Главная Измерительная установка - комплекс средств измерений




Рис. 2.16. Структурная схема электрометрического автокомпенсационного вольтметра

включен электрометр Э, состоящий из двух неподвижных обкладок i, 2 и подвижной обкладки 3, к которой прикреплено миниатюрное зеркальце. Подвижная обкладка укрепляется симметрично относительно неподвижных. На неподвижные обкладки подается напряжение возбуждения и. Такое включение электрометра позволяет повысить его чувствительность и установить нуль показаний электрическим путем (перемещением движка потенциометра при замкнутых входных зажимах). При подаче измеряемого напряжения и подвижная часть электрометра Э поворачивается на некоторый угол, что приводит к перераспределению световых потоков, освещающих фоторезисторы ФР; и ФР2, и появлению тока компенсации J. Напряжение ы, возникающее при этом на резисторе Кобр, уравновещивает измеряемое напряжение Ux. Подвижная часть электрометра отклоняется до тех пор, пока не наступит равенство этих напряжений.

Так как сопротивление резистора Кобр может быть незначительным, то ток /к может быть сравнительно большим и измеряться микроамперметром.

На базе электрометра строятся и высокочувствительные измерители тока.

2.5. ИЗМЕРЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА МЕТОДОМ СРАВНЕНИЯ

В приборах для измерения напряжения постоянного тока широкое распространение получили следующие методы сравнения: компенсации и дифференциальный.

Метод компенсации основан на уравновешивании (компенсации) измеряемого напряжения известным падением напряжения на опорном (измерительном) резисторе. Индикаторный прибор регистрирует равенство измеряемой и компенсирующей величин.

Для метода компенсации характерна высокая точность, определяемая точностью меры и чувствительностью индикатора. На этом методе основаны потенциометры, потенцио-метрические и интегропотенциометрические цифровые вольтметры.

При дифференциальном методе полного уравновешивания не происходит. Прибор измеряет разность между измеряемой величиной и мерой и отградуирован в единицах измеряемой величины. Измеряемая величина определяется по значению меры и показаниям прибора. Этот метод позволяет получить результаты с высокой точностью даже при применении относительно грубых средств измерения разности. Однако осуществление этого метода возможно только при условии воспроизведения с большой точностью меры, значение которой выбирается близким значению измеряемой величины.

Пусть значение измеряемого напряжения Ux записывается как

"х = "обр + Аи±а =

= ("обр -I- Аи) [1 + «/(Мобр + Д")],

где Ыобр - значение образцового напряжения (меры); Ды = - Ыобр - напряжение некомпенсации, измеряемое измерительным прибором; а - погрешность измерения разности "х - "обр-

Так как Ыобр значительно больше Ды, то относительная погрешность измерения и значительно меньше относительной погрешности измерения Ды. Если Ыобр = 9,9 В, Ды = = 0,1 В, а/Ди=0,01 (1%), то oiAu/(up + -l-Au)Au= 0,01 0,1/10 =10"* (0,01%). Таким образом, для достижения такой высокой точности можно применять сравнительно грубый прибор. Однако при этом измерении необходимо применять весьма точную меру Иобр, значение которой определено еще с меньшей (чем 0,01 %) погрешностью.

2.5.1. ПОТЕНЦИОМЕТРЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Измерение тока и напряжения аналоговыми приборами непосредственной оценки производится в лучшем случае с погрешностью 0,1 %. Более точные измерения можно выполнить методом компенсации. Приборы, основанные на компенсационном методе, называют потенциометрами или компенсаторами. В основном применяются схемы компенсации напряжения или ЭДС (рис. 2.17, а), электрического тока (рис. 2.17,6) и уравновешенного моста. При измерении напряжения наибольшее распространение по-



Л о-Х-

Рис. 2.17. Структурные схемы компенсации постоянного напряжения (а) и тока (б)

лучила схема компенсации напряжений (рис. 2.17, а). В этой схеме измеряемое напряжение Их уравновешивается известным напряжением компенсации и, противоположным ему по знаку. Падение напряжения и создается током /р на изменяемом по величине образцовом резисторе R. Изменение сопротивления резистора R происходит до тех пор, пока и не будет равно и. Момент компенсации (уравновешивания) определяется по отсутствию тока в цепи индикатора И. Изменение напряжения компенсации u = IR можно осуществлять изменением сопротивления R при неизменном значении рабочего тока /р.

Преимуществом компенсационного метода является отсутствие в момент полной компенсации тока от источника измеряемой ЭДС в цепи компенсации. В этом случае измеряется именно значение ЭДС, а не напряжение на зажимах источника. Кроме того, отсутствие тока в цепи индикатора нуля позволяет исключить влияние сопротивления соединительных проводов на результат измерений. Выходное сопротивление компенсатора при этом равно бесконечности, т. е. при полной компенсации мощность от объекта измерения не потребляется.

Упрощенная принципиальная схема, лежащая в основе почти всех потенциометров постоянного тока, приведена на рис. 2.18. Она содержит три цепи: цепь образцовой ЭДС, в которую входят истЬчник образцовой ЭДС £обр. образцовый резистор Кобр и индикатор И; рабочую или вспомогатель-

RoSp

Ro6p

-ОЙР

Рис. 2.18. Упрощенная принципиальная схема потенциометра постоянного тока

ную цепь, содержащую вспомогательный источник питания Ев, регулировочный резистор Rp, магазин компенсационного сопротивления R и образцовый резистор Кобр! измерительную цепь, состоящую из источника измеряемой ЭДС Е, индикатора И и магазина компенсирующего сопротивления Л.

