Задача измерения постоянных напряжения и силы тока заключается в на­хождении их значения и полярности. Целью измерения переменных напря­жения и силы тока является определение какого-либо их параметра

Вид материала

Задача

Содержание 4. Аналоговые электронные вольтметры Амплитудный детектор Детектор сред­невыпрямленного значения Интегральные амплитудные детекторы. A. Одинаковы или нет будут показания вольтметров при подаче сигналов отме­ченной формы? Б. Измерения производятся вольтметром с преобразователем среднего квадра-тического значения. A. Показания прибора будут пропорциональны средневыпрямленному значению любой формы, умноженному на коэффициент К Измерения производятся прибором с преобразователем амплитудного значения. Б. Погрешность измерения для меандра составит: ∆= 100 — 70,7 = 29,3 В; Относи­тельная погрешность 29,3 %. B.

Подобный материал:

• Отчёт лабораторной работы №3. 3 по метрологии Тема, 26.53kb.
• Разработка урока по физике по теме Электрическая лампа накаливания и электронагревательные, 105.5kb.
• Задачи урока. Усвоить, что сила тока прямо пропорциональна напряжению на концах проводника,, 192.56kb.
• Программа вступительных испытаний в форме междисциплинарного экзамена для поступления, 67.49kb.
• Характеристики, 623.95kb.
• Преобразователь измерительный активной мощности трехфазного тока эп8508, 237.92kb.
• Метод измерения фазовых соотношений в стрелочных электроприводах с двигателями переменного, 6.25kb.
• Тема урока: «Активное сопротивление в цепи переменного тока», 53.01kb.
• Переходные процессы в линейных электрических цепях, 378.64kb.
• Задача: Часть I: 1 определение коэффициента передачи напряжения в каждой цепи, 99.51kb.

3. Компенсаторы постоянного тока

Рассмотренные ранее приборы электромеханической группы являются приборами непосредственной оценки измеряемого параметра и все (в боль­шей или меньшей степени) потребляют мощность из измерительной цепи, что может приводить к нарушению работы исследуемого объекта. Измерение тока и напряжения аналоговыми электромеханическими приборами возмож­но в лучшем случае с погрешностью 0,1 % (класс точности прибора 0,1). Бо­лее точные измерения можно выполнить методом сравнения с мерой. Сред-

ства измерений, использующие метод сравнения, называются компенсатора­ми или потенциометрами.

Компенсаторы — приборы, в которых измерение производится методом сравнения измеряемой величины с эталонной. Принцип действия компенса­тора основан на уравновешивании (компенсации) измеряемого напряжения известным падением напряжения на образцовом резисторе. Момент полной компенсации фиксируется индикаторным прибором (нуль-индикатором), Раз­работаны компенсаторы переменного и постоянного тока. Компенсационный метод применяется также в цифровых измерительных приборах.

Упрощенная принципиальная схема компенсатора постоянного тока для измерения напряжения U_x показана на рис. 5.4.



Рис. 5.4. Упрощенная принципиальная схема компенсатора постоянного тока

Источник постоянного напряжения Е_о обеспечивает протекание рабочего тока I_p по цепи, состоящей из последовательно включенных измерительного R_и, установочного (образцового) Rу и регулировочного R_per резисторов. В ка­честве источника образцовой ЭДС (меры ЭДС) используется нормальный элемент Е_нэ — изготавливаемый по специальной технологии гальванический элемент, среднее значение ЭДС которого при температуре 20° С известно с точностью до пятого знака и равно Е_нэ = 1,0186 В. Установочный резистор Rу представляет собой катушку сопротивления специальной конструкции с точно известным и стабильным сопротивлением. В схеме элемент НИ — нуль-индикатор, реагирующий на очень маленькие постоянные токи (чувст­вительность по току S_НИ — порядка 10^-10 дел/А) чаще всего используется гальванометр.

