Potentiometer (mätinstrument)
En potentiometer är ett instrument för att mäta spänning eller 'potentialskillnad' genom att jämföra en okänd spänning med en känd referensspänning . Om ett känsligt indikeringsinstrument används dras mycket lite ström från källan till den okända spänningen. Eftersom referensspänningen kan produceras från en noggrant kalibrerad spänningsdelare kan en potentiometer ge hög precision i mätningen. Metoden beskrevs av Johann Christian Poggendorff omkring 1841 och blev en standard laboratoriemätteknik.
I detta arrangemang jämförs en bråkdel av en känd spänning från en resistiv glidtråd med en okänd spänning med hjälp av en galvanometer . Potentiometerns glidkontakt eller torkare justeras och galvanometern kopplas kort mellan glidkontakten och den okända spänningen. Galvanometerns nedböjning observeras och skjutkranen justeras tills galvanometern inte längre böjer sig från noll. Vid den tidpunkten drar galvanometern ingen ström från den okända källan, och spänningens storlek kan beräknas från positionen för glidkontakten.
Denna nollbalansmätmetod är fortfarande viktig inom elmätologi och standardarbete och används även inom andra områden av elektronik.
Mätpotentiometrar är indelade i fyra huvudklasser listade nedan.
Funktionsprincip
Principen för en potentiometer är att potentialen som faller över ett segment av en tråd med likformigt tvärsnitt som bär en konstant ström är direkt proportionell mot dess längd. Potentiometern är en enkel enhet som används för att mäta de elektriska potentialerna (eller jämföra en cells emk). En form av potentiometer är en enhetlig högresistanstråd fäst på ett isolerande stöd, märkt med en linjär mätskala. Vid användning är en justerbar reglerad spänningskälla E, av större storlek än potentialen som ska mätas, ansluten över ledningen för att leda en jämn ström genom den.
Mellan änden av tråden och någon punkt längs den kommer att vara en potential som är proportionell mot längden på tråden till den punkten. Genom att jämföra potentialen vid punkter längs tråden med en okänd potential kan storleken på den okända potentialen bestämmas. Instrumentet som används för jämförelse måste vara känsligt, men behöver inte vara särskilt välkalibrerat eller noggrant så länge som dess avböjning från nollpositionen lätt kan detekteras.
Konstantströmpotentiometer
En potentiometer som kalibreras och sedan mäter en okänd spänning. R1 är resistansen för hela motståndstråden . Pilhuvudet representerar den rörliga torkaren .
I denna krets är ändarna av en likformig motståndstråd R1 anslutna till en reglerad DC -källa VS för användning som en spänningsdelare. Potentiometern kalibreras först genom att placera torkaren (pilen) på den plats på R 1 -tråden som motsvarar spänningen för en standardcell så att
En standard elektrokemisk cell används vars emk är känd (t.ex. 1,0183 volt för en Weston standardcell ).
Matningsspänningen V S justeras sedan tills galvanometern visar noll, vilket indikerar att spänningen på R 2 är lika med standardcellspänningen.
En okänd likspänning, i serie med galvanometern, kopplas sedan till den glidande torkaren, över en variabel längd sektion R3 av motståndstråden. Torkaren flyttas tills ingen ström rinner in i eller ut ur källan med okänd spänning, vilket indikeras av galvanometern i serie med den okända spänningen. Spänningen över den valda R3- sektionen av tråden är då lika med den okända spänningen. Det sista steget är att beräkna den okända spänningen från bråkdelen av längden på motståndstråden som var ansluten till den okända spänningen.
Galvanometern behöver inte kalibreras, eftersom dess enda funktion är att läsa noll eller inte noll. När man mäter en okänd spänning och galvanometern visar noll, dras ingen ström från den okända spänningen och därför är avläsningen oberoende av källans inre resistans, som med en voltmeter med oändligt motstånd .
Eftersom motståndstråden kan göras mycket enhetlig i tvärsnitt och resistivitet, och torkarens position lätt kan mätas, kan denna metod användas för att mäta okända likspänningar större än eller mindre än en kalibreringsspänning som produceras av en standardcell utan att dra någon ström från standardcellen.
Om potentiometern är ansluten till en likströmskälla med konstant spänning, t.ex. ett bly-syrabatteri, kan ett andra variabelt motstånd (ej visat) användas för att kalibrera potentiometern genom att variera strömmen genom motståndstråden R 1 .
Om längden på R 1 -motståndstråden är AB, där A är (-)-änden och B är (+)-änden, och den rörliga torkaren är vid punkt X på ett avstånd AX på R 3-delen av motståndstråden när galvanometern ger ett nollvärde för en okänd spänning, mäts avståndet AX eller avläses från en förtryckt skala bredvid motståndstråden. Den okända spänningen kan då beräknas:
Potentiometer för konstant motstånd
Potentiometern med konstant motstånd är en variant av grundidén där en variabel ström matas genom ett fast motstånd. Dessa används främst för mätningar i millivolt- och mikrovoltområdet.
Mikrovolt potentiometer
Detta är en form av den konstanta motståndspotentiometern som beskrivs ovan men utformad för att minimera effekterna av kontaktresistans och termisk emk. Denna utrustning används tillfredsställande ner till avläsningar på 1000 nV eller så.
Termoelementpotentiometer
En annan utveckling av standardtyperna var "termoelementpotentiometern" speciellt anpassad för temperaturmätning med termoelement . Potentiometrar för användning med termoelement mäter också temperaturen vid vilken termoelementtrådarna är anslutna, så att kallövergångskompensation kan tillämpas för att korrigera den skenbart uppmätta EMF till standardtemperaturen för kallövergången på 0 grader C.
Analytisk kemi
För att göra en potentiometrisk bestämning av en analyt i en lösning mäts cellens potential. Denna mätning måste korrigeras för referens- och kopplingspotentialer. Det kan också användas i standardiseringsmetoder. Koncentrationen av analyten kan sedan beräknas från Nernst-ekvationen . Många varianter av denna grundläggande princip finns för kvantitativa mätningar.
Meter bro
En mätarbrygga är en enkel typ av potentiometer som kan användas i skollaboratorier för att demonstrera principen för motståndsmätning med potentiometriska medel. En motståndstråd läggs längs längden av en meterregel och kontakt med tråden görs genom en galvanometer av en skjutreglage. När galvanometern visar noll är förhållandet mellan trådlängderna till vänster och höger om skjutreglaget lika med förhållandet mellan värdena för ett känt och ett okänt motstånd i en parallellkrets.
Se även
- ^ Thomas B. Greenslade jr. "Potentiometern" . Physics.kenyon.edu . Hämtad 2013-06-01 .
- ^ Kenyon.edu Institutionen för fysik.
- ^ scenta.co.uk Arkiverad 2012-09-11 på archive.today Scenta.
- ^ Kenyon.edu Institutionen för fysik. Termodynamik: Termoelementpotentiometer.
- ^ "Ian Hicksons Meter Bridge Experiment" . Academia.hixie.ch . Hämtad 2013-06-01 .