Тема 3. Вопрос. Аналоговые электронные вольтметры

Вопрос. Аналоговые электронные вольтметры

Вопрос. Общая характеристика приборов, измеряющих напряжение и силу тока.

Измерение напряжения или силы тока может осуществляться приборами непосредственной оценки или приборами, использую­щими метод сравнения (компенсаторами). По структурным схемам все приборы, измеряющие напряжение и силу тока, могут быть раз­делены на:

• электромеханические;

• электронные аналоговые;

• электронные цифровые.

Электромеханические приборы. Электромеханические приборы непосредственной оценки измеряемой величины представляют широ­кий класс приборов аналогового типа, обладающих рядом положи­тельных свойств: просты по устройству и в эксплуатации, обладают высокой надежностью и на переменном токе реагируют на дейст­вующее значение сигнала. Последнее обстоятельство позволяет про­изводить измерение наиболее информативного параметра сигнала без методических ошибок. Электромеханические измерительные приборы строятся по обобщенной структурной схеме, представлен­ной на рис. 2.

Измерительная схема осуществляет количественное или качественное преобразование входной величины х в электрическую величину х', на которую реагирует измерительный механизм. Последний, в свою очередь, преобразует электрическую величину х' в механическое угловое или линейное перемещение a, значение которого отражается по шкале отсчетного устройства, проградуированной в единицах измеряемой ве­личины N(x).

Классификация электромеханических приборов производится по ти­пу измерительного механизма. Наиболее распространенными в практике радиотехнических измерений являются следующие системы: магнито­электрическая, электромагнитная, электродинамическая, электроста­тическая. Условное обозначение типа измерительной системы наносится на шкале прибора. Данные системы представлены в сводной табл. 2, в которой приведены также формулы передаточной функции (уравнения шкалы) измерительного механизма и некоторые его технические харак­теристики.

Рис. 2 - Структурная схема электромеханического прибора.

Таблица 2 - Электромеханическая группа приборов

Наименование системы, функциональная схема	Уравнение шкалы, применение	Частотный диапазон, потребление, класс точности
Магнитоэлектрическая: 1- рамка с измеряемым током 2- неподвижный сердечник 3- полюсные наконечники	, где ; B – индукция в зазоре; S – площадь рамки; w - число витков рамки; W – удельный противодействующий момент, создаваемый пружинкой. Переносные, лабораторные, многопредельные амперметры, вольтметры постоянного тока	Постоянный ток Класс точности 0,05…0,5 Pсоб » 10^-5…10^-4 Вт
Электромагнитная	, где ; L – индуктивность катушки.   Щитовые и лабораторные переносные низкочастотные амперметры, вольтметры	F = 0…5 кГц Класс точности 0,5…2,5 Pсоб » 1…6 Вт
Электродинамическая	, где q - угол между точками; М –коэффициент взаимной индуктивности катушек.   Лабораторные приборы низкочастотные высокого класса точности	F = 0…5 кГц Класс точности 0,1…0,2 Pсоб = 1 мВт
Электростатическая	, где .   Высокочастотные лабораторные и высоковольтные вольтметры	F = 0…30 кГц Класс точности 0,5…1,5 Pсоб >1 мВт

В пояснение к табл. 2 сделаем следующие добавления.

Магнитоэлектрическая система — измерительный механизм состоит из проволочной рамки с протекающим в ней током, помещенной в поле постоянного магнита (магнитопровода). Поле в зазоре, где находится рамка, сделано равномерным за счет особой конфигурации магнитопровода. Под воздействием тока I рамка вращается в магнитном поле, угол поворота а ограничивается специальной пружинкой, в результате чего передаточная функция оказывается линейной:

(6)

где Y₀ — удельное потокосцепление, определяемое параметрами рамки и магнитной индукцией; W — удельный противодействующий момент, создаваемый пружинкой.

На основе магнитоэлектрического механизма конструируются вольтметры, амперметры, миллиамперметры, что определяется измери­тельной схемой. Приборы магнитоэлектрической системы обладают хо­рошими техническими характеристиками (высокая точность, малое по­требление энергии из измерительной цепи, высокая чувствительность), но работают только на постоянном токе.

Электромагнитная система — измерительный механизм состоит из
воздушной катушки, в которую втягивается ферромагнитный сердечник
при любой полярности тока. Это обусловлено тем, что ферромагнетик
располагается в магнитном поле так, чтобы поле усилилось. Следовательно, прибор электромагнитной системы может работать на перемен­ном токе. Однако прибор является низкочастотным, так как с ростом частоты сильно возрастает индуктивное сопротивление катушки. На
основе электромагнитной системы создаются вольтметры и амперметры
(часто как щитовые) на конкретную частоту — 50,400,1000 Гц. j

К достоинствам системы можно отнести: конструктивную простоту, надежность, возможность измерения действующего значения. Недостат­ками являются ограниченный частотный диапазон, большое потребле­ние мощности от измерительной цепи, низкая чувствительность.