Относительная погрешность нормального элемента может быть в преде­лах от 0,02 до 0,0002 %. С помощью переключателя нуль-индикатор вначале включается в цепь установочного сопротивления Ry (положение переключателя 1). При этом регулировочным сопротивлением R_рег добиваются отсутствия тока в цепи нуль-индикатора. Это означает, что I_PR_y=Е_нэ, откуда значение рабочего тока определяется через соотношение I_р = Е_нэ /Ry = 10^-n А (для каждого типа компенсатора величина п — число индивидуальное и неизменное, что обеспечивается постоянством параметров источника напряжения Е_нэ и установочного сопротивле­ния Ry). Затем нуль-индикатор включается в измерительную цепь (положение переключателя 2) и изменением измерительного сопротивления R_и добиваются нулевого тока, а значит, равенства U_X=I_pR = E_mR/R_y. Итак, измеряемое напряже­ние определяется с достаточно высокой точностью и без нарушения работы из­мерительной цепи, так как в момент измерения ток через индикатор не протекает. С помощью компенсатора можно также определять ток в исследуемом устройстве, преобразовав его предварительно в напряжение согласно форму­ле I_Х = U/R₀, где R_o — образцовое сопротивление.

При измерениях напряжений на производстве применение находят авто­матические компенсаторы, в которых поддерживается разностное значение с помощью следящей системы. Здесь R_нач и R_кон — части измерительного сопротивления в начале и конце цикла слежения.

В современных конструкциях компенсаторов вместо нормального эле­мента часто применяются эталонные (в частности стабилизированные) ис­точники напряжения с более высоким значением коэффициента стабилиза­ции, что позволяет расширить верхний предел измерения компенсатора до нескольких десятков вольт.

Погрешность компенсатора постоянного тока определяется погрешно­стями резисторов R_и, Ry, ЭДС нормального элемента E_нэ, а также чувстви­тельностью нуль-индикатора. Современные потенциометры постоянного тока имеют класс точности от 0,0005 до 0,2. Верхний предел измерения до 1.. .2,5 В. При достаточной чувствительности нуль-индикатора нижний пре­дел измерения может составлять единицы нановольт.

Компенсационные методы используются также для измерений и на пере­менном токе.


4. Аналоговые электронные вольтметры


При измерении напряжения методом непосредственной оценки вольтметр подключается параллельно участку исследуемой цепи. Для уменьшения ме­тодической погрешности измерения собственное потребление вольтметра должно быть мало, а его входное сопротивление велико. Поэтому в послед­ние годы в основном используются электронные вольтметры.

Электронные вольтметры представляют собой сочетание электронного преобразователя и измерительного прибора, В отличие от вольтметров элек­тромеханической группы электронные вольтметры постоянного и перемен­ного токов имеют высокие входное сопротивление и чувствительность, широкие пределы измерения и частотный диапазон (от 20 Гц до 1000 МГц), малое потребление тока из измерительной цепи.

Классифицируют электронные вольтметры по ряду признаков:

• по назначению — вольтметры постоянного, переменного и импульсного напряжений; универсальные, фазочувствительные, селективные;
  
• по способу измерения — приборы непосредственной оценки и приборы сравнения;
  
• по характеру измеряемого значения напряжения — амплитудные (пико­вые), среднего квадратического значения, средневыпрямленного значения;
  
• по частотному диапазону — низкочастотные, высокочастотные, сверх­высокочастотные.
  

Кроме того, все электронные приборы можно разделить на две большие группы: аналоговые электронные со стрелочным отсчетом и приборы дис­кретного типа с цифровым отсчетом.

В соответствии с общепринятыми обозначениями отечественным электрон­ным вольтметрам присваивается 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.

При измерениях силы тока электронным вольтметром, вначале ток преоб­разуется в напряжение, а затем определяется по формуле: I_Х = U_x/R₀.


Структурные схемы аналоговых вольтметров

Упрощенные структурные схемы аналоговых вольтметров представлены на рис. 5.5.



Рис. 5.5. Структурные схемы аналоговых электронных вольтметров:

а — постоянного тока; б — напряжений большого уровня; в — милливольтметра

(УПТ— усилитель постоянного тока; > — усилитель переменного тока; МЭС — магнитоэлектрическая система — стрелочный прибор)


В настоящее время аналоговые электронные вольтметры посто­янного тока (рис. 5.5, а) находят ограниченное применение, так как они по своим техническим свойствам сильно уступают цифровым вольтметрам по­стоянного тока. Тем не менее, цифровые вольтметры имеют свои недостатки, о которых ниже. Поэтому дальше в разделе рассматриваются только аналоговые вольт­метры переменного тока.

Изображенная на рис. 5.5, б структурная схема используется в вольтмет­рах переменного тока для измерения напряжений значительного уровня. Час­тотный диапазон таких вольтметров может составлять сотни мегагерц.

