ЕРВ

Потенціометри забезпечують найбільшу точність вимірювань, що необхідна при практичних вимірах в умовах виробництва. Тільки за їх допомогою можна вимірювати ЕРС, напруги, струми і опори при повірках зразкових мір і , вимірювальних приладів.

Цими засобами вимірювання можна забезпечити можливість виміру електричних величин з похибкою, не більшою за 0,05...0,02 %, тоді як вимірювальні прилади можуть забезпечити похибку вимірювань лише 0,1...0,2 % (а для вимірювань величин опорів й ще більшу). При цьому вказані похибки можуть бути далеко не для всіх розмірів електричних величин. Так, прилади, що забезпечують такі величини похибки, складно виконати для вимірювань напруг, менших за 3...15 В, а опорів — менших за 10...50 Ом.

На відміну від усіх відомих електровимірювальних приладів величини електричних напруг (до 1... 1,2 В) точно вимірюють потенціометрами зовсім без споживання струму та потужності від джерела вимірюваної напруги, тобто не змінюючи режим роботи джерела. Це створює умови для проведення за допомогою потенціометрів наукових досліджень у галузях, далеких від енергетики, наприклад у біології.

Потенціометр — це прилад для визначення величин електрорушійних сил, напруг, струмів та опорів компенсаційним методом. Використовуючи потенціометр у сукупності з мірами опору чи вимірювальними перетворювачами, можна вимірювати потужність, температуру, тиск тощо.

Електрорушійна сила чи напруга вимірюються потенціометром без споживання струму. Це можливо тому, що вимірювана потенціометром напруга врівноважується відомою напругою потенціометра, створеною проходженням точно відомого струму по точно відомому опору. Якщо ж струм у гальванометрі, який контролює наявність (чи відсутність) різниці напруг, відсутній, то роблять висновок, що вимірювана напруга і напруга потенціометра рівні між собою.

Принципову схему потенціометра постійного струму показано на рис. 1.

Потенціометр, схема якого обведена штриховою лінією, потребує приєднання до нього, окрім вимірюваної напруги U_x, ще й акумуляторної батареї АБ, нормального елемента НЕ та гальванометра Г.

Принцип дії потенціометра полягає в тому, що вимірювана напруга U_x, величина якої ще не відома, порівнюється з падінням напруги (U_n, викликаної проходженням відомого робочого струму потенціометра I_р по частинах опорів r₁, і r₂, величини яких точно відомі. Величини частин цих опорів на потенціометрі оператор виставляє, керуючись показами гальванометра Г, прагнучи одержати найменше відхилення його покажчика від нульової позначки.

Величина вимірюваної напруги зчитується за цифрами, що відповідають положенням рухомих перемикачів П1 і П2, бо потенціометр є дводекадним.

Залежно від класу точності потенціометра, число декад опорів (що відповідає числу наявних перемикачів) сягає чо- тирьох-п’яти.

Рисунок 1. Принципова схема потенціометра постійного струму

Величина робочого струму I_р у більшості потенціометрів дорівнює 0,1 чи 1,0 мА. У потенціометрів, розрахованих на вимір ЕРС термопар, цей струм може бути дещо більшим. Така мала величина робочого струму в потенціометрах дає змогу, точно встановивши його номінальну величину резистором r_В ше до початку вимірювань, протягом тривалого часу його не коригувати, бо акумуляторна батарея АБ, від якої живиться коло робочого струму потенціометра, здатна працювати при номінальних струмах, у тисячі разів більших за струм I_р, і протягом тривалого часу (іноді кількох годин) не буде змінювати величини своєї ЕРС.

Для контролю за величиною робочого струму в робочому колі потенціометра є постійний резистор r_н і регульований, ступінчасто змінюваний (якщо це треба), резистор r_T. Величина падіння напруги на цих резисторах (при номінальному значенні робочого струму I_р) точно дорівнює ЕРС нормального елемента НЕ. Про рівність Е_не і U_K свідчитиме відсутність відхилення покажчика гальванометра після перемикання його перемикачем П_г з положення В (“вимір”) у положення К (“контроль”).

Наявність відхилення покажчика гальванометра свідчить про відхилення величини робочого струму I_р від свого номінального значення і необхідність його коригування резистором r_В.

