Izmeritelnye_preobrazovateli_Mironov

Входная цепь (ВЦ) приведенного на рис. 19.2 вольтметра средних значений представляет собой делитель из n резисторов R. С помощью переключателя, перемещающегося по неподвижным контактам делителя, выбирают необходимое значение измеряемого напряжения. Выбранное напряжение подается на выпрямительный мост, собранный на диодах D1, D2, D3, D4, и далее (после выпрямления) – на измеритель И магнитоэлектрической системы. Графики напряжений и токов, действующих в рассматриваемой схеме, приведены на рис. 19.3.

Рис. 19.3. Графики напряжений и токов: (t) – мгновенное значение измеряемого напряжения; i1(t) – мгновенное значение тока в положительные полупериоды измеряемого напряжения; i2(t) – мгновенное значение тока в отрицательные полупериоды измеряемого напряжения; io(t) – мгновенное значение тока, протекающего через измеритель;

Icp – среднее значение тока; t – время

Работа вольтметра средних значений протекает в следующей последовательности. При положительном полупериоде измеряемого напряжения (в этом случае «+» приложен к точке «а» схемы и «–» приложен к точке «в» (см. рис. 19.2)) ток i1 протекает по цепи: точка «а» – сопротивление R – диод D1 – измеритель И – диод D2 – сопротивление RД – точка «в». При отрицательном полупериоде измеряемого напряжения («+» в точке «в», «–» в точке «а») ток i2

311

протекает по цепи: точка «в» – сопротивление RД – диод D3 – измеритель И – диод D4 – переключатель П – резистор R – точка «а».

Через измеритель И в оба полупериода протекает суммарный ток i0, являющийся током двухполупериодного выпрямления.

Измеритель И магнитоэлектрической системы реагирует на средний ток Icp. Показания измерителя:

α = K I Icp ,

1 T

Icp = T ∫0 i0 (t)dt ,

где α – показание прибора (измерителя);

KI – коэффициент пропорциональности по току; Iср – среднее значение тока;

T – период измеряемого напряжения.

Icp = U cp ,

R∑

где Uср – среднее значение измеряемого напряжения; R∑ – суммарное сопротивление в цепи измерителя.

Подставляя в (19.1) значение Icp по (19.3), получаем

(19.1)

(19.2)

(19.3)

α =	K I	U cp ,		(19.4)
	R∑
α = К2		Uср	,	(19.5)

где К2 – коэффициент пропорциональности по среднему значению напряже-

ния.

Полученное выражение (19.5) свидетельствует, что показания рассматриваемого вольтметра (см. рис. 19.2) прямо пропорциональны среднему значению измеряемого переменного напряжения.

U =	1	T∫[U (t)]2 dt	(19.6)
	T 0		,
	312

Uср = U ,

kф

где U – действующее (эффективное) значение измеряемого напряжения; kф – коэффициент формы.

Подставляя (19.7) в (19.5), получаем

α= К2 U = K U , kф

(19.7)

(19.8)

где К – коэффициент пропорциональности по действующему значению синусоидального напряжения;

kф = 1,11 – для синусоидального напряжения.

Описываемый вольтметр является вольтметром средних значениий и, согласно (19.5), может быть проградуирован в средних значениях (Uср) независимо от формы измеряемого напряжения.

При градуировке прибора в действующих значениях измеряемого напряжения его показания, согласно (19.8), зависят от формы этого напряжения. Для синусоидального напряжения будут одни показания прибора, для прямоугольного напряжения – другие показания, для треугольного – третьи и т. д.

Если вольтметр проградуирован в действующих значениях, то в обязательном порядке указывается форма измеряемого напряжения. Как правило, такие вольтметры предназначены для измерения действующих значений синусоидальных напряжений. Измерение напряжений, отличных от синусоидальных, приводит в этом случае к появлению дополнительных погрешностей, которые тем больше, чем больше измеряемое напряжение отлично от синусоидального.

Отметим, что рассматриваемые вольтметры называют также приборами выпрямительной системы. Обозначения этих приборов приведены в приложении (см. прил. 4).

Дополнительные сведения по вольтметрам средних значений приведены в литературных источниках [1; 2; 5; 36].

313

19.3. Вольтметры амплитудных значений

В зависимости от принципа построения различают вольтметры амплитудных значений (или «пиковые вольтметры») с открытым входом (рис. 19.4) и вольтметры с закрытым входом (рис. 19.6). На рис. 19.5 приведены временные диаграммы сигналов вольтметров амплитудных значений с открытым входом.