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 переменного тока для измерения малых напряже­ний выполняются по схеме рис.5.5, в. Эта схема применяется в милливольт­метрах, поскольку обладает большой чувствительностью. Последнее связано с наличием дополнительного усилителя переменного тока, однако частотный диапазон схемы ниже (до сотен килогерц), так как возникают трудности при создании широкополосного усилителя.

Элементная база, используемая при создании вольтметров переменного то­ка, определяется существующим на момент их создания уровнем техники, од­нако функциональное назначение блоков идентично. При этом особенно важ­ную функцию несут преобразователи переменного напряжения в постоянное (детекторы). Детекторы можно классифицировать по функции преобразования входного напряжения в выходное: амплитудные (пиковые), среднего квадрати­ческого и средневыпрямленного значения. Тип детектора во многом определяет свойства прибора: вольтметры с амплитудными детекторами являются самыми высокочастотными; вольтметры с детекторами среднего квадратического зна­чения позволяют измерять напряжение любой формы; вольтметры средневы­прямленного значения измеряют только гармонические сигналы, но являются самыми простыми и надежными.

Ниже приводятся некоторые простейшие структурные схемы детекторов.

Амплитудный детектор — устройство, напряжение на выходе которого, т.е. на нагрузке, соответствует максимальному (амплитудному) зна­чению измеряемого напряжения. Чтобы цепь нагрузки детектора эффективно отфильтровывала постоянную составляющую и подавляла паразитные высо­кочастотные гармоники, необходимо выполнение неравенства:



где С_н — емкость фильтра; R_H — сопротивление нагрузки детектора.

Еще одно условие эффективной работы детектора — сопротивление рези­стора нагрузки R_н должно быть значительно больше сопротивления диода в его прямой проводимости, что практически всегда выполняется.

(Дальнейшее подробное изложение материала по детекторам на лекции можно опустить, т.к. оно обсуждалось в курсе «Микроэлектроника». Здесь приводится для полноты картины.)

На рис. 5.6 изображены принципиальная и эквивалентная схемы и вре­менные диаграммы амплитудного детектора с параллельным включением диода (детектор с закрытым входом).

Рассмотрим работу детектора (рис. 5.6, а) при подаче на его вход гармонического напряжения u_x{t) = U_msinωt.

На интервалах времени, когда на вход детектора поступает положительная по­луволна, конденсатор С заряжается через диод, сопротивление R₀ которого в от­крытом состоянии мало. Постоянная времени заряда τ₃ = R₀C невелика и заряд конденсатора до максимального значения U_m происходит быстро. На интервале действия отрицательной полуволны диод закрыт и конденсатор С медленно раз­ряжается на сопротивлении нагрузки R_н, так как оно выбирается достаточно большим (50... 100 МОм). Итак, постоянная разряда τ_р = R_нC оказывается значи­тельно больше периода Т= 2π/ω входного переменного напряжения. В результате конденсатор останется заряженным до напряжения, близкого к U_c= U_m= U_вых. Упрощенная эквивалентная схема амплитудного детектора и временные диа­граммы, поясняющие его работу, представлены на рис. 5.6, б, в.

Рис. 5.6. Амплитудный детектор с параллельным диодом: _а — принципиальная схема; 6 — эквивалентная схема; в — временные диаграммы

Изменение напряжения на сопротивлении нагрузки R_н определяется раз­ностью амплитуды входного напряжения U_x и напряжения на конденсаторе U_e, т.е. U_R= U_x - U_c. Таким образом, выходное напряжение U_R будет пульси­рующим с удвоенной амплитудой измеряемого напряжения, как это показано на рис. 5.6, в. Это подтверждают простые математические выкладки:



при sinωt =1 U_R=0; при sinωt = 0 U_R = -U_m; при sinωt = - 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.

Одним из достоинств аналоговых вольтметров с амплитудным детектором 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.

Детектор среднего квадратического значения — преобразователь переменного напряжения в постоянное, пропорциональное корню квадратному из среднего квадрата мгновенного значения напряжения. Значит, изме­рение действующего напряже­ния свя­за­но с выполнением трех после­довательных операций: возве­де­ние в квадрат мгновенного зна­чения сиг­нала, усреднение и извле­чение корня из результата усредне­ния (последняя опе­рация обычно осуществляется при градуировке шкалы вольтметра). Возве­де­ние в квадрат мгновенного значения, как правило, производят ячейкой с полу­проводниковым элементом путем использования квадратичного участ­ка его харак­те­ристики; иногда этот участок создается искусственно.

