Меню

Вольтметр для измерения амплитудного значения напряжения

Вольтметры амплитудных значений

Измерение переменных напряжений

Принцип работы электронного вольтметра переменного напряжения состоит в преобразовании переменного напряжения в постоянное, прямо пропорциональное соответствующему значению переменного напряжения, и измерении постоянного напряжения электромеханическим измерительным прибором либо цифровым вольтметром.

Измеряемое электронным вольтметром значение переменного напряжения определяется типом применяемого измерительного преобразователя переменного напряжения в постоянное. Рассмотрим устройство электронных вольтметров переменных напряжений, требования к отдельным элементам, особенности построения и их метрологические характеристики.

Отклонение указателя амплитудного вольтметра прямо пропорционально амплитудному (пиковому) значению переменного напряжения, независимоот формы кривой напряжения. Таким свойством не обладает ни одна из систем электромеханических измерительных приборов. В электронных вольтметрах амплитудного значения используются пиковые детекторы с открытым и закрытым входом.

Амплитудные вольтметры обладают большим диапазоном рабочих частот (от десятков герц до 1. 2 ГГц) благодаря тому, что преобразование осуществляется непосредственно на входе прибора. Амплитудный детектор конструктивно размещается в выносном пробнике, благодаря чему удается уменьшить влияние паразитных параметров вольтметра, вывести резонансную частоту входной цепи за пределы диапазона частоты вольтметра.

Необходимая чувствительность (нижний предел измеряемых напряжений – единицы милливольт) достигается применением после детектора УПТ с большим коэффициентом усиления.

Нарис. 2 показана упрощенная структурная схема амплитудного вольтметра с закрытым входом, построенного по схеме уравновешивающего преобразования.

Измеряемое напряжение Ux подается через входное устройство на вход пикового детектора с закрытым входом (VD1, С1, R1). На идентичный детектор (VD2, С2, R2) подается компенсирующее напряжение с частотой около 100 кГц, сформированное в цепи обратной связи. Постоянные напряжения, равные амплитудным значениям измеряемого сигнала и компенсирующего напряжения сравниваются на резисторах R1,R2. Следует отметить, что при малых напряжениях детекторы будут работать в квадратичном режиме, что приведет к погрешности вольтметра амплитудного значения.

Разностное напряжение подается на УПТ A1 с высоким коэффициентом усиления. Если напряжение на выходе УПТ имеет положительную полярность, что свидетельствует о превышении напряжения сигнала над компенсирующим или об отсутствии последнего, запускается ранее запертый генератор-модулятор, и компенсирующее напряжение поступает через делитель обратной связи на детектор VD2, R2, С2. Генератор-модулятор представляет собой генератор, собранный по емкостной трехточечной схеме, усилитель и эмиттерный повторитель.

Превышение компенсирующего напряжения над измеряемым приводит к запиранию генератора-модулятора. Выходное напряжение с амплитудой, пропорциональной амплитуде измеряемого напряжения и частотой 100 кГц, подается на детектор средневыпрямленного напряжения U1 и измеряется магнитоэлектрическим вольтметром PV1.

Важным требованием является идентичность передаточных характеристик детекторов сигнала и компенсирующего напряжения. Только при одинаковых характеристиках равенство выходных напряжений детекторов будет свидетельствовать о равенстве входных напряжений.

В установившемся режиме на резисторах R1 и R2 образуется некоторая разность напряжений и равна

где К и β – коэффициенты передачи цепи прямого преобразования и обратной связи.

В данной схеме в цепь прямого преобразования входят УПТ, генератор-модулятор, в цепь обратного – делитель в цепи обратной связи и детектор компенсирующего сигнала. Таким образом, для обеспечения высокой точности уравновешивания коэффициент усиления УПТ и генератора-модулятора должен быть достаточно высок.

Читайте также:  Связь заряда с напряжением

Составляющими погрешности являются: погрешность образцовых средств при градуировке, случайная погрешность измерения постоянного напряжения магнитоэлектрическим прибором, погрешность, обусловленная нестабильностью коэффициента передачи цепи обратной связи и коэффициента передачи детектора средневыпрямленного значения, неидентичность характеристик детекторов, неуравновешенность схемы.

По подобной схеме работают выпускаемые промышленностью серийные амплитудные милливольтметры В3–6, В3–43. Основная погрешность на частотах до 30 МГц составляет 4. 6%, на частотах до 1 ГГц – 25%. Шкалы амплитудных вольтметров градуируются в среднеквадратических значениях синусоидального напряжения. Недостатком является большая погрешность при измерении напряжений с большим уровнем гармонических составляющих.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник



Электронные вольтметры переменного тока

date image2014-01-31
views image5907

facebook icon vkontakte icon twitter icon odnoklasniki icon

Такие вольтметры состоят из преобразователя переменного напряжения в постоянное, усилителя и магнитоэлектрического измерительного механизма. Возможны две обобщенные структурные схемы вольтметров переменного тока (рис. 4.17), различающиеся своими характеристиками. В вольтметрах по схеме рис.4.17,а измеряемое напряжение их сначала преобразуется в постоянное напряжение, которое затем подается на УПТ и ИМ, являющиеся, по существу, вольтметром постоянного тока. Преобразователь Пр представляет собой мало­инерционное нелинейное звено, поэтому вольтметры с такой структурой могут работать в широком частотном диапазоне (от десятков герц до 10 3 МГц).