Электродинамическая система — измерительный механизм содержит две измерительные катушки (неподвижную и подвижную), электромаг­нитные поля которых взаимодействуют в соответствии с формулой

(7)

где М_вр — вращающий момент; I₁ — ток через неподвижную катушку; I₂ — ток через подвижную катушку; q — фазовый сдвиг между синусои­дальными токами.

На основе электродинамического механизма в зависимости от схемы со­единения обмоток могут выполняться вольтметры, амперметры, ваттметры. Достоинством электродинамических вольтметров и амперметров является высокая точность на переменном токе. Основная приведенная погрешность может быть 0,1...0,2%, что является наилучшим достижимым показателем для приборов переменного тока. По другим показателям электродина­мические приборы близки к электромагнитным. Электродинамические при­боры используются как образцовые лабораторные измерительные приборы.

Электростатические приборы — принцип действия электроста­тического механизма основан на взаимодействии электрически заряжен­ных проводников. Подвижная алюминиевая пластина, закрепленная вме­сте со стрелкой, перемещается, взаимодействуя с неподвижной пластиной. Ограничение движения (как и в других электромеханических системах) осуществляется за счет пружинки. Электростатические приборы по прин­ципу действия механизма являются вольтметрами. Достоинствами таких приборов являются широкий частотный диапазон (до 10 МГц) и малая мощность, потребляемая из измерительной цепи. Приборы измеряют дей­ствующее значение напряжения.

Магнитоэлектрические приборы с преобразователями переменного тока в постоянный. Описанные выше приборы не решают многих проблем, возни­кающих при измерении на переменном токе: электромагнитный и электро­динамический — низкочастотны, электростатический обладает низкой чувствительностью. Применение магнитоэлектрического механизма в сочетании с преобразователем позволяет существенно расширить возмож­ности измерений на переменном токе.

Напряжение в радиоэлектронной технике практически всегда изме­ряют электронными вольтметрами. В электронных вольтметрах, снаб­женных усилительными устройствами, потребление мощности из измерительной цепи ничтожно мало. К достоинствам электронных вольт­метров относятся: широкие пределы измерения и частотный диапазон (от 20 Гц до 1000 МГц), высокая чувствительность, хорошая перегру­зочная способность.

Классифицировать электронные вольтметры можно по нескольким признакам:

• по назначению — вольтметры постоянного, импульсного, перемен­ного напряжений; фазочувствительные, селективные, универсальные;

• по способу измерения — приборы непосредственной оценки и при­боры сравнения;

• по характеру измеряемого значения напряжения — амплитудные (пиковые), действующего 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 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 — ВЗ. Однако встречаются и другие обозначения, которые сложились исторически, например Щ обозначает, что это цифровой вольт­метр, выпускаемый петербургским заводом «Вибратор».

При необходимости измерения силы тока электронным вольтметром, ток преобразуется в напряжение по формуле I_xR ₀ = U_x.

Аналоговые вольтметры со стрелочным отсчетом. Упрощенные струк­турные схемы аналоговых вольтметров представлены на рис. 3. В на­стоящее время аналоговые электронные вольтметры постоянного тока (рис. 3, а) находят ограниченное применение, так как они по своим техническим свойствам сильно уступают цифровым вольтметрам посто­янного тока и практически вытесняются последними. Поэтому дальше рассматриваются только аналоговые вольтметры переменного тока.

Изображенная на рис. 3, б структурная схема, используется в вольтметрах для измерения напряжений значительного уровня, так как обеспечить большое усиление с помощью усилителя постоянного тока сложно. Зато частотный диапазон таких усилителей может составлять сотни мегагерц. Структурная схема, представленная на рис. 3, в, при­меняется в милливольтметрах, поскольку обладает большей чувствительностью. Последнее связано с наличием дополнительного усилителя, однако частотный диапазон такой схемы ниже (до сотен килогерц), так как возникают трудности при создании широкополосного усилителя переменного тока.

Рис. 3 - Структурные схемы аналоговых электронных вольтметров:

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

УПТ— усилитель постоянного тока; > — усилитель переменного тока;

МЭС — магнито-электрическая система.

Элементная база, используемая при создании вольтметров переменного тока, определяется существующим на момент создания вольтметра уров­нем техники (от полупроводниковых образцов до микроинтегрального исполнения), 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 на следую­щие типы: амплитудные (пиковые), действующего и средневыпрямленного значения. Тип детектора во многом определяет свойства прибора: так вольтметры с амплитудными детекторами являются самыми высо­кочастотными; вольтметры с детекторами действующего значения позво­ляют измерять напряжение любой формы; вольтметры средневыпрямлен­ного значения пригодны только для измерения гармонического сигнала, но являются самыми простыми, надежными и дешевыми.

Дата добавления: 2013-12-13