Опір r_T, ввімкнений послідовно з опором rн, дає змогу узгодити падіння напруги від номінального робочого струму I_р з величиною ЕРС нормального елемента, яка є у цього елемента при температурі приміщення, де проходить вимірювання. Величини ЕРС нормального елемента при конкретних температурах його використання наведені у заводській технічній документації, що супроводжує нормальний елемент.

Потенціометри постійного струму бувають великого і малого опору. Величина опору робочого коду потенціометрів великого опору від кількох тисяч до десятків тисяч омів, робочі струми — 0,1 або 1,0 мА. Вони здатні вимірювати ЕРС і напруги величиною до 1,0...2,0 В.

Величини опору робочого кола потенціометрів малого опору від кількох десятків до кількох тисяч Ом, а робочі струми — 1,0; 10 або 100 мА. Вони здатні вимірювати ЕРС і напруги величиною до 0,1 В.

Потенціометри великого опору використовують для градуювання і повірки приладів з класами точності 0,1; 0,2 і 0,5 (для менш точних приладів доцільно користуватись зразковими приладами безпосереднього відліку). Потенціометри малого опору використовують головним чином для вимірювання ЕРС термопар. напруги.

Розглянута принципова схема (див. рис. 1) є істотно спрощеною і наведено її лише для пояснення принципу дії потенціометра постійного струму. Схему потенціометра великого опору наведено на рис. 2.

Рисунок 2. Схема потенціометра великого опору

У цьому потенціометрі окрім п’яти основних декад є ще три заміщувальні. Ці декади ввімкнуто у коло робочого струму потенціометра таким чином, що в разі зменшення (чи збільшення) опору основної декади опори заміщувальних декад відповідно збільшуються (чи зменшуються). При цьому величина загального опору кола робочого стру. му потенціометра не змінюється. Заміщувати опір першої і п’ятої декад немає потреби, бо їх ввімкнено за потенціометричною схемою, де всі опори цих декад назавжди ввімкнені у коло робочого струму і загальні опори цих декад не залежать від положення рухомих контактів їхніх перемикачів.

У цій схемі для створення падіння напруги від проходження робочого струму, порівнюваної з ЕРС нормального елемента НЕ, використано більшу частину опору першої декади, а саме — 10000 Ом, завдяки чому величина напруги акумуляторної батареї АБ, що живить коло робочого струму потенціометра, може бути на один вольт меншою, ніж у схемах, де з цією самою метою використовують окремий опір.

У частині схеми потенціометра, яка відповідає керуванню гальванометром, що приєднується до затискачів Г, передбачено три кнопки: Гр (“Грубо”), якою гальванометр вмикається у схему через додатковий резистор на початку вимірювання, коли між вимірюваною напругою або ЕРС і падінням напруги на декадах потенціометра може бути значна різниця, що може призвести до надмірного відхилення покажчика гальванометра; Т (“Точно”), якою гальванометр приєднується до схеми за своєї найбільшої чутливості, й кнопка К, якою гальванометр замикається для заспокоювання коливань, що можуть виникати за відключення його перемикачем П.

Потенціометри постійного струму придатні для точного вимірювання як напруги, так і струму та опору.

В умовах заводських лабораторій для таких вимірювань доцільно мати змонтовану на одному столі вимірювальну установку з потенціометром, регульованими резисторами та перемикачами, яка, в разі приєднання до неї джерел живлення, могла б використовуватися для вимірювань напруг, струмів та опорів за відповідних перемикань. Таку схему наведено на рис. 3.

Рисунок 3. Схема для вимірювання величин напруги, струму та опору потенціометром постійного струму

Головним елементом її є потенціометр П, до якого приєднано акумуляторну батарею живлення кола робочого струму потенціометра АБР, нормальний елемент НЕ та гальванометр Г, що встановлено за межами столу: акумуляторна батарея — в сусідньому приміщенні, а нормальний елемент і гальванометр — на кронштейнах, укріплених на капітальній стіні, біля котрої розташовано установку.

