Если для измерения постоянного напряжения Вы пользуетесь вольтметром с измерительной головкой магнитоэлектрической системы, то обращали внимание, что при неправильной полярности подключения щупов вольтметра к источнику измеряемого напряжения, стрелка измерительной головки отклоняется в обратную сторону за нуль и зашкаливает. Если таким прибором попытаться измерить переменное напряжение частотой около 50 Гц и выше, стрелка может слегка дёрнуться в первоначальный момент времени, но после будет указывать на ноль. Ненулевое значение будет говорить о наличии постоянной составляющей напряжения.

Самый простой способ выйти из положения – преобразовать переменное напряжение в постоянное, то есть выпрямить его. Это легко сделать с помощью одного единственного диода, как показано в статье . Если желаете измерить напряжение более-менее точно, для выпрямления можно использовать .

Схемы измерения

Причина такого поведения магнитоэлектрического измерительного прибора при измерении переменного напряжения проста. В таких приборах присутствует постоянный магнит, а направление отклонения стрелки прибора зависит от направления протекания тока в катушке поворачивающейся рамки. В момент положительного полупериода стрелка прибора пытается отклониться в одну сторону, отрицательного – в другую. При достаточно частой смене полярности, например как в потребительской сети 50 Гц, стрелка просто не успевает отклониться в одну сторону, как вдруг ей нужно отклоняться в обратную. При этом можно заметить просто дрожание стрелки, или не заметить ни чего.

Измерительные головки электромагнитной системы в устройстве своём не имеют постоянного магнита, а их принцип действия основан на явлении втягивания предмета из намагничивающегося материала в область центра катушки с током. Направление действия катушки с током на намагничивающийся объект не зависит от направления тока в обмотке катушки. Поэтому такие приборы легко измеряют как постоянный, так и переменный ток или напряжение.

Если у Вас возникла необходимость измерить напряжение в сети переменного тока, а под рукой только прибор с измерительной головкой магнитоэлектрической системы (с постоянным магнитом), то можно просто выйти из положения, имея под рукой хотя бы один выпрямительный диод с обратным напряжением не ниже амплитудного значения предположительно измеряемой величины. Для этого рассмотрим две схемы.

Схема с одним диодом

Менее точный, но предельно простой вариант. Всё, что нужно, это подключить один из щупов прибора через выпрямительный диод. При этом следует учесть, что к клемме приора с положительной полярностью диод должен быть подключен катодом (к отрицательной – анодом). При действии положительного полупериода стрелку будет отклонять измеряемая величина напряжения в нужную нам сторону. Во время отрицательного полупериода диод будет запираться, разрывая цепь прибора с источником напряжения, которое уже не подействует на стрелку прибора в обратном направлении.

Особенность измерения схемой с одним диодом

Определение значения величины. При измерении по рассмотренной схеме следует учесть, что прибор реагирует только во ремя одного полупериода, и покажет величину в два раза меньше действительного действующего значения напряжения. То есть, если при измерении напряжения такой схемой прибор показал значение 110 В, это показание нужно умножить на два, и получите то, что Вы измерили.

Выбор диода. Для правильного выбора диода нам нужно обязательно учесть обратное напряжение диода, которое должно быть больше амплитудного значения измеряемой величины, иначе диод может пробить, и прибор перестанет показывать, или может врать на несколько порядков. Например, мы собираемся измерить напряжение в розетке. При указании класса напряжения оборудования указывается действующая величина. Чтобы узнать амплитудное значение, нужно действующую величину умножить на корень из двух: . Напряжение потребительской сети 220 В. Амплитуда напряжения будет 220×1,41=311 В. В нашем случае вполне подойдут выпрямительные диоды с обратным напряжением 400 В и выше. Ниже не желательно, т.к. в случае перенапряжения в сети, амплитуда напряжения может превысить обратное напряжение диода, произойдёт необратимый пробой p-n перехода и диод выйдет из строя.

Кроме того, не выбирайте мощные диоды, чем меньше мощность, тем лучше. У мощных диодов большая площадь p-n перехода, который в запертом состоянии может вести себя как обкладки конденсатора. Таким образом, в отрицательный полупериод может сказаться ёмкостная проводимость, и показания прибора окажутся несколько занижены. Чем больше частота измеряемого напряжения, тем больше влияние, особенно при использовании высокоомных чувствительных измерительных головок.

