Измерение переменного напряжения

Вольтметры переменного напряжения можно классифицировать по раз­личным признакам:

- по видам, предназначенным для измерений переменных напряжений: им­пульсных напряжений, селективные и т.п.;

- по методу измерения: непосредственной оценки и сравнения с мерой;

- по измеряемому параметру исследуемого напряжения: пиковые (амплитуд­ные), средневыпрямленного, среднеквадратического значения;

- по типу индикатора: стрелочные, цифровые.

Для измерения напряжения промышленной частоты обычно применя­ются измерительные приборы электромагнитной и электродинамической систем, а также электростатические вольтметры.

Большинство вольтметров электромагнитной системы используются на частотах 45 Гц-55 Гц. Повышение частоты существенно увеличивает по­грешность приборов, поэтому верхний частотный предел обычно не превы­шает 3000 Гц. «Типовые» классы точности электромагнитных приборов 1.0, 1.5, 2.5. Электродинамические вольтметры имеют примерно тот же частот­ный диапазон, но более высокий класс точности, самые точные – 0.1.

Достоинствами вольтметров этих систем являются возможность их не­посредственного применения в цепях переменного тока, простота конструк­ции, низкая стоимость, надёжность в эксплуатации и устойчивость к пере­грузкам. К общим недостаткам относятся низкая чувствительность, относи­тельно большое потребление мощности от измеряемой цепи, неравномер­ность шкалы.

Электростатические вольтметры обычно применяются для измерения высоких напряжений – до 100 кВ; эти вольтметры выпускаются класса 1.0 с диапазоном частот от 45 Гц до 0.25 МГц, например, вольтметр М110.

При использовании метода непосредственной оценки вольтметр под­ключается параллельно тому участку электрической цепи, на котором изме­ряется напряжение. Очевидно, для уменьшения методической погрешности измерения напряжения мощность потребления вольтметра должна быть ми­нимальна, а его входное сопротивление – максимально (R_пр→∞). В связи с этим, при измерениях в радиотехнических цепях предпочтительно использо­вание электронных вольтметров.

Электронные вольтметры представляют собой совокупность электрон­ного преобразователя и электромеханического или цифрового измеритель­ного прибора. Они, в основном, строятся в соответствии с двумя структур­ными схемами (см. рис. 3).

Согласно первой схеме усиление исследуемого сигнала осуществляется в частотном диапазоне сигнала, усиленный сигнал выпрямляется и измеряется (см. рис. 3а). В соответствии со второй схемой сначала выполняется детектирование (выпрямление) исследуемого сигнала, затем осуществляется усиление полученного напряжения с помощью усили­теля постоянного тока и его измерение (см. рис. 3б).

Рис. 3. Структурные схемы электронных вольтметров

Вольтметры первой группы характеризуются высокой чувствительно­стью, но сравнительно узким диапазоном рабочих частот из-за сложностей построения широкополосных усилителей. Известны вольтметры, построен­ные по первой структурной схеме, с рабочим диапазоном частот: 2 Гц-100 МГц. Для вольтметров второй группы характерен более широкий рабочий диапазон частот: 20 Гц-1000 МГц, но недостаточно высокая чувствитель­ность.

Усилитель (преобразователь) является важнейшим элементом вольт­метра, в значительной мере определяющим его метрологические характери­стики. Выходное напряжение преобразователя может быть пропорциональ­ным амплитудному, средневыпрямленному или действующему значению входного напряжения. Характер этой зависимости, естественно, определяет, какой вид параметра измеряет вольтметр.

Вольтметры средних значений преимущественно строятся по первой схеме – с преобразованием переменного напряжения в постоянное по сред­нему значению. Эти вольтметры предназначены для измерения среднего или действующего значения синусоидального напряжения.

Простейшими вольтметрами средних значений являются выпрямитель­ные вольтметры на основе однополупериодных или двухполупериодных преобразователей средневыпрямлен­ных значений. В большинстве случаев шкала вольтметра градуируется в действующих значениях измеряемого напряжения, что обуславливает наличие дополнительной погрешности из-за отклонения формы измеряемого напряжения от синусоидальной. При измерении несинусоидального сигнала в показания вольтметра должна быть внесена поправка и действующее значение несинусоидального напряжения определено по формуле:

U_нс=U_пр·k_фнс/k_фс

где: U_нс – действующее значение напряжения несинусоидальной формы;

U_пр – показания прибора;

k_фнс – коэффициент формы несинусоидального сигнала;

k_фс – коэффициент формы синусоидального сигнала.

