Измерение постоянного напряжения методом компенсации
1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Ознакомление с компенсационным методом измерения постоянного напряжения. Получение сведений о погрешностях измерения напряжения компенсационным методом. Знакомство с компенсаторами (потенциометрами) постоянного тока.
2. ЗАДАНИЕ ДЛЯ ДОМАШНЕЙ ПОДГОТОВКИ
Повторите вопросы обработки и представления результатов прямых и косвенных измерений, а также вопросы классификации измерений по методу их выполнения, и, используя рекомендованную литературу, настоящее описание и Приложение 1 к Практикуму, ознакомьтесь со следующими вопросами:
− Методы измерения ЭДС и малых постоянных напряжений.
− Причины возникновения и способы учета погрешностей при измерении ЭДС и малых постоянных напряжений.
− Устройство, принцип действия и основные характеристики компенсаторов (потенциометров) постоянного тока.
− Устройство, принцип действия и основные характеристики цифровых вольтметров.
− Устройство, принцип действия и основные характеристики меры ЭДС.
− Устройство, принцип действия и основные характеристики магазина сопротивлений.
− Устройство, принцип действия и основные характеристики делителя постоянного напряжения.
− Содержание и способы реализации методов измерения, используемых при выполнении работы.
− Устройство и характеристики средств измерений, используемых при выполнении работы.
3. СВЕДЕНИЯ, НЕОБХОДИМЫЕ ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
|
|
|
При измерении малых постоянных напряжений (менее 10мВ) можно воспользоваться как методом непосредственной оценки, так и методом сравнения с мерой.
При повышенных требованиях к точности измерений (относительная погрешность измерений менее 10−4), используются или компенсаторы (потенциометры) постоянного тока или интегрирующие цифровые вольтметры высокого класса точности.
Высокоточные цифровые вольтметры, подходящие для этого случая, существенно дороже аналогичных по точности потенциометров. Поэтому, если в лабораторных условиях необходимо измерить малое постоянное напряжение с высокой точностью, удобно использовать компенсаторы (потенциометры) постоянного тока.
Компенсаторы (потенциометры) постоянного тока предназначены для измерения методом сравнения с мерой ЭДС, напряжения и величин, функционально с ними связанных, Существует несколько способов (методов) практической реализации метода сравнения с мерой, и все они обеспечивают весьма высокую точность измерений.
При использовании компенсатора (потенциометра) реализуется разновидность метода сравнения, известная как нулевой метод измерений. При использовании этого метода измеряемая величина одновременно или периодически сравнивается с мерой, и результирующий эффект воздействия этих величин на устройство сравнения доводится до нуля. Очевидно, что используемая в нулевом методе мера должна быть изменяемой (регулируемой), а погрешность метода тем меньше, чем выше чувствительность устройства сравнения. Из сказанного ясно, почему нулевой метод известен также под названием компенсационного метода измерений, а соответствующие средства измерений называются компенсаторами. В измерительной технике компенсаторы, служащие для измерения постоянного напряжения, известны также под названием потенциометров, это последнее наименование мы и будем дальше использовать.
|
|
|
При выполнении измерений с помощью потенциометра измеряемая величина, сравнивается с мерой, в качестве которой выступает образцовое компенсирующее напряжение, создаваемое регулируемым источником образцового напряжения (ИОН). В электрической схеме этот источник включается встречно с источником измеряемого напряжения, который характеризуется напряжением холостого хода Ux.x. и внутренним сопротивлением Rвн (рис. 3.3.1).
В качестве устройства сравнения (нуль – индикатора) служит гальванометр, обладающий высокой чувствительностью. Значение напряжения на выходе ИОН (компенсирующего напряжения) Uком изменяется в процессе измерений до тех пор, пока Uком не уравновесит Ux.x..
|
|
|
Рис. 3.3.1 Схема, поясняющая принцип работы потенциометра
При выполнении соотношения:
Uком = Ux.x, (3.3.1)
ток через нуль – индикатор (НИ) не проходит. В этот момент и снимаются показания потенциометра.
С одной стороны напряжение на выходе ИОН известно с высокой точностью, с другой – вследствие высокой чувствительности гальванометра, точность, с которой выполняется равенство (3.3.1), тоже велика, поэтому, результат измерений также получается с высокой точностью.
