2. Электронные вольтметры.
В электронных вольтметрах измеряемое напряжение преобразуется с помощью аналоговых электронных устройств в постоянный ток, который подается на магнитоэлектрический ИМ, шкала которого градуирована в единицах напряжения. Достоинства электронных вольтметров, обусловившие их широкое применение, следующие:
а) высокая чувствительность;
б) большой динамический диапазон измеряемых значений (от мкВ до сотен вольт);
в) высокое входное сопротивление и малая входная емкость;
г) могут работать в широком частотном диапазоне (от постоянного тока до сотен МГц).
Наиболее часто электронные вольтметры (ЭВ) имеют структуру прямого преобразования сигналов измерительной информации. Поэтому некоторые структурные элементы схемы могут вносить значительные погрешности. Особенно это существенно при измерении малых напряжений или высоких частот. Поэтому вольтметры имеют сравнительно невысокие классы точности (1…6).
Промышленность выпускает много типов вольтметров. По назначению и принципу действия они подразделяются на:
- вольтметры постоянного тока;
- вольтметры переменного тока;
- универсальные вольтметры;
- импульсные вольтметры;
- селективные вольтметры.
2.1. Вольтметры постоянного тока.
Упрощенная структурная схема этих вольтметров приведена ниже.
Рисунок 2.1 - Структурная схема вольтметра постоянного тока.
На этой схеме: ВД – входной делитель напряжения; УПТ – усилитель постоянного тока; ИМ - магнитоэлектрический измерительный механизм.
Уравнение шкалы вольтметра записывается следующим образом:
где:
,
,
- коэффициенты преобразования ВД, УПТ
и ЭВ;
- чувствительность по напряжению ИМ.
Последовательное
включение ВД и УПТ является характерным
для этих
вольтметров. Это дает возможность
сделать ЭВ многопредельным за счет
изменения в широких пределах
.
Однако значительное повышение
чувствительности ЭВ путем повышения
наталкивается на значительные технические
трудности, обусловленные нестабильностью
коэффициента усиления УПТ и дрейфом
нуля на его выходе. Поэтому в ЭВ
имеет порядок нескольких единиц, а его
основное назначение – согласование ВД
и ИМ. Для снижения влияния нестабильности
УПТ в ЭВ предусматриваются две регулировки:
«Установка нуля» (коррекция аддитивной
погрешности) и «Калибровка» (коррекция
мультипликативной погрешности). Эти
регулировки осуществляются путем
установки «нуля» УПТ и путем изменения
коэффициента усиления УПТ.
В высокочувствительных
вольтметрах постоянного тока
(микровольтметрах) применяют УПТ на
несущей частоте. Такая схема имеет очень
малый дрейф нуля и стабильный коэффициента
усиления (
= 3∙105
у вольтметра В2-25). Поэтому лучшие
микровольтметры имеют высокую
чувствительность (порядка нескольких
мкВ), широкий динамический диапазон и
достаточно малую погрешность (порядка
±0,5 %).
2.2 Вольтметры переменного тока.
Вольтметры переменного тока состоят из преобразователя переменного напряжения в постоянное, усилителя и магнитоэлектрического ИМ. Возможны две структурные схемы таких вольтметров, различающиеся своими характеристиками.
Рисунок 2.2 - Структурные схемы вольтметров переменного тока.
В схеме «а» УПТ и ИМ по сути дела представляют собой вольтметр постоянного тока. Преобразователь ПР здесь малоинерционное нелинейное звено, поэтому такие вольтметры могут работать в широком частотном диапазоне, но имеют низкую чувствительность.
В схеме «б» благодаря предварительному усилению напряжения UХ удается повысить чувствительность, но трудно обеспечить широкополосность (это связано с трудностью создания усилителя переменного тока, имеющего высокий коэффициент усиления и широкую полосу пропускания). Чувствительность таких вольтметров достигает несколько десятков мкВ.
В зависимости от вида преобразователя ПР показания вольтметров могут быть пропорциональны амплитудному (пиковому), среднему (средне выпрямленному) или действующему значениям измеряемого напряжения. В связи с этим различают вольтметры амплитудного, среднего или действующего значения. Однако не смотря на вид ПР, шