Электростатическая
2 1
2
dC
U
W
d
, где
2 2
0 1
T
U
u dt
T
; C – ёмкость между пластинами.
Высокочастотные лаборатор- ные и высоковольтные вольт- метры
F = 0…30 кГц
Класс точности
0,5…1,5
P
соб
< 1 мВт
Ферродинамическая
α = S I
н
I
п cos ψ, где I
н
– ток в неподвижной ка- тушке; I
п
– ток в подвижной катушке.
Щитовые и лабораторные пе- реносные низкочастотные ам- перметры, вольтметры
F = 0,5…1 кГц
Класс точности
1,5…2,5
P
соб
< 1 Вт
Глава 3. Электромеханические измерительные преобразователи. Принципы построения
161
Окончание табл. 3.1
Наименование системы, функциональная схема
Уравнение шкалы, применение
Частотный диапазон, класс точности, потребление мощности
Индукционная 2 1
2
kWN CNk
, где
С – номинальная постоян- ная счетчика
(количество энергии, учитываемое счетчи- ком за один оборот диска).
Счетчики электрической энер- гии
F = 50…400 Гц
Класс точности
1,5…4,0
Pсоб
< 1 Вт
В данной главе изложены сведения о различных электромеханиче- ских измерительных приборах, получивших широкое распространение в качестве щитовых приборов, встроенных в образцы вооружения и воен- ной техники (ВВТ). Они просты в эксплуатации, могут применяться в не- благоприятных условиях. Кроме того, они используются в качестве со- ставной части аналоговых электронных измерительных приборов. Знание особенностей конструкции основных типов электромеханических прибо- ров, принципа их действия и особенностей поверки является важным усло- вием качественного технического обслуживания ВВТ.
На подвижную часть измерительного механизма электромеханиче- ского прибора при ее движении воздействуют: вращающий момент
Мвр
; противодействующий момент
Мпр и момент успокоения (демпфирования)
Му
; при использовании измерительного механизма в цепях с частотой
50 Гц и выше его коэффициент передачи определяется постоянной состав- ляющей вращающего момента за период
Т измерения электрической вели- чины; в статическом режиме установившееся отклонение подвижной части измерительного механизма определяется равенством вращающего и про- тиводействующего моментов; выражение (3.8) является уравнением шкалы электромеханических приборов в статическом режиме.
Приборы с магнитоэлектрическими измерительными механизмами применяют в цепях постоянного тока. Для измерения переменного напря- жения совместно с магнитоэлектрическими приборами используют вы- прямительные преобразователи.
Зависимость угла отклонения подвижной части электромагнитного прибора от тока нелинейна, и поворот подвижной
части одинаков как при постоянном токе, так и при переменном токе, имеющем действующее зна-
Раздел 2. Измерительная техника
162 чение, равное значению постоянного тока. Эти приборы применяются в основном для измерения тока и напряжения в цепях переменного тока промышленной частоты в качестве щитовых приборов.
Контрольные вопросы
1. Перечислите основные системы электромеханических приборов и дайте сравнительные характеристики по параметрам.
2. Почему магнитоэлектрический механизм работоспособен только на постоянном токе? Что предпринимается для использования его в прибо- рах переменного тока?
3. Назовите источники погрешностей магнитоэлектрического меха- низма.
4. Какие системы электромеханических приборов являются высоко- частотными?
5. В чем состоит принцип работы электромагнитных измерительных преобразователей?
6. Назовите источники погрешностей электромагнитного механизма.
7. Перечислите основные узлы электродинамических измерительных преобразователей.
8. Назовите источники погрешностей электродинамического меха- низма.
9. В чем состоит принцип работы электростатических измеритель- ных преобразователей?
10. Назовите источники погрешностей электростатического меха- низма.
Глава 4. Измерение напряжений
163
Глава 4. ИЗМЕРЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЙ
4.1. Значения измеряемых напряжений: амплитудное, среднее, среднеквадратическое, средневыпрямленное
Измерение напряжения и силы тока – наиболее распространенный вид измерений. Эти измерения осуществляются в широком диапазоне частот – от постоянного тока и инфранизких частот (сотые доли герца) до сверхвы- соких частот (гигагерц) и в диапазоне измеряемых значений напряжения и тока – соответственно от нановольт и наноампер до сотен киловольт и ки- лоампер при большом разнообразии форм измеряемого напряжения и тока.
Измерение постоянных напряжения и силы тока заключается в на- хождении их значений и определении полярности. Целью измерения пере- менных напряжения и силы тока является нахождение какого-либо их па- раметра.
Переменный ток промышленной частоты имеет синусоидальную форму и характеризуется мгновенным, среднеквадратическим, средневы- прямленным значениями, амплитудой и фазой.
