Магнитоэлектрические приборы с преобразователями переменного тока в постоянный

Рассмотренные приборы не решают многих проблем, возникающих на переменном токе:

- электромагнитный и электродинамический- низкочастотны;

- электростатический обладает низкой чувствительностью. Магнитоэлектрический механизм в сочетании с преобразователями позволяет существенно расширить возможности измерений на переменном токе.

Используются преобразователи 2-х типов:

- выпрямительный;

- термоэлектрический.

Выпрямительный преобразователь состоит из выпрямительного моста и магнитоэлектрического прибора. Термоэлектрический преобразователь состоит из нагревателя, по которому протекает измеренный ток, и термопару, на концах которого возникает термоЭДС. В цепь термопары включен микроамперметр магнитоэлектрической системы, который измеряет термоток.

Выпрямительный преобразователь.

Высокая точность

Прибор градуируется в средних квадратических значениях синусоидального тока. Это значит, что шкала прибора измеряет не то значение, на которое реагирует прибор (т.е. ср. в.), а значение, уменьшенное на коэффициент формы Кф=1,11.

К этому приборов относится так называемый тестер.

Достоинства: высокая чувствительность, малое собственное потребление энергии, широкий диапазон частот (но ограничен большой индуктивностью).

Термоэлектрическая система –

- приборы состоят из термоэлектрического преобразователя и магнитоэлектрического микроамперметра.

1- нагреватель; 2 – термопара

А – коэффициент, учитывающий параметры нагревателя термопары и прибора.

Термопреобразователь включает нагреватель, по которому протекает измеряемый ток, и термопару, на концах которой возникает термоЭДС. В цепь термопары включен микроамперметр, измеряющий термоток.

При прохождении измеряемого тока Iх через нагреватель, место его контакта (С) с термопарой нагреваются до определенной температуры, а холодный слой (Д) остается при температуре окружающей среды.

Работа прибора основана на тепловом действие тока, и поэтому магнитоэлектрическая система измеряет среднее квадратическое значение переменного тока любой формы.

Используется в основном для измерения токов, т.к. входное сопротивление чрезвычайно мало.

Достоинства – очень широкий диапазон частот.

Недостатки – низкая чувствительность, низкий класс точности, большое потребление энергии из измерительной цепи.

Компенсаторы постоянного тока.

Приборы электромеханической группы позволяют получать результаты измерений с погрешностью в лучшем случае не лучше 0,1% (класс точности 0,1).

Более точные измерения можно выполнить методом сравнения с мерой.

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

Компенсаторы – приборы, в которых измерения производятся методом сравнения измеряемой величины с эталонной.

Принцип действия основан на уравновешивании (компенсации) измеряемого напряжения известным падением напряжения на образцовом резисторе.

Упрощенная принципиальная схема компенсатора

постоянного тока для измерения напряжения Uх.

Источник постоянного напряжения Е0 обеспечивает ток (рабочий) Iр по цепи, содержащий измерительный Rи, установочный (образцовый) Rу, регулировочный Rрег резисторы.

Енэ – нормальный элемент (Вестона) обеспечивает долговременную стабильность напряжения с высокой точностью (Енэ=1,0186 В); δнэ= 0,02÷0,0002%.

Rу – образцовый резистор представляет катушку специальной конструкции с точно известным и стабильным сопротивлением.

НИ – нуль-индикатор на основе гальванометра с очень большой чувствительностью по току (делений на ампер – дел/А).

В начале Т в положении 1 и НИ включен в цепь Rу. При этом с помощью Rрег добиваются отсутствия тока в цепи НИ, что означает

, откуда:

Затем Т В положении 2, что включает его в измерительную цепь. Изменяя положение движка Rи добиваются нулевого тока в НИ, а это значит:

(R измеряется точно).

Измеряемого напряжение Uх определяется с высокой точностью без нарушения работы измерительной цепи.

Такой компенсатор может измерять ток Iх, предварительно преобразовав его в напряжение (, где R0 – образцовое сопротивление).

Вместо Енэ возможно применение параметрических стабилизаторов компенсационного типа, что может увеличивать предел Ех до нескольких десятков вольт.

Компенсационные методы используют для измерений и на переменном токе.

Аналоговые электронные вольтметры.

При измерении напряжений методом непосредственной оценки вольтметр подключается параллельно исследуемой цепи.

Для повышения точности измерений входное сопротивление вольтметров должно быть велико.

Для этой цели используются электронные вольтметры. Они представляют собой сочетание электронного преобразователя и измерительного прибора.

Такие вольтметры обеспечивают высокое входное сопротивление, высокую чувствительность, широкий диапазон измерений по амплитуде и частоте, малое потребление мощности от измерительной цепи.

В электронных вольтметрах измеряемое напряжение с помощью электронного измерительного преобразователя преобразуется в постоянный ток, который подается на магнитоэлектрический измерительный механизм со шкалой, градуированной в вольтах.

По назначению и принципу действия такие вольтметры подразделяются на:

- 1) постоянного напряжения;

- 2) переменного напряжения;

- 3) импульсные;

- 4) универсальные;

- 5) селективные.

