Аналоговые измерительные устройства

7.1.1. Вольтметры и амперметры прямого преобразования.

          Обобщенная структурная схема вольтметров прямого преобразования показана на рис. 7.1.

Рис. 7.1.

Измеряемое   напряжение подается на  входное  устройство (ВУ), с выхода которого   сигнал   поступает  на  измерительный   преобразователь   (ИП)    и  далее  на  измерительное устройство (ИУ). В качестве входного устройства могут использоваться делители и трансформаторы напряжения. В качестве ИП применяются преобразователи переменного сигнала в постоянный, усилители, детекторы и др. В качестве измерительного устройства могут использоваться различные приборы на основе измерительных механизмов (чаще всего используется магнитоэлектрический прибор).

Электронные вольтметры.

          Электронные вольтметры постоянного тока состоят из делителя входного напряжения, усилителя постоянного тока, и измерительного устройства, в качестве которого обычно используется магнитоэлектрических микроамперметр. Диапазон измерения составляет 100 мВ … 1000 В.

          Электронные вольтметры переменного тока строятся по одной из структурных схем (рис. 7.2), различающихся типом ИП.

   

                                             а                                                                  б

Рис.7.2.

          В вольтметрах (рис. 7.2, а)  измеряемое переменное напряжениеUx  преобразуется в постоянное, которое затем измеряется вольтметром постоянного тока.

          В вольтметрах, построенных по схеме рис. 7.2, б, измеряемое напряжение сначала усиливается усилителем переменного тока (УПер.Т), а затем выпрямляется с помощью детектора Д и измеряется ИУ. При необходимости между детектором и ИУ может быть дополнительно включен УПТ.

          Электронные вольтметры, выполненные по схеме рис. 7.2, имеют меньшую чувствительность, меньшую точность, но имеют более широкий частотный диапазон (от 10 Гц до 100 ...700 МГц). Нижний предел таких вольтметров ограничивается порогом чувствительности выпрямителя и составляет обычно 0,1 … 0,2 В.

          Вольтметры, выполненные по схеме рис. 7.2, б, имеют более узкий частотный диапазон (до 50 МГц), который ограничивается усилителем переменного тока, но они более чувствительны. Усилители переменного тока позволяют получить значительно больший коэффициент усиления, чем с помощью УПТ. По данной схеме можно построить микровольтметры, у которых нижний предел Ux ограничивается собственными шумами усилителя.

          Милливольтметры переменного тока в зависимости от устройства измеряют амплитудное, среднее и действующее значения переменного напряжения и строятся по схеме усилитель - выпрямитель. Шкала вольтметра градуируется, как правило, в действующих значениях для синусоидального напряжения, или в 1,11Uср для приборов, показания которых пропорциональны среднему значению напряжения, и в 0,707Um – для приборов, показания которых пропорциональны амплитудному значению.

          Электронные вольтметры среднего значения служат для измерения относительно высоких напряжений.  Такой вольтметр может быть выполнен по схеме рис. 7.2, б с использованием в качестве выпрямителя полупроводникового диодного моста. Показания вольтметра средних значений зависят от формы кривой измеряемого напряжения. Диапазон измерения составляет  от 1 мВ до 300 В. Частотный диапазон измеряемого напряжения - от 10 Гц до 10МГц.

Рис.7.3.

На рис. 7.3 показан пример схемы вольтметра переменного тока типа усилитель-выпрямитель. Данная схема представляет двухполупериодный ПСЗ с  включением  выпрямительных  элементов в цепь обратной связи. Эта схема позволяет существенно снизить порог чувствительности  в режиме измерения переменного напряжения при сохранении достаточно  широкого частотного диапазона.

          Электронные вольтметры действующего значения содержат преобразователь действующих значений. ПДЗ выполняется на элементах с квадратичной ВАХ. Для увеличения протяженности квадратичного участка ВАХ используются на преобразователи на диодных цепочках (см. рис. 6.9). Достоинством является независимость показаний от формы кривой измеряемого напряжения. Для расширения пределов используются емкостные делители напряжения. Диапазон измерения  от 1 мВ до 1000 В. Частотный диапазон от 20 Гц до 50 МГц.

          Другой метод измерения действующего значения переменного напряжения состоит в определении  количества рассеиваемого тепла. Этот метод используется в термовольтметре, где входной ток течет по нити накала, нагревая ее. Выделенное тепло  служит непосредственной мерой среднеквадратического значения тока.     

          Упрощенная функциональная схема вольтметра действующих значений с ПДЗ на термопреобразователях, включенных по способу взаимообратных преобразований показана на рис. 7.4.

          В усилителе с обратной связью У1  измеряемое напряжение Ux преобразуется в ток Ix  Этот усилитель должен иметь очень точный коэффициент передачи К такой, чтобы термоЭДС, возникающая термопреобразователе ТП1 была истинной мерой    среднеквадратического   значения измеряемого   напряжения. 

Рис. 7.4.

          Второй термопреобразователь ТП2, по нагревателю которого протекает ток  Ik, включен последовательно с ТП1. Выходные напряжения термопреобразователей имеют противоположную    полярность,  так    что напряжение на входе усилителя постоянного тока У2  равно разности этих двух напряжений. Если коэффициент этого усилителя достаточно велик, то при сравнительно большом выходном напряжении Uвых разность напряжений двух термопреобразователей окажется равной нулю Е1 = Е2. Тогда

                                  Uвых = ITR = αIXR = αKUXR.                            (7.1)

          В этом выражении сопротивление R  много больше сопротивления нагревателя термпреобразователя ТП2. Коэффициент α служит критерием согласованности термопреобразователей ТП1 и ТП2 (α ≈ 1). К – коэффициент передачи входного каскада: К = IX /UX .

