3.2.4. Измерительные мосты и компенсаторы

Измерение токов и напряжения приборами непосредственной оценки производится в лучшем случае с погрешностью 0,05 %. Более точное измерение этих величин возможно с помощью приборов сравнения - компенсаторов (потенциометров).

В зависимости от вида измеряемого напряжения различают компенсаторы постоянного и переменного токов.

3.2.4.1. Компенсаторы постоянного тока (кпт)

Используются для прямого измерения ЭДС и напряжений, а также косвенного измерения сопротивления, тока и мощности.

Упрощенная принципиальная схема компенсатора с ручным управлением приведена на рисунке:

Рис. Упрощенная принципиальная схема компенсатора постоянного тока

На этой схеме можно выделить три контура:

1) контур I нормального элемента, в который входят нормальный элемент E_N, образцовое сопротивление R_N и нуль-индикатор, в качестве которого используется гальванометр Г;

2) контур II - рабочий, который содержит вспомогательный источник питания компенсатора Е_к (до 2В), реостат для установки рабочего тока R_рег, магазин сопротивлений R_к и сопротивление R_N;

3) контур III - измерительный, состоит из источника измеряемого напряжения U_х, нуль-индикатора и магазина сопротивлений R_к.

У всех компенсаторов декады сопротивлений R_рег, R_N, R_к и переключатель П находятся внутри корпуса прибора, ручки рычажных переключателей декад R_рег, R_к располагаются на панели прибора.

Источник питания компенсатора Е_к, нормальный элемент Е_N, нуль-индикатор могут быть встроенными или подключаться снаружи к соответствующим зажимам.

Измерение U_х осуществляется в два этапа.

Сначала устанавливают ток I_раб в рабочей цепи, значение которого строго определено и неизменно для каждого типа компенсатора.

Для этого переключатель П переводят в положение 1, и с помощью реостата R_рег устанавливают такое значение тока I_раб в цепи второго контура, при котором падение напряжения, создаваемое им на сопротивлении R_N, будет равно ЭДС нормального элемента E_N.

При этом нуль-индикатор покажет отсутствие тока в цепи первого контура. Для этого случая

I_раб R_N = E_N. (1)

Затем приступают к измерению напряжения U_х.

Для этого переключатель П устанавливают в положение 2 и регулировкой сопротивления R_к добиваются компенсации напряжения U_х падением напряжения на участке r сопротивления R_к от тока I_раб.

При этом нуль-индикатор покажет отсутствие тока в цепи третьего контура.

С учетом выражения (1) можно записать

U_х = E_N r/ R_N,

где r - значение участка сопротивления R_к при компенсации напряжения U_х.

Погрешность измерения напряжения компенсатором постоянного тока определяется в основном тремя факторами:

1) погрешностью установки и поддержанием неизменным рабочего тока;

2) погрешностью изготовления и подгонки образцового, компенсационного и регулируемого сопротивлений (R_N, R_к и R_рег);

3) чувствительностью нуль-индикатора.

Существует девять классов точности компенсаторов постоянного тока: 0,0005; 0,001; 0,002; 0,005; 0,01; 0,02; 0,05; 0,1; 0,2.

Различают высокоомные компенсаторы (10 ... 40 кОм с пределом измерения до 1,9 В) и низкоомные (10 ... 1000 Ом с пределом измерения до 100 мВ).

Для высокоомных компенсаторов в качестве нуль-индикатора используют гальванометры магнитоэлектрической системы с относительно большим критическим сопротивлением; для низкоомных - гальванометры с небольшим критическим сопротивлением.

Компенсаторы используют также для точных косвенных измерений токов и сопротивлений.

Для измерения силы тока I_x в исследуемую цепь включается образцовый резистор, сопротивление R_о которого известно с большой точностью, и компенсатором измеряется падение напряжения U_х на этом сопротивлении. Тогда

I_x = U_х/ R_о.

Для измерения сопротивления резистора R_х последовательно с ним в исследуемую цепь включается образцовый резистор R_о.

Измерив падение напряжения U_o на сопротивлении R_о, расчетным путем находят значение тока в исследуемой цепи:

I = U_o/ R_о.

Затем, измерив падение напряжения U_х на сопротивлении R_х, получают расчетное значение искомого резистора

R_х = R_о U_х/ U_o.