Компенсаторы.

Потенциометрами или компенсаторами называются приборы для измерения методом сравнения ЭДС, напряжений или величин, функционально с ними связанных.

Существуют потенциометры постоянного и переменного тока, автоматические и ручные. Ручные потенциометры постоянного тока часто используют для поверки образцовых и щитовых приборов непосредственного преобразования (амперметров и вольтметров).

В соответствии с идеей метода измеряемое напряжение U_x необходимо сравнить с падением напряжения, создаваемым рабочим током I на части R измерительного резистора R_и. На практике в качестве R_и используют магазин резисторов, обеспечивающий высокую точность задания требуемого значения R.

Процесс измерения напряжения состоит из двух операций: установления рабочего тока I и уравновешивания измеряемого напряжения U_x напряжением, создаваемым рабочим током на R. Для установления рабочего тока переключатель гальванометра ставят в положение НЭ и при помощи резистора R_p добиваются отсутствия тока в гальванометре. Это будет иметь место в том случае, если падение напряжения на части установочного резистора R_y равно ЭДС нормального элемента:

I R_y=E_н.

Таким образом, при отсутствии тока в цепи гальванометра рабочий ток вычисляется по формуле

I=(69)

После этого переходят ко второй операции: переключатель гальванометра устанавливают в положение X и при помощи магазина резисторов R_и устанавливают такое значение сопротивления R, при котором происходит уравновешивание измеряемого напряжения падением напряжения I R. Это произойдет тогда, когда ток через гальванометр снова будет отсутствовать. В результате уравновешивания U_x=I R. (70) После подстановки выражения для рабочего тока I (69) в формулу (70) получим U_x=R.(71) Чтобы избежать вычислений по формуле (71) при каждом акте измерений, удобно выбрать значение R_y таким образом, чтобы отношение было числом, представимым в виде 10^-n, где n - целое. Если, например, n=4, то =10^-4 и соотношение (71) принимает вид U_x=0,0001R. При этом определение U_x существенно упрощается. Практически этап вычисления исключается полностью, так как на шкалах магазина резисторов R_и, при помощи которого устанавливается требуемое значение R, наносятся числовые отметки, сразу дающие значение U_x в вольтах.

К сожалению, ЭДС нормального элемента Е_н хотя и слабо, но зависит от температуры. Поэтому значение отношения может несколько отличаться от требуемого "круглого" значения 10^-n. Для устранения такого отличия служит небольшой переменный резистор, который вместе с постоянным резистором входит в состав R_y. Перед измерением значение R_y несколько корректируется, чтобы компенсировать уход отношения за счет температурных изменений Е_н.

При помощи компенсаторов можно измерять ЭДС и напряжения с весьма высокой точностью, так как резисторы R_и и R_y могут иметь погрешности, не превышающие 0,001%. Значение ЭДС нормального элемента известно также с не меньшей точностью. Классы точности компенсаторов постоянного тока лежат в пределах от 0,0005 до 0,5. Верхний предел измерения не превосходит 1,5-2,5 B. Нижний предел может составлять единицы нановольт. Если вместо нормального элемента используется стабилизированный источник постоянного тока, то верхний предел измерения может быть повышен до нескольких десятков вольт. Для измерения более высоких напряжений применяются схемы с делителем напряжения. При этом, однако, утрачивается одно из основных достоинств компенсационного метода измерения - отсутствие потребления мощности от объекта измеения.

Компенсаторы используются также для точных косвенных измерений токов и сопротивлений. Для измерения тока I_x в цепь включается образцовый резистор, сопротивление R₀ которого известно с большой точностью, и компенсатором измеряется падение напряжения U на этом сопротивлении. Ток вычисляется по формуле I_x= Для измерения сопротивления резистора R_x последовательно с ним включается образцовый резистор R₀ и в этой цепи устанавливается ток I. Падение напряжения на R_x и R₀ измеряется компенсатором. Из уравнений

U_x=I R_x и U₀=I R₀

следует формула для вычисления значения измеряемого сопротивления R_x:

R_x=

Чувствительность компенсаторов постоянного тока определяется следующим образом

S_к=S_сх.к. S_g=

где S_сх.к. - чувствительность схемы компенсатора по току; S_g - чувствительность гальванометра к току.

Предел допускаемой основной погрешности для компенсаторов постоянного тока определяют как

100±=dс±=

или

±=d.

Компенсаторы постоянного тока бывают двух типов: высокоомные и низкоомные. У первых сопротивление рабочей цепи достигает 10 кОм на один вольт напряжения питания. Гальванометры в них применяют также с относительно большим критическим сопротивлением. Поэтому такие приборы предназначены для измерения относительно больших ЭДС до 2,5 В. Для измерения малых ЭДС, например, термоЭДС, применяют низкоомные компенсаторы, рабочий ток в которых обычно составляет от 1 до 25 м, а применяемый гальванометр имеет небольшое критическое сопротивление.