Схема с диодным мостом

Более сложный вариант, но позволяющий измерять электрические величины более точно. Для этого потребуется 4 диода, либо готовый диодный мост. Принцип работы схемы аналогичен первому варианту, но здесь измерительный элемент чувствует оба полупериода напряжения, которые действуют на него однонаправлено, и прибор показывает действующее значение напряжения. То есть, показания прибора будут соответствовать действительности.

Выбор диодов или диодного моста аналогичен первому случаю.

Меры предосторожности

При модификации Вашего прибора указанными способами, уделите особое внимание безопасности. Диоды или диодный мост используемые в схемах, а так же контактные места рассечки проводов, щупов прибора, клеммы вольтметра должны быть надёжно заизолированы, чтобы предотвратить поражение электрическим током при случайном прикосновении к токоведущим частям прибора во время измерения.

Обобщенная структурная схема вольтметра постоянного тока приведена на рис. 1,а. Она включает входное устройство, усилитель постоянного тока А1 и электромеханический измерительный прибор PV1. Входное устройство предназначено для создания высокого входного сопротивления, чтобы уменьшить влияние вольтметра на измеряемую цепь. Оно состоит из делителей напряжения – аттенюаторов, с их помощью изменяют пределы измеряемых величин. В некоторых вольтметрах входное устройство содержит эмиттерный повторитель (или истоковый – при использовании полевых транзисторов).

К УПТ предъявляются высокие требования: малый дрейф нуля, высокая стабильность усиления, малый уровень шумов.

В вольтметрах постоянного тока высокой чувствительности входной сигнал преобразуется в переменный, усиливается и затем вновь преобразуется в напряжение постоянного тока.

Обобщенная структурная схема вольтметра переменного тока показана на рис. 1,б. Принцип действия такого вольтметра состоит в преобразовании переменного напряжения в постоянное, которое измеряется стрелочным электромеханическим прибором. В качестве преобразователей переменного напряжения в постоянное используются пиковые (амплитудные) детекторы, детекторы среднеквадратического и средневыпрямленного значения напряжения. Применение того или иного преобразователя переменного тока в постоянный определяет способность вольтметра измерять то или иное значение напряжения.

На обобщенной схеме показаны усилитель переменного напряжения А1 и УПТ А2, включенный после преобразователя V1. Однако в практических приборах применение обоих усилителей встречается очень редко. Используется либо додетекторное усиление, либо последетекторное. В высокочувствительные измерители напряжения вводят усилители переменного напряжения, обычно широкополосные, с полосой пропускания от единиц герц до десятков мегагерц.

Для обеспечения широкой области рабочих частот вплотьдо 1 ГГц усилители переменного напряжения не применяют, а применяют усилители постоянного тока.

ЦИФРОВЫЕ ВОЛЬТМЕТРЫ

В цифровых вольтметрах переменного напряжения используется аналоговое преобразование измеряемого переменного напряжения в постоянное. В импульсных цифровых вольтметрах находят применение специальные АЦП – амплитудно-временные преобразователи. В вольтметрах с уравновешивающим преобразованием используются соответствующие АЦП.

Цифровые вольтметры прямого преобразования более просты по устройству, но имеют меньшую точность. По используемому способу аналого-цифрового преобразования они бывают: с временным, временным с интегрированием и частотным преобразованием. Интегрирующие цифровые вольтметры, измеряющие среднее значение напряжения за время измерения, обладают повышенной помехозащищенностью. Входное устройство (рис. 2) содержит делители напряжения и предназначено для расширения пределов измерения. Оно обеспечивает достаточно высокое входное сопротивление вольтметра. Устройство определения полярности измеряемого напряжения основано на определении последовательности срабатывания двух устройств сравнения. На первое подается пилообразное напряжение, принимающее значения от –U до +U, и измеряемое напряжение. Устройство срабатывает (выдает импульс) в момент равенства напряжений. Другое устройство сравнения срабатывает в момент равенства пилообразного напряжения нулю. Сигнал полярности подается в цифровое отсчетное устройство. Устройство автоматического выбора пределов измерения сравнивает измеряемое напряжение с набором напряжений и управляет делителем.

Цифровые вольтметры с уравновешивающим преобразованием строятся в основном по двум типам структурных схем: с использованием программирующего устройства и цифрового счетчика. В них измеряемое напряжение уравновешивается дискретно-изменяющимся компенсирующим образцовым напряжением. На рис. 3,а,б показаны эти структурные схемы.

