Методы сравнения

Компенсационный метод (метод противопоставления) обеспечивает высокую точность измерения. Это метод сравнения с мерой. Средства измерений, использующие метод сравнения, называются компенсаторами или потенциометрами.

Принцип действия компенсатора основан на уравновешивании (компенсации) измеряемого напряжения известным падением напряжения на образцовом резисторе. Момент полной компенсации фиксируется по показаниям нуль-индикатора.

Упрощенная схема компенсатора постоянного тока приведена на рис. 11.2. Схема содержит источник образцовой ЭДС Е ₀, образцовый резистор R ₀, вспомогательный источник питания Е _всп, переменный резистор R_K, регулировочный реостат R _р и нуль-индикатор. Нуль-индикатором служит обычно гальванометр с нулем по середине шкалы. В качестве источника образцовой ЭДС (меры ЭДС) используется нормальный элемент – изготавливаемый по специальной технологии гальванический элемент, среднее значение ЭДС которого при температуре 20^оС известно с точностью до пятого знака и равно Е _н = 1.0186 В. Образцовый резистор представляет собой катушку сопротивления специальной конструкции с точно известным и стабильным сопротивлением.

Процесс измерения напряжения состоит из двух операций: установления рабочего тока и уравновешивания измеряемого напряжения. Для установления рабочего тока переключатель П ставят в положение 1 и, регулируя сопротивление R _р, добиваются отсутствия тока в гальванометре. Это будет иметь место в том случае, когда падение напряжения на резисторе R ₀ станет равным ЭДС нормального элемента:

IR ₀ = E ₀.

При этом рабочий ток в цепи R _р, R ₀, R_K I = E _всп / (R _р+ R ₀+ R_K).

После установки рабочего тока переключатель П устанавливается в положение 2 и, не изменяя рабочего тока, устанавливают такое значение сопротивления R_K = R _x, при котором измеряемое напряжение U _x будет уравновешено падением напряжения IR _x и ток в цепи гальванометра снова будет отсутствовать. Отсюда

Е ₀ / R ₀ = U _x / R _x и U _х = (R _x / R ₀) E ₀.

При постоянстве значений Е ₀ и R ₀ шкала сопротивления R_K может быть проградуирована непосредственно в единицах напряжения постоянного тока.

Так как в момент равновесия ток в цепи индикатора отсутствует, то можно считать, что входное сопротивление R _вх компенсатора (со стороны измеряемого напряжения) равно бесконечности, т.е. R _вх = . Отсюда следует одно из основных достоинств компенсатора – отсутствие потребления мощности от объекта измерения.

Современные компенсаторы постоянного тока выпускаются классов точности от 0.0005 до 0.2. Верхний предел измерения до 1 …2.5 В. При достаточной чувствительности индикатора нижний предел измерения может составлять единицы нановольт.

Компенсационные методы используются также для измерения на переменном токе.

Дифференциальный метод основан на измерении разности между измеряемым и известным напряжением при их неполной компенсации. Схема измерения представлена на рис. 11.3.

Высокоомный электронный вольтметр V 1 с чувствительным пределом служит для измерения разностного напряжения между измеряемым U _x и известным U _к напряжениями. Аналоговый магнитоэлектрический или цифровой вольтметр V 2 используется для измерения напряжения U _к. Рекомендуется при U _к =0 измерить вольтметром V 1 ориентировочное значение U _x, а уж затем установить по вольтметру V 2 удобное для отсчета напряжение U _к. Измеряемое напряжение U _x при указанной полярности включения вольтметра V 1 определяется как U _x = U _к + D U.

При измерении напряжений в высокоомных цепях входное сопротивление магнитоэлектрических и электронных вольтметров может быть недостаточно большим. Дифференциальный метод измерения позволяет увеличить входное сопротивление схемы до необходимых значений, которые определяются из следующей формулы:

.

Чем < , тем > .

Дифференциальный метод обеспечивает высокую точность измерения напряжения. Погрешность измерения определяется в основном погрешностью вольтметра, измеряющего U _к.

Для измерения малых постоянных напряжений (порядка 10^-8 В) используют гальванометрические компенсаторы.