Методы построения приборов сравнения (компенсации)

В большой группе измерительных приборов реализуется метод сравнения измеряемой вели­чины с ее мерой (мерой называется образец, представляю­щий собой техническое средство, служащее для веществен­ного воспроизведения единицы определенной физической величины). Чаще всего применяются приборы с дифферен­циальным или нулевым методом сравнения. При дифферен­циальном методе сравнения измеряемая величина непос­редственно или косвенно сравнивается с мерой, а о резуль­тате сравнения судят по разности одновременно производи­мых этими величинами эффектов. При нулевом методе сравнения измеряемая величина сравнивается с мерой, а результирующий эффект воздействия этих величин на ин­дикатор доводится до нуля. К приборам, реализующим этот метод измерения, относятся потенциометры (компенсато­ры) и мосты. Эти приборы широко применяются как для измерения напряжения и тока, так и для измерения пара­метров электрических цепей ( , , ).

У приборов, работающих по методу сравнения, большая чувствительность, чем у других типов приборов, что обес­печивает наименьшую погрешность измерения.

Потенциометр постоянного тока (компенсатор)_. Принципом работы потенциометра постоянного тока является уравновешивание (компенсация) поверяемого напря­жения или ЭДС известным с высокой степенью точности напряжением. В качестве компенсирующего обычно используют падение напряжения на образцовом резисторе, сопро­тивление которого известно с относительной погрешнос­тью, не превышающей ±(0,01—0,001) %.

Принцип компенсационного метода измерения наиболее просто можно понять при анализе схемы, приведенной на рис. 13, где — нормальный элемент, ЭДС которого точно известна; — измеряемая ЭДС; НИ — нуль-инди­катор (обычно магнитоэлектрический гальванометр); — образцовый резистор; — резистор с точно известным ре­гулируемым сопротивлением; — реостат; ВБ — вспомо­гательный источник питания.

Рис. 4.13. Схема компенсационнго метода измерения

Рис. 4.14. Схема измерения сопротивления

Методика измерения ЭДС заключается в следую­щем. Сначала устанавливается определенное для потенци­ометра значение рабочего тока. Для этого переключатель ставят в положение и сопротивление реостата изменяют до тех пор, пока гальванометр НИ не покажет отсут­ствия тока . Это будет при ,т.е. при рабочем то­ке Затем переключатель ставят в положение и при этом перемещением движка реостата добива­ются отсутствия тока в гальванометре. При этом искомое значение ЭДС . Значение рабочего тока во время
измерений должно быть, очевидно, постоянным.

Высокая точность компенсационного метода измерения обеспечивается высокой чувствительностью гальваномет­ра, высокой точностью параметров нормального элемента и резисторов, а также высокой стабильностью вспомога­тельного источника питания. Погрешность измерения у сов­ременных потенциометров с ручным и полуавтоматическим уравновешиванием не превышает ±0,02 %. Погрешность измерения автоматических компенсаторов несколько хуже, но не превышает (0,1—0,5) %.

Потенциометр не потребляет энергии от поверяемой це­пи и не вызывает нарушений режима ее работы, что явля­ется большим достоинством компенсационного метода из­мерения.

При помощи потенциометра можно также измерять то­ки и сопротивления. Для определения тока в цепь вклю­чается образцовый резистор с сопротивлением на кото­ром измеряется напряжение . Затем по формуле вычисляется ток.

Для измерения сопротивления резистора его вклю­чают в цепь последовательно с источником постоянного на­пряжения и образцовым резистором (рис. 4.14). При помощи переключателя поочередно измеряют потенцио­метром на сопротивлениях и падение напряжения и (во время измерений ток I должен ос­таваться неизменным).

Сопротивление резистора

Рис. 4.15. Мостовая схема измерения

По значению сопротивления рабочей цепи потенциомет­ры постоянного тока делятся на две группы: низкоомные и высокоомные. К низкоомным относятся компенсаторы, име­ющие суммарное сопротивление контура рабочего тока, рав­ное 50—1500 Ом. Компенсаторы, сопротивление контура рабочего тока которых превышает 10 кОм, относятся к высокоомным.

Следует отметить, что существуют потенциометры и для измерений в цепях переменного тока с определением не только значений токов и напряжений, но и сдвига фаз меж­ду ними. Потенциометры переменного тока по точности измерений значительно уступа­ют потенциометрам постоянного тока в ос­новном из-за отсутствия меры ЭДС пере­менного тока, аналогичной нормальному элементу.

Мостовые измерительные схемы. Мостовые схемы, реализующие метод срав­нения, широко применяются для измерения параметров пассивных элементов электри­ческих цепей. На рис. 4.15 представлена простейшая мостовая цепь, к которой могут быть приведены мостовые цепи более слож­ной конфигурации.

Пусть , , ,— комплексные сопротивления плеч моста. Если ток индикатора НИ равен нулю - подобный режим называется режимом равновесия моста, топотенциалы точек и равны и одинаковы токи , . Поэтому и откуда следует условие равновесия

или

При известных сопротивлениях трех плеч уравновешенного
моста сопротивление четвертого плеча (например, ) определяется из равенства

.

Широко применяемые при измерении относительно боль­ших величин мостовые схемы имеют существенные ограни­чения по точности при малых значениях активных сопро­тивлений, емкостей и индуктивностей.