Лекция №1 Общие сведения о метрологии и стандартизации 7 Лекция №2 Измерение напряжения и тока 42

жүктеу 25,47 Mb.

бет	30/83
Дата	10.04.2022
өлшемі	25,47 Mb.
	#38068
түрі	Лекция

1 ... 26 27 28 29 30 31 32 33 ... 83

МР Основы измерений Тул

Термоэлектрическая система – приборы состоят из термоэлектрического преобразователя и магнитоэлектрического микроамперметра. Приборы, основанные на этой системе, применяются в основном для измерения токов. Достоинством является широкий частотный диапазон (до 10 МГц). Недостатки: высокая чувствительность, низкий класс точности, большое потребление энергии из измерительной цепи.

Рассмотрим следующий тип прибора, измеряющего напряжение – это электронный аналоговый вольтметр, который состоит из электронного преобразователя, выполненного на полупроводниковых элементах, интегральных микросхемах, и магнитоэлектрического измерителя. Эти приборы имеют высокое входное сопротивление и чувствительность, широкие пределы измерения и частотный диапазон (от 20 Гц до 1000 МГц), малое потребление тока в измерительной цепи. В соответствии с общепринятым обозначениями отечественным электронным вольтметрам присваивают индекс В. Например ВК7-16А – вольтметр 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.

Упрощенные структурные схемы аналоговых вольтметров представлены на рисунке 2.2. Здесь УПТ – усилитель постоянного тока; > – усилитель переменного тока; МЭС – магнитоэлектрическая система (стрелочный прибор)

Рисунок 2.2 – Структурные схемы аналоговых

электронных вольтметров:

а) – постоянного тока; б) – напряжения большого уровня переменного тока; в) – милливольтметра

В зависимости от используемого детектора (преобразователя) аналоговые электронные вольтметры переменного тока бывают:

вольтметры амплитудных значений;
вольтметры среднеквадратических значений;
вольтметры средневыпрямленного значения.

В вольтметрах амплитудных (пиковых) значений показания микроамперметра пропорциональны амплитудному значению измеряемого напряжения u(t), т.е. = kU_max. Преобразователи амплитудного значения бывают с открытым и закрытым входами. В реальных схемах аналоговых электронных вольтметров применяется преобразователь с закрытым входом. На рисунке 2.3 представлены принципиальная и эквивалентная

схемы и временные диаграммы.

Рисунок 2.3 - Преобразователи амплитудного значения с закрытым входом:

а – принципиальная схема; б – эквивалентная

схема; в – временные диаграммы
Рассмотрим работу детектора при подаче на его вход гармонического напряжения . На интервалах времени, когда на вход детектора поступает положительная полуволна, конденсатор С заряжается через диод, сопротивление R₀ которое в открытом состояние мало. Постоянная времени заряда =R₀С невелика и заряд конденсатора до максимального значения U_max происходит быстро. На интервале действия отрицательной полуволны диод закрыт и конденсатор С медленно разряжается на сопротивление нагрузки R_н, т.к. оно выбирается достаточно большим (50…100 Мом). Итак, постоянная разряда =R_нС оказывается значительно больше периода входного переменного напряжения. В результате конденсатор остается заряженным до напряжения, близкого к U_c=U_m=U_вых.

Изменение напряжения на сопротивлении нагрузки R_н определяется разностью амплитуды входного напряжения U_x на конденсаторе U_c, т.е. U_R= U_x- U_c. Таким образом, выходное напряжение U_R будет пульсирующим с удвоенной амплитудой измеряемого напряжения. Это подтверждает простые математические выкладки:
(2.4)
при =1 U_R=0;при =0 U_R=-U_m; при =-1 U_R=-2U_m

Для выделения постоянной составляющей сигнала U₌=-U_c на выходе детектора ставится емкостной фильтр, подавляющий остальные гармоники.

Нетрудно заметить, что чем меньше период исследуемого сигнала (чем выше частота), тем точнее выполняется равенство U_c=U_m. Этим объясняются высокочастотные свойства детектора.

Достоинством является независимость показаний прибора от формы сигнала. Обычно шкала амплитудных вольтметров градуируется в средних квадратических значениях синусоидального напряжения, т.е показания прибора: U_пр=U_m/K_a

К тому же у эти приборы работают в достаточно широком диапазоне частот в пределах 3…5 Ггц.

В вольтметрах среднеквадратического значения показания микроамперметра пропорциональны квадрату среднеквадратического значения измеряемого напряжения u(t), т.е. = kU².

