Вимірювання напруги нульового балансу

Посилання на сторінку сайту Магазину Gtest(R) з номенклатурою мультиметрів, а також рекомендовані прилади та статті для подальшої самоосвіти - наприкінці цієї 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 цікавої змінної процесу. Ми називаємо такі потенціометричними датчиками, що буквально означає «вимірюють напругу». Термопари - це один тип потенціометричних датчиків, які використовуються для вимірювання температури. Фотодіоди – це інший тип датчиків, що використовується для вимірювання інтенсивності світла. Скляні pH-електроди - це ще один, який використовується для вимірювання активності іонів водню в рідкому розчині. Мабуть, очевидно, що точне вимірювання напруги має вирішальне значення для будь-якого приладу, заснованого на потенціометричному датчику, оскільки, якщо наш вимір вихідної напруги цього датчика неточно, ми, безсумнівно, страждатимемо від неточного вимірювання будь-якої змінної процесу, пропорційної цій напрузі (наприклад, температури, світла, pH).

Вимірювання напруги за допомогою стандартного цифрового вольтметра (DMM)

Однією з найпоширеніших перешкод для точного вимірювання напруги датчика є внутрішній опір самого датчика. Ми розглянемо цю концепцію на практичному прикладі: спробуємо виміряти вихідну напругу пари pH електродів за допомогою стандартного цифрового вольтметра. Наочна схема показує базову концепцію, де вольтметр підключений до пари pH pH, занурених у рідкий розчин:

Іони водню в рідкому розчині проникають у круглу скляну колбу вимірювального електрода, створюючи різницю потенціалів, приблизно рівну 59 мл на одиницю pH відхилення від 7 pH (нейтрального). Електрод порівняння служить простий мети замикання електричного ланцюга від клем вольтметра до обох боків скляної колби (всередині та зовні).

Те, що має бути елементарним завданням, ускладнюється тим, що скляна колба вимірювального електрода має неймовірно високий електричний опір, як правило, близько сотень мегаом. При підключенні до звичайного цифрового мультиметра з вхідним опором близько десятків мегаом, вольтметр діє як досить «важка» електричне навантаження, через що напруга вимірюється набагато менше того, що насправді видає скляний електрод.

Якщо ми намалюємо еквівалентну електричну схему цих компонентів, проблема стане очевиднішою. Червоні стрілки на цій схемі зображують потік електричного струму (умовне позначення):

Тільки невелика частина напруги скляного електрода (VpH) буде фактично помітна на клемах вольтметра через цей ефект навантаження. Ми можемо розглядати внутрішній опір вольтметра 10 МОм як один опір мережі дільника напруги, причому два опори пробника є двома іншими опорами дільника:

Vmeter=VpH(10 MΩ300 MΩ+10 MΩ+3 kΩ)

Припустимо, що скляна колба, чутлива до pH, видає 100 мілівольт, вольтметр у цій схемі зареєструє лише показання 3,226 мілівольт: лише кілька відсотків від фактичного потенціометричного виходу датчика. Хоча це досить екстремальний приклад, має бути ясно, що будь-яка потенціометрична схема тієї ж форми страждатиме від певної міри неточності виміру через цей ефект — єдине питання, наскільки велика ця помилка.

Що таке навантаження вольтметра?

В основі цієї проблеми лежить той факт, що вольтметри обов'язково споживають електричний струм у процесі вимірювання напруги. Саме цей струм, хоч би яким незначним він був, змушує вольтметр реєструвати щось інше, ніж ідеальне факсиміле сигналу напруги датчика. Вирішення цієї проблеми, таким чином, полягає в мінімізації або усуненні цього струму. Іншими словами, нам потрібно, щоб наш вольтметр мав якнайбільше внутрішній опір (в ідеалі — нескінченна кількість внутрішнього опору).

