II. Методы сравнения.

Компенсационный метод (метод противопоставления) измерениязаключается в уравновешивании, осуществляемом включением на индикатор равновесия либо двух электрически не связанных между собой, но противоположно направленных напряжений или ЭДС, либо двух раздельно регулируемых токов. Компенсационный метод используют для непосредственного сравнения напряжений или ЭДС, тока и косвенно для измерения других электрических, а также неэлектрических величин, преобразуемых в электрические.

Применяют следующие схемы компенсации:

· Компенсации напряжений или ЭДС(рисунок 2);

· Компенсации токов (рисунок 3).

Рисунок 2.

 

Схема, показанная на рисунке 2, наиболее распространена. В ней измеряемое напряжение U_X компенсируется равным, но противоположным по знаку известным напряжением U_K. Падение напряжения U_K создается током I на изменяемом по значению компенсирующем образцовом сопротивлении R_K. Изменение R_K происходит до тех пор, пока U_K не будет равно U_X. Момент компенсации тока определяют по отсутствию тока в цепи магнитоэлектрического гальванометра G; при этом мощность от объекта измерения не потребляется.

Рисунок 3.

 

Компенсационный метод измерения обеспечивает высокую точность измерения.

Устройства, служащие для выполнения измерений компенсационным методом, называют потенциометрами или компенсаторами. В практических схемах компенсаторов для обеспечения необходимой точности измерений ток I в рабочей цепи определяют не амперметром непосредственной оценки, а компенсационным методом с помощью эталона ЭДС нормального элемента. Нормальные элементы обеспечивают постоянную во времени ЭДС, равную 1,01865 В при температуре 20ºС, внутреннее сопротивление 500 - 1000 Ом, ток перегрузки 1 мкА. С изменением температуры окружающей среды значение ЭДС уменьшается по следующему закону:

Е_t=Е₂₀-0,00004(t-20)-0,000001(t-20)², (1)

где E_t-ЭДС при температуре t, E₂₀-ЭДС при 20ºС.

Схема компенсатора представлена на рисунке 4. Она содержит источник вспомогательной ЭДС Е_всп для питания рабочей цепи, в которую включают регулировочное сопротивление R_p, компенсирующее R_K и образцовое R_H сопротивления. К зажимам НЭ подключают нормальный элемент, ЭДС которого Е_НЭ, к зажимам Х – искомую ЭДС Е_Х. В качестве индикатора равновесия используют высокочувствительный гальванометр G.

Рисунок 4.

 

При работе с компенсатором выполняют две операции:

1. устанавливают ток I в рабочей цепи компенсатора с помощью источника вспомогательной ЭДС Е_всп (положение 1 выключателя В).

2. измеряют искомую ЭДС Е_Х (положение 2 выключателя В).

Для установки рабочего тока предварительно определяют температуру окружающей среды, затем по (1) вычисляют точное значение ЭДС нормального элемента для данной температуры. Далее устанавливают образцовое сопротивление R_H, значение которого выбирают в зависимости от значений тока в рабочей цепи и ЭДС при температуре t (сопротивление R_H состоит из катушки с постоянным значением сопротивления и последовательно соединенной с ней температурной декадой). Затем переключатель В ставят в положение 1 и ЭДС нормального элемента противопоставляют падению напряжения на R_H, которое регулируется с помощью изменяющего значение тока I в рабочей цепи резистором R_p. Момент компенсации соответствует нулевому отклонению гальванометра G, т.е. E_НЭ=IR_H.

После установления рабочего токи I для измерения Е_Х переключатель В ставят в положение 2 и регулировкой образцового компенсирующего сопротивления R_K вновь доводят до нуля ток в цепи гальванометра G. Тогда

E=IR'_K=E_НЭR'_K/R_H, (2)

Где I - значение тока, установленное при положении 1 переключателя В;

R'_K – значение образцового компенсирующего сопротивления, при котором имеет место состояние равновесия.

Сопротивление R_K выполняют по специальным схемам, которые обеспечивают постоянное сопротивление между точками 3,4 и переменное сопротивление между точками 3, Д, а также необходимое число знаков и точность отсчета.

В зависимости от значения сопротивления рабочей цепи различают компенсаторы постоянного тока большого сопротивления (высокоомные 10-40 кОм, ток рабочей цепи 10^-3-10^-4 А, порядок измеряемого напряжения 1 - 2,5 В, погрешность измерения 0,02% от измеряемой величины) и малого сопротивления (низкоомные 10-1000 Ом; ток рабочей цепи 10^-1-10^-3 А, порядок измеряемого напряжения до 100 мВ, погрешность измерения 0,5% от измеряемого значения).

Схемные решения и конструкции компенсаторов постоянного тока могут быть различны.

При измерении ЭДС источников с большим внутренним сопротивлением или напряжений, действующих в высокоомных цепях, входное сопротивление магнитоэлектрических и электронных вольтметров может быть недостаточно большим, поэтому целесообразно использовать дифференциальный или компенсационный метод.

Дифференциальный метод основан на измерении разности между измеряемым и образцовым напряжением при их неполной компенсации. Схема измерения представлена на рисунке 5. Высокоомный вольтметр V₁ c чувствительным пределом служит для измерения разностного напряжения между измеряемым U_X и образцовым U_K напряжениями. Магнитоэлектрический аналоговый или цифровой вольтметр V₂ используется для измерения образцового напряжения U_K. Рекомендуется при U_K=0 измерить вольтметром V₁ ориентировочное значение U_X, а уже затем установить по вольтметру V₂ удобное для отсчета напряжение U_K. Измеряемое напряжение U_Х при указанной полярности вольтметра V₁ определяется как U_Х=U_K+ΔU.

Рисунок 5.

 

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

Входное сопротивление цепи

R_ВХ= U_X/I=(U_K+ΔU)/( ΔU/Rv₁)=Rv₁(U_K/ΔU+1) (3)

и намного превышает входное сопротивление Rv₁ вольтметра V₁.

Гальванометрические компенсаторы служат для измерения малых постоянных напряжений (порядка 10^-8 В). Основными элементами гальванометрического компенсатора (рисунок 6) являются: измерительный механизм магнитоэлектрического зеркального гальванометра G, образцовый

резистор обратной связи R_K, фоторезисторы ФR₁ и ФR₂, источники

 

Рисунок 6.

 

постоянного напряжения с Е₁=Е₂, магнитоэлектрический микроамперметр. На зеркальце гальванометра G направлен луч света от прожектора Пр. При отсутствии напряжения U_Х луч света, отраженный от зеркала, одинаково освещает фотосопротивления, в результате ток I_K=0. при подаче на вход измерителя напряжения U_Х в цепи гальванометра G появляется ток I_Г, подвижная часть гальванометра поворачивается на некоторый угол и происходит перераспределение освещенности фоторезисторов и изменение их сопротивлений. Согласно схеме включения фоторезисторов и полярности U_Х сопротивление фоторезистора ФR₁ уменьшится, а ФR₂ увеличится. Через резистор R_K потечет ток I_K, создавая на R_K компенсирующее напряжение U_K, почти равное измеряемому напряжению U_Х. Значение тока I_K автоматически изменяется в зависимости от изменения измеряемого напряжения U_Х, но всегда так, что выполняется условие U_Х≈U_К, обеспечиваемое за счет небольших изменений тока I_Г в цепи гальванометра:

I_Г=(U_Х-U_К)/(R_Г+R_K)=ΔU/(R_Г+R_K). (4)

Чем чувствительнее гальванометр, тем при меньших изменениях I_Г произойдет соответствующее изменение тока I_К, нужное для выполнения условия U_Х≈U_К.

Повышение чувствительности достигается благодаря применению специальной конструкции гальванометра, что обеспечивает при токах порядка 10^-10-10^-14 А максимальный угол поворота подвижной части.

Значение компенсирующего тока I_К зависит от значений Е₁=Е₂, относительного изменения фотосопротивлений и может достигать нескольких десятков микроампер.

Гальванический компенсатор имеет высокую чувствительность при высоком входном сопротивлении.