В электронике наряду с сигналами синусоидальной формы широко используют и несинусоидальные сигналы. Такие сигналы характеризуются пиковыми значениями (максимальными значениями из всех мгновенных значений) в положительных или отрицательных полуволнах (X
max
+ и X
min
–) среднеквадратическим и средневыпрямленным значениями, а также сред- ним значением, часто называемым постоянной составляющей.
Среднее значение равно среднему арифметическому всех мгновен- ных значений за период: ср
0 1
( )
Т
X
х t dt
Т
(4.1)
Средневыпрямленное значение определяют как среднее арифметиче- ское абсолютных мгновенных значений за период: св
0 1
( )
Т
X
х t dt
Т
(4.2)
Среднеквадратическое значение находят как корень квадратный из среднего за период квадрата мгновенных значений:
2
скз
0 1
( )
Т
X
х t dt
Т
(4.3)
Раздел 2. Измерительная техника
164
Для периодических колебаний любой формы связь между амплиту- дой и среднеквадратическим значением
X
m
= K
а
X
скз
,
(4.4) где K
а
– коэффициент амплитуды.
Средневыпрямленное и среднеквадратическое значение связаны ме- жду собой коэффициентом формы:
X
скз
= K
ф
X
св
,.
(4.5)
Электронные вольтметры представляют собой сочетание электрон- ного преобразователя и магнитоэлектрического или цифрового измери- тельного прибора.
В отличие от вольтметров электромеханической группы электронные вольтметры постоянного и переменного токов имеют высокие входное со- противление и чувствительность, а также малое потребление тока от изме- рительной цепи. Электронные аналоговые и цифровые вольтметры позво- ляют производить измерения в широком диапазоне напряжений и частот.
По роду тока электронные вольтметры делятся на
вольтметры по-
стоянного напряжения, переменного напряжения, универсальные (по- стоянного и переменного напряжения в одном приборе)и
импульсные.
Кроме того, выпускаются вольтметры с частотно-избирательными свойст- вами –
селективные.
4.2. Стрелочные вольтметры
4.2.1. Классификация, структурная схема. Основные узлы
Электронные аналоговые и цифровые вольтметры позволяют произ- водить измерения в широком диапазоне напряжений и частот.
Классифицируют электронные вольтметры по ряду признаков.
1. По назначению – вольтметры постоянного, переменного и им- пульсного напряжений; универсальные, фазочувствительные, селективные.
2. По способу измерения – приборы непосредственной оценки и при- боры сравнения.
3. По характеру измеряемого значения напряжения – амплитудные
(пиковые), среднего квадратического значения, средневыпрямленного зна- чения.
4. По частотному диапазону – низкочастотные, высокочастотные, сверхвысокочастотные.
Кроме того, все электронные приборы можно разделить на две большие группы: аналоговые электронные со стрелочным отсчетом (или,
Глава 4. Измерение напряжений
165 как еще их называют, стрелочные) и приборы дискретного типа с цифро- вым отсчетом.
В соответствии с общепринятыми обозначениями отечественным электронным вольтметрам присваивается индекс «В». Например, вольтметр
ВК7-16А: комбинированный (К) – может измерять сопротивление; (7) – универсальный на постоянный и переменный ток; (16) –
номер разработки;
(А) – модификация. Вольтметры постоянного тока имеют индексацию В2, а вольтметры переменного тока – В3.
Для измерения напряжения и тока применяются как методы непо- средственной оценки, так и методы сравнения.
Выбор методов и средств измерений напряжения и силы тока обу- словливается требуемой точностью измерений, амплитудным и частотным диапазонами измеряемого сигнала, мощностью, потребляемой прибором от измерительной цепи и т. д.
При измерении напряжения методом непосредственной оценки вольтметр подключается параллельно тому участку цепи, на котором из- меряется напряжение. Для уменьшения методической погрешности изме- рения собственное потребление вольтметра должно быть мало, а его вход- ное сопротивление велико. Поэтому в схемах электроники при измерении в маломощных цепях применение электромеханических приборов ограни- чено. Более предпочтительно использование электронных вольтметров.
Чтобы обеспечить необходимую точность вольтметра, к усилителям по- стоянного тока, применяемым в электронных вольтметрах, предъявляются же- сткие требования в отношении линейности амплитудной характеристики, по- стоянства коэффициента усиления, температурного и временнóго дрейфа нуля.
Электронный аналоговый вольтметр в самом общем виде состоит
(рис. 4.1):
из входного устройства;
измерительного преобразователя;
электроизмерительного прибора.
Входное устройство вольтметра обычно состоит из делителей на- пряжения – аттенюаторов, с помощью которых изменяют пределы измере- ния, и эмиттерного (катодного) повторителя (в приборах с предваритель- ным усилителем), служащего для создания высокого входного сопротив- ления прибора.
