Измерение постоянного напряжения

Измерение напряжений в цепях постоянного тока может быть выпол­нено с помощью измерительных приборов любых систем: магнитоэлектриче­ских, электромагнитных, электродинамических, электростатических, анало­говыми и цифровыми вольтметрами. Как уже отмечалось, выбор вольтметра обусловлен мощностью объекта измерений, необходимой точно­стью. Так же, как в случае измерения постоянного тока, если необходимая точность изме­рения, допустимая мощность потребления может быть обеспе­чена с помо­щью электромеханических приборов, то следует предпочесть простой метод непосредственного отсчёта. При измерении с высокими точ­ностями целесо­образно использовать метод сравнения.

При использовании в качестве вольтметра приборов магнитоэлектриче­ской системы последовательно с катушкой прибора с сопротивлением R_к (см. рис. 2) подключается добавочный резистор R_доб. В измерительной цепи вольтметра происходит преобразование измеряемого напряжения в ток, не­обходимый для поворота подвижной части прибора.

Поскольку в цепи прибора U= IR_пр=I(R_доб+R_к), величина добавочного рези­стора может быть определена из равенства: R_доб=U/I-R_к. При расчёте вели­чины добавочных резисторов для различных пределов измерения вольтметра в приведённом выражении в качестве значения I следует использовать ток полного отклонения подвижной части прибора. Для измерителей магнито­электрической системы он обычно составляет 0.3-30 мА.

Набор добавочных резисторов позволяет создавать многопредельные вольтметры. Добавочные резисторы, как правило, изготовляются из манга­нина и подразделяются на внутренние, размещаемые в корпусе прибора, и наружные; внутренние резисторы используются при измерении напряжений до 600 В, наружные резисторы – до 1500 В. Наружные добавочные резисторы выпускаются индивидуальными, ориентированными на применение с кон­кретным прибором, и универсальные. Калиброванные добавочные резисторы делятся на классы точности: 0.02, 0.05, 0.1, 0.2, 0.5 и 1, рассчитанные на но­минальные токи: 0.5, 1, 3, 7.5, 15 и 30 мА.

При измерении напряжения U методом непосредственной оценки вольтметр подключается параллельно тому участку электрической цепи, на котором необходимо измерить напряжение (см. рис. 5а).

Поскольку входное сопротивление вольтметра имеет конечное значение, его параллельное подключение к участку цепи с сопротивлением R умень­шает эквивалентное сопротивление участка, приводит к изменению проте­кающего тока и измеряемого напряжения со значения U до значения U_x. По­лагая, что в цепи действует источник напряжения Е с внутренним сопротив­лением R_ист для относительной погрешности измерения имеем[1]:

δ=(U_x-U)/U=-(R/R_пр)(1+R/R_пр+R/R_ист)=-R/(R+R_пр+R·R_пр/R_ист)

Таким образом, погрешность измерения тем меньше, чем больше значе­ния R_пр.

Упрощённая схема измерения напряжения методом сравнения или ком­пенсации изображена на рисунке 5б. В этой схеме измеряемое напряжение U_x уравновешивается известным напряжением U_к, противоположным ему по знаку. Падение напряжения U_к создаётся током I_р на изменяемом по вели­чине компенсационном резисторе R_к. Изменение сопротивления резистора R_к осуществляется до момента, пока U_к не станет равным измеряемому на­пряжению U_x. Момент компенсации (уравновешивания) определяется по от­сутствию тока в цепи индикатора И. Значение U_x вычисляется на основании известных значений R_к, R_р и Е_обр.

Рис. 5. Измерение напряжения методом непосредственной оценки

и сравнения

Как отмечалось ранее, преимуществом применения метода является от­сутствие потребления измерительным прибором мощности от измеряемой цепи, то есть отсутствие в момент полной компенсации тока между измеряе­мой и измерительной цепями. Это означает, что в момент полной компенса­ции входное сопротивление компенсатора равно бесконечности и он не ока­зывает никакого влияния на режим работы измеряемой электрической цепи. Кроме того, отсутствие тока в цепи индикатора позволяет исключить влия­ние на результаты измерения сопротивления соединительных проводников. Точность измерения определяется точностью используемых образцовых ре­зисторов R_к и R_р, нормального элемента Е_обр и порогом чувствительности индикатора И.

Известно, что одной из разновидностью метода сравнения выступает метод дифференциального сравнения, при котором не равное нулю остаточ­ное значение Х_Р<<Х измеряется методом непосредственной оценки, а изме­ряемое значение Х определяют как сумму меры и остаточного значения: Х=Х_М+Х_Р. Дифференциальный метод сравнения, в частности, реализован в ряде цифровых вольтметров выпускаемых серийно.

Дифференциальный вольтметр – это усовершенствованный компенса­тор, сочетающий компенсатор с ручным или автоматическим уравновешива­нием и микровольтметр непосредственной оценки для измерения некомпен­сированной части измеряемого напряжения. Он отличается высокой точно­стью, разрешающей способностью и малым потреблением мощности от исследуемого источника напряжения. Упрощённая схема дифференциального вольтметра приведена на рисунке 6.

Рис. 6. Упрощённая схема дифференциального вольтметра

Декадный компенсатор, состоящий из образцового источника напряже­ния Е_обр и образцового многоступенчатого делителя напряжения R_к, пред­ставляет основу дифференциального вольтметра и служит для уравновеши­вания измеряемого напряжения. Разность измеряемого и компенсирующего напряжений измеряется микровольтметром непосредственной оценки µV. Таким образом, дифференциальный вольтметр представляет собой уравно­вешенную компенсационную схему, в которой напряжение определяется по отсчёту декадного потенциометра и по показанию измерительного прибора. Ток, протекающий в цепь компенсатора, определяется нескомпенсированной разностью измеряемого и образцового напряжений и полным сопротивле­нием цепи.