Вольтметры средних квадратических значений

При измерении напряжения методом непосредственной оценки вольтметр подключается параллельно тому участку цепи, на котором измеряется напряжение. Для уменьшения методической погрешности из­мерения собственное потребление вольтметра должно быть мало, а его входное сопротивление велико. Поэтому в схемах электроники при изме­рении в маломощных цепях применение электромеханических приборов ограничено. Предпочтительнее является использование электронных вольт­метров.

Электронные вольтметры представляют собой сочетание электрон­ного преобразователя и магнитоэлектрического или цифрового измери­тельного прибора.

В отличие от вольтметров электромеханической группы электронные вольтметры постоянного и переменного токов имеют высокие входное со­противление и чувствительность и малое потребление тока от измеритель­ной цепи. Электронные аналоговые и цифровые вольтметры позволяют произ­водить измерения в широком диапазоне напряжений и частот.

По роду тока электронные вольтметры делятся на вольтметры по­стоянного напряжения, переменного напряжения, универсальные (постоян­ного и переменного напряжения в одном приборе) и импульс­ные. Кроме того, выпускаются вольтметры с частотно-избирательными свойствами — селективные.

Электронные аналоговые вольтметры постоянного тока выполняются по схеме, представленной на рис. 3.14, а. Измеряемое напряжение U подается на входное устройство ВхУ, представляющее собой многопредельный высокоомный делитель напряжения на резисторах. С делителя напряжение поступает на усилитель постоянного тока УПТ идалее — на стрелочный прибор V. Делитель и усилитель постоянного тока ослабляют или усиливают напря­жение до значений, необходимых для нормальной работы прибора. Одно временно усилитель обеспечивает согласование высокого сопротив­ления входной цепи вольтметра с низким сопротивлением рамки прибора магнитоэлектрической системы.

Высокое входное сопротивление электронного вольтметра (несколько десятков мегаом) позволяет производить измерение напряжения в высоко­омных цепях без заметного потребления мощности от объекта измерения.

Рис. 3.14. Электронные вольтметры

Чтобы обеспечить необходимую точность вольтметра к усилителям постоянного тока, применяемым в электронных вольтметрах, предъяв­ляются жесткие требования в отношении линейности амплитудной ха­рактеристики, постоянства коэффициента усиления, температурного и временного дрейфа нуля. При построении электронных вольтметров для измерения малых напряжений эти требования не всегда могут быть удовлетворены. Поэтому электронные вольтметры постоянного тока для измерения малых напря­жений выполняются по схеме рис. 3.14, б.

В таких вольтметрах постоянное измеряемое напряжение вначале пре­образуется модулятором М в переменное, а далее усиление измеряе­мого сигнала осуществляется усилителем переменного тока У, обладаю­щим луч­шими метрологическими характеристиками по сравнению с усилителями постоянного тока. Выпрямленное выпрямителем (детек­тором) В, напряжение подается на стрелочный прибор К. Это позволяет получить электронные микровольтметры с нижним пределом измерения порядка 10^–8 В.

Электронные вольтметры переменного тока выполняют по двум струк­турным схемам (рис. 3.14, в, г). В первой из этих схем измеряемое перемен­ное напряжение сначала преобразуется в постоянное детектором В а затем усиливается усилителем постоянного тока. Во второй схеме усиление произ­водится на переменном токе и лишь затем, предварительно усиленный сигнал, выпрямляется детектором. Эти схемы дополняют друг друга. Каждая из них обладает своими преимуществами и недостатками. Вольтметры, построенные по первой схеме, позволяют измерять напряжение переменного тока в широком частотном диапазоне (10Гц... 1000 МГц), но не дают возможности измерять напряжения меньше нескольких десятых долей вольта, так как детектор выпрямляет только достаточно большие напря­жения. Вторая схема позволяет строить более чувствительные вольтметры, нижний предел измерения которых составляет всего лишь единицы микровольт. Однако такие приборы имеют меньший частотный диапазон, поскольку частотный диапазон усилителя переменного тока трудно сделать достаточно широким.