Вхідні затискачі X потенціометра П, до яких має бути приєднана напруга, безпосередньо вимірювана потенціометром, приєднано до перемикача ПМ1, що дає можливість перемикати вхідні затискачі потенціометра для вимірів у колі напруги (у положенні “Н”) чи в колі струму (в положенні “С”). При вмиканні у положення “Н” на вхідні затискачі потенціометра буде надходити напруга від подільника напруги, який, залежно від порядку величини напруги, що бажано виміряти, може бути ввімкнений на необхідний коефіцієнт ділення напруги (у 500, 100 та 10 разів) чи зовсім без подільника. При вмиканні перемикача ПМ1 у положення “С” на вхідні затискачі потенціометра буде надходити напруга через перемикач ПМ2 з кола струму. Це буде падіння напруги на зразковій котушці опору R_H чи падіння напруги на вимірюваному резисторі R_х (залежно від положення перемикача ПМ2).

І в колі струму, і в колі напруги є регульовані резистори, відповідно r₁, r₂, r₃ і r₄, r₅, r₆, за допомогою яких при вимірах можна встановлювати необхідні величини струмів і напруг. Резистори r₁ і r₄ ввімкнено як потенціометри, що дає змогу встановлювати струми і напруги практично з нуля. Якщо ж для встановлення необхідних величин струмів і напруг досить наявних величин резисторів r₂, r₃, r₅ і r₆, то резистори r₁ і r₄ доцільно відімкнути від джерел живлення гнучкими проводами, вказаними хвилястими лініями, щоб запобігти додатковому навантаженню на джерела живлення кола струму і кола напруги. Ці кола живляться від акумуляторних батарей АБС та АБН, що розташовані у сусідньому приміщенні. У багатьох випадках акумуляторну батарею АБН, що живить коло напруги, доцільно замінити електронним стабілізованим джерелом живлення, щоб не встановлювати акумуляторну батарею на величину напруги 160...300 В (а то й ще вищу).

Для забезпечення можливості проведення на цій установці повірки амперметрів і вольтметрів електродинамічної або феродинамічної системи, яку бажано виконувати за різних полярностей струмів і напруг, що прикладені до приладів, у схемі передбачено перемикачі полярності ПМЗ (у колі струму) і ПМ4 (у колі напруги).

Якщо цю схему використовують для повірки амперметрів чи міліамперметрів, то перемикач ПМ1 необхідно встановити у положення “С”, перемикач ПМ2 — у положення “R_H”, перемикач ПМЗ — у положення бажаної полярності (між затискачами 1 і 4 не повинно бути нічого ввімкнено!).

Амперметр приєднують до затискачів “А”. Далі, після вмикання вимикача кола струму ВКС, резисторами r ₁, r₂ і r₃ встановлюють покажчик амперметра на потрібну позначку шкали і потенціометром П вимірюють напругу на зразковій котушці опору, з якого розраховують величину струму (у амперах), що проходить через амперметр:

де U_П — величина напруги, виміряна потенціометром В;

R_Н — величина опору зразкової котушки, Ом.

Якщо схему, котра розглядається, використовують для повірки вольтметрів, то перемикач ПМ1 необхідно встановити у положення “Н”, на подільнику напруги ПН встановити бажаний коефіцієнт поділення напруги, виходячи з того, що потенціометр П здатний вимірювати напругу не більшу за ту, що вказана в його технічному описі й що показують цифри його лімбів (ручок перемикачів). Далі випробуваний вольтметр приєднують до відповідних затискачів V і встановлюють перемикач ПМ4 у положення бажаної полярності.

Після вмикання вимикача кола напруги ВКН, резисторами r₄, r₅ і r₆ встановлюють покажчик вольтметра на потрібну позначку шкали і потенціометром П вимірюють напругу, що надходить до нього від подільника напруги ПН. Далі розраховують величину напруги, що є на вольтметрі (у вольтах), помноживши величину напруги, виміряної потенціометром П, на коефіцієнт поділення напруги подільником ПН:

де U_П — величина напруги, виміряна потенціометром В;

K_ПН — коефіцієнт поділення напруги подільником ПН.

Якщо схему рис. 3 використовують для вимірювань невідомої величини опору, то цей опір Rx приєднують до затискачів 1—2—3—4 (перемикач ПМЗ необхідно виставити у нейтральне положення!), на лімбах потенціометра виставляють величину напруги 1 В (чи 0,1 В), вмикають вимикач кола струму ВКС і резисторами r₁, r₂ і r₃, встановлюють у колі струму таку величину струму, за якої величина падіння напруги на зразковій котушці RH відповідала б величині напруги, встановленої на лімбах потенціометра П. Не торкаючись резисторів r₁, r₂ і r₃,, перемикач ПМ2 переставляють у положення “R_x” і потенціометром П вимірюють падіння напруги на резисторі R_x. Величину опору R_x (у омах) розраховують з виразу

де R_H - величина опору зразкової котушки, Ом

U_n1 - величина напруги на R„ при встановленні струму (1,0 чи 0,1 В);

U_n1 - величина напруги на R_x, виміряна потенціометром, В.

