Потенциометр (измерительный прибор)

Эта статья о измерительном приборе. Информацию об электрическом компоненте см. в разделе «Потенциометр» .

Потенциометр — это прибор для измерения напряжения или «разности потенциалов» путем сравнения неизвестного напряжения с известным опорным напряжением . Если используется чувствительный индикаторный прибор, от источника неизвестного напряжения потребляется очень малый ток. Поскольку опорное напряжение может быть получено с помощью точно откалиброванного делителя напряжения , потенциометр может обеспечить высокую точность измерений. Этот метод был описан Иоганном Кристианом Поггендорфом примерно в 1841 году и стал стандартным методом лабораторных измерений.

В этой схеме часть известного напряжения на резистивном скользящем проводе сравнивается с неизвестным напряжением с помощью гальванометра . Скользящий контакт или движок потенциометра регулируется, и гальванометр на короткое время подключается между скользящим контактом и неизвестным напряжением. Наблюдают за отклонением гальванометра и регулируют скользящий кран до тех пор, пока гальванометр не перестанет отклоняться от нуля. В этот момент гальванометр не потребляет ток от неизвестного источника, и величину напряжения можно рассчитать по положению скользящего контакта.

Этот метод измерения нулевого баланса по-прежнему важен в электрической метрологии и стандартизации, а также используется в других областях электроники.

Измерительные потенциометры разделены на четыре основных класса, перечисленных ниже.

Принцип работы

Стрелочный потенциометр со встроенным гальванометром и источником опорного напряжения.

Принцип действия потенциометра заключается в том, что потенциал, падающий на участке провода одинакового сечения, по которому течет постоянный ток, прямо пропорционален его длине. Потенциометр — это простое устройство, используемое для измерения электрических потенциалов (или сравнения ЭДС элемента). Одна из форм потенциометра представляет собой однородный провод с высоким сопротивлением, прикрепленный к изолирующей опоре и отмеченный линейной измерительной шкалой. При использовании регулируемый регулируемый источник напряжения E, величина которого превышает измеряемый потенциал, подключается к проводу так, чтобы через него пропускался постоянный ток.

Между концом провода и любой точкой вдоль него будет потенциал, пропорциональный длине провода до этой точки. Сравнивая потенциал в точках вдоль провода с неизвестным потенциалом, можно определить величину неизвестного потенциала. Инструмент, используемый для сравнения, должен быть чувствительным, но не обязательно быть особенно хорошо откалиброванным или точным, если его отклонение от нулевого положения можно легко обнаружить.

Потенциометр постоянного тока

Потенциометр калибруется, а затем измеряется неизвестное напряжение.
R ₁ – сопротивление всего провода сопротивления. Стрелка представляет собой движущийся дворник .

В этой схеме концы с одинаковым сопротивлением провода R ₁ подключены к регулируемому источнику постоянного тока V _S для использования в качестве делителя напряжения. Потенциометр сначала калибруют , помещая движок (стрелка) в то место на проводе R ₁ , которое соответствует напряжению стандартного элемента так, чтобы ${R_{2} \over R_{1}}={{\mbox{cell voltage}} \over V_{\mathrm {S} }}$

стандартная электрохимическая ячейка Используется , ЭДС которой известна (например, 1,0183 В для стандартной ячейки Уэстона ).

Затем напряжение питания V _S регулируют до тех пор, пока гальванометр не покажет ноль, указывая на то, что напряжение на R ₂ равно стандартному напряжению элемента.

Неизвестное постоянное напряжение последовательно с гальванометром затем подключается к скользящему скребку через участок R ₃ резистивного провода переменной длины. Стеклоочиститель перемещают до тех пор, пока ток не перестанет течь в источник неизвестного напряжения или выходить из него, как показывает гальванометр, включенный последовательно с неизвестным напряжением. Тогда напряжение на выбранном участке провода R ₃ будет равно неизвестному напряжению. Последний шаг — вычислить неизвестное напряжение по той части длины резистивного провода, которая была подключена к неизвестному напряжению.

Гальванометр не нуждается в калибровке, поскольку его единственная функция — показывать ноль или не ноль. При измерении неизвестного напряжения, когда гальванометр показывает ноль, ток от неизвестного напряжения не протекает, и поэтому показания не зависят от внутреннего сопротивления источника, как если бы вольтметр с бесконечным сопротивлением.

Поскольку резистивную проволоку можно сделать очень однородным по поперечному сечению и удельному сопротивлению, а положение скребка можно легко измерить, этот метод можно использовать для измерения неизвестных напряжений постоянного тока, превышающих или меньших, чем калибровочное напряжение, создаваемое стандартным элементом. без потребления тока из стандартной ячейки.

Если потенциометр подключен к источнику постоянного напряжения постоянного напряжения, например, к свинцово-кислотной батарее , то второй переменный резистор (не показан) можно использовать для калибровки потенциометра путем изменения тока через провод сопротивления R ₁ .

Если длина резистивного провода R ₁ равна AB, где A — конец (-), а B — конец (+), а подвижный грязесъемник находится в точке X на расстоянии AX на участке R ₃ резистивного провода. когда гальванометр дает нулевое показание при неизвестном напряжении, расстояние AX измеряется или считывается по заранее напечатанной шкале рядом с проводом сопротивления. Затем неизвестное напряжение можно вычислить: $V_{U}=(Calibration\ Cell\ Voltage){AX \over AB}$

Потенциометр постоянного сопротивления

Потенциометр постоянного сопротивления представляет собой вариацию основной идеи, в которой переменный ток подается через постоянный резистор. Они используются в основном для измерений в диапазоне милливольт и микровольт.

Потенциометр микровольт

Это разновидность потенциометра постоянного сопротивления, описанного выше, но предназначенного для минимизации влияния контактного сопротивления и термоэдс. Это оборудование успешно используется вплоть до показаний 1000 нВ или около того.

Потенциометр термопары

Еще одним развитием стандартных типов стал «потенциометр термопары», специально приспособленный для измерения температуры с помощью термопар . Потенциометры для использования с термопарами также измеряют температуру, при которой подключаются провода термопары, так что можно применить компенсацию холодного спая для корректировки кажущейся измеренной ЭДС до стандартной температуры холодного спая 0 градусов C.

Аналитическая химия

Для потенциометрического определения аналита в растворе измеряют потенциал клетки. В это измерение необходимо внести поправку на опорный потенциал и потенциал перехода. Его также можно использовать в методах стандартизации. Затем концентрацию аналита можно рассчитать по уравнению Нернста . Для количественных измерений существует множество разновидностей этого основного принципа.

Метрический мост

Измерительный мост — это простой тип потенциометра, который можно использовать в школьных научных лабораториях для демонстрации принципа измерения сопротивления потенциометрическими средствами. По длине метровой линейки прокладывают проволоку сопротивления и контакт с проволокой осуществляют через гальванометр с помощью ползуна. Когда гальванометр показывает ноль, отношение длин проводов слева и справа от ползунка равно отношению значений известного и неизвестного резистора в параллельной цепи.

См. также

• Потенциометр (делитель напряжения)
• Мост Уитстона

Внешние ссылки

• Фотографии измерительных потенциометров
• Электрическое калибровочное оборудование, включая различные измерительные потенциометры.