Важнейшим элементом электронного вольтметра, в значительной мере определяющим его метрологические характеристики, является детектор. Напряжение на выходе детектора может быть пропорционально ампли­туд­ному, средневыпрямленному или среднему квадратическому значению изме­ряемого напряжения. Характер этой зависимости определяет, на какое из этих значений реагирует магнитоэлектрический стрелочный прибор. Соот­ветственно, различают вольтметры средних, амплитудных и средних квадра­тических значений. Необходимо, однако, помнить, что шкалу электронного вольтметра обычно градуируют в средних квадратических значениях нап­ряжения синусоидальной формы и это следует учитывать при измерении и при анализе погрешностей, обусловленных отклонением формы реального измеряемого сигнала от синусоиды.

Простейшими вольтметрами средних значений являются выпрямитель­ные вольтметры, рассмотренные выше на основе пассивных (без применения усилительных схемных элементов) преобразователей средневыпрямленных значений.

Преобразователи выполняются на полупроводниковых диодах, рабо­тающих на линейном участке вольт-амперной характеристики.

Повышение чувствительности, расширение пределов измерения и улучшение линейности функции преобразования в электронных вольтметрах достигается применением активных преобразователей средневыпрямленных значений.

Вольтметры средних квадратических значений строятся по структур­ной схеме, приведенной на рис. 3.14, в, г. Детекторы среднего квадратичес­кого значения используют квадратичный участок вольт-амперной харак­теристики диода или диодной цепочки, в результате чего постоянная составляющая напряжения на выходе детектора оказывается пропор­циональной квадрату среднего квадратического значения измеряемого, нап­ряжения, независимо от формы этого напряжения. В некоторых вольт­метрах в качестве детектора среднего квадратического значения применяются термоэлектрические преобразователи.

Принцип действия амплитудного детектора основан на заряде конден­сатора С через диод Д до амплитудного значения измеряемого напряжения и медленном его разряде через нагрузочный резистор Л. Из-за различия времени заряда и разряда на конденсаторе появляется постоянная состав­ляющая напряжения. Чем больше отношение постоянной времени разряда конденсатора к постоянной времени его заряда, тем больше напряжение на конденсаторе приближается к амплитудному значению. При синусоидальной форме сигнала и (1)среднее значение напряжение на конденсаторе, то получаем амплитудный детектор с открытым входом, который пропус­кает постоянную состав­ляющую измеряемого напряжения. Если вы­ходное напря­жение снимается с диода, то имеем амплитудный детектор с закрытым входом (рис. 3.16). При измерении пульсирующего напряжения конденсатор С будет заряжаться до пикового напряжения U.

Рис. 3.16. Схема амплитудного детектора с закрытым входом

Амплитудные детекторы с закрытым и открытым входами при­меняют­ся в универсальных и высокочастотных вольтметрах при измере­нии в широком диапазоне частот. Погрешность измерения вольтметра с амплитуд­ным детектором зависит от частоты. Эта погрешность тем больше, чем меньше частота измеряемого напряжения. В промежутках между входными импульсами конденсатор разряжается, поэтому среднее значение напряжения U меньше амплитуды U. При повышении частоты интервалы между импульсами меньше и конденсатор разряжается незначи­тельно, поэтому U выше, чем при низкой частоте. При достаточно низких частотах U может значительно отличаться от амплитуды U. Относительная погрешность преобразования при этом оценивается по формуле:

,

где Т – период измеряемого напряжения.

Одним из существенных недостатков вольтметров с амплитудным детектором является зависимость показаний прибора от формы сигнала. Обычно шкала амплитудных вольтметров градуируется в средних квад­ратических значениях синусоидального напряжения, тогда как отклонение от стрелки прибора пропорционально амплитуде напряжения. Поэтому показа­ния, отсчитанные по шкале стрелочного прибора, справедливы только при измерении синусоидальных напряжений.

При произвольной форме сигнала, если значение К для этого сигнала неизвестно, измерение среднего квадратического значения напряжения ока­зывается невозможным.

На электронные вольтметры установлены классы точности от 0,1 до 25. Обычные классы точности 2,5; 4,0.

Контрольные вопросы:

1. Электронные вольтметры

2. Простейшие вольтметры средних значений

3. Вольтметры средних квадратических значений