Таким образом, для сигналов с известным значением коэффициента формы должна быть выполнена корректировка показаний вольтметра. На рисунке 4 изображена относительная погрешность прибора из-за влияния несинусоидальной формы сигнала (зависимость величины погрешности, обусловленной второй гармоникой сигнала, изображена тонкой линией, третьей гармоникой – утолщённой линией); из графика видно, что чётные гармоники оказывают б о льшее влияние на точность измерения.

Основными узлами вольтметров амплитудных значений (пиковых вольтметров) являются: входное устройство, преобразователь переменного напряжения в постоянное напряжение по амплитудному значению, усилитель постоянного тока и измеритель постоянного напряжения (см. рис. 5).

Рис. 4. Зависимость относительной погрешности измерения напряжения

от величины гармоник сигнала

Из-за простоты схемотехнического решения преобразователи амплитудных значений – амплитудные детекторы, широко используются в практике. Принцип действия амплитудного детектора основан на быстром заряде конденсатора через детектирующий диод до амплитудного значения измеряемого напряжения и медленном разряде через нагрузочный резистор. Из-за различия времени заряда и разряда на конденсаторе появляется постоянная составляющая. Чем больше отношение времени разряда конденсатора ко времени заряда, тем, очевидно, больше напряжение на конденсаторе приближается к амплитудному значению исследуемого напряжения. В зависимости от того, какое напряжение в результате измеряется различают две разновидности преобразователей. Если измеряемым является напряжение на конденсаторе, то это – преобразователь амплитудных значений с открытым входом. Такое название он получил потому, что на выход схемы проходит постоянная составляющая входного напряжения. Если выходное напряжение снимается с диода без постоянной составляющей – это преобразователь амплитудных значений с закрытым входом.

Рис. 5. Структурная схема пикового вольтметра

Схема и временные диаграммы сигналов амплитудного детектора с открытым входом изображены на рисунке 6. На вход преобразователя от источника с внутренним сопротивлением R_ист поступает напряжение u(t)=U_msinωt. В установившемся режиме, когда u(t)>u_C, диод открыт. Конденсатор C заряжается с постоянной времени τ_зар=(R_ист+R_д)·RC/(R_ист+R_д+R), посколькупо переменному току нагрузочный резистор R оказывается включённым параллельно последовательно включённым резисторам R_ист и прямому сопротивлению диода R_д.

Рис. 6. Пиковый детектор с открытым входом

Если параметры схемы выбраны так, что R>>(R_ист+R_д), то τ_зар≈(R_ист+R_д)·С. Заряд конденсатора продолжается до момента времени, пока диод не закроется. При закрытом диоде конденсатор разряжается через резистор R с постоянной времени разряда τ_раз=R·C. Поскольку R>>(R_ист+R_д), разряд протекает значительно медленнее и за время отрицательного полупериода конденсатор не успевает разрядиться значительно. В результате, среднее значение напряжения на конденсаторе оказывается близким к амплитудному значению измеряемого напряжения.

Возможности увеличения значения R ограничены входным сопротивлением усилителя постоянного тока, следующего за детектором; существенную погрешность измерений может вызвать внутреннее сопротивление источника R_ист измеряемого напряжения.

На рисунке 7 представлена схема пикового детектора с закрытым входом. Схема представляет собой диодный ограничитель больших сигналов.