Рис. 5.7. Детектор среднего квадратичес­кого значения: а — диодная ячейка; 6 — идеализи­ро­ван­ная характеристика; в — схема квадратичного детектора

На рис. 5.7, а представлена диодная ячейка D₁R_1U, в которой постоянное напряжение E₁, приложено к диоду D₁ таким образом, что он оказывается за­крытым до тех пор, пока измеряемое напряжение u_x(t) на резисторе R_x не превысит величины E₁

Следует иметь в виду, что начальный квадратичный участок вольт-амперной характеристики полупроводникового диода имеет, как правило, малую про­тяженность (рис. 5.7, б), поэтому эту часть удлиняют искусственно, по мето­ду кусочно-линейной аппроксимации. Для этого в схеме детектора использу­ют несколько идентичных диодных ячеек (рис. 5.7, в), аналогичных показанной на рис. 5.7, а. Линейный участок обобщенной вольт-амперной характе­ристики при этом увеличивается.

На рис. 5.8 показано, как получается в этом случае квадратичная характе­ристика при последовательном включении цепочек резисторов R_ic, R_2c, R_3c с диодами D_x, D₂, D₃. Диод Z), первоначально закрыт напряжением E1, затем, по мере роста напряжения u_x(t), он открывается и начальный линейный уча­сток его идеализированной характеристики увеличивается.

В схеме, представленной на рис. 5.7, в, первоначально диоды закрыты соответствующими напряжениями смещения E₁ Е₂, Е₃, и при малом входном напряжении u_x(t) ток через миллиамперметр равен i₀. Когда входное напряжение u_x(t) > Е₁ открывается диод D₁ и параллельно резистору R₀ под­ключается делитель напряжения R₁ R_1c. В результате крутизна вольтампер-ной характеристики на участке от Е₁ до Е₂ возрастает; суммарный ток, проте­кающий через миллиамперметр, станет i_Σ=i₀+i₁ Когда выполнится условие u_x(t) > Е₂, откроется диод D₂ и ток миллиамперметра i_Σ=i₀+i₁+i₂. При вы­полнении условия u_x(t) > Е₃, откроется диод D₃ и cуммарный ток, протекаю­щий через миллиамперметр, будет i_Σ=i₀+i₁+i₂+i₃.

Рис. 5.8. Аппроксимация квадратичной вольт-амперной характеристики

В результате суммарная вольт-амперная характери­стика приближается по форме к квадратичной кривой.

Показание прибора бу­дет пропорциональным среднему квадратическому значению входного напря­жения и оно не зависит от его формы.

При конструировании приборов действующего значения возникает целый ряд трудностей, в том чис­ле и с обеспечением ши­рокого частотного диапа­зона. Тем не менее эти приборы являются самыми востребованными, так как они позволяют измерять напряжение любой слож­ной формы.

Детектор сред­невыпрямленного значения — устрой­ство, преобразующее пере­менное напряжение в по­стоянный ток, пропорцио­нальный средневыпрям-ленному значению напряжения. Структура выходного тока измерительного при­бора с детектором средневыпрямленного значения аналогична ранее рассмотрен­ному узлу выпрямительной системы и поэтому их свойства во многом идентичны (зависимость от формы сигнала, частотные характеристики, класс точности). Аналоговый электронный вольтметр средневыпрямленного значения имеет более высокую чувствительность и меньшее потребление мощности от измерительной цепи (за счет дополнительного усиления), чем прибор со схемой выпрямления.

Интегральные амплитудные детекторы. Диодные (как и транзисторные) амплитудные детекторы при малых напряжениях вносят в изме­ряемый сигнал значительные нелинейные искажения. Поэтому в последние годы в измерительных устройствах применяют амплитудные детекторы на интеграль­ных микросхемах—операционных усилителях — ОУ (рис. 5.9).

