Измерение постоянных напряжений аналоговыми электронными вольтметрами.

В отличие от электромеханических аналоговых вольтметров {2К11} электронные вольтметры имеют в своем составе усилители напряжения. Информативный параметр измеряемого напряжения преобразуется в этих приборах в постоянный ток в обмотке катушки магнитоэлектрического измерительного механизма {2К4}, шкала которого градуируется в единицах напряжения.

Усилитель электронного вольтметра должен иметь стабильный коэффициент усиления в определенном частотном диапазоне от некоторой нижней частоты f _н до верхней f _в. Если f _н = 0, то такой усилитель обычно называют усилителем постоянного тока, а если f _н > 0 и коэффициент усиления равен нулю при f = 0 – усилителем переменного тока.

Упрощенная схема электронного вольтметра постоянного тока состоит из трех основных узлов: входного делителя напряжения {2К9}, усилителя постоянного тока, подключенного к его выходу, и магнитоэлектрического вольтметра. Высокоомный делитель напряжения и усилитель постоянного тока обеспечивают высокое входное сопротивление электронного вольтметра (порядка 1 МОм). Коэффициенты деления и усиления можно дискретно регулировать, что позволяет делать вольтметры многодиапазонными. За счет высокого коэффициента усиления у электронных вольтметров обеспечивается более высокая чувствительность по сравнению с электромеханическими.

Особенностью электронных вольтметров постоянного тока является дрейф показаний – медленные изменения показаний вольтметра при неизменном измеряемом напряжении {1К14}, вызванные изменениями параметров элементов схем усилителей постоянного тока. Наиболее существенен дрейф показаний при измерении малых напряжений. Поэтому перед началом измерений необходимо с помощью специальных регулировочных элементов осуществить установку нулевого показания вольтметра при закороченном входе.

Если на рассматриваемый вольтметр подать переменное периодическое напряжение, то в силу свойств магнитоэлектрического измерительного механизма он будет измерять постоянную составляющую этого напряжения, если только переменная составляющая не слишком велика и усилитель вольтметра работает в линейном режиме.

Наиболее распространенные аналоговые электронные вольтметры постоянного тока позволяют измерять напряжения в диапазоне от 10^-6 до 10³ В. Значения пределов основной приведенной погрешности зависят от диапазона измерений и составляют обычно ± (0,5 – 5,0) %.

5.4.1.6. Измерение переменных напряжений аналоговыми электронными вольтметрами.

Аналоговые электронные вольтметры используются в основном для измерения действующих значений периодических напряжений в широком частотном диапазоне.

Основное отличие схемы электронного вольтметра переменного тока от рассмотренной выше схемы вольтметра постоянного тока связано с наличием в нем дополнительного узла – преобразователя информативного параметра переменного напряжения в постоянное. Такие преобразователи часто называют «детекторами».

Различают детекторы амплитудного, среднего по модулю и действующего значений напряжения. Постоянное напряжение на выходе первого пропорционально амплитуде напряжения на его входе, постоянное напряжение на выходе второго – среднему по модулю значению напряжения на входе, а третьего – действующему.

Каждую из трех указанных групп детекторов можно, в свою очередь, разделить на две группы: детекторы с открытым входом и детекторы с закрытым входом. У детекторов с открытым входом выходное напряжение зависит от постоянной составляющей входного напряжения, а у детекторов с закрытым входом – не зависит. Очевидно, если в схеме электронного вольтметра имеется детектор с закрытым входом или усилитель переменного тока, то показания такого вольтметра не зависят от постоянной составляющей измеряемого напряжения. Такой вольтметр выгодно использовать в тех случаях, когда полезную информацию несет только переменная составляющая измеряемого напряжения.

Упрощенные схемы амплитудных детекторов с открытым и с закрытым входами приведены соответственно на рис. 5.4 и 5.5.

При подаче на вход амплитудного детектора с открытым входом напряжения u(t) = U_msinωt конденсатор заряжается до напряжения U_m, которое запирает диод. При этом на выходе детектора сохраняется постоянное напряжение U_m. Если же подать на вход напряжение произвольной формы, то конденсатор зарядится до максимального положительного значения этого напряжения.

При подаче на вход амплитудного детектора с закрытым входом напряжения u(t) = U_msinωt конденсатор также заряжается до напряжения U_m и на выходе образуется напряжение u(t) = U_m + U_msinωt. Если такое напряжение или пропорциональный ему ток подать на обмотку катушки магнитоэлектрического измерительного механизма, то показания прибора будут зависеть от постоянной составляющей этого напряжения, равной U_m {2К4}. При подаче на вход напряжения u(t) = U_ср + U_msinωt, где U_ср – среднее значение напряжения u(t), конденсатор заряжается до напряжения U_m + U_ср, а на выходе устанавливается напряжение u(t) = U_m + U_msinωt, не зависящее от U_ср.

Примеры детекторов среднего по модулю и действующего значений напряжения были рассмотрены в подразделе 5.4.1.4 (соответственно рис. 5.2 и 5.3).

Детекторы амплитудного и среднего по модулю значения проще детекторов действующего значения, однако вольтметры на их основе можно использовать только для измерения синусоидальных напряжений. Дело в том, что их показания в зависимости от типа детектора пропорциональны средним по модулю или амплитудным значениям измеряемого напряжения. Поэтому рассматриваемые аналоговые электронные вольтметры можно градуировать в действующих значениях только при определенной форме измеряемого напряжения. Это сделано для наиболее распространенного – синусоидального напряжения.

Наиболее распространенные аналоговые электронные вольтметры позволяют измерять напряжения от 10^-6 до 10³ В в частотном диапазоне от 10 до 10⁹ Гц. Значения пределов основной приведенной погрешности зависят от диапазона измерений и частоты измеряемого напряжения и составляют обычно ± (0,5 – 5,0) %.

Методика измерений с помощью электронных вольтметров отличается от методики применения электромеханических вольтметров. Это связано с наличием в них электронных усилителей с источниками питания напряжениями постоянного тока, работающими, как правило, от сети переменного тока.

В простейших схемах усилителей один из входных зажимов соединен с «землей» – общей точкой источников питания. Эта «земля» через паразитные емкостные и гальванические связи между обмотками силового трансформатора соединена с сетью переменного тока; кроме того, возможны паразитные связи «земли» с другими источниками напряжений. Упрощенная эквивалентная схема электронного вольтметра, учитывающая эти паразитные связи, представлена на рис. 5.6, где ЭВ – электронный вольтметр, Z_вх – входное сопротивление ЭВ, I ₁ – паразитный ток, Z ₁ – выходное сопротивление источника паразитного тока.

В паразитном токе обычно преобладает периодическая составляющая с частотой сети 50 Гц, но имеются и высокочастотные помехи. Действующее значение этого тока может достигать единиц микроампер. Сопротивление Z ₁ обычно представляет собой параллельное соединение резистора (порядка сотен мегаом) и конденсатора (порядка десятков пикофарад).

При проведении измерительного эксперимента необходимо подключить электронный вольтметр так, чтобы ток I ₁, а также аналогичные паразитные токи в источнике измеряемого напряжения (который также может питаться от сети) не влияли на результат измерения.

Дата добавления: 2015-08-02