7.3. Потенциометры постоянного тока

Принцип измерения напряжения и ЭДС потенциометром постоянного тока основан на сравнении измеряемой величины с известной ЭДС, которая воспроизводится мерой. В качестве меры в высокоточных потенциометрах используют нормальный элемент, представляющий собой химический источник тока, ЭДС которого известна с высокой точностью и стабильна во времени. Наиболее распространенные нормальные элементы с насыщенным раствором электролита имеют при температуре 20 ⁰С ЭДС, равную 1.0185 В. Поскольку стабильность ЭДС нормального элемента сохраняется лишь в режиме, близком к холостому ходу, в потенциометрах используются вспомогательные источники, например аккумуляторы. Схема, дающая представление об устройстве и функционировании потенциометра, приведена на рис. 7.5.

Рис. 7.5. Упрощенная схема потенциометра

В схеме можно выделить 3 контура:

• контур, включающий вспомогательную батарею GB, реостат R₁, образцовый резистор R_о и реохорд R₂;

• контур, образующийся в левом положении переключателя S, в который входят нормальный элемент G_N, резистор R_о и индикатор равновесия;

• контур, образующийся в левом положении переключателя, куда входят измеряемое напряжение U_x, реохорд и индикатор равновесия.

Процесс измерения состоит из двух этапов.

1. Установка рабочего тока. Переключатель S устанавливают в положение «1» и регулировкой реостата R₁ добиваются нулевого показания индикатора. Это, очевидно, будет иметь место, если откуда , где Е_N – ЭДС нормального элемента.

2. Измерение. Переключатель устанавливают в положение «2» и передвижением движка реохорда R₂ добиваются нулевого показания индикатора. Это произойдет при равенстве измеряемого напряжения U_x и падения напряжения на левой по схеме части реохорда, т.е.

.

Последнее означает, что шкала реохорда может быть отградуирована в единицах напряжения.

Для повышения точности отсчета в реальных потенциометрах R2 выполняют в виде многодекадного магазина образцовых резисторов. Цена деления старшей декады составляет единицы вольт, а последующих – десятые, сотые, тысячные и т.д. доли вольта.

Предел измерения равен произведению рабочего тока на сопротивление R₂. Для измерения напряжений, превышающих этот предел, используются делители напряжения. Точность измерений зависит от точности нормального элемента и резисторов, чувствительности индикатора и стабильности рабочего тока. Погрешность наиболее совершенных потенциометров составляет сотые доли процента.

Достоинством потенциометров является также то, что в момент компенсации ток от источника измеряемой ЭДС или напряжения равен нулю, благодаря чему полностью исключается методическая погрешность.

Существуют модели потенциометров, где вместо нормальных элементов используются электронные стабилизаторы напряжения.

8. Цифровые измерительные приборы

8.1. Общие сведения

Цифровые измерительные приборы (ЦИП) представляют измерительную информацию в цифровой форме, преобразуя непрерывный (аналоговый) сигнал в дискретный. В таком сигнале информация содержится не в его интенсивности (например в величине напряжения или тока), а в числе элементов – электрических импульсов. Совокупность таких элементов образует код, который в дальнейшем расшифровывается и представляется на отсчетном устройстве в виде числа в десятичной системе счисления.

По сравнению с аналоговыми приборами ЦИП обладают рядом достоинств:

• объективность и удобство отсчета и регистрации результатов измерения;

• высокая точность (до 0.001%) при широком диапазоне измеряемых величин;

• высокое быстродействие, обусловленное отсутствием движущихся частей;

• автоматизация процесса измерения – возможность выбора предела, коррекции погрешностей;

• возможность непосредственной подачи измерительной информации к вычислительным и управляющим устройствам;

• возможность дистанционной передачи измерительной информации без потери точности.

Некоторым недостатком ЦИП является их сложность и относительно высокая стоимость.

На рис. 8.1 представлена обобщенная функциональная схема цифрового измерительного прибора.

Рис. 8.1. Функциональная схема цифрового прибора

В соответствии со схемой ЦИП содержит входное устройство (ВУ), аналого-цифровой преобразователь (АЦП), цифровое отсчетное устройство (ЦОУ) и управляющее устройство (УУ). ВУ предназначено для масштабного преобразования измеряемой величины или ее преобразования в величину, удобную для дальнейшего использования. Обычно такой величиной является напряжение или частота. АЦП – основной функциональный узел ЦИП. Поступающая на вход АЦП величина преобразуется в цифровой код N. Информация в виде кода поступает в ЦОУ, где отображается в виде числа в привычной десятичной системе. Работой ВУ, АЦП и ЦОУ управляет УУ путем выработки команд, представляющих собой определенную последовательность электрических импульсов. В приборах с автоматическим выбором предела измерения между ВУ и УУ, помимо прямой, имеется обратная связь (на рис. 8.1 показана штриховой линией).