Рис. 19.4. Схема амплитудного вольтметра с открытым входом:

~U – измеряемое (входное) напряже-	И – измеритель магнитоэлектрической
ние;	системы;
D – полупроводниковый диод;
С – емкость конденсатора;	Ro – внутреннее сопротивление измери-
R – постоянное сопротивление;	теля

Рис. 19.5. Временные диаграммы сигналов амплитудных вольтметров с открытым входом: u(t) – мгновенное значение измеряемого (входного) напряжения; uc (t) – мгновенное значение напряжения на конденсаторе; i3 – мгновенное значение тока заряда

Рассмотрим работу амплитудных вольтметров с открытым входом при подаче на вход синусоидального напряжения. Пусть в некоторый момент вре-

мени t0 на вход рассматриваемого вольтметра (см. рис. 19.4) прикладывается

314

синусоидальное напряжение U = Umsin(wt), которое через открытый диод D начинает заряжать конденсатор C.

Постоянная времени заряда Т3:
T3 = (Rc+Rд)·С	(19.9)

где RC – внутреннее сопротивление источника сигнала; RД – сопротивление открытого диода;

C – емкость конденсатора.

Конденсатор C заряжается до амплитудного значения измеряемого на-

пряжения Uт (см. рис. 19.5) при выполнении условия
T3 < 0,5T,	(19.10)
где T – период измеряемого напряжения.

На этом же рисунке показан зарядный ток i3 в первую четверть периода (от t0 до t1). С момента времени t1 входное напряжение уменьшается, диод закрывается. Конденсатор будет разряжаться через сопротивления R и R0 (ток разряда ip) до момента времени t2, когда входное (измеряемое) напряжение становится равным напряжению на конденсаторе, после чего диод открывается и конденсатор подзаряжается до Um (момент времени t2–t3). Ток подзаряда в моменты времени от t2 до t3 показан на рис. 19.5. Аналогично происходит подза-

ряд конденсатора в моменты времени t4–t5 и t6–t7.
Постоянная времени разряда конденсатора С:
Тр = (R+R0),	(19.11)
где Тp – постоянная времени разряда;
R – сопротивление цепи;

R0 – внутреннее сопротивление измерителя магнитоэлектрической системы. Для медленного разряда конденсатора необходимо выполнить условие:

Tp >> T.	(19.12)
При выполнении условия (19.12) среднее значение напряжения на кон-
денсаторе Uср близко к Um (см. рис. 19.5), т. е.
U m =U cp .	(19.13)
315

Показания измерителей магнитоэлектрической системы пропорциональны средним значениям электрических величин. С учетом (19.13) можно записать:

α = k Um	(19.14)
,

где α – показание амплитудного вольтметра; k – коэффициент пропорциональности;

Um – амплитуда входного (измеряемого) напряжения.

При наличии постоянной составляющей во входном сигнале ±U0 выходное напряжение (и соответственно показание) амплитудного вольтметра с открытым входом пропорционально величине Um±U0, т. е.

α = k(U m ±U0 ) .

(19.15)

Приведенная на рис. 19.4 схема предназначена для измерения амплитуды входного сигнала положительной полярности. Для измерения амплитуды отрицательной полярности необходимо изменить полярность включения диода.

На рис. 19.6 приведена схема амплитудного вольтметра с закрытым вхо-

дом.

Рис. 19.6. Схема амплитудного вольтметра с закрытым входом: U – действующее значение измеряемого (входного) напряжения; Rф, Cф – сопротивление и емкость фильтра;

Uвых – выходное напряжение; R – постоянное сопротивление

В этой схеме процесс заряда конденсатора аналогичен процессу, рассмотренному в схеме амплитудного вольтметра с открытым входом. Напряжение на конденсаторе устанавливается и остается близким к значению Um. С помощью фильтра RфСф напряжение усредняется. Выходное напряжение Uвых постоянно и

316

близко к Um. Амплитудные вольтметры с закрытым входом не реагируют на постоянную составляющую входного (измеряемого) напряжения.

Напряжение Uвых может быть измерено с помощью, например, измерителя магнитоэлектрической системы так же, как для амплитудных вольтметров с открытым входом. В этом случае уравнение шкалы для вольтметров с закрытым входом аналогично уравнению шкалы для вольтметров с открытым входом (см. соотношение (19.14)).