Сначала рассмотрим схему промышленного образца прибора данного типа – В3-42 (рис. 2.4). Он основан на детекторе среднеквадратических значений с термопреобразователями, в которых электрическая энергия

преобразуется в тепловую.

Рисунок 2.4 – Структурная схема типового вольтметра В3-42
Исследуемое напряжение поступает на входной делитель (1:1 или 1:100) и далее на катодный повторитель А1, выполненный на нувисторе и обеспечивающий высокое входное сопротивление. Аттенюатор RP1 определяет диапазон измерений напряжения от 3 мВ до 300 В на пределах шкал 10-30-100-300-1000-3000 мВ и при включении входного делителя 1:100 на пределах 10-30-100-300 В.

В вольтметре предусмотрен специальный выход, что позволяет использовать прибор в качестве высокочувствительного широкополосного усилителя.

Данные приборы обеспечивают наиболее высокую точность измерения среднеквадратического значения напряжения переменного тока, содержащего большое число гармонических составляющих, сигналов произвольной формы, импульсных и шумовых сигналов.

Схема современного вольтметра среднеквадратического значений представлена на рис. 2.5. Преобразователи выполняют на элементах с квадратичной вольтамперной характеристикой. Измерение действующего напряжения связано с выполнением трех последовательных операций:

воздействие в квадрат мгновенного значения сигнала;
усреднение полученного значения;
извлечение корня из результата усреднения (обычно осуществляется при градуировки шкалы прибора).

Рисунок 2.5 – Схема квадратического преобразователя (а) и диаграмма напряжений (б)
Напряжение смещения U_см создает на резисторах R₄ и R₅ соответственно напряжения смещения U_1сми U_2см. Диоды VD₂ и VD₃ запреты до тех пор, пока измеряемое напряжение u(t) не превысит U_1см, а затем U_2см. Пока измеряемое напряжение u(t) не превышает U_1см, ток через микроамперметр равен току, протекающему через диод VD₁; i_и=i₁_; если U_1см, то ток равен i_и=i₁+ i₂ – сумме токов через диоды VD₁и VD₂, в результате чего крутизна зависимости тока от напряжения увеличивается (рис. 2.4-б). Если u(t)> U_2см, то ток протекает через все три диода и i_и=i₁+ i₂+ i₃, при этом крутизна увеличивается еще больше. Прибор же реагирует на среднее значение тока I_и. Тогда показания на приборе будут: = kU² и не зависит от формы входного напряжения.

При конструировании прибора возникает трудность в обеспечении широкого частотного диапазона. Тем не менее эти приборы являются самыми востребованными, т.к. они позволяют измерять напряжение любой сложной формы.

В вольтметрах средневыпрямленного значения показания микроамперметра пропорциональны средневыпрямленному значению U_ср.в_. измеряемого напряжения u(t), т.е. = kU_ср.в. Преобразователи средневыпрямленного значения выполняют на полупроводниковых диодах, работающих в цепях одно- и двухполупериодного выпрямления. Работы диодов осуществляется на линейном участке вольт-амперной характеристики.

Наиболее простая схема однополупериодного выпрямителя нашла применение в простейших радиоизмерительных прибора – пробниках (тестерах). Примером таких приборов может служить Ц435 (рис. 2.6).

Рисунок 2.6 –Принципиально электрическая схема тестера Ц435
Ток через индикатор – магнитоэлектрический механизм проходит лишь в положительный полупериод измеряемого напряжения и, следовательно, его показания пропорциональны среднему значению однополупериодного выпрямленного напряжения. Назначение диода VD2 – не искажать форму тока в измерительной цепи и предохранять диод VD1 от пробоя обратным напряжением.

Прибор Ц435 является комбинированным и предназначен для измерения постоянного и переменного напряжения, тока и

сопротивления.

Примером реализации схемы двухполупериодного выпрямителя являются промышленные образцы В3-38, В3-41 и т.п. Схема работы приборов представлена на рис. 2.7.

Рисунок 2.7 - Схема работы электронных вольтметров

В3-38, В3-41
Измеряемое напряжение U_x подается на вход катодного повторителя А1, которое обеспечивает высокое входное и низкое выходное сопротивления. Для измерения коэффициента передачи в схему включен аттенюатор RP1, напряжение с выхода которого подается на 3-каскадный усилитель А2 переменного напряжения. Двухполупериодный диодный преобразователь средневыпрямленных значений (VD1и VD2) включен в цепь последовательной отрицательной обратной связи по току, охватывающей усилитель А2. Положительная полуволна тока проходит через диод VD1 и резистор R1, а отрицательная – через диод VD2 и резистор R2. При достаточно большом коэффициенте передачи усилителя и при условии R1=R2=R постоянное выходное напряжение:
(2.5)
Современные вольтметры средневыпрямленного значения строятся по следующей схеме (рис. 2.8).