Потенціометр змінного струму використовують для точного вимірювання напруг змінного струму компенсаційним методом, тобто шляхом врівноваження вимірюваної напруги рівною їй і відомою напругою потенціометра, рівною за частотою, але протилежною за фазою.

Таким чином, до врівноважувальної напруги потенціометра ставляться такі умови: вона повинна регулюватись як за величиною амплітуди, так і за величиною зсуву фаз, мати ту саму частоту, що й вимірювана напруга, мати ту саму форму напруги, що й у вимірюваної.

Як і в схемах з потенціометрами постійного струму, покажчиком рівноваги у схемах з потенціометрами змінного струму в більшості випадків використовують гальванометри, але змінного струму - вібраційні. Хоча при роботі таких потенціометрів у колах підвищеної частоти використовують електронні нуль-індикатори чи телефон.

В Україні, як і в усіх країнах СНД, широко застосовують прямокутнокоординатні потенціометри змінного струму.

Рисунок 4. Схема потенціометра змінного струму: а – принципова схема; б – схема ступінчастого перемикання опорів

Принципову схему такого потенціометра наведено на рис. 4, а. Для проведення вимірів на такому потенціометрі беззаперечно необхідно, щоб коло вимірюваної напруги і сам потенціометр живилися від одного і того самого джерела живлення, найчастіше — від мережі змінного струму. Потенціометр має два контури А і Б: контур А живиться від вторинної обмотки знижувального трансформатора Т, а контур Б — від вторинної обмотки повітряного трансформатора ТП, первинну обмотку якого ввімкнено у коло струму контура А. Як відомо, у повітряному трансформаторі ЕРС вторинної обмотки зсунуто на 90 електричних градусів відносно струму первинної обмотки.

Завдяки тому, що всі елементи, приєднані до вторинної обмотки, мають, практично, активний опір, струм, що проходить по контуру Б, не буде зсунуто відносно ЕРС вторинної обмотки трансформатора ТП, тобто цей струм буде зсунуто по фазі відносно струму контура А точно на 90 електричних градусів. Таким чином, напруга, що є на реохордах, ввімкнутих між точками 1 і 2 контуру А, і точками 3 і 4 контуру Б, будуть зсунуті по фазі одна відносно іншої на ті ж 90 електричних градусів.

Величина робочого струму контуру А встановлюється змінним резистором r₁, за показами амперметра А. Стосовно ступінчасто-регульованого резистора r_f, то його величина виставляється залежно від величини частоти напруги в мережі, бо відомо, що ЕРС вторинної обмотки трансформатора ТП пропорційна величині частоти струму. Для того щоб при деякій відміні частоти мережі від номінального значення струм у контурі Б залишився таким самим, що й при частоті 50 Гц, необхідно змінити величину опору цього контура, що й виконується резистором r_f з перемикачем, кожне положення рухомого контакта якого відповідає певній величині частоти, що й позначено на лімбі перемикача цього опору.

Вимірювальна напруга потенціометра U_П формується як геометрична сума напруг U_А та U_Б, які знімаються з реохордів РХ_А і РХ_Б, і може змінюватись як за величиною, так і за фазою, залежно від положення рухомих контактів реохордів К_А і К_А. З’єднання середніх точок реохордів дає можливість надавати напрузі потенціометра U_П якої завгодно фази в усіх чотирьох квадрантах координатної площини. Переміщуючи рухомі контакти реохордів, підбирають таку напругу U_П, щоб вона за величиною і за фазою повністю компенсувала вимірювану напругу U_x. Про наявність повної компенсації вимірюваної напруги U_x напругою потенціометра U_П свідчить відсутність розмиття світлової лінії на шкалі вібраційного гальванометра ВГ.