Рассмотрим работу вольтметра, построенного по схеме с цифровым счетчиком (рис. 3,б). Тактовые импульсы поступают на цифровой счетчик через управляющее устройство, определяющее порядок заполнения ячеек. Счетчик изменяет состояние элементов преобразователя кода и компенсирующее напряжение. Измеряемое напряжение, поступающее на устройство сравнения, сравнивается с компенсирующим напряжением. В зависимости от знака этой разности на выходе устройства сравнения управляющее устройство либо продолжает пропускать тактовые импульсы на счетчик, либо нет. Новый цикл измерений начинается с момента сбрасывания на нуль показаний счетчика. В этот же момент в исходное состояние приводится компенсирующее напряжение и на счетчик начинают поступать счетные импульсы.

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЛЬТМЕТРОВ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Цель работы

1. Изучить принцип действия, устройство и основные метрологические характеристики электронных вольтметров с преобразователями амплитудного (пикового), среднеквадратического и средневыпрямленного значений напряжения.

2. Изучить особенности измерения напряжения сигналов различной формы.

3. Получить практические навыки работы с измерительными приборами.

Исследуемые приборы

Вольтметр переменного напряжения типа В7-15 (или ВУ-15) с амплитудным (пиковым) детектором.

Вольтметр переменного напряжения типа В7-27/А/1 (или В7-16) с преобразователем средневыпрямленного значения.

Вольтметр среднеквадратического значения (измеритель нелинейных искажений типа С6-11 в режиме измерения напряжения).

Вспомогательные приборы и принадлежности

Генератор измерительных сигналов (синусоидальной формы) низкочастотный Г3-109.

Генератор измерительных сигналов (синусоидальной формы) высокочастотный Г4-158.

Генератор прямоугольных импульсов с изменяемым коэффициентом заполнения (вспомогательный генератор).

Электронно-лучевой осциллограф С1-67.

Эталонный резистор с номиналом (1,00 ± 0,05) МОм.

Лабораторное задание

1. Исследовать влияние формы сигнала на показания электронных вольтметров с различными типами преобразователей.

2. Оценить входное сопротивление вольтметра В7-27/А/1 (или В7-16)

и его влияние на погрешность измерения напряжения.

3. Исследовать влияние параметров входной цепи вольтметра и соединительных проводов на частотный диапазон измерения напряжения с использованием одного из исследуемых вольтметров

– самого широкополосного В7-15 (или ВУ-15).

Указание. Количественные характеристики (параметры) переменного периодического напряженияu (t ) описываются следующими функционалами:

1. Среднее значение (постоянная составляющая) напряжения

где T - интервал интегрирования. Численное значениеТ в вольтметрах имеет порядок (0,2,…,1) с. При расчетах среднего значения и других характеристик периодического сигнала в качестве интервалаТ удобно взять период сигнала.

2. Максимальное и минимальное значения напряжения

, Uмин = min{u(t)}

Размах U p =U макс -U мин .

Пиковое отклонение “вверх” напряжения

U вв= U макс - U ср.

Пиковое отклонение “вниз” напряжения

3. Среднеквадратическое (действующее) значение напряжения

4. Средневыпрямленное значение напряжения

В электронных вольтметрах переменного напряжения используют три типа преобразователей:

Преобразователь амплитудного (пикового) значения, выходное напряжение которого пропорционально максимальному значению напряжения измеряемого сигналаU m (пиковому отклонению напряжения “вверх”, если

анод диода подключен к входу преобразователя или пиковому отклонению напряжения “вниз” - при обратном подключении диода);

Преобразователь среднеквадратического значения (на основе термоэлектрических, диодных, транзисторных или оптронных преобразователей), выходное напряжение которого пропорционально среднеквадратическому (действующему) значению измеренного напряжения

U ск;

Преобразователь средневыпрямленного значения, выходное напряжение которого пропорционально среднему значению выпрямленного напряжения U св (среднему значению модуля напряжения).

Если у вольтметра закрытый вход, т.е. постоянная составляющая U ср

измеряемого напряжения не проходит на преобразователь, то его показания определяются только переменной составляющей сигнала.

Шкалы электронных вольтметров переменного тока (кроме импульсных) градуируют в среднеквадратических значениях напряжения сигнала синусоидальной формы. Импульсные вольтметры градуируют в амплитудных значениях синусоидального сигнала.

