и сертификация. Лабораторная работа №1

25

Если они не равны, то на вход усилителя оказывается приложена их разностьDU, которая усиливается и подается на реверсивный двигатель .МВ зависимости от знака этой разности ротор двигателя поворачивается в ту или иную сторону. С ротором же двигателя жестко соединены подвижный контакт переменного резистора R и стрелка указателя и/или перо самописца. При этом сопротивление R изменяется таким образом, чтобы наступила компенсация измеряемой ЭДС. Следовательно, в состоянии покоя (при равновесии) стрелка указателя покажет на предварительно проградуированной шкале значение измеряемой ЭДС.

Автоматические компенсаторы применяют для измерения электрических и неэлектрических величин, которые могут быть предварительно преобразованы в напряжение (ЭДС) постоянного тока.

Промышленностью выпускается большое количество автоматических компенсаторов, различающихся целевым назначением, габаритами, точностью, наличием или отсутствием цепей регулирования и сигнализации и т.п. В большинстве своем заводами одновременно выпускаются соответствующие серии автоматических мостов и компенсаторов, которые имеют одинаковые корпуса и используют большое количество одинаковых комплектующих элементов. Например, компенсаторы серий КСП2, КСП3, КСП4, КВП1 и т.п. Точность автоматических компенсаторов также, как и мостов, находится в пределах 0,25-1%, а время прохождения указателем всей шкалы составляет от 1 до 10 с.

3.Используемые приборы и оборудование

1.Потенциометр постоянного тока типа ПП-63 (основные технические и метрологические характеристики приведены в Приложении).

_______________________________

Грачев А.Н. Метрология, стандартизация и сертификация. Лабораторная работа №1

27

…

…

…

3.Собрать схему для поверки милливольтметра согласно рис. 17. Показать

еедля проверки преподавателю. Получив его разрешение, подать питание на стенд, включив тумблер “Сеть”.

4.Включить и настроить потенциометр ПП-63 согласно Приложению для измерений напряжения до 100 мВ с использованием внешней батареи питания.

5.Провести поверку щитового милливольтметра. Для чего, поворачивая ручку переменного резистора R2, последовательно устанавливать стрелку поверяемого прибора на равномерно отстоящие друг от друга, оцифрованные деления шкалы из ряда 0,1; 0,2; …; 0,9. (Внимание! Стрелку к соответствующей отметке шкалы следует подводить строго слева, т.е. от меньшего значения к большему.) На каждой из этих отметок шкалы поверяемого милливольтметра производить измерение напряжения с помощью потенциометра ПП-63 согласно Приложению. Результаты измерений заносить в табл. 3. (графа "ход вверх"). Затем с помощью переменного резистора R2 уменьшать напряжение, устанавливая стрелку поверяемого милливольтметра на тех же отметках шкалы, но в обратном направлении. (Внимание! Стрелку к соответствующей отметке шкалы следует подводить строго справа, т.е. от большего значения к меньшему.) При этом опять производить из-

7. Закончив измерения, показать результаты преподавателю, выключить стенд и потенциометр.

6.Содержание отчета

1.Наименование и цель работы.

2.Таблица с перечнем и основными техническими характеристиками приборов (табл. 2.).

_______________________________

Грачев А.Н. Метрология, стандартизация и сертификация. Лабораторная работа №1

28

3.Рисунки лицевой панели потенциометра и вольтметра с обозначением зажимов и регулирующих органов.

4.Рабочая схема соединения приборов при поверке щитовогого вольтметра

(рис. 17).

5.Таблица наблюдений и вычислений (табл. 3.).

6.Выводы с указанием о соответствии поверяемого вольтметра классу точности, приведенному на его шкале, и свои замечания о точности измерений при помощи компенсатора. Указать также, соответствует ли Государственному стандарту величина вариаций показаний поверяемого вольтметра.