Для одержання точного відліку складових напруги потенціометра одних реохордів часто буває недостатньо. Більш точний відлік можна одержати, якщо реохорд використовують лише як складову частину вимірювального опору потенціометра. Вимірювальні опори, складені зі значної кількості однакових, точно підігнаних, резисторів, ввімкнутих за схемою потенціометра, наведено на рис. 4, б. До місця з’єднання двох сусідніх резисторів можна приєднатись за допомогою перемикачів П_А і П_Б. Реохорди РХ_А і РХ_Б на цій схемі мають опір, що дорівнює опору одного з резисторів потенціометра. Завдяки цьому, наприклад, за допомогою перемикачів П_А і П_Б, можна ступінчасто змінювати напруги U₁ і U₂ з величиною напруги кожного ступеня у 0,1 В, а за допомогою реохордів — безступінчасто змінювати напруги U₁ і U₂ у межах одного ступеня.

На відміну від схеми рис. 4, а, в цій схемі зміна фази напруги складових U₁ і U₂ на протилежну виконується перемиканням перемикачів П₁ і П₂.

Робота на потенціометрі змінного струму значно складніша, ніж на потенціометрі постійного. Якщо на потенціометрі постійного струму компенсація вимірюваної напруги виконується з одного разу, то на потенціометрі змінного струму — лише після багатьох послідовних переходів з компенсації по першій координаті до компенсації по другій з поверненням до першої координати і т. д. До початку вимірювання змінної напруги потенціометром необхідно, при відсутності на потенціометрі напруги U_x, приєднати трансформатор Т до мережі, частотоміром виміряти частоту напруги мережі, виставити величину резистора r_f відповідно до виміряної частоти та встановити змінним резистором r₁, за амперметром величину струму, що відповідає номінальній величині для даного потенціометра (частіше вона становить 0,5 А).

Впевнившися, що величина напруги U_x не перевищує номінальної вимірюваної напруги потенціометра (а це, звичайно, 1...2 В), проводи приєднують від ділянки кола з вимірюваною напругою до затискачів U_x потенціометра за найменшої чутливості вібраційного гальванометра. Далі за наявності розмиття світлової лінії на шкалі гальванометра налаштовують гальванометр на найбільше розмиття цієї лінії. В разі необхідності чутливість гальванометра збільшують наявним у нього резистором регулювання чутливості.

Маючи розмиття світлової лінії у межах шкали гальванометра, за допомогою одного з перемикачів П₁ чи П₂ намагаються зменшити величину розмиття лінії. Якщо це хоч трохи вдається, то зупиняються на найменшому можливому розмитті й переходять до компенсації вимірюваної напруги за другою координатою. Після чого знову досягають найменшого можливого розмиття і повертаються до компенсації по першій координаті, кожного разу збільшуючи чутливість вібраційного гальванометра, якщо розмиття зменшилося до розміру кількох товщин світлової лінії. Отже, переходячи з однієї координати на іншу, досягають найменшого розмиття світлової лінії за найбільшої чутливості вібраційного гальванометра.

Якщо ж від самого початку не вдається зменшити розмір розмиття на шкалі гальванометра, то перемикають один із перемикачів П₁ чи П₂, змінюючи фазу компенсуючої напруги за координатою, що розглядається, на 180 електричних градусів і знову намагаються знайти положення перемикача П_А чи П_Б, що відповідає мінімальному розмиттю світлової лінії на шкалі. Про неправильне вмикання перемикача П₁ або П₂ свідчить найменше розмиття при повній відсутності компенсуючої напруги за даної координати.

Крім напруг, потенціометрами можна вимірювати також величини струмів і опорів. Струми вимірюють на основі вимірювань падіння напруг на зразкових, обов’язково безреактивних, опорах.

Величини опорів визначають посереднім методом, з виміряних величин напруги на опорі та струму, що в ньому проходить. Це дає змогу точно визначати навіть величини нелінійних опорів, у яких величини опорів залежать від величин струмів, що проходять цими опорами.

Ці потенціометри здатні вимірювати кут зсуву фаз вимірюваних напруг і струмів відносно фази робочого струму потенціометра.

Втім зазначимо, що виміри, виконані за допомогою потенціометрів змінного струму, забезпечують меншу точність, ніж виміри за допомогою потенціометрів постійного струму. Це пояснюється тим, що робочі струми потенціометрів змінного струму контролюють за зразковими вимірювальними приладами класу 0,1; 0,2; 0,5, тоді як робочий струм потенціометра постійного струму контролюють за ЕРС нормального елемента, котра може відрізнятись від номінальної не більше ніж на 0,02 %.