Измерение напряжения нулевого баланса

Ссылка на страничку сайта Магазина Gtest(R) с номенклатурой мультиметров, а также рекомендуемые приборы и статьи для дальнейшего самообразования - в самом конце этого Раздела

Компенсация нагрузки на пробник и измерительный прибор имеет решающее значение для калибровки.

Нагрузка вольтметра изменяет сопротивление цепи, влияя на измеряемое напряжение. Это неприемлемо для датчиков, но схемы нулевого баланса позволяют внешнему источнику обеспечить эффект нулевой нагрузки.

Ряд различных датчиков, используемых в измерительной технике, генерируют сигналы постоянного напряжения, пропорциональные интересующей переменной процесса. Мы называем такие датчики потенциометрическими, что буквально означает «измеряющие напряжение». Термопары — это один тип потенциометрических датчиков, используемых для измерения температуры. Фотодиоды — это другой тип датчиков, используемый для измерения интенсивности света. Стеклянные pH-электроды — это еще один, используемый для измерения активности ионов водорода в жидком растворе. Должно быть очевидно, что точное измерение напряжения имеет решающее значение для любого прибора, основанного на потенциометрическом датчике, поскольку, если наше измерение выходного напряжения этого датчика неточно, мы, несомненно, будем страдать от неточного измерения любой переменной процесса, пропорциональной этому напряжению (например, температуры, света, pH).

Измерение напряжения с помощью стандартного цифрового вольтметра (DMM)

Одним из распространенных препятствий для точного измерения напряжения датчика является внутреннее сопротивление самого датчика. Мы рассмотрим эту концепцию на практическом примере: попытаемся измерить выходное напряжение пары электродов pH с помощью стандартного цифрового вольтметра. Наглядная схема показывает базовую концепцию, где вольтметр подключен к паре электродов pH, погруженных в жидкий раствор:

Ионы водорода в жидком растворе проникают в круглую стеклянную колбу измерительного электрода, создавая разность потенциалов, приблизительно равную 59 милливольт на единицу pH отклонения от 7 pH (нейтрального). Электрод сравнения служит простой цели замыкания электрической цепи от клемм вольтметра к обеим сторонам стеклянной колбы (внутри и снаружи).

То, что должно быть элементарной задачей, усложняется тем фактом, что стеклянная колба измерительного электрода имеет невероятно высокое электрическое сопротивление, как правило, порядка сотен мегаом. При подключении к обычному цифровому мультиметру с входным сопротивлением порядка десятков мегаом, вольтметр действует как довольно «тяжелая» электрическая нагрузка, из-за чего измеряемое напряжение оказывается намного меньше того, что на самом деле выдает стеклянный электрод.

Если мы нарисуем эквивалентную электрическую схему этих компонентов, проблема станет более очевидной. Красные стрелки на этой схеме изображают поток электрического тока (условное обозначение):

Только небольшая часть напряжения стеклянного электрода (VpH) будет фактически видна на клеммах вольтметра из-за этого эффекта нагрузки. Мы можем рассматривать внутреннее сопротивление вольтметра 10 МОм как одно сопротивление в сети делителя напряжения, причём два сопротивления пробника являются двумя другими сопротивлениями делителя:

Vmeter=VpH(10 MΩ300 MΩ+10 MΩ+3 kΩ)

Предположим, что стеклянная колба, чувствительная к pH, выдает 100 милливольт, вольтметр в этой схеме зарегистрирует только показание 3,226 милливольт: всего несколько процентов от фактического потенциометрического выхода датчика. Хотя это довольно экстремальный пример, должно быть ясно, что любая потенциометрическая схема той же формы будет страдать от некоторой степени неточности измерения из-за этого эффекта — единственный вопрос в том, насколько велика эта ошибка.

Что такое нагрузка вольтметра?

В основе этой проблемы лежит тот факт, что вольтметры обязательно потребляют некоторый электрический ток в процессе измерения напряжения. Именно этот ток, каким бы незначительным он ни был, заставляет вольтметр регистрировать что-то иное, чем идеальное факсимиле сигнала напряжения датчика. Решение этой проблемы, таким образом, заключается в минимизации или устранении этого тока. Другими словами, нам нужно, чтобы наш вольтметр имел как можно большее внутреннее сопротивление (в идеале — бесконечное количество внутреннего сопротивления).