Рис. 4.1. Обобщённая структурная схема аналогового вольтметра
=ВУ
UxPS
Раздел 2. Измерительная техника
166
Измерительным преобразователем вольтметра для измерения посто- янного напряжения служит усилитель постоянного тока, а для измерения переменного напряжения – детектор, применяемый обычно в сочетании с усилителем (переменного напряжения – до детектора или постоянного напряжения – после него).
Электроизмерительные приборы в большинстве случаев – это магни- тоэлектрические стрелочные микроамперметры.
Усилитель постоянного тока служит для увеличения мощности ис- следуемого сигнала до уровня, достаточного для получения значительного отклонения указателя стрелочного прибора.
Электронные вольтметры переменного напряжения выполняют по структурным схемам, представленным на рис. 4.2.
Для приборов, измеряющих переменное напряжение, характерны три варианта структурной схемы, что зависит от типа преобразователя
(рис. 4.2, а, б, в).
Рис. 4.2. Структурные схемы электронных вольтметров переменного напряжения
а
б
в
УПТ
Входное устройство
Усилитель постоянного тока
Детектор
Магнито- электрический
ЭИП
Входное устройство
Детектор
Усилитель переменного напряжения
Магнито- электрический
ЭИП
Входное устройство
Усилитель постоянного тока
Детектор
Магнито- электрический
ЭИП
Входное устройство
Входное устройство
Электро- измерительный прибор (ЭИП)
Детектор
S
г
Глава 4. Измерение напряжений
167
Первый вариант приведён на рис. 4.2,
а. Принцип действия такого вольтметра заключается в преобразовании переменного напряжения в по- стоянное, которое измеряется стрелочным электроизмерительным прибо- ром. Вольтметры, построенные по схеме, изображенной на рис. 4.2,
а, при- годны лишь для измерения напряжений значительного уровня. У вольт- метров, измеряющих малые напряжения, преобразователь состоит из детектора и усилителя (рис. 4.2,
б,
в).
Вольтметры, выполненные по первой структурной схеме (рис. 4.2,
б), отличаются очень широкой рабочей областью частот и применяются для измерения напряжений высоких частот вплоть до 1 ГГц.
Приборы, выполненные по второй схеме (рис. 4.2,
в), имеют более уз- кую полосу, ограниченную полосой пропускания усилителя переменного напряжения (как правило, до 10–50 МГц). Однако такая схема позволяет получить более высокую чувствительность, чем предыдущая, поскольку пе- ред детектором включён усилитель. Подобные схемы используют в микро- вольтметрах, причём основным фактором,
ограничивающим нижний пре- дел измеряемого напряжения, являются собственные шумы усилителя.
При сочетании схем, приведённых на рис. 4.2,
а и
б в одном приборе получается универсальный вольтметр для измерения как переменных, так и постоянных напряжений. Его структурная схема изображена на рис. 4.2,
г.
4.2.2. Преобразователи электронных вольтметров
4.2.2.1. Пиковый детектор Отклонение указателя вольтметра амплитудных значений прямо пропорционально амплитудному (пиковому) значению переменного на- пряжения независимо от формы входного напряжения. В аналоговых вольтметрах амплитудных значений используются пиковые детекторы с открытым или закрытым входом.
Рассмотрим принцип действия пикового детектора с открытым вхо- дом (рис. 4.3).
В положительные полупериоды входного напряжения конденсатор
С через диод
VD заряжается практически до
Umax
. В отрицательные полупе- риоды конденсатор
С разряжается через резистор
R (рис. 4.4). Постоянную времени разряда τ
p
=
RC выбирают много большей периода
Tx на минималь- ной частоте. Тогда за время
t3
–
t2
выходное напряжение практически оста-
ётся неизменным и равным максимальному значению входного напряжения,
Uвых
. Если напряжение
Uвх содержит постоянную составляющую
U0
, то вы- ходное напряжение детектора равно пиковому
Uпик
=
U0
+
Umax
. При изме- нении полярности включения диода выходное напряжение детектора равно
Uпик
= –
U0
+
Umax
Раздел 2. Измерительная техника
168
Рис. 4.3. Схема пикового детектора с открытым входом
а
б
Рис. 4.4. Эпюры напряжений, поясняющие работу пикового детектора с открытым входом
Рассмотрим принцип действия пикового детектора с закрытым
входом (рис. 4.5).