Рисунок 2.8 - Схема преобразователя средневыпрямленного значения
Наиболее распространенные схемы – мостовые. Ток через микроамперметр протекает в одном и том же направлении в течение обоих полупериодов переменного напряжения (в положительный полупериод по цепи VD2-R-VD3, а в отрицательный полупериод – по цепи VD4-R-VD1). При использовании линейного участка характеристики диода и при открытом входе показания микроамперметра пропорциональны средневыпрямленному значению измеряемого напряжения
(2.6)
Если же вход преобразователя закрыты, то показания микроамперметра пропорциональны только средневыпрямленному значению переменной составляющей измеряемого напряжения.

Недостатком является то, что без предварительного усиления большое влияние на частотную погрешность оказывают барьерные емкости p-n переходов закрытых диодов, т.к. с ростом частоты их сопротивление резко уменьшается. Поэтому рабочий диапазон простейших вольтметров ограничивается сотнями килогерц.

При измерении напряжения несинусоидальной формы кривой показания вольтметра (с учетом коэффициента формы К_ф= 1,11 синусоидального сигнала):
= К_фU_о=1,11^. U_о (2.7)
Тогда в этом случае среднеквадратическое значение сигнала будет находиться по следующей формуле:
(2.8)
Для измерений напряжений постоянного и переменного токов одним измерительным прибором используется универсальный аналоговый вольтметр (В7-). Схема прибора представлена на рис. 2.9.

Рисунок 2.9 – Реальная схема аналогового электронного вольтметра В7
Универсальный аналоговый вольтметр типа В7 используется для измерения напряжения в цепях постоянного тока U_-, переменного тока низкой U_нч и высокой U_вч частот. Он состоит из двух схем для измерения напряжения в цепях постоянного тока и переменного токов с преобразователем амплитудного значения, закрытым входом и выходным индикатором (магнитоэлектрический амперметр), шкала которого отградуирована в среднеквадратических значениях синусоидального сигнала.

Благодаря преимуществам цифровой техники в настоящее время для измерений напряжений большинство применяют цифровые вольтметры. Часто на основе этих приборов строятся мультиметры, позволяющие измерять также токи, временные интервалы, частоту, сопротивление или отношение двух напряжений.

Принцип работы цифровых измерительных приборов основан на дискретном и цифровом представлении непрерывных измеряемых величин. Упрощенная структурная схема цифрового вольтметра приведена на рис. 2.10. Схема состоит из входного устройства, АЦП, цифрового отсчетного устройства и управляющего устройства.

Рисунок 2.10 – Упрощенная структурная схема

цифрового вольтметра
Входное устройство содержит делитель напряжения; в вольтметрах переменного тока оно включает в себя также преобразователь переменного тока в постоянный. АЦП преобразует аналоговый сигнал в цифровой, представляемый цифровым кодом. Использование в АЦП цифровых вольтметров двоично-десятичного кода в десятичное число облегчает обратное преобразование в десятичное число, отражаемое цифровым отсчетным устройством. Цифровое отсчетное устройство измерительного прибора регистрирует измеряемую величину. Управляющее устройство объединяет и управляет всеми узлами вольтметра.

В зависимости от типа АЦП цифровые вольтметры бывают:

кодоимпульсными (с поразрядным уравновешиванием);
времяимпульсные;
частотно-импульсные;
пространственного кодирования.

В кодоимпульсных цифровых вольтметрах реализуется принцип компенсационного метода измерения напряжения. Упрощенная структурная схема такого вольтметра представлена на рис. 2.11.

Рисунок 2.11 – Упрощенная структурная схема кодоимпульсного вольтметра

Измеряемое напряжение U^/_x, полученное с входного устройства, сравнивается с компенсирующим напряжением U_k, вырабатываемым прецизионным делителем и источником опорного напряжения. Компенсирующее напряжение имеет несколько уровней, квaнтoвaнных в соответствии с двоично-десятичной системой счисления.

Сравнение измеряемого U^/_x и компенсирующего U_k напряжений производится последовательно по командам управляющего устройства. Процесс сравнения напряжений показан на рис. 2.12. (рассматривается сигнал с амплитудой 63 В). Управляющие импульсы через определенные интервалы времени переключают сопротивления прецизионного делителя таким образом, что на выходе делителя последовательно возникают значения напряжения: 80, 40, 20, 10, 8, 4, 2, 1 В; одновременно к соответствующему выходу прецизионного делителя подключается устройство сравнения.