Рис. 5.9. Амплитудный детектор на ОУ

Так как детектор выполнен по инвертирующей схеме (воз­можно и неинвертирующее включение), то при подаче по­ложительных полуволн напря­жение u₂ на выходе ОУ будет отрицательным. При этом диод VD₁ открыт, а диод VD₂ закрыт. Выход ОУ через малое прямое сопротивление диода VD_l под­ключен ко входу, что создает глубокую отрицательную об­ратную связь. В результате напряжение на выходе ОУ равно напряжению на его входе и близко к нулю. Выходное напряжение детектора тоже равно нулю. При подаче отрицательной полуволны напряжение u₂ на выходе ОУ будет положи­тельным, поэтому диод VD_l закрыт, a VD₂ — открыт. При этом напряжение на выходах ОУ и детектора u_вьк = u2 = - u_вхR₂/R_l.

Выше были представлены различные виды преобразователей (детекто­ров), применяемых как в электронных аналоговых, так и в цифровых прибо­рах. При выборе преобразователя следует обратить внимание на возможную методическую погрешность, возникающую при несинусоидальной форме сигнала. Это рассмотрено ниже на нескольких примерах.

Данный пример характерен для зачета – значит его надо рассмотреть самостоятельно и задать вопросы на следующем занятии.

Пример 2. На электронные вольтметры с различными детекторами подавались поочередно два сигнала разной формы, но с одинаковой амплитудой U_m = 100 В. Первый сигнал — синусоидальный; соответственно его коэффициент формы К_фс = 1,11, коэффициент амплитуды К_{а с} = 1,41. Поэтому среднее квадратическое значение U_с= 70,7 В, средневыпрямленное U_{cp вс} = 63,7 В,. Второй сигнал — меандр; среднее квадратическое и средневыпрямленное значения здесь равны между собой: U_M = U_срвм = 100 В, так как коэффициенты формы и амплитуды K_ам = К_фм = 1.

Ответить на следующие вопросы.

A. Одинаковы или нет будут показания вольтметров при подаче сигналов отме­ченной формы?

Б. Каковы погрешности измерения, вызванные несинусоидальностью формы сиг­нала?

B. Какую достоверную информацию можно получить при несинусоидальной форме сигнала по показаниям приборов.

При этом инструментальные погрешности приборов считают несущественными.

Ответы:

I. Измерения производятся вольтметром с преобразователем среднего квадра-тического значения.

А. Так как прибор измеряет среднее квадратическое значение напряжений любой формы, то показания соответственно будут:

- при гармоническом сигнале U_r= 70,7 В;

-для меандра U_M = 100 В.

Б. Методических погрешностей нет.

II. Измерения проводятся вольтметром с преобразователем средневыпрямлен-ного значения, отградуированном при синусоидальном токе в средних квадратиче-ских значениях.

A. Показания прибора будут пропорциональны средневыпрямленному значению любой формы, умноженному на коэффициент К_{ф с} = 1,11: U_np = К_фсU_срв.

Показания прибора для синусоидального сигнала: U_{np с} = 1,11 • 63,7 = 70,7 В — что соответствует среднему квадратическому значению синусоидального напряжения.

Показания прибора для сигнала типа «меандр» будут U_{пр v} = 1,11-100 =111 В, что превышает уровень среднего квадратического значения.

Б. Погрешность измерения несинусоидального сигнала: ∆_м =111-100 =11 В.

Относительная погрешность 6_М = 11/100 • 100 % = 11 %.

B. По показаниям прибора с преобразователем среднего значения при несинусои­дальной форме сигнала можно определить только среднее или средневыпрямленное значение, т.е. для меандра U_срвм= 111/1,11 = 100 В.

III. Измерения производятся прибором с преобразователем амплитудного значения.

A. Показания прибора будут пропорциональны амплитудному значению сигнала любой формы, деленному на градуировочный коэффициент. Если градуировка про­изводилась при синусоидальном токе в средних квадратических значениях, то пока­зания прибора соответственно: U_np = U_m/K_ac=U_m/1,41. Следовательно, показания прибора будут одинаковы для обеих форм сигнала: £/_пр = 100/1,41 = 70,7 В.

При этом для синусоиды это среднее квадратическое значение, а для меандра — меньше среднего квадратического (так как среднее квадратическое значение 100 В).

Б. Погрешность измерения для меандра составит: ∆= 100 — 70,7 = 29,3 В; Относи­тельная погрешность 29,3 %.

B. По показаниям измерительного прибора можно определить амплитудное зна­чение для любой формы сигнала. В данном случае, для сигнала формы меандра име­ем: U_mM=70,7 • 1,41 = 100 В.