Вимірювання напруги нульового балансу

Посилання на сторінку сайту Магазину Gtest® з номенклатурою мультиметрів, а також рекомендовані прилади та статті для подальшої самоосвіти - наприкінці цього розділу.

Компенсація навантаження на пробник і вимірювальний прилад має вирішальне значення для калібрування

Навантаження вольтметра змінює опір ланцюга, впливаючи на напругу, що вимірюється. Це неприйнятно для датчиків, але схеми нульового балансу дозволяють зовнішньому джерелу забезпечити ефект нульового навантаження.

Ряд різних датчиків, що використовуються у вимірювальній техніці, генерують сигнали постійної напруги, пропорційні контрольованій змінній процесу. Такі пристрої називаються потенціометричними датчиками. До них належать термопари, фотодіоди та скляні pH-електроди.

Очевидно, що точне вимірювання напруги є критично важливим для будь-якого приладу, заснованого на потенціометричному датчику. Якщо вихідна напруга датчика вимірюється неточно, то неточним буде й вимірювання фізичної величини, яку цей датчик контролює.

Вимірювання напруги за допомогою стандартного цифрового мультиметра (DMM)

Однією з найпоширеніших перешкод для точного вимірювання напруги датчика є внутрішній опір самого датчика. Розглянемо приклад вимірювання вихідної напруги пари pH-електродів за допомогою стандартного цифрового мультиметра.

Іони водню в рідкому розчині проникають у скляну колбу вимірювального електрода, створюючи різницю потенціалів приблизно 59 мВ на одиницю pH відносно нейтрального значення pH 7. Електрод порівняння забезпечує замикання електричного кола.

Складність полягає в тому, що скляна колба має надзвичайно високий електричний опір - зазвичай сотні мегомів. При підключенні до цифрового мультиметра з вхідним опором близько 10 МОм вимірювальний прилад створює значне навантаження на датчик, що призводить до суттєвої похибки вимірювання.

Лише невелика частина напруги скляного електрода фактично буде присутня на клемах вольтметра через ефект навантаження. У цьому випадку внутрішній опір мультиметра працює як один із резисторів подільника напруги.

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

Якщо скляний електрод генерує 100 мВ, мультиметр покаже лише близько 3,226 мВ. Це лише кілька відсотків від реального значення сигналу датчика.

Що таке навантаження вольтметра?

Основна причина виникнення похибки полягає в тому, що будь-який вольтметр під час вимірювання споживає певний електричний струм. Саме цей струм і створює ефект навантаження.

Для мінімізації похибки необхідно використовувати вольтметри з максимально високим внутрішнім опором. В ідеальному випадку внутрішній опір вимірювального приладу повинен бути нескінченно великим.

Схеми підсилювачів на польових транзисторах

Сучасні підсилювачі на польових транзисторах практично вирішили проблему навантаження, дозволивши створювати вольтметри з внутрішнім опором у трильйони Ом.

Коли внутрішній опір вольтметра значно перевищує опір джерела сигналу, похибки навантаження стають практично непомітними.

Вакуумний ламповий вольтметр (VTVM)

До появи напівпровідникових підсилювачів для роботи з високоомними потенціометричними датчиками використовувалися спеціальні вольтметри на електронних лампах - Vacuum Tube Volt Meter (VTVM).

До появи таких приладів проблема навантаження була дуже серйозною, оскільки будь-який аналоговий вольтметр вимагав проходження струму через вимірюваний ланцюг для роботи індикаторного механізму.

Метод вимірювання напруги нульового балансу

Геніальним рішенням проблеми навантаження став метод нульового балансу. Для його реалізації використовуються високочутливий гальванометр та регульоване джерело постійної напруги.

Алгоритм роботи дуже простий:

1. Відрегулювати джерело змінної постійної напруги до моменту, коли гальванометр покаже нульовий струм.
2. Зчитати значення напруги зі шкали джерела або вольтметра.

Коли гальванометр показує нуль, струм через високоомний датчик не протікає. Це означає, що на внутрішньому опорі датчика не виникає падіння напруги, а отже, вимірювання є максимально точним.

Диференціальний вольтметр

Для реалізації методу нульового балансу були створені спеціальні прилади - диференціальні вольтметри. Одним із найвідоміших є Fluke 801.

На передній панелі такого приладу розташований високочутливий індикатор із нульовим центром, який виконує роль гальванометра. П'ять регулювальних ручок дозволяють точно встановити напругу внутрішнього джерела.

Коли індикатор показує нуль, це означає, що напруга вимірюваного джерела точно дорівнює напрузі, встановленій на приладі. Такий метод забезпечує надзвичайно високу точність вимірювань навіть для джерел із дуже великим внутрішнім опором.

купити мультиметр в Україні