Следует отметить, что лучшие результаты обеспечивает подключение магнитоэлектрических измерителей к амплитудным вольтметрам через электронные усилители. Использование электронных усилителей позволяет легче выполнить условие (19.12) и получить более благоприятные метрологические характеристики приборов.

Рассмотренные вольтметры обычно градуируются в амплитудных значениях измеряемого напряжения. В этом случае показания вольтметров не зависят от формы входного (измеряемого) напряжения. Если же приборы проградуированы в действующих значениях синусоидального напряжения, то при измерении напряжений другой формы необходимо делать соответствующий пересчет с учетом коэффициента амплитуды измеряемого напряжения.

Более детально с амплитудными вольтметрами можно ознакомиться по литературным источникам [1; 2; 36].

19.4. Конденсаторные частотомеры

Электронные конденсаторные частотомеры используются для измерения частоты периодических напряжений в диапазоне от 20 Гц до 500 кГц. Приведенная погрешность таких приборов обычно находится в пределах 1,0–2,5 %.

Принцип действия электронного конденсаторного частотомера поясняется схемой, приведенной на рис. 19.7, и временными диаграммами, приведенными на рис. 19.8.

317

Рис. 19.7. Схема электронного конденсаторного частотомера:

УФ – усилитель-формирователь; ЭК – электронный ключ; D1, D2 – полупроводниковые диоды; И – измеритель магнитоэлектрической системы; R, R1 – постоянные сопротивления

Pис. 19.8. Временная диаграмма сигналов электронного конденсаторного частотомера:

u(t) – входной сигнал;	uc(t) – напряжение на конденсаторе С;
uф(t) – напряжение на выходе усили-	ip – ток разряда
теля – формирователя;

Напряжение, частота которого изменяется u(t) (рис. 19.7, 19.8), подается на вход усилителя-формирователя УФ, усиливающего входное напряжение и

318

формирующего из него прямоугольное напряжение. Этим напряжением управляется схема электронного ключа ЭК. Предполагается, что при отрицательных сигналах ЭК разомкнут, а при положительных замкнут. При разомкнутом состоянии ключа в течение половины периода конденсатор С через RA заряжается до значения Е. Ток заряда i3 протекает через диод D1. При замыкании ЭК конденсатор С разряжается через замкнутый ключ, измеритель И и диод D2.

Заряд конденсатора С до напряжения питания произойдет при выполнении условия

tЗ < 0,5T ,

(19.16)

где t3 – время заряда;

Т – период входного напряжения.

Полный разряд конденсатора С произойдет при выполнении условия

t p < 0,5T ,

(19.17)

где tp – время разряда.

При выполнении условий (19.16) и (19.17) конденсатор С за первую половину периода запасает заряд q. За вторую половину периода это количество

электричества проходит через измеритель И.
q = E C ,	(19.18)

где Е – ЭДС источника питания.

Показания измерителя магнитоэлектрической системы пропорциональны среднему току, проходящему через него.

α = K П I cp ,					(19.19)
	T	∫0
Icp =	1	t	ip (t)dt ,		(19.20)
	t
q = ∫ip (t)dt ,					(19.21)
0
	f	=	1	,	(19.22)
			T

319

где α – показания прибора;

KП – коэффициент пропорциональности;

Iср – среднее значение разрядного тока;

ip – мгновенное значение тока разряда конденсатора; t – текущее время;

f – частота входного напряжения.

На основании соотношений (19.18)–(19.22) можно записать:

α = K П	1	q = K П f	E C	,	(19.23)
	T
K = K П E C ,					(19.24)
	α = K f ,				(19.25)

где К – коэффициент пропорциональности по частоте.

Выражение (19.25) свидетельствует, что показания рассматриваемого прибора прямо пропорциональны частоте входного сигнала.

Дополнительные сведения по электронным конденсаторным частотомерам приведены в литературных источниках [1; 2].

19.5. Омметры

Электронные омметры широко используются для измерения активных сопротивлений резисторов, контактов, изоляции, поверхностных и объемных сопротивлений и в других случаях.

Погрешность таких омметров составляет от 1–2 до 10–15 %. Особенно велики погрешности при измерении особо больших сопротивлений (при R > (1010–1012) Ом). В зависимости от диапазона измерений рассматриваемые приборы называют миллиомметрами, омметрами, мегаомметрами, тераомметрами.

Работа электронных омметров основана, как правило, на преобразовании измеряемого сопротивления в постоянное напряжение, которое подается на магнитоэлектрический измеритель со шкалой, проградуированной в единицах сопротивления.

320