Теоретическая часть.

Лабораторная работа

«МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЙ»

Цель работы: Ознакомление с методами измерения напряжений и нахождения

погрешностей однократных измерений различными приборами

и освоение практических навыков выявления результата.

Оборудование: 1. Источник электропитания ВМ 207.

2. Вольтметр АМВ.

3. Вольтметр Д 50152.

4. Вольтметр Э 87.

 

Теоретическая часть.

Измерение напряжения и силы тока наиболее часто применяют в практике метрологии и электрорадиоизмерений. При этом в телекомму­никационных системах преобладающее значение имеет измерение напряжения, так как чаще всего этой величиной принято характеризовать режимы работы различных радиотехнических цепей и устройств. К тому же параллельный метод подключения вольтметра к участку цепи, как правило, не приводит к нарушению электрических процессов в ней, по­скольку его входное сопротивление выбирается достаточно большим. При измерениях же тока приходится размыкать исследуемую цепь и в ее разрыв последовательно включать амперметр, внутреннее сопротивле­ние которого отлично от нуля. Однако в ряде случаев необходимы пря­мые или косвенные измерения силы тока, поэтому вопросы измерения напряжения и силы тока рассматриваются совместно.

В настоящее время метрологическая техника позволяет измерять на­пряжения в диапазоне В и токи в диапазоне А. Вместе с тем данные

измерения должны осуществляться в очень широкой полосе частот - от постоянного тока и инфранизких частот (сотые доли герца) до сверхвысоких частот (1 ГГц и более).

Приборы, измеряющие параметры сигналов с частотами до 10⁴ Гц, являются низкочастотными, до 10⁸ - высо­кочастотными, свыше - диапазон сверхвысоких частот, требующий специальных измерительных методов.

Измерение параметров напряжения переменного тока - довольно сложная метрологическая задача, связанная с обеспечением требуемого частотного диапазона и учетом формы кривой измеряемого сигнала. Переменное напряжение характеризуется несколькими параметрами, и его уровень может быть определен по амплитудному, действующему (среднеквадратическому, эффективному) или средневыпрямленному (постоянному) значению. Напомним некоторые характеристики и пара­метры напряжения переменного тока.

Мгновенные значения напряжения u(t) наблюдают на осциллографе или экране любого другого устройства (рис. 1) и определяют для каж­дого момента времени.

Амплитуда (высота; устаревший термин - пиковое значение) - наибольшее мгновенное значение напряжения за время наблюдения, или за период.

Измеряемые напряжения могут иметь различный вид, например, форму импульсов, гармонического или негармонических колебаний - суммы си­нусоиды с постоянной составляющей и т.д. (рис. 1. а, б, в ). При разнополярных несимметричных кривых напряжения различают два амплитудных значения (рис. 1. г): положительное и отрицательное: и .

Действующее (среднеквадратическое) напряжение определяется как корень квадратный из среднего квадрата мгновенного значения напря­жения за время измерения (или за период):

 

Рис. 1. Иллюстрация к понятию амплитуда напряжения:

а – импульсы положительной полярности; б – синусоидальное напряжение;

в – сумма синусоиды и постоянной составляющей; г – несинусоидальное колебание.

 

При несинусоидальном периодическом сигнале квадрат действующе­го значения равен сумме квадратов постоянной составляющей и дейст­вующих значений гармоник:

.

Среднее значение напряжения равно среднему арифметическому всех мгновенных значений за период:

.

Средневыпрямленное (постоянная составляющая) напряжение опреде­ляется как среднее арифметическое абсолютных мгновенных значений за период:

.

Для напряжения одной полярности среднее и средневыпрямленное значения равны. В случае разнополярных напряжений эти два значения могут существенно отличаться друг от друга. Так, для гармонического напряжения

Наибольшая потребность существует в измерении действующего значения напряжения, поскольку этот параметр связан с мощностью, нагревом, потерями, Часто же проще измерить амплитудное или средне-выпрямленное значение и произвести пересчет с применением коэффи­циентов амплитуды , и формы :

; .

Значения этих коэффициентов для наиболее употребляемых видов сигналов и соотношения между ними приведены в табл. 1, где все ве­личины напряжений обозначены буквой и.

Таблица 1.

Количественные соотношения между различными значениями ряда распространенных сигналов.

Форма сигнала	Параметры сигнала
амплитуда	Средневыпрямленное значение	Среднеквадратическое значение	Коэффициент формы	Коэффициент амплитуды
		или	или		или

 

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 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 а, значение которого отражается по шкале отсчетного устройства, проградуированной в единицах измеряемой ве­личины N(х).

 

Рис. 2. Структурная схема электромеханического прибора.

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

 

 

Таблица 2.

Электромеханическая группа приборов

 

 

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 ограничивается специальной пружинкой, в результате чего передаточная функция оказывается линейной:

,

где - 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.

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

,

где - вращающий момент;

- ток через неподвижную катушку;

- ток через подвижную катушку;

- 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.