Рис.4.17. Структурные схемы вольтметров переменного тока

В вольтметрах, выполненных по схеме рис.4.17, б, благодаря пред­варительному усилению удается повысить чувствительность. Однако создание усилителей переменного тока с большим коэффициентом усиления, работающих в широком диапазоне частот,— достаточно трудная техническая задача. Поэтому такие вольтметры имеют относительно низкий частотный диапазон (1 — 10 МГц); верхний предел измерений при максимальной чувствительности составляет десятки или сотни микровольт.

В зависимости от вида преобразователя переменного напряжения в постоянное отклонения указателя измерительного механизма вольтметров могут быть пропорциональны амплитудному (пиковому), среднему (средневыпрямленному) или действующему значениям измеряемого напряжения.

Вольтметры амплитудного значения имеют преобразователи амплитудных значений (пиковые детекторы) с открытым (рис. 4.18, а) или закрытым (рис. 4.19, а) входами, где ивх и ивых — входное и выходное напряжения преобразователя.

Рис. 4.18. Схема (а) и временные диаграммы сигналов (б и в) преобразователя амплитудных значений (пикового детектора)

с открытым входом

В амплитудных преобразователях с открытым входом конденсатор заряжается практически до максимального ихmах положительного (при данном включении диода) значения входного напряжения (см. рис. 4.18, б). Пульсации напряжения uвых на конденсаторе объясняются его подзарядом при открытом диоде и разрядом через резистор R при закрытом диоде.

Среднее значение выходного напряжения иср » ихтах и, следовательно, угол отклонения указателя измерительного механизма

(4.29)

где ky — коэффициент преобразования вольтметра.

Особенностью амплитудных преобразователей с открытым входом является то, что они пропускают постоянную составляющую входного сигнала (положительную для показанного включения диода)

При ивх= Uo + Um sin ωt среднее значение выходного напряжения иСР ≈ Uо + Um. Следовательно,

(4.30)

Рис. 4.19. Схема (а) и временные диаграммы сигналов (б)

Читайте также:  Проверка регулятора напряжения я112

преобразователя амплитудных значений с закрытым входом

В преобразователях с закрытым входом (рис.4.19, а, б) в установившемся режиме на резисторе R независимо от наличия постоянной составляющей входного сигнала имеется пульсирующее напряжение uR изменяющееся от 0 до -2Um где Um — амплитуда переменной составляющей входного напряжения. Среднее значение этого напряжения практически равно Um. Для уменьшения пульсаций выходного напряжения в таких преобразователях устанавливается фильтр нижних частот RфСф. Таким образом, показания вольтметра в этом случае определяются только амплитудным значением переменной составляющей входного напряжения их, т. е. a = kvUm.

Поскольку шкала вольтметров градуируется в действующих значениях синусоидального напряжения, то при измерении напряжений другой формы необходимо делать соответствующий пересчет, если известен коэффициент амплитуды измеряемого напряжения. Амплитудное значение измеряемого напряжения несинусоидальной формы

(4.31)

где kac = = 1,41 —коэффициент амплитуды синусоиды; Unp — значение напряжения, отсчитанное по шкале прибора.

Действующее значение измеряемого напряжения

(4.32)

где ka — коэффициент амплитуды измеряемого напряжения.

Вольтметры среднего значения имеют преобразователи пе­ременного напряжения в постоянное, аналогичные преобразователям, используемым в выпрямительных приборах. Такие вольтметры обычно имеют структуру, показанную на рис.4.17,б. В этом случае на выпрямительный преобразователь подается предварительно усиленное напряжение их, что повышает чувствительность вольтметров и уменьшает влияние нелинейности диодов. Угол отклонения подвижной части измерительного механизма у таких вольтметров пропорционален средневыпрямленному значению измеряемого напряжения, т. е.

(4.33)

Шкала таких вольтметров также градуируется в действу­ющих значениях синусоидального напряжения. При измерении напряжения несинусоидальной формы среднее значение этого напряжения

(4.34)

(4.35)

где UПР — показание вольтметра; kфс = 1,11 — коэффициент формы синусоиды; kФ — коэффициент формы измеряемого напряжения.