1. Структура вольтметра постоянного напряжения.

ВД – входной многопредельный делитель напряжения.

УПТ – усилитель постоянного тока.

МЭП – магнитоэлектрический прибор.

ВД обеспечивает высокое Rвх (до 1ГОм) и расширяет диапазон измеряемых напряжений.

При повышении чувствительности выше единиц милливольт, необходимо увеличивать коэффициент усиления УПТ, однако это приводит к сильному дрейфу «нуля» и снижению точности усилений.

Верхний предел измерений таких вольтметров не ниже единиц милливольт.

Для создания высоко чувствительных вольтметров (микровольтметров) применяют следующую схему (с модулятором):

После детектора (Д):

- коэффициент усиления можно сделать очень большим и избежать дрейфа «нуля». Позволяет измерять напряжение в единицы микровольт.

2. Измерение переменного напряжения.

Рис. 2,а. Структура высокочастотного измерителя.

Рис. 2,б. Структура высокочувствительного измерителя.

Uх2 – десятки микровольт.

Fх2 – от единиц Гц до единиц МГц.

Вольтметры для измерения переменного напряжения выполняют по двум обобщенным структурным схемам (рис. 2, а, б).

В схеме рис. 2,а измеряемое напряжение Uх1 детектором Д преобразуется в постоянный ток, который затем УПТ усиливается и передается на МЭП, который по существу является вольтметром для измерения постоянного напряжения. Детектор Д является малоинерционным нелинейном элементом, позволяет вольтметру работать в широком диапазоне частот: от десятков герц до гигагерц.

Однако, наличие УПТ не позволяет делать вольтметры высокочувствительными (из-за «дрейфа» нуля – нестабильности коэффициента преобразования).

В схеме рис. 2,б измеряемое напряжение Uх2 сначала усиливается усилителем переменного тока (за счет чего повышается чувствительность вольтметра), а затем детектором Д преобразуется в постоянный ток, который измеряется МЭП.

Однако, создание усилителя на широкий частотный диапазон, трудная техническая задача.

Большой коэффициент усиления позволяет делать чувствительность таких вольтметров до десятка микровольт, однако диапазон частот сравнительно невысок (например, В3 – 57 имеет: от 5 Гц до 5 МГц, диапазон напряжений от 10 мкВ до 300 В).

В зависимости от вида преобразования переменного напряжения в постоянный ток на выходе детектора, МЭП может измерять амплитудное, средневыпрямленное или среднее квадратичное (действующее) напряжения.

3. Импульсные вольтметры

применяются для измерения амплитуды импульсных сигналов различной формы. Шкала градуируется в амплитудных значениях. Структура такого вольтметра имеет вид:

Одним из важнейших звеньев такого прибора является амплитудный (или пиковый) детектор (АД),который выполняет функцию аналогового блока памяти (запоминает амплитудное значение импульсов).

Упрощенная схема такого АД имеет вид:

Входные импульсы амплитудой заряжают конденсатор через диод Д. Постоянная времени цепи выбирается такой, чтобы напряжение на конденсаторе в промежутках между импульсами изменялось незначительно.

Для таких вольтметров обязательно указывается:

- диапазон допустимых значений длительности импульсов (или их частота);

- скважность.

Например, вольтметр В4-12 имеет диапазон измеряемых напряжений от 1 мВ до 100 В, при погрешности 5%, длительность импульсов от 0,1 до 300 мкс, частота повторения 50 Гц 100 кГц, скважность не менее 2.

На практике схема АД значительно сложнее и требует применения операционных усилителей.

4. Универсальные вольтметры

предназначены для измерения как постоянных, так и переменных напряжений.

Обобщенная структурная схема универсального вольтметра:

П1, П2,П3 –преобразователи.

В зависимости от положения переключателя В вольтметр работает в одном из режимов.

Кроме того, в таких вольтметрах, как правило имеется преобразователь ПЗ, выходное напряжение которого функционально связано со значением измеряемого сопротивления, которое подключается к соответствующим клеммам преобразователя ПЗ.

Селективные вольтметры

измеряют действующее значения напряжения в некоторой полосе частот или действующее значение отдельных гармоник сложного сигнала.

Структурная схема селективного вольтметра:

Измеряемый сигнал через входной усилитель подаётся на смеситель, предназначенный для преобразования частотного спектра измеряемого сигнала. На выходе смесителя спектр частот, где - частота гармонических составляющих измеряемого сигнала; - частота синусоидального сигнала гетеродина Г. Усилитель промежуточной частоты УПu(играет роль полосового фильтра), настроен на фиксированную частоту.

Изменяя частоту гетеродина, можно измерять действующее значение различных гармонических составляющих входного сигнала. Благодаря фиксированному значению, усилитель УПu может иметь большой коэффициент усиления и узкую полосу пропускания, что обеспечивает высокую чувствительность и избирательность селективного вольтметра. Например, В6-10: =1 мкВ 10 мВ (с делителем до 1В, =0,1 30мГц, полоса пропускания УПu-1 кГц).

Дата добавления: 2013-12-13