Рекомендации по работе с потенциометром Мостовые методы измерения сопротивлений (стр. 3 из 5)

Схема измерения температуры плавления олова показана на рис. 1.6. Измерительная термопара 3, один спай которой помещен в тигель с оловом, а другой – в нуль-термостат, подключена к аналого-цифровому преобразователю (АЦП) 4, при помощи которого осуществляется периодическое (с заданным периодом) измерение ЭДС термопары. Результаты измерений отображаются в графическом виде на экране монитора персонального компьютера 5 и запоминаются в файле экспериментальных данных. Так как фазовые переходы первого рода протекают при постоянной температуре, на зависимости ЭДС от времени (термограмме) будет наблюдаться характерная “полка” при температуре плавления олова.

Эксперимент необходимо провести несколько раз в режимах нагрева (измерение ЭДС при температуре плавления) и охлаждения (измерение ЭДС при температуре кристаллизации).

Определив тип термопары, подключите ее к потенциометру и измерьте температуру кипящей воды и температуру собственного тела в нескольких точках (лабораторная работа комплектуется двумя совершенно одинаковыми термопарами, одна из которых используется в экспериментах с оловом, а вторая – для измерения температуры кипения воды и температуры тела).

В линейном приближении, как указано в разделе “Термопара”, вычислите чувствительность термопары по результатам измерения ее ЭДС при температурах кипения воды (К₀) и плавления олова (К₁) Воспользовавшись значением К₀, рассчитайте (по измеренному значению ЭДС в точке плавления олова) температуру плавления олова и, наоборот, воспользовавшись значением К₁, рассчитайте температуру кипения воды. Проанализируйте результаты.

Работа с автоматизированной системой измерения ЭДС термопары.

Включите регистратор и персональный компьютер.

Найдите на рабочем столе иконку с подписью "tx_measure", и двойным нажатием левой клавиши мыши раскройте программу измерения зависимости температуры от времени.

Выставьте "Port com 1".

Установите периодичность отсчета, равной 1 сек: "period 1 сек".

Кнопкой "RUN" проведите запуск программы.

Введите имя для сохранения экспериментальных данных в файле.

Включите нагреватель, и запишите зависимость температуры от времени как при нагревании, так и при остывании образца.

Замечание. В зависимости от наполнения нагревателя исследуемым веществом, рекомендуемая мощность нагрева различна. При наполнении ~0,5 объема оптимальная мощность соответствует 3 делениям регулятора нагревателя.

По окончании эксперимента нажмите кнопку "STOP&Write" и сохраните файл под своим именем с расширением .dat.

Контрольные вопросы

Как увеличить диапазон измерений потенциометром в два раза?

Приложение.

Органы управления потенциометра и некоторые рекомендации по работе с потенциометром.

Делитель напряжения. Делитель напряжения R₀, являющийся самым важным элементом потенциометра, показан на рис. 1.3 как простое переменное сопротивление. Очевидно, однако, что для точной компенсации измеряемого напряжения, а затем точного отсчета результата, делитель должен быть составным (т.е. состоять из нескольких последовательно включенных переменных сопротивлений разной величины, по принципу "грубо" → "средне" →"точно"→ ...) и дискретным (для точного отсчета). Схема делителя приведена на рис. 1.7. Здесь каждое из переменных сопро

тивлений представляет собой цепочку из десяти одинаковых точно подобранных постоянных сопротивлений, которые коммутируются одиннадцатипозиционным переключателем. Сопротивления, выделенные на схеме пунктиром, коммутируются сдвоенным переключателем с тем, чтобы их значения изменялись синхронно – уменьшение величины верхнего (по схеме) сопротивления сопровождается точно таким же увеличением нижнего. Таким образом, при любом положении переключателей общее сопротивление цепи (между точками А и В) остается неизменным. Если рабочий ток потенциометра равен 1 мкА, то при указанных на схеме значениях сопротивлений изменение на ступень позиции левого (по схеме) переключателя приведет к изменению напряжения между точками В и С на 1 мкВ, следующего переключателя – на 10 мкВ и т.д.. Рукоятки переключателей смонтированы на лицевой панели потенциометра в виде единой "линейки" и расположены по мере убывания величин ступеней слева направо. Поэтому, номера позиций переключателей (0,1,2,3….) представляют собой цифры в соответствующих десятичных разрядах общего числа и значение скомпенсированного напряжения (результат измерения) просто прочитывается слева направо по номерам этих позиций, индицируемых в “окнах” рядом с каждым переключателем.

Балластное сопротивление R_б (рис. 1.3) для настройки рабочего тока состоит из 3-х или 4-х (в зависимости от типа потенциометра) переменных сопротивлений разного номинала (“грубо” ® “средне” ® “точно”).