Рис. 7. Схема пикового детектора с закрытым входом

Во время положительного полупериода входного напряжения диод открывается и конденсатор С заряжается с постоянной времени τ_зар=(R_ист+R_д||R)·C, или поскольку R>>R_д, τ_зар≈(R_ист+R_д)·C. Постоянна времени τ_зар достаточно мала и конденсатор заряжается почти до значения U_m. Как только напряжение на конденсаторе становится больше входного напряжения, диод закрывается. Если пренебречь значительным обратным сопротивлением диода, можно записать, что разряд конденсатора происходит с постоянной времени τ_раз≈(R_ист+R)·C. Таким образом, как и в предыдущей схеме при выборе достаточно большим R, конденсатор не успевает разрядиться значительно. В результате среднее значение напряжения u_с на конденсаторе оказывается близким к амплитудному значению измеряемого напряжения. При этом напряжение u_с тем меньше отличается от U_m, чем больше отношение R/R_д, а соответствующая погрешность не зависит от значения внутреннего сопротивления источника измеряемого напряжения R_ист. Обратим внимание, что выходным напряжением этого детектора является напряжение U_R≈u(t)-u_C. При этом очевидно, выходное напряжение не содержит постоянной составляющей измеряемого напряжения и пропорционально только его амплитудному значению.

Электронные вольтметры среднеквадратических значений строятся по структурной схеме, приведённой на рисунке 3а. Одним из основных узлов приборов является преобразователь – детектор, переменного напряжения в постоянное напряжение, пропорциональное среднеквадратическому значению напряжения при любой форме входного сигнала. Суть работы вольтметров такого типа заключается в том, что при воздействии входного напряжения на детектор с квадратичной характеристикой преобразования в его цепи формируется сложный по форме ток, средняя или постоянная составляющая которого пропорциональна среднеквадратическому значению измеряемого напряжения независимо от формы этого напряжения, то есть i=α·u²(t).

В качестве таких преобразователей могут использоваться электронные лампы или полупроводниковые диоды, имеющие параболическую форму начального участка вольтамперной характеристики. Ламповый детектор с квадратичной характеристикой имеет ряд недостатков, препятствующих его широкому применению. К главным из их относятся малый участок характеристики с квадратичной зависимостью – 1-1.5 В, и зависимость характеристики от напряжения питания. Гораздо устойчивее квадратичный начальный участок вольтамперной характеристики полупроводникового диода, но этот участок ещё меньше, нежели участок лампового диода, всего 0.2-0.3 В.

Одним из способов получения квадратичного детектора, работающего в достаточном диапазоне измеряемых напряжений, является использование диодных цепочек с кусочно-линейной аппроксимацией выходного тока.

На рисунке 8 приведена упрощённая схема квадратичного вольтметра и вольтамперная характеристика его преобразователя. В состав вольтметра входят широкополосный трансформатор Тр, двухполупериодный выпрямитель на элементах VD*, диодная цепочка на элементах VD1 - VD5, R₁ - R₅ и R^*₁ - R^*₅, измеритель И и источник стабилизированного напряжения Е_ст.

Рис. 8. Структурная схема квадратичного вольтметра

Измеряемое напряжение u(t) поступает на вход трансформатора Тр; с помощью диодов VD*, включённых во вторичную обмотку трансформатора, осуществляется двухполупериодное выпрямление исследуемого напряжения. Прибор И измеряет среднее значение тока диодной цепочки. Диодная цепочка прибора имеет близкую к параболической вольтамперную характеристику. В связи с этим, среднее значение тока прибора пропорционально действующему значению исследуемого напряжения.

Диодная цепочка работает следующим образом. Делители напряжения R₁ - R₅ и R^*₁ - R^*₅ подключены к общему стабилизированному источнику напряжения. Соотношения сопротивлений делителя подобраны так, что U₁<U₂< … <U₅. В исходном состоянии диоды VD1 - VD5 заперты напряжением смещения резисторных делителей и начальная часть вольтамперной характеристики формируется током i₀, определяемым R₀. Когда напряжение, поступающее на диодную цепочку, превысит значение U₁, открывается диод VD₁, ток измерителя И возрастает на величину тока диода i₁. Крутизна соответствующего участка вольтамперной характеристики увеличивается, он формируется суммой токов i₀+i₁. Дальнейшее увеличение напряжения приводит к поочерёдному подключению остальных диодов так, что крутизна вольтамперной характеристики преобразователя возрастает, аппроксимируя параболическую функцию.

Погрешность преобразования таких устройств зависит, главным образом, от нестабильности вольтамперных характеристик диодов и сопротивлений резисторов делителей и обычно составляет 3%-5%. Диапазон рабочих частот серийно выпускаемых вольтметров этого типа составляет 30 Гц - 1 МГц.