С учетом указанных особенностей показания вольтметров U шк определяются формулами, приведенными в табл. 2.1.

Среднеквадратическое U ск , (пиковое отклонение “вверх”)U m и средневыпрямленное значенияU св связаны между собой так называемыми коэффициентами амплитудыК А и формыК Ф следующим образом:

Um = KA · Uск ; Uск = KФ · Uсв ; Um = KA · KФ · Uсв .

Зная результат измерений, то есть значение функционала (табл. 2.1) для используемого типа преобразователя вольтметра, можно найти неизвестные параметры измеряемого напряжения. Но для этого надо правильно - в соответствии с видом функции u(t) , описывающей измеряемый сигнал, выбрать значения коэффициентовK A иK Ф . Численные значения этих

коэффициентов можно вывести с использованием формул (2.2), (2.5) и (2.6).

Тип вольтметра

Вольтметр

постоянного

напряжения

Вольтметр

с преобразователем среднеквадратического значения

Вольтметр

с преобразователем средневыпрямленного значения

Вольтметр

с пиковым

(амплитудным)

детектором

Порядок выполнения работы и методические указания

1. Ознакомление с характеристиками исследуемых вольтметров

и принципами их работы (домашняя подготовка к работе)

1.1. Изучить по литературе и конспекту лекций теоретический материал,

относящийся к данной работе. Изучить описание данной работы и заготовить в рабочей тетради формы табл. 2.1-2.6 с их заголовками.

1.2. Ознакомиться по с метрологическими характеристиками исследуемых вольтметров. Заполнить табл. 2.2.

1.3. Сопоставить эти характеристики. Сделать выводы об области применения исследуемых вольтметров с точки зрения:

формы измеряемого сигнала,

диапазона измеряемых значений напряжений,

диапазона рабочих частот,

нормируемой погрешности,

входного сопротивления и входной емкости.

Таблица 2.2

Основные метрологические характеристики вольтметров

Характеристика	Вольтметр	Вольтметр
	универсальный	универсальный
	аналоговый	цифровой
		Тип В7-27/А
	Тип В7-15 (ВУ-15)
Тип преобразователя
Пределы измерения, В
Диапозон частот, Гц
Основная нормируемая
погрешность, %
Входное сопротивление, Ом
Входная емкость, пФ

1.4. Для самопроверки готовности к выполнению работы сформулировать ответы на следующие вопросы, которые могут быть заданы при допуске и в процессе защиты работы:

1. Количественные характеристики переменного напряжения.

2. Типовые структурные схемы электронных вольтметров.

3. Какая из этих схем обеспечивает высокую чувствительность вольтметра,

а какая – широкий частотный диапазон?

4. Основные типы преобразователей переменного напряжения, применяемые в электронных вольтметрах; их схемы, формулы, описывающие их принцип действия.

5. Правила и процедура градуировки электронных вольтметров переменного напряжения.

6. Зачем нужны вольтметры с различными типами входов - открытым и закрытым?

7. Каким образом обеспечивают “закрытый” вход вольтметра?

8. Формулы, определяющие показания электронных вольтметров.

9. Схема и временные диаграммы сигналов, поясняющие работу пикового преобразователя с закрытым и открытым входами.

10. Источники погрешностей электронных вольтметров.

1.5. По аналогии с приведенным ниже графиком нарисовать в одинаковом масштабе временные диаграммы импульсных сигналов прямоугольной формы без постоянной составляющей при значениях коэффициента заполнения К з = 0,25; 0,5 и 0,75 . Обратите внимание, что размах импульсного

сигнала не изменяется при исключении постоянной составляющей.

Импульсный сигнал с постоянной составляющей

Импульсный сигнал без постоянной составляющей

1.6. Записать в табл. 2.3 расчетные значения показаний вольтметров с закрытым входом при измерении:

{ синусоидального сигнала,

{ импульсных сигналов прямоугольной формы без постоянной

p = 4 В при

Кз =

преобразователя

синусоида

размахом

0,707U

0,707U

0,707U

1.7. Показать преподавателю результаты выполнения домашнего задания - заполненные табл. 2.1 и 2.2 и получить допуск к работе.

2. Исследование влияния формы измеряемого напряжения на показания электронных вольтметров

2.1. Включить питание исследуемых вольтметров и вспомогательных приборов, ознакомиться с краткими техническими описаниями и органами управления исследуемых вольтметров. После 15-минутного прогрева проверить установку “0” и калибровку исследуемых вольтметров.