Рисунок 2.12 – Графики, поясняющие работу

кодоимпульсного вольтметра

Если U_k >U^/_x, то с устройства сравнения поступает сигнал на отключение в делителе соответствующего звена, так, чтобы снять сигнал U_k. Если U_k <U^/_x, то сигнал с устройства сравнения не поступает. После окончания процесса сравнения полученный сигнал U_код положения ключей прецизионного делителя и является тем кодом, который считывается цифровым отсчетным устройством.

Точность кодоимпульсного прибора зависит от стабильности опорного напряжения, точности изготовления делителя, порога срабатывания сравнивающего устройства. Для создания нормальной помехозащищенности (60...70 дБ) на входе приборов ставится помехоподавляющий фильтр.

В основе принципа действия времяимпульсного (временного) вольтметра лежит преобразование с помощью АЦП измеряемого напряжения в пропорциональный интервал времени, который заполняется счетными импульсами, следующими с известной стабильной частотой следования. Рассмотрим принцип работы промышленного образца данного типа В7-20 (рис. 2.13) и графики принципа действия (рис. 2.14).

Рисунок 2.13 – Функциональная схема вольтметра В7-20

Рисунок 2.14 – Графики, поясняющие принцип действия преобразователя цифрового вольтметра В7-20

Напряжение U_x поступает на входное устройство (ВУ), обеспечивающее высокое входное сопротивление, а затем на усилитель постоянного тока (УПТ). Усилитель охвачен глубокой отрицательной обратной связью, обеспечивает стабильный коэффициент усиления К и преобразует измеряемое напряжение в симметричное. Таким образом, на выходе получают два напряжения, симметричные относительно уровня U_0,U₁=U₀-KU_x и U₂=U₀+KU_x . Схема имеет два сравнивающих устройства, на которые поступает линейно изменяющееся напряжение, а также одно из симметричных напряжений (рис. 2.14). В момент равенства и линейно изменяющегося напряжения U_глин (точка 1) сигнал с первого сравнивающего устройства запускает схему формирователя стробимпульса. Формирование заканчивается сигналом со второго сравнивающего устройства при U_глин=U₀+KU_x. При другой полярности входного напряжения изменится и полярность каждого из симметричных напряжений. В этом случае, как следует из графика, изменится последовательность срабатывания схем сравнения (сначала вторая, а затем первая). Сигналы схем сравнения могут быть поданы на индикатор полярности - триггер, включающий в отсчетном устройстве (ЦОУ) подсвет знака (плюса или минуса) в зависимости от последовательности их срабатывания. При U_x=0 сравнивающие устройства срабатывают одновременно. Стробирующая схема не открывается, импульсы на счетчик не попадают, показания равны нулю.

Преимуществом данного типа прибора является быстродействие (до 10 000 изм/с). Недостаток – чувствительность к действию помех.

В цифровых частотно-имульсных вольтметрах осуществляется преобразование напряжения U_x в частоту следования импульсов f_x. Вольтметр содержит интегратор – устройство, выходное напряжение U_инт которого пропорционально интегралу по времени от входного напряжения:
, (2.9)

где k – постоянная интегрирования.

Поэтому иногда этот прибор называют интегрирующим цифровым вольтметром. Интегратор может быть реализован на транзисторах, операционных усилителях. Схема интегрирующего вольтметра с импульсной обратной связью представлена на рис. 2.15 (а).

Измеряемое напряжение U_x интегрируется и подается на устройство сравнения, на другой вход которого поступает напряжение U₀ с источника опорного напряжения. В момент равенства выходного напряжения интегратора U_инт и напряжения U₀ устройство сравнения включает формирователь импульсов обратной связи, формирующий в течение интервала времени t_o_._c импульс амплитудой U_o_._c, постоянной вольт-секундной площади U_o_._ct_o_._c(рис 2.15-б), не зависящий от значения U_x. В отличие от цикла работы формирователя, который зависит от U_x и определяетяс T_x=t_инт+t_o_._c.

Рисунок 2.15 – Схема частотно-импульсного (интегрирующего) вольтметра (а) и временные диаграмм напряжения, поясняющие принцип его работы (б)
Частота следования импульсов обратной связи измеряется за строго определенный интервал времени цифровым частотомером. Подобные схемы могут обеспечить общую погрешность преобразования U/f не более 0,1%. Недостатком является – влияние дрейфа нулевого уровня интегратора (необходимы различные способы компенсации дрейфа).

жүктеу 25,47 Mb.

Достарыңызбен бөлісу:

1 ... 26 27 28 29 30 31 32 33 ... 83