7. Методические указания к оформлению отчета

Для каждого измерения вычисляют абсолютную погрешность

∆U = U - UП ,

где U - показания поверяемого вольтметра, В; UП - среднее значение показаний компенсатора, вычисленное как среднее арифметическое показаний “ход вверх“ и ”ход вниз” для одних и тех же отметок шкалы поверяемого вольтметра:

UП = ( UП1 + UП2 ) / 2 , В.

Для тех же измерений определяют относительные приведенные погрешности

γП = ( ∆U / UН ) · 100% ,

где UН - нормирующее значение, равное диапазону измеряемых милливольтметром напряжений (200 мВ).

По наибольшей полученной относительной приведенной погрешности, сравнивая ее с допустимой для данного вольтметра погрешностью, проверяют его класс точности

γД = ( ∆UMAX / UН ) · 100% .

8.Контрольные вопросы

1.Какой тип компенсатора был применен в лабораторной работе и какие органы управления прибором расположены на его лицевой панели?

2.Почему в компенсаторе постоянного тока для включения гальванометра применены две кнопки ? Каково их назначение ?

_______________________________

Грачев А.Н. Метрология, стандартизация и сертификация. Лабораторная работа №1

29

3.Какие пределы измерений э.д.с. имеет компенсатор, примененный в работе, и какая цена его наименьшего деления ?

4.Почему при измерении с помощью компенсатора необходим гальванометр весьма высокой чувствительности ?

5.Почему при поверке щитового вольтметра с помощью компенсатора -по казания вольтметра отличались от предварительно на нем установленных, когда компенсатор находился в неуравновешенном состоянии ?

6.Какой класс точности имеют поверяемый вольтметр и используемый для его поверки компенсатор ?

7.Что такое вариация показаний прибора ? От чего она зависит ?

8.Как регулировалось напряжение, подаваемое в измеряемую цепь ?

9.В чем заключается процесс поверки щитового вольтметра при помощи компенсатора ?

10. Как определялось соответствие поверяемого вольтметра классу точности, указанному на его шкале ?

11.Чему равен предел абсолютной допускаемой погрешности компенсатора на каждой из поверяемых отметок шкалы вольтметра ?

12. Измерения каких величин могут производиться при помощи потенциометра ?

9.Литература

1.Тартаковский Д.Ф. Метрология, стандартизация и технические средства измерений: Уч. для вузов / Д.Ф. Тартаковский, А.С. Ястребов. – М.: Высшая школа, 2001. – 205 с.

2.Никитин В.А. Методы и средства измерений, испытаний и контроля: Учебное пособие - 2-е изд. перераб. и доп. [Электронный ресурс]/ В.А. Никитин, С.В. Бойко - Оренбург ГОУ ОГУ, 2004. - 462 с. – Режим доступа: http://window.edu.ru/window/library

3.Основы метрологии и электрические измерения / Под ред. Е.М. Душина. - Л.: Энергоатомиздат, 1987. - 480 с.

4.Измерение электрических и неэлектрических величин / Под ред. Н.Н. Евтихиева. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - 352 с.

5. Электрические измерения электрических и неэлектрических величин

/Под. ред. Е.С. Полищука. - К.: Вища шк., 1984. - 359 с.

6.Шульц Ю. Электроизмерительная техника: 1000 понятий для практиков. Справочник / Ю. Шульц. - М.: Энергоатомиздат, 1989. - 287 с.

7.Измерения в промышленности: Справочник в 3-х кн. / Под ред. П. Профоса. - М.: Металлургия, 1990.

8.Мейзда Ф. Электронные измерительные приборы и методы измерений

/Ф. Мейзда. – М.: Мир, 1990. – 535 с.

9.Методы электрических измерений/ Под ред. Э.И. Цветкова. - Л.: Энергоатомиздат, 1990. - 287 с.

_______________________________

Грачев А.Н. Метрология, стандартизация и сертификация. Лабораторная работа №1

30

10.Алиев Т.М. Измерительная техника / Т.М. Алиев, А.А. Тер-Хачатуров.

-М.: Высш. шк., 1991. - 384 с.

_______________________________

Грачев А.Н. Метрология, стандартизация и сертификация. Лабораторная работа №1