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. По типу преобразователя данные приборы делятся на выпрямительные и термоэлектрические. Описание свойств схем представлено в табл. 3.

 

Таблица 3.

Магнитоэлектрическая система с преобразователями

Наименование системы, функциональная схема	Уравнение шкалы, применение	Частотный диапазон, собственное потребление мощности, класс точности
Выпрямительная система	где Переносные многопре­дельные амперметры-вольтметры на постоян­ный и переменный ток	F = 0..100 кГц Класс точности 2,5...4 на переменном токе. 1,5 на постоянном токе Вт.
Термоэлектрическая система 1- нагреватель; 2 – термопара	где А - коэффициент, учиты­вающий параметры нагре­вателя термопары и при­бора Амперметры на повышен­ную частоту	F = 0...5 МГц Класс точности 1,5...4,0 = 0,01...1 Вт

 

Выпрямительные приборы состоят из полупроводникового преобра­зователя переменного тока в постоянный и магнитоэлектрического при­бора. Основным узлом электрической схемы выпрямительного прибора являются преобразователи. Для их построения широко используются полупроводниковые диоды.

Схема преобразователя может строиться разными способами, но в результате через измерительный механизм протекает однополярный пульсирующий ток (двухполупериодный или однополупериодаый). В табл. 3. показан простейший двухполупериодный (двухтактный) диод­ный выпрямитель. Приборы проградуированы в действующих значениях синусоидального тока. Это значит, что на шкале прибора представлено не то значение, на которое реагирует прибор (т.е. средне-выпрямленное), а величина, умноженная на коэффициент формы сину­соиды

= 1,11.

Термоэлектрическая система — приборы состоят из термоэлектрического преобразователя и магнитоэлектрического микроамперметра. Термопреобразователь включает в себя нагреватель, по которому протекает измеряемый ток, и термопару, на концах которой возникает термоЭДС. В цепь термопары включен микроамперметр, измеряющий термоток. Поскольку переменный ток преобразуется в постоянный путем превращения электрической энергии в тепло, прибор будет показывать действующее значение измеряемого тока.

Рассмотренные ранее приборы электромеханической группы являются приборами непосредственной оценки и все (в большей или меньшей степени) потребляют мощность из измерительной цепи, что может приводить к нарушению работы исследуемого объекта. Для сведения к минимуму влияния измерительного прибора на работу исследуемой схемы используется компенсационный метод измерения.

Компенсаторы - приборы, в которых измерение производится методом сравнения измеряемой величины с эталонной. Существуют компенсаторы переменного и постоянного тока. Компенсационный метод применяется также в цифровых измерительных приборах.

Упрощенная принципиальная схема компенсатора постоянного тока для измерения напряжения показана на рис. 3.

Источник постоянного напряжения обеспечивает протекание рабочего тока по цепи, состоящей из последовательно включенных измерительного , установочного и регулировочного резисторов.

Нормальный элемент - гальванический элемент с точно известным значением эдс. Относительная погрешность такого элемента может находиться в пределах от 0,02 до 0,0002 % в зависимости от его класса. В схеме элемент НИ - нуль-индикатор, реагирующий на очень маленькие постоянные токи (чувствительность по току - порядка дел/А).

Рис 1.3. Упрощенная принципиальная схема компенсатора постоянного тока

 

При помощи переключателя нуль-индикатор вначале включается в цепь установочного сопротивления (положение переключателя I). При этом регулировочным сопротивлением добиваются отсутствия тока в цепи нуль-индикатора. Это означает, что справедливо откуда величина рабочего тока определяется через соотношение = / = А. Для каждого типа компенсатора величина n - число свое и неизменное, что обеспечивается постоянством параметров источника напряжения и установочного сопротивления . Затем нуль-индикатор включается в измерительную цепь (положение 2) и изменением измерительного сопротивления добиваются нулевого тока, а значит, и равенства . Таким образом, измеряемое напряжение определяется с достаточно высокой точностью и без нарушения работы измерительной цепи, так как в момент измерения ток через индикатор не протекает.

В электронных вольтметрах, снабженных усилительными устройствами, потребление мощности из измерительной цепи ничтожно мало. 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.

Упрощенные структурные схемы аналоговых вольтметров представлены на рис. 4. В настоящее время аналоговые электронные вольтметры постоянного тока (рис. 4, а) находят ограниченное применение, так как они по своим техническим свойствам сильно уступают цифровым вольтметрам постоянного тока.

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.

Рис. 4. Структурные схемы аналоговых электронных вольтметров:

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

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

МЭС — магнитоэлектрическая система

 

Амплитудный детектор - устройство, напряжение на выходе которого, т.е. на нагрузке, соответствует максимальному (амплитудному) значению измеряемого сигнала. Это осуществляется за счет запоминания напряжения (накопления энергии при протекании тока через диод) на конденсаторе.

На рис. 5. изображены принципиальная и эквивалентная схемы, а также временные диаграммы амплитудного детектора с параллельным включением диода (детектор с закрытым входом).

Рассмотрим работу детектора с закрытым входом (рис. 5, а) при подаче на него простейшего, гармонического напряжения .