Конденсатор С заряжается практически до максимального значения
U
С
= U
max
(рис. 4.6). При этом выходное напряжение детектора оказывается равным разности напряжений на конденсаторе: U
С
= U
max и входного сиг- нала u = –U
max
+ U
max sin(ωt). С помощью фильтра R
ф
C
ф выделяется посто- янная составляющая напряжения U
0
= –U
max
. Выходное постоянное напря- жение на выходе фильтра равно максимальному значению входного на- пряжения: U
вых
= –U
max
U
0
U
ср
t
1
t
2
t
3
t
4
T
x
t
t
U
0
U
0
U
max
U
пик
U
пик
U
вх
U
вых
R
C
VD
Глава 4. Измерение напряжений
169
Рис. 4.5. Пиковый детектор с закрытым входом
а
б
в
Рис. 4.6. Эпюры напряжений, поясняющие работу пикового детектора с закрытым входом
Рассмотрим принцип действия вольтметра, имеющего амплитудный детектор с закрытым входом, построенного по схеме уравновешивающего преобразования (рис. 4.7).
U
вых
0
U
0
= –U
max
t
U
0
U
0
= U
max
U
max
t
t
U
0
U
max
U
С
U
С
VD
U
вх
U
вых
R
R
ф
C
ф
C
Раздел 2. Измерительная техника
170
Рис. 4.7. Упрощённая структурная схема вольтметра максимальных значений
Детекторы сигнала и обратной связи помещены в одном корпусе для выравнивания температурного поля вокруг диодов, чем компенсируется температурная погрешность. Если выходные напряжения детекторов U
x
и U
ос неодинаковые, то на вход усилителя постоянного тока подаётся раз- ностное напряжение, которое усиливается и используется для управления уровнем выходного напряжения генератора-модулятора, добиваясь равен- ства измеряемого напряжения обратной связи U
ос
По подобной схеме работают вольтметры В3-36, В3-49. Их основная погрешность измерения на частотах до 30 МГц составляет 4...6 %, на час- тотах до 1 ГГц – 15…25 %. Приборы, оснащенные подобными преобразо- вателями, обладают наибольшим частотным диапазоном.
Шкалы амплитудных вольтметров градуируются, как правило, в среднеквадратических значениях синусоидального напряжения, поэтому погрешность измерения напряжений с большим уровнем гармонических составляющих велика.
4.2.2.2. Детектор средневыпрямленного значения
Вольтметры с такими детекторами содержат преобразователь пере- менного напряжения в постоянное, пропорциональное средневыпрямлен- ному значению измеряемого напряжения.
Измеряемое напряжение поступает на входное устройство ВУ, кото- рое обеспечивает расширение пределов измерения. Затем напряжение по- дается на вход широкополосного усилителя A1 и после усиления на преоб- разователь переменного напряжения в постоянное (рис. 4.8).
Схема охвачена глубокой отрицательной обратной связью, напря- жение обратной связи снимается с резистора R
3
и подаётся на вход усили- теля A1. Вследствие обратной связи исключается влияние диодов на коэф-
R
1
Амплитудный детектор сигнала
Пробник обратной связи
УПТ
Генератор модулятор
Детектор с закрытым входом
R
2
PA
Глава 4. Измерение напряжений
171 фициент преобразования преобразователя переменного напряжения в по- стоянное. Кроме того, уменьшается нестабильность и нелинейность ам- плитудной характеристики усилителя. В диагональ диодного моста вклю- чён магнитоэлектрический прибор, показания которого соответствуют средневыпрямленному значению входного напряжения.
Рис. 4.8. Функциональная схема электронного вольтметра средневыпрямленных значений
При использовании в качестве преобразователя двухполупериодного выпрямителя отклонение подвижной части измерительного механизма ср
BSIK
(4.6)
Если на входе действует переменное периодическое напряжение
(
Uвх
(
t) =
KВУ
Ux (
t)), то среднее значение тока, протекающего через измери- тельный механизм, ср ср
ВУ
3
UIKR
(4.7)
Следовательно, угол поворота подвижной части измерительного механизма
ВУ
ср
3
BSKUK R
(4.8)
Уравнение преобразования вольтметра линейно и его показания про- порциональны средневыпрямленному значению измеряемого напряжения.
Погрешность вольтметра включает следующие составляющие: по- грешность измерительного механизма;
неидентичность выпрямительных плеч диодного моста; неравномерность частотной характеристики входно- го устройства; нестабильность элементов схемы. а б
I1
Iвых
A1
R2
ВУ
UхС2
VD1
С1
PS I2
R3
R1
VD2
Раздел 2. Измерительная техника
172
Серийные вольтметры В3-38, В3-39, В3-44 построены по схеме, по- добной рассмотренной. Современные вольтметры средневыпрямленных значений обеспечивают измерение напряжений от десятых долей милли- вольта до сотен вольт в диапазоне частот 20 Гц...10 МГц. Основная по- грешность составляет 2,5...10 %.
Скачать 3.68 Mb.