Работа начинается с установки рабочего тока в рабочей цепи компенсатора с помощью вспомогательного источника. £обр-Значение рабочего тока 1р контролируется по ЭДС образцового нормального элемента. Для этого при положении 1 переключателя Я с помощью реостата Rp устанавливается такое значение 1р, чтобы падение напряжения, создаваемое им на резисторе Кобр, было равно ЭДС нормального элемента £обр- При компенсации И покажет отсутствие тока в цепи нормального элемента:

р = /о6р и /р = £обр/обр,

где Лобр - значение образцового резистора Лобр при компенсации ЭДС £обр.

Для измерения £х переключатель П ставят в положение 2 и регулировкой компенсирующего резистора R вновь доводят до нуля ток вепи И, при этом

Ех = IpRy = Eo5pRyRo6p,

где - значение компенсирующего резистора Кк при компенсации ЭДС £х.

Так как в момент равновесия ток в цепи индикатора отсутствует, то можно считать, что входное сопротивление R потенциометра (со стороны измеряемой ЭДС) равно бесконечности, т. е. при компенсации напряжения (ЭДС) Лех = ю-

Отсюда видно одно из основных достоинств компенсационного метода измерения - отсутствие потребления мощности от объекта измерения. Из уравнения = = £обрКк/Кобр видно, что неизвестное напряжение сравнивается с образцовой мерой - ЭДС нормального элемента. Среднее значение ЭДС насьпценных нормальных элементов при температуре 20 "С известно с точностью до пятого знака и равно £обр = = 1,0186 ~В. Так как неизвестная ЭДС Е связана с ЭДС нормального элемента £обр отношением Лк/обр. то, следовательно, точность результата измерения определяется точностью изготовления и подгонки образцового Лобр и компенсирующего R резисторов.

Точность установления момента уравновешивания определяется чувствительностью нулевого индикатора.

Следовательно, точность компенсационной схемы определяется точностью установ-



ки и поддержания рабочего тока /р, точностью изготовления и подгонки образцового i?o6p и компенсирующего резисторов, чувствительностью индикатора.

Одной из основных характеристик потенциометра является его чувствительность. Под чувствительностью S потенциометра понимают S = ShSk, где 5и - чувствительность индикатора; - чувствительность компенсационной цепи.

Чувствительность индикатора определяется применяемым измерителем, следовательно, для определения S необходимо найти чувствительность компенсационной цепи Sk-Чувствительность компенсационной цепи определяется отношением приращения тока в индикаторе А/, возникающего.при появлении в уравновешенной цепи приращения ЭДС А£х, к этому приращению, т. е. 5к = = Д Д£,.

Приращение тока

A/ = A£x/(i?„-HKx+-R9,

где К„ - сопротивление индикатора; R - сопротивление источника измеряемой ЭДС Еу. Следовательно, чувствительность потенциометра

S = SJ{R + Rx+R.

Чувствительность схемы должна выбираться в строгом соответствии с допустимой погрешностью измерения 5 при условии

1/5 < S < S„Sk.

Это выражение позволяет определить необходимую чувствительность нулевого указателя S„ l/SS- В качестве нулевых указателей применяются высокочувствительные приборы непосредственной опенки, автокомпенсационные и фотокомпенсационные усилители и др. В качестве компенсирующего резистора К к применяются образцовые магазины сопротивлений. Образцовый резистор Кобр конструктивно представляет собой магазин сопротивлений, состоящий из двух частей: неизменного сопротивления Кобр и так назьшаемой температурной декады щ. Эта декада позволяет регулировать Кобр в соответствии с действительным значением ЭДС £обр при данной температуре, что обеспечивает точную установку рабочего тока обр-

По значению сопротивления измерительной цепи потенциометры делятся на низкоомные и высокоомные. Низкоомные потенциометры (с сопротивлением менее 1000 Ом) применяются для измерения малых напряжений (до 100 мВ), высокоомные

(с сопротивлением более 1000 Ом) - для измерения напряжений до 1 - 2,5 В.

Компенсационный метод измерения принадлежит к числу наиболее точных. Потенциометры постоянного тока выпускаются классов точности 0,0005; 0,001; 0,002; 0,005; 0,01; 0,02; 0,05; 0,1; 0,2.

По способу введения компенсирующей величины потенциометры делятся на неавтоматические, полуавтоматические и автоматические. В неавтоматических компенсаторах большая часть измеряемого напряжения компенсируется вручную, а оставшаяся часть - автоматически.

2.5.2. ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ ВОЛЬТМЕТРЫ

Дифференциальный вольтметр - это усовершенствованный потенциометр постоянного тока, сочетающий потенциометр с ручным или автоматическим уравновешиванием и микровольтметр непосредственной оценки для измерения нескомпенсированной части измеряемого напряжения. Он отличается высокой точностью, разрешающей способностью и малым потреблением от исследуемого источника напряжения Функциональная схема дифференциального вольтметра приведена на рис. 2.19.

Декадный потенциометр, состоящий из образцового источника ЭДС £обр и многоступенчатого делителя напряжения Кк, представляет собой основу дифференциального вольтметра и служит для уравновешивания входного напряжения. Разность входного и компенсирующего напряжений измеряется микровольтмегром непосредственной оценки. Таким образом, дифференциальный вольтметр представляет собой неполностью уравновешенную компенсационную схему, в которой напряжение определяется по отсчету декадного потенциометра и по показанию измерительного прибора. Ток, протекающий в цепь, определяется нескомпенсированной разностью измеряемого и образцового напряжений и полным сопротивлением цепи.


Рис. 2.19. Упрощенная схема дифференциального вольтметра



0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 [10] 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168


0.0347