Схемы усилителей на полевых транзисторах

Современные схемы усилителей на полевых транзисторах в значительной степени решают эту проблему, позволяя нам производить вольтметры с внутренним сопротивлением в триллионы Ом. Пока внутреннее сопротивление вольтметра значительно затмевает (т. е. «перекрывает») сопротивление источника сигнала, ошибки нагрузки будут сведены к минимуму.

Вакуумный ламповый вольтметр (ВТВМ)

До появления схем усилителей на основе полупроводников с высоким сопротивлением специальные вольтметры, называемые вольтметрами на вакуумных трубках (VTVM), использовались всякий раз, когда требовалось измерить напряжение с помощью потенциометрических датчиков с высоким сопротивлением.

Однако до появления электронных вакуумных трубок было невозможно решить проблему нагрузки вольтметра, просто выбрав вольтметр более высокого качества. Вольтметры без усилителя полагаются на прохождение небольшого тока от тестируемого источника для приведения в действие своих индикаторных механизмов. Без этого небольшого тока, потребляемого из схемы, вольтметр просто не работал бы вообще. Как же тогда ранние экспериментаторы и метрологи-электрики преодолевали эту проблему нагрузки?

Метод измерения напряжения нулевого баланса

Гениальным решением проблемы нагрузки вольтметра является так называемый метод нулевого баланса измерения напряжения. Этот метод добавляет два компонента в измерительную цепь: высокочувствительный амперметр, называемый гальванометром, и переменный источник постоянного напряжения. Используя в качестве примера нашу схему измерения pH, схема нулевого баланса будет выглядеть примерно так:

Работа этой схемы осуществляется в два этапа:

• Отрегулируйте источник переменного постоянного напряжения, пока гальванометр не покажет точно ноль (т.е. ток отсутствует)

• Считайте показания вольтметра, чтобы узнать напряжение датчика pH

Пока гальванометр регистрирует ноль («нулевое» состояние), электрический ток не будет проходить через большие сопротивления электродов датчика pH, потому что напряжение датчика pH идеально сбалансировано с напряжением переменного источника питания. При отсутствии тока, проходящего через эти высокие сопротивления, они вообще не будут падать. Таким образом, VpH должно быть равно напряжению переменного источника постоянного тока, которое вольтметр регистрирует точно, потому что его требования к току удовлетворяются переменным источником, а не датчиком pH. Единственный способ, которым этот метод измерения может не достичь своей цели, — это если гальванометр не сможет точно определить состояние нулевого тока. Пока гальванометр верно сообщает нам, когда мы достигли состояния нулевого тока, мы можем измерить напряжение датчика pH с помощью любого вольтметра постоянного тока независимо от его внутреннего сопротивления.

Дифференциальный вольтметр

Специальные приборы нулевого баланса вольтметра были изготовлены с прецизионными источниками переменного напряжения, встроенными в них, называемые дифференциальными вольтметрами. Одним из таких приборов была модель Fluke 801, позолоченная версия которой представлена здесь в музее измерений Fluke.

Обратите внимание на аналоговый измеритель с нулевым центром на лицевой стороне этого прибора, выполняющий функцию чувствительного гальванометра на нашей принципиальной схеме. Набор из пяти ручек, ориентированных вертикально на лицевой стороне этого прибора, каждая из которых показывает одну цифру из 5-значного числа, регулировал выход постоянного напряжения внутреннего источника напряжения. Когда «нулевой» измеритель регистрировал ноль, это означало, что напряжение источника или проверяемой цепи было точно равно напряжению, набранному этими пятью ручками. Дифференциальные вольтметры, такие как Fluke 801, использовали схемы усилителей, чтобы сделать этот «нулевой» детектор сверхчувствительным, чтобы достичь максимально точного состояния баланса между источником переменного постоянного напряжения и проверяемым источником.

Магазин Gtest® - авторизованный поставщик мультиметров в Украину: https://gtest.com.ua/izmeritelnye-pribory/multimetry