Аналоговые измерительные устройства

Электронные аналоговые вольтметры сравнения.

          Электронные аналоговые вольтметры сравнения в большинстве своем реализуют наиболее распространенную модификацию метода сравнения – нулевой метод. Поэтому чаще они называются компенсационными вольтметрами. В компенсационных вольтметрах измеряемое напряжение (постоянное, переменное, импульсное) сравнивается с постоянным компенсирующим напряжением, которое измеряется вольтметром постоянного тока и является мерой U_Х.

          На рис. 7.8 показана структурная схема компенсационного вольтметра. Основу вольтметра составляет компенсационный преобразователь, состоящий из измерительного диода VD с нагрузкой  R, усилителя У,  индикатора И с двумя устойчивыми состояниями и регулируемого источника постоянного компенсирующего напряжения U_k. При отсутствии U_Х индикатор И находится в первом устойчивом состоянии.  При измерении U_Х постепенно увеличивают компенсирующее напряжение U_k до тех пор, пока индикатор не перейдет во второе устойчивой состояние. Значение U_k, соответствующее моменту перехода, измеряется вольтметром постоянного тока В   и является мерой U_Х.

          Вторым примером построения электронного компенсационного вольтметра является схема представленная на рис. 7.9. Основными элементами схемы являются: диод VD; высокочувствительный магнитоэлектрический гальванометр – нуль индикатор НИ; образцовый делитель напряжения ОДН. Основываясь  на идеализированной ВАХ диода VD (рис. 7.9, б), можно считать, что при U_X = 0, ток через диод не протекает. При подключении U_X = U_msinωt  и подаче отрицательного напряжения смещения (компенсационного) U_k можно отрегулировать  U_k  так,  чтобы ток через диод исчез. Тогда можно считать, что U_m = U_k. 

 

 

 

 

                               Рис. 7.8.                                                              Рис. 7.9.

          Вольтметры, построенные по схеме рис. 7.9, являются одними из наиболее точных электронных вольтметров, обладающих высоким входным сопротивлением и широким частотным диапазоном. Диапазон измерения напряжений от десятков милливольт до сотен вольт. Рабочая полоса частот до гигагерц.

          Недостатком рассмотренных компенсационных вольтметров является необходимость установки компенсационного напряжения  вручную.

          Автоматические компенсационные вольтметры более удобны в эксплуатации.  Примеры автоматических компенсационных вольтметров (потенциометров) постоянного и переменного тока рассмотрены в разделе V (см. рис. 5.3 и рис. 5.6).

Рис. 7.10.

На рис. 7.10 показана структурная схема компенсационного вольтметра для измерения средних значений переменного тока. Для этой схемы имеем

        (7,2)

где  - коэффициент   усиления

усилителя; ; .

          В данной схеме погрешность, обусловленная изменением коэффициентов преобразования звеньев вольтметра определяется формулой

.                   (7.3)

          Из (7.3) следует, что нестабильность параметров выпрямителей проявляет себя значительно   меньше, чем в выпрямительных приборах прямого преобразования (К_С << 1).

          Погрешность подобных вольтметров составляет значение 0,5 -1,5%. Диапазон частот достигает нескольких сотен килогерц.

          Примерами компенсационных вольтметров переменного тока являются вольтметры типа: Ф584; Ф5053; В3-38.

          Электронные вольтметры в комплекте с шунтом могут быть использованы для измерения токов.

Электромеханические вольтметры и амперметры сравнения.

          Примерами электромеханических приборов для измерения напряжения и ЭДС, реализующих нулевой метод сравнения, являются потенциометры постоянного и переменного тока, рассмотренные в разделе V.

          Для измерения слабых постоянных токов и напряжений в компенсационных приборах используются гальванометрические усилители с фотоэлектрическими,  индукционными и другими преобразователями. Например, гальванометрические усилители  с индукционным преобразователем (И37) используются в самопишущих приборах для записи и измерения постоянных токов и напряжений. Диапазон измерения от десятков микровольт  до десятков вольт.  Более распространены электромеханические, фотогальванометрические компенсационные приборы с фотоэлектрическим преобразователями типа Ф118, Ф138 и т.д.).

          На рис. 7.11 изображена схема  фотогальванометрического компенсационного микровольтметра. Рассмотрим работу микровольтметра. Измеряемое напряжение  U_X вызывает  появление тока в рамке гальванометра гальванометра и ее вращение. При этом произойдет перераспределение освещенности фоторезистора ФР и в выходной цепи прибора появится ток I_ВЫХ. Выходной ток протекая по резистору R_k создает падение напряжения U_k = I_ВЫХR_К,  которое стремится скомпенсировать измеряемое  напряжения U_K. Схема работает в режиме статического уравновешивания и в цепи рамки гальванометра протекает некоторый ток некомпенсации I_НК. При достаточно высокой чувствительности гальванометра можно считать, что I_НК ≈ 0,  тогда

                                              U_X ≈ U_K = I_ВЫХR_К.                            (7.4)

           Из равенства (7.4) видно что ток I_ВЫХ может служить мерой измеряемого напряжения U_Х. Для измерения выходного тока обычно используются магнитоэлектрические Милли – или микроамперметры, шкала которых градуируется в единицах напряжения.

              

                               Рис. 7.11.                                                              Рис. 7.12.

          На рис. 7.12 приведена схема фотогальванометрического компенсационного микроамперметра. В этой схеме компенсирующий токI_К уравновешивает ток , который является частью измеряемого тока I_Х, ответвляющегося в гальванометр Г. Ток  I_К  является  частью выходного тока I_ВЫХ. При выполнении   условий  R_Г << R₂ ,  R_Г << R_Х  и  высокой  чувствительности  гальванометра   получим . Отсюда

                                                                    (7.5)

                                       .                                   (7.6) 

          Ток I_ВЫХ пропорциональный измеряемому току I_X измеряется выходным миллиамперметром мА.

          Фотогальванические компенсационные приборы (ФГКП) характеризуются повышенным быстродействием и меньшим потреблением мощности от источника измеряемого сигнала по сравнению с автономным фотогальванометрическим усилителем.

          Выпускаются ФГКП приборы (например, прибор Ф138) с ценой деления 5∙10^-10 В и 5∙10^-11 А. Основная погрешность приборов с ФГУ равна ±(0,5 -1)%.