Вольтметры действующего значения имеют преобразователь переменного напряжения с квадратичной статической характеристикой преобразования иВЫХ= k uВХ 2 . В качестве такого преобразователя используют термопреобразователи, квадратирующие устройства с кусочно-линейной аппроксимацией параболы, электронные лампы и другие. При этом если вольтметр действующего значения выполнен по структурным схемам, изображенным на рис.4.17, то независимо от формы кривой измеряемого напряжения отклонение указателя измерительного механизма пропорционально квадрату действующего значения измеряемого напряжения:

(4.36)

Источник

2.10 . Вольтметры амплитудных (пиковых) значений напряжения

Для измерений пиковых (амплитудных) значений напряжения в вольтметрах используются пиковые (амплитудные) детекторы, на выходе которых постоянная составляющая напряжения непосредственно соответствует пиковому значению измеряемого напряжения. На рисунках 2.7 и 2.8 изображены схемы простейших вольтметров с последовательным пиковым детектором с открытым входом и параллельным детектором с закрытым входом.

Рассмотрим работу ввольтметра с открытым входом (рис. 2.7), когда на вход его подается синусоидальное напряжение U = Um sin t. Будем полагать, что до момента включения напряжения конденсатор С не заряжен. Тогда в момент включения при положительной полуволне напряжения все напряжение будет приложено к диоду и в цепи диода возникнет большой импульс тока, заряжающий конденсатор С. Так как сопротивление резистора R имеет очень большую величину и постоянная времени разряда tр = R C намного больше периода приложенного напряжения Т = 2p/w, то во время отрицательного полупериода приложенного напряжения заряд емкости уменьшится незначительно. Постоянная времени заряда tз = Ri C (Ri — внутреннее сопротивление диода) намного меньше времени разряда, поэтому через несколько периодов на обкладках конденсатора установится постоянное напряжение Uc, близкое к амплитуде напряжения, поданного на вход детектора (рис. 2.7, б). По мере заряда емкости постоянная составляющая напряжения на нем увеличивается, что создает автоматическое смещение рабочей точки диода. В установившемся режиме постоянное напряжение на катоде диода будет равно Uco, и ток через диод будет протекать малую часть периода (θ >T ), Но всегда имеет значение меньше амплитудного, что создаёт систематическую погрешность измерения.

Читайте также:  Силовое реле для стабилизатора напряжения ресанта

Рассмотрим вопрос об измерении напряжения, содержащего постоянную составляющую, вольтметром амплитудных значений с открытым входом. Допустим, что на вход вольтметра подано пульсирующее напряжение (рисунок 2.7, б) таким образом, что к зажиму «а» вольтметра (рис. 2.7, а) приложена плюсом постоянная составляющая напряжения Uо. Тогда конденсатор С зарядится до напряжения Uо+Umd, равного пиковому значению напряжения Um. Следовательно, в этом случае вольтметр будет измерять пиковое значение напряжения относительно нулевой линии.

Если изменить полярность включения вольтметра, подав положительную постоянную составляющую на катод (зажим б вольтметра), то так как диод будет заперт, до и показания вольтметра будут равны, поскольку заряд ёмкости возможен при открывании диода. Поэтому постоянная составляющаябудет влиять на показания вольтметра или увеличивая его, или уменьшая. В вольтметре с закрытым входом постоянная составляющая на результат измерения не влияет.

Рассмотрим амплитудный вольтметр с закрытым входом (рис. 2.8, б), к зажимам которого а-б подключено синусоидальное напряжение U =Um sin wt. В положительный полупериод подводимого напряжения конденсатор С заряжается через диод до напряжения Um, затем разряжается через сопротивление R и внешнюю цепь. В схеме вольтметра с закрытым входом выполняются те же соотношения между параметрами, как и в схеме

Рис. 2.8 . Амплитудный детектор с закрытым входом

а – схема; б, в – временные диаграммы

с открытым входом, т.е. Ri > T, вследствие чего среднее значение напряжения на конденсаторе Uсо близко к Um. Средний ток диода io равен среднему току, протекающему через сопротивление. Напряжение на диоде слагается из постоянного напряжения на конденсатореUсо и входного напряжения и в установившемся режиме имеет такую же форму, как и в схеме с открытым входом. Поэтому для данной схемы вольтметра процесс детектирования в основном аналогичен процессу в вольтметре с открытым входом. Но имеются и отличия. Так, например, в схеме вольтметра с закрытым входом сопротивление источника измеряемого напряжения Rн не влияет на результат измерения, так как независимо от его величины конденсатор заряжается до напряжения Um. Также имеются коренные отличия и в измерении величины напряжений с постоянной составляющей, (рис. 2.8, в). Амплитудные вольтметры, предназначенные для измерения синусоидальных напряжений, обычно градуируются в действующих значениях. При использовании в качестве выходных приборов магнитоэлектрической системы шкала вольтметра будет линейной.

Источник