В моменты времени, когда на вход поступает положительная полуволна, конденсатор С заряжается через диод, сопротивление которого в открытом состоянии мало ( ). Постоянная времени заряда мала и заряд конденсатора до максимального значения , происходит быстро. За время отрицательной полуволны конденсатор С разряжается, так как сопротивление нагрузки , выбирается достаточно большим (50...100 Мом). Таким образом, постоянная разряда оказывается значительно больше периода переменного напряжения. В результате конденсатор останется заряженным до напряжения, близкого к . Упрощенная эквивалентная схема амплитудного детектора и временные диаграммы, поясняющие его работу, представлены на рис. 5 б, в.

 

Рис. 5. Амплитудный детектор с параллельным диодом; а - принципиальная спеха; б - эквивалентная схема; в - временные диаграммы

Изменение напряжения на нагрузочном сопротивлении R_н определяется разностью амплитуды входного напряжения U_х и напряжения на конденсаторе U_с: U_R = U_x -. Таким образом, выходное напряжение U_R будет пульсирующим с удвоенной амплитудой измеряемого напряжения, как это показано на рис. 1.5, в. Это подтверждается и простыми матема­тическими выкладками:

:

Для выделения постоянной составляющей сигнала U = - U_с на выходе детектора ставится емкостной фильтр, подавляющий все остальные гармоники тока.

Детектор действующего значения - преобразова­тель переменного напряжения в постоянное, пропорциональное квадрату действующего значения измеряемого напряжения. Значит, измерение действующего напряжения связано с выполнением трех 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.

Цифровые вольтметры (ЦВ) являются наиболее распространенными цифровыми приборами. Упрощенная структурная схема цифрового вольтметра представлена на рис. 6.

Рис 6. Упрощенная структурная схема цифрового вольтметра

 

Входное устройствосодержит делитель напряжения; в вольтметрах переменного тока оно включает в себя также преобразователь перемен­ного тока в постоянный. АЦП преобразует аналоговый сигнал в цифро­вой, представленный цифровом кодом. Использование в АЦП двоично-десятичного кода облегчает обратное преобразование цифрового кода в десятичное число, отражаемое цифровым отсчетным устройством. Узлы схемы соединены с управляющим устройством.

По типу АЦП цифровые вольтметры могут быть разделены на четыре группы:

• кодоимпульсные (с поразрядным уравновешиванием);

• времяимпульсные;

• частотно-импульсные;

• пространственного кодирования.

В настоящее время цифровые вольтметры строятся чаще на основе кодоимпульсного и времяимпульсного преобразования.

В кодоимпульсных цифровых вольт­метрах реализуется принцип компенсационного метода измерения на­пряжения. Упрощенная структурная схема такого вольтметра представ­лена на рис. 7. Измеряемое напряжение U'_х, полученное с входного устройства, сравнивается с компенсирующим напряжением U_к, вырабатываемым прецизионным делителем. Компенсирующее напряжение имеет несколь­ко уровней, квантованных в соответствии с двоично-десятичной систе­мой счисления.

Сравнение по величине двух напряжений (измеряемого U'_х и компен­сирующего U_к) производится последовательно по команде с управляю­щего устройства. Процесс сравнения показан на рис. 8. Управляющие импульсы U_у через определенные промежутки времени переключают со­противления точного делителя таким образом, что на выходе делителя возникает последовательно сигнал: 80, 40, 20, 10, 8, 4, 2, 1 В; одновременно к соответствующему выходу прецизионного делителя под­ключается устройство сравнения.

Рис 7. Упрощенная структурная схема кодоимпульсного вольтметра

 

Если соотношение напряжений U_к > U'_х, то с устройства сравнения поступает сигнал,на отключение в делителе соответствующего звена так, чтобы снять сигнал Если U_к< U_х,то сигнал с устройства срав­нения не поступает. После окончания процесса сравнения полученный сигнал U_код положения ключей прецизионного делителя и является тем кодом, который считывается отсчетным устройством. На рис. 8. пока­зан процесс кодирования аналогового напряжения 63 В, из которого видно, что код, соответствующий этому сигналу, будет таким: 01100011.

Процесс измерения напряжения в кодоимпульсном приборе напоми­нает взвешивание на весах, поэтому приборы иногда называют пораз­рядно-уравновешивающими.

В цифровых вольтметрах времяимпульсного (временного) типа содержатся АЦП с промежуточным преобразованием измеряемого напряжения в пропор­циональный интервал времени, который заполняется импульсами сле­дующими с известной частотой. В результате такого преобразования
дискретный сигнал измерительное информации на выходе преобразова­теля имеет вид пачки счетных импульсов, число которых пропорцио­нально измеряемому напряжению.

Рис 8. Графики, поясняющие работу кодоимпульсного вольтметра

 

Цифровые мультиметры. Включение в структурную схему цифрового вольтметра микропроцессора и дополнительных преобразо­вателей позволяет превратить его в универсальный измерительный при­бор - мультиметр.