Измерение напряжения нулевого баланса

Ссылка на страницу сайта Магазина Gtest® 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. Такие датчики называются потенциометрическими. Термопары используются для измерения температуры, фотодиоды - для измерения интенсивности света, а стеклянные pH-электроды - для измерения активности ионов водорода в растворах.

Точное измерение напряжения имеет решающее значение для любого прибора, основанного на потенциометрическом датчике. Если выходное напряжение датчика измеряется неточно, то и измеряемый параметр процесса будет определён неверно.

Измерение напряжения с помощью стандартного цифрового вольтметра (DMM)

Одним из распространённых препятствий для точного измерения напряжения датчика является внутреннее сопротивление самого датчика. Рассмотрим пример измерения выходного напряжения пары pH-электродов с помощью стандартного цифрового вольтметра.

Ионы водорода в жидком растворе проникают в стеклянную колбу измерительного электрода, создавая разность потенциалов приблизительно 59 мВ на единицу отклонения pH от нейтрального значения 7. Электрод сравнения обеспечивает замыкание электрической цепи.

Задача осложняется тем, что стеклянная колба измерительного электрода имеет чрезвычайно высокое электрическое сопротивление - порядка сотен мегом. При подключении к обычному цифровому мультиметру с входным сопротивлением около десятков мегом вольтметр становится значительной нагрузкой для датчика, что приводит к серьёзной погрешности измерения.

Если представить эквивалентную электрическую схему этих компонентов, проблема становится более очевидной.

Только небольшая часть напряжения стеклянного электрода (VpH) будет фактически присутствовать на клеммах вольтметра из-за эффекта нагрузки. Внутреннее сопротивление вольтметра 10 МОм образует делитель напряжения вместе с сопротивлениями датчика.

Vmeter = VpH (10 МОм / (300 МОм + 10 МОм + 3 кОм))

Если стеклянный электрод выдаёт 100 мВ, вольтметр покажет всего около 3,226 мВ. Это лишь несколько процентов от реального выходного сигнала датчика.

Что такое нагрузка вольтметра?

Причина проблемы заключается в том, что любой вольтметр в процессе измерения потребляет некоторый электрический ток. Именно этот ток заставляет прибор отображать значение, отличающееся от реального напряжения источника.

Решение заключается в минимизации этого тока. Для этого внутреннее сопротивление вольтметра должно быть максимально большим. В идеальном случае оно должно стремиться к бесконечности.

Схемы усилителей на полевых транзисторах

Современные усилители на полевых транзисторах практически решили данную проблему, позволив создавать вольтметры с внутренним сопротивлением в триллионы Ом.

Если внутреннее сопротивление прибора значительно превышает сопротивление источника сигнала, погрешности нагрузки становятся минимальными.

Вакуумный ламповый вольтметр (VTVM)

До появления полупроводниковых усилителей для работы с высокоомными потенциометрическими датчиками применялись специальные вольтметры на электронных лампах - Vacuum Tube Volt Meter (VTVM).

Ранние вольтметры без усилителей обязательно потребляли ток из измеряемой цепи для работы стрелочного механизма, поэтому проблема нагрузки была особенно актуальной.

Метод измерения напряжения нулевого баланса

Эффективным решением проблемы стал метод нулевого баланса. Для его реализации используются высокочувствительный гальванометр и регулируемый источник постоянного напряжения.

Работа схемы выполняется в два этапа:

1. Отрегулировать источник переменного постоянного напряжения до тех пор, пока гальванометр не покажет нулевой ток.
2. Считать показания вольтметра, соответствующие напряжению датчика.

Когда гальванометр показывает ноль, ток через высокоомный датчик не протекает. Следовательно, на внутреннем сопротивлении датчика отсутствует падение напряжения, а измерение становится максимально точным.

Дифференциальный вольтметр

Для реализации метода нулевого баланса были созданы специальные приборы - дифференциальные вольтметры. Одним из наиболее известных является Fluke 801.

На передней панели прибора расположен аналоговый индикатор с нулевым центром, выполняющий функцию высокочувствительного гальванометра. Пять регулировочных ручек позволяют задавать точное значение внутреннего опорного напряжения.

Когда стрелка индикатора находится в нулевом положении, это означает, что напряжение измеряемого источника точно равно установленному опорному напряжению. Благодаря высокой чувствительности и точности такие приборы долгое время использовались для эталонных измерений напряжения.

купить мультиметр в Украине