Схеми підсилювачів на польових транзисторах

Сучасні схеми підсилювачів на польових транзисторах значною мірою вирішують цю проблему, дозволяючи нам виробляти вольтметри з внутрішнім опором трильйони Ом. Поки внутрішній опір вольтметра значно затьмарює (тобто перекриває) опір джерела сигналу, помилки навантаження будуть зведені до мінімуму.

Вакуумний ламповий вольтметр (ВТВМ)

До появи схем підсилювачів на основі напівпровідників з високим опором спеціальні вольтметри, звані вольтметрами на вакуумних трубках (VTVM), використовувалися щоразу, коли потрібно виміряти напругу за допомогою потенціометричних датчиків з високим опором.

Однак до появи електронних вакуумних трубок неможливо було вирішити проблему навантаження вольтметра, просто вибравши вольтметр вищої якості. Вольтметри без підсилювача покладаються на проходження невеликого струму від джерела, що тестується, для приведення в дію своїх індикаторних механізмів. Без цього невеликого струму, який споживається зі схеми, вольтметр просто не працював би взагалі. Як же тоді ранні експериментатори та метрологи-електрики долали цю проблему навантаження?

Метод виміру напруги нульового балансу

Геніальним розв'язанням проблеми навантаження вольтметра є так званий метод нульового балансу вимірювання напруги. Цей метод додає два компоненти у вимірювальний ланцюг: високочутливий амперметр, званий гальванометром, і змінне джерело постійної напруги. Використовуючи як приклад нашу схему вимірювання pH, схема нульового балансу виглядатиме приблизно так:

Робота цієї схеми здійснюється у два етапи:

• Відрегулюйте джерело змінної постійної напруги, доки гальванометр не покаже точно нуль (тобто струм відсутній)

• Вважайте показання вольтметра, щоб дізнатися напругу датчика pH

Поки гальванометр реєструє нуль («нульовий» стан), електричний струм не проходитиме через великі опори електродів датчика pH, тому що напруга pH датчика ідеально збалансована з напругою змінного джерела живлення. За відсутності струму, що проходить через ці високі опори, вони взагалі падати не будуть. Таким чином, VpH має дорівнювати напрузі змінного джерела постійного струму, яке вольтметр реєструє точно, тому що його вимоги до струму задовольняються змінним джерелом, а не датчиком pH. Єдиний спосіб, яким цей метод вимірювання може не досягти своєї мети, це якщо гальванометр не зможе точно визначити стан нульового струму. Поки гальванометр вірно повідомляє нам, коли ми досягли стану нульового струму, ми можемо виміряти напругу pH датчика за допомогою будь-якого вольтметра постійного струму незалежно від його внутрішнього опору.

Диференціальний вольтметр

Спеціальні прилади нульового балансу вольтметра були виготовлені з прецизійними джерелами змінної напруги, вбудованими в них, які називаються диференціальними вольтметрами. Одним із таких приладів була модель Fluke 801, позолочена версія якої представлена ​​тут у музеї вимірів Fluke.

Зверніть увагу на аналоговий вимірювач з нульовим центром на лицьовій стороні цього приладу, який виконує функцію чутливого гальванометра на принциповій схемі. Набір із п'яти ручок, орієнтованих вертикально на лицьовій стороні цього приладу, кожна з яких показує одну цифру з 5-значного числа, регулював вихід постійної напруги внутрішнього джерела напруги. Коли «нульовий» вимірювач реєстрував нуль, це означало, що напруга джерела або ланцюга, що перевіряється, була точно дорівнює напруги, набраній цими п'ятьма ручками. Диференціальні вольтметри, такі як Fluke 801, використовували схеми підсилювачів, щоб зробити цей «нульовий» детектор надчутливим, щоб досягти максимально точного стану балансу між джерелом змінної постійної напруги та джерелом, що перевіряється.

Магазин Gtest® - авторизований постачальник мультиметрів до України: https://gtest.com.ua/izmeritelnye-pribory/multimetry