Коррекция точки подключения нормального элемента. Погрешность измерения ЭДС или напряжения потенциометром целиком и полностью определяется точностью подбора сопротивлений делителя напряжения (см. выше) и точностью установки рабочего тока. Класс потенциометра – это предельная погрешность, которая может быть достигнута при измерениях этим прибором. Очевидно, что погрешность установки рабочего тока не должна превосходить величины класса прибора (подгонка сопротивлений делителя не в компетенции экспериментатора). Так, для потенциометра класса 0,001 ток через делитель должен быть установлен с погрешностью не хуже 10^-3%. Ясно, что для обеспечения такой точности никакой амперметр не годится и калибровка рабочего тока осуществляется методом сличения (как описано выше) с использованием эталонов напряжения – устройств, значение ЭДС которых известно с высокой точностью. В качестве рабочих эталонов напряжения используются гальванические элементы специальной конструкции – нормальные элементы Вестона. Каждому элементу Вестона после его аттестации в метрологическом институте методом сличения с первичным (в конечном счете) эталоном напряжения присваивается индивидуальное значение ЭДС, после чего он и становится эталоном определенного класса.

ЭДС нормального элемента Вестона хотя и слабо, но зависит от температуры (в диапазоне рабочих температур от 1,018 В до 1,019 В). В соответствии с этим в потенциометрах предусмотрена возможность изменения точки подключения нормального элемента к делителю напряжения. На панели потенциометра имеется рукоятка, рядом с которой выгравировано число 1,018 – это начальные цифры ЭДС нормального элемента Вестона. Для выполнения температурной коррекции рукоятку необходимо повернуть так, чтобы дополнить число 1.018 до значения ЭДС нормального элемента при текущей температуре. ЭДС нормального элемента при текущей температуре рассчитывают, руководствуясь его паспортными данными. При работе с потенциометрами класса ~ 0,01 ЭДС нормального элемента, которым комплектуется данная работа, можно рассчитывать по формуле:

e = 1,01864 – [40,6×(t – 20) + 0,95×(t – 20)² – 0,01×(t – 20)³]×10^-6

e – в Вольтах, t – в °С.

В потенциометрах класса 0,05 и ниже температурная коррекция не требуется.

Кнопки “Измерение” и переключатель чувствительности. Кнопки “Измерение грубо” и “Измерение точно” предназначены для замыкания измерительной цепи и изменения чувствительности нуль-индикатора. Когда они отжаты, переключатель П подключен к клеммам нуль-индикатора не непосредственно, как показано на рис. 1.3, а через очень большое, порядка нескольких Мом, сопротивление. Соответственно, источник измеряемого напряжения E_x подключен к делителю R₀ через это сопротивление, а чувствительность нуль-индикатора сильно загрублена. При нажимании кнопки “Измерение грубо” указанное сопротивление шунтируется сопротивлением ~ 500 кОм, при нажимании кнопки “Измерение точно” - закорачивается и таким образом ступенчато меняется чувствительности нуль-индикатора. Начиная процедуру измерения, когда вы еще не знаете ни величины измеряемого напряжения, ни его полярности, нажимайте кнопку “измерение грубо ” лишь на мгновение. Определив, в каком направлении и как быстро перемещается указатель нуль-индикатора, выполните предварительную компенсацию напряжений, а при необходимости измените полярность подключения E_x. Убедившись, что нуль-индикатор не перегружается, кнопку “Измерение грубо” можно зафиксировать в нажатом положении поворотом на 90° и произвести более точную компенсацию напряжения. Затем следует повторить эту же процедуру на чувствительном пределе.

У некоторых потенциометров (например, Р37) кнопка “измерение” с переключателем чувствительности не совмещена и предназначена только для замыкания измерительной цепи. У этих потенциометров есть отдельный многоступенчатый переключатель чувствительности. Устроен он так же как и описано выше, но имеет не одно, а несколько различных добавочных сопротивлений. Позиции переключателя оцифрованы в величинах этих добавочных сопротивлений.

Кнопка "успокоение" закорачивает вход нуль-индикатора и используется в случае его "зашкаливания". Нажимать кнопку "успокоение" следует при отпущенной кнопке “измерение”. После устранения причины перегрузки индикатора кнопку "успокоение" отпускают.

Внешние подключения. Практически все потенциометры имеют два идентичных входа. Соответственно, переключатель рода работ П имеет три рабочих положения: НЭ – к делителю напряжения подключен нормальный элемент, Х₁ - к делителю напряжения подключен первый вход (клеммы “Х₁”), Х₂ - к делителю напряжения подключен второй вход (клеммы “Х₂”). Назначение остальных клемм ясно из рис.1. 3. Замечание. При подготовке потенциометра к работе нормальный элемент следует присоединять к клеммам прибора после того, как подключен источник питания U (не наоборот!), строго соблюдая полярность подключения. Ошибка может привести к выходу из строя нормального элемента. При демонтаже схемы первым отсоединяется нормальный элемент.