Подключить осциллограф к выходу генератора сигналов синусоидальной формы (рис. 2.1.).

Рис. 2.1. Схема измерения напряжения сигналов различной формы

2.2. Установить частоту сигнала генератора 1 кГц. Переключить регулятор входного делителя осциллографа Вольт/дел в положение1В/дел , установить ручкуУсиление в крайнее правое положение, получить на экране осциллографа изображение измеряемого сигнала в пределах 2 - 4 его периодов и с помощью соответствующей регулировки генератора установить размах синусоидального сигнала, равным 4 В.В дальнейшем при

выполнении п. 2 положение регуляторов не изменять.

2.3. Поочередно подключая исследуемые вольтметры к выходу генератора, записать их показания в соответствующий столбец табл. 2.4.

2.4. Сравнить эти показания. Должны ли эти показания различаться для вольтметров с различными типами преобразователей или они должны быть приблизительно одинаковыми (в пределах погрешностей вольтметров)?

Сделать соответствующий вывод на основе правила градуировки вольтметров переменных напряжений.

2.5 Подать на вход осциллографа с выхода вспомогательного генератора импульсный сигнал прямоугольной формы положительной полярности с переключаемым коэффициентом заполнения (частота следования этих импульсов порядка 1 кГц). Убедиться, что коэффициенты заполнения этого сигнала соответствуют значениям, указанным на переключателе вспомогательного генератора. С помощью соответствующей регулировки генератора установить размах импульсного сигнала, равным 4 В.

2.6. Используя переключатель осциллографа Открытый вход/закрытый вход , разобраться, что происходит с импульсными сигналами положительной полярности с различными значениями коэффициента заполнения после их прохождения через RC-цепочку, обеспечивающую закрытый вход. Сопоставить эти осциллограммы с временными диаграммами, нарисованными по п. 1.5.

при измерении

импульсов по

(тип преобразователя)

напряжения

синусоида

результатам

измерений

импульсного при

при К з =

К з=

В7-15 (ВУ-15)

с амплитудным

преобразователем В7-27/А (В7-16)

с преобразователем

средневыпрямленного

значения

С6-11 с преобразователем среднеквадратического

значения

2.8. Построить по данным табл. 2.4 графики зависимости показаний исследуемых вольтметров от значений коэффициента заполнения при измерении напряжений импульсных сигналов прямоугольной формы. Продолжить (пунктиром) эти зависимости в область малых и больших значений коэффициента заполнения. Объяснить, используя осциллограммы, полученные при выполнении п. 2.6, различия в характере этих зависимостей для вольтметров с различными типами преобразователей.

2.9. По показаниям вольтметров рассчитать значения размаха измеряемых сигналов и записать полученные результаты в табл. 2.4 (должны ли эти

значения различаться?).

3. Определение методической погрешности, обусловленной влиянием входного сопротивления вольтметра

Указание . Относительная методическая погрешность измерения напряжения на достаточно низких частотах (на которых можно не учитывать влияния входной емкости)

При R вх > > R вых , δ мет ≈ – R вых /R вх , гдеR вых - выходное сопротивление источника измеряемого напряжения;R вх - входное сопротивление вольтметра.

R вх можно найти путем косвенных измерений (рис. 2.2) с помощью вспомогательного эталонного резистора с сопротивлениемR 0 :

3.1. Используя генератор Г3-109, цифровой вольтметр В7-27 и вспомогательный резисторR 0 , собрать схему измерения (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Схема измерения входного сопротивления вольтметра

3.2. Установить переключатель выходного сопротивления генератора Г3-109 в положениеR вых = 600 Ом. Установить частоту генератора в пределах 50-100

Гц. Установить по вольтметру В7-27/А напряжение генератораU 1 в пределах 5-10 В, измерить этим же вольтметром В7-27/А напряжениеU 2 , записать показания в табл. 2.5.

3.3. Вычислить входное сопротивление вольтметра и соответствующую методическую погрешность δ мет измерения напряжения по (2.8) и (2.7).

Сравнить полученные оценки с нормируемыми значениями входного сопротивления и основной погрешности цифрового вольтметра В7-27.

Таблица 2.5

http://dvo.sut.ru/libr/mss/i145mriz/2.htm

Похожие статьи