          Выражение (7.1) для Uвых показывает, что абсолютное значение параметров термопреобразователей  ТП1 и ТП2 не имеют решающего значения; важно знать насколько хорошо они согласованы.

          Примером построения вольтметра с использованием термопреобразователей является вольтметр В3-45. Погрешность данного вольтметра в рабочем диапазоне частот 40 Гц – 1 МГц не превышает 2,5%.

          Термопреобразователи могут использоваться также и для построения амперметров.

          Термопреобразователи могут быть заменены твердотельными интегральными схемами. Они состоят из дифференциального усилителя и пары резисторов.  Оба резистора расположены очень близко к переходам база-эмиттер двух входных транзисторов дифференциального усилителя. По одному из резисторов  течет ток IТ,  в то время как по другому течет измеряемый ток высокой частоты IX. Любое неравенство  температур резисторов вызовет появление напряжения смещения в дифференциальном усилителе. Если дифференциальная пара входных транзисторов входит в состав операционного усилителя У2, то Тп1 Тп2  и У2 (рис. 7.4)  можно заменить одной интегральной схемой. Измеритель действующего значения будет хорошо работать на частотах значительно выше 100 МГц, так как паразитные импедансы гораздо меньше из-за малых размеров схемы.

          Сочетание электронного усилителя с электростатическим вольтметром на выходе позволяет не использовать в схеме вольтметра действующих значений специального ПДЗ. Недостатками такого вольтметра являются: 1) неравномерность шкалы; 2) малая чувствительность и др.

Электронные  амплитудные вольтметры выполняются по схеме, показанной на рис. 7.2, а, с использованием преобразователей амплитудных (пиковых) значений. Показания такого вольтметра пропорциональны амплитудному значению измеряемого напряжения. Такие вольтметры позволяют измерять амлитуду импульсов с минимальной длительностью от десятых долей микросекунды и скважностью 2 … 500. Диапазон измерения - от 100 мВ до 1000 В. Частотный диапазон – от 20 Гц до 1000 МГц.

Рис. 7.5.

Электронные импульсные вольтметры содержат преобразователь амплитуды импульса ПАИ и предназначены для измерения амплитуд периодических сигналов с большой скважностью и амплитуд одиночных импульсов. Обобщенная структурная схема ИВ представлена на рис. 7.5.

        Возможно  построение  ИВ  с   предварительным  усилением  исследуемого   импульсного сигнала. В  качестве  ОУ  в  ИВ  обычно используются электромеханические ОУ. Погрешность электронных импульсных вольтметров составляет 0,5% и более, рабочий диапазон частот - от 20 Гц до 1 ГГц; низший предел измерения составляет 1 мкВ.  

          Электронные селективные вольтметры используются для измерения гармонических напряжений в условиях действия помех. На рис. 7.6 показана структурная схема селективного вольтметра.

Рис. 7.6.

          Частотная селекция входного сигнала осуществляется с помощью перестраиваемого гетеродина (Г), смесителя (См) и узкополосного усилителя промежуточной частоты (УПЧ), который обеспечивает высокую чувствительность и требуемую избирательность. Кроме того, в селективных вольтметрах  обязательно наличие системы автоматической подстройки частоты и калибратора. Калибратор – образцовый источник (генератор) переменного напряжения определенного уровня, позволяющий исключить систематические погрешности из-за изменения коэффициентов передачи узлов вольтметра. Для калибровки переключатель SA  устанавливается в положение 2. Сигнал после УПЧ выпрямляется детектором (Д) и измеряется измерительным устройством (ИУ).

          Универсальные электронные вольтметры это приборы, в которых совмещаются функции измерения постоянных и переменных напряжений. Типовая структурная схема универсального электронного вольтметра показана на рис. 7.7.  При измерении постоянных напряжений входная величина через переключатель рада тока SA подается на вход преобразователя импеданса ПИ, выходной сигнал которого при необходимости преобразуется масштабным преобразователем МП, нагрузкой которого является измерительное устройство ИУ (в качестве ИУ обычно выступает магнитоэлектрический микроамперметр). При измерении переменных напряжений измеряемая величина поступает на вход ПАЗ, а постоянное напряжение с выхода ПАЗ измеряется вольтметром постоянного тока.  Источник питания ПИ является важной составной частью вольтметра.

Рис. 7.7.

          При создании универсальных вольтметров используется главным образом схема ПАЗ с закрытым входом, что объясняется независимостью напряжения на ее выходе от постоянной составляющей напряжения на входе. Универсальные вольтметры позволяют измерять постоянные напряжения от десятков милливольт до 300 В с погрешностью 2,5 – 4%, а переменные в диапазоне от сотен милливольт до 300 В при частоте входного напряжения от 20 Гц до 1000 МГц с погрешностью 4 – 6%.  Применение масштабных преобразователей позволяет расширить диапазон измерения до 1000 В.

Электромеханические вольтметры и амперметры.

          Электромеханические приборы отличаются простотой, высокой надежностью, относительно высокой точностью. Устройство, работа и характеристики электромеханических приборов прямого преобразования, в том числе вольтметров и амперметров,  рассмотрены в разделе III.


© Copyright 2008, SLAiPS. All Rights Reserved. | Design by Design by analogiu.ru