У потенциометра есть еще одно уникальное свойство. В момент снятия результатов измерений ток через источник напряжения не протекает, следовательно, падение напряжения на его внутреннем сопротивлении отсутствует, следовательно, напряжение, измеряемое на его зажимах, совпадает с напряжением холостого хода источника. Таким образом, при использовании потенциометра методическая погрешность измерений, обусловленная влиянием Rвн входного сопротивления средства измерений, практически сведена к нулю, и с помощью потенциометра можно выполнять прямые измерения не только величины падения напряжения, но и ЭДС источника. Выпускаемые промышленностью потенциометры постоянного тока обычно имеют класс точности в пределах от 0,0005 до 0,5.
|
|
|
Потенциометрам постоянного тока присущи и недостатки. Во-первых, максимальное значение измеряемого напряжения на входных клеммах прибора не может превышать 1,5 – 2 вольт, во-вторых, процесс измерений с помощью этих приборов весьма трудоемок.
Для того, чтобы расширить пределы измерений потенциометров, используют делители напряжения. В этом случае измеряемое напряжение Uх подается на вход делителя, а к его выходу подключается потенциометр (рис.3.3.2).
Рис. 3.3.2 Схема подключения потенциометра для расширения пределов измерения Основными характеристиками делителя напряжения являются номинальное значение коэффициента деления К и погрешность воспроизведения этого значения.
Для удобства измерений номинальное значение коэффициента деления К выбирается из ряда 10-n, где n = 0, 1, 2 и т. д.
Значение коэффициента деления связано с сопротивлениями верхнего R1 и нижнего R2 плеч делителя соотношением:
. (3.3.2)
При использовании делителя от источника измеряемого напряжения потребляется некоторая мощность, т. к. через делитель протекает ток. Следовательно, теряется одно из основных преимуществ компенсационного метода измерений. Чтобы свести эти потери к минимуму, общее сопротивление делителя 
должно быть намного больше, чем внутреннее сопротивление источника измеряемого напряжения Rвн. Использование делителя приводит и к изменению вида измерений. Измерения, выполняемые с помощью потенциометра, являются прямыми. Использование делителя приводит к тому, что измерения становятся косвенными. Зависимость между измеряемой величиной Uх и показаниями потенциометра Uпот имеет вид:
. (3.3.3)
Как правило, R2<< R1, поэтому погрешность косвенных измерений в рассматриваемом случае можно вычислить по формуле:
, (3.3.4)
где 
– предел относительной погрешности потенциометра, определяемый по его классу точности,
– предел относительной погрешность воспроизведения номинального значения сопротивления верхнего плеча делителя.
Разработано несколько типовых электрических схем потенциометров постоянного тока. Одна из таких схем (упрощенная) приведена на рис.3.3.3. Модель потенциометра, которая используется в работе, имеет аналогичную электрическую схему.
Рис. 3.3.3 Электрическая схема потенциометра постоянного тока
В рассматриваемом потенциометре компенсирующее напряжение образуется за счет сложения падений напряжения, возникающих при протекании рабочего тока Iр1 через измерительные сопротивления R2 и R4 первого контура и рабочего тока Iр2 через измерительные сопротивления R6 и R8 второго контура. Рабочие токи создаются с помощью высокостабильных вспомогательных источников питания Б2 и Б3.
Значения величин рабочих токов регулируются с помощью регулировочного резистора R1 в первом и регулировочного резистора R5 во втором контуре. Регулировку выполняют до тех пор, пока падение напряжения, возникающее при протекании рабочих токов через установочные сопротивления R3 и R7, не станет равным ЭДС нормального элемента.
Гальванометр (Г), который служит в качестве индикатора нуля, включается в цепь первого контура с помощью кнопки «▲ I», а в цепь второго – с помощью кнопки «▲ 2». При измерении неизвестного напряжения Uх гальванометр включается кнопкой В3.
Высокая точность воспроизведения ЭДС нормального элемента, высокая точность и температурная стабильность используемых резисторов, высокая стабильность вспомогательных источников питания способствуют достижению высокой точности измерений.
Дата добавления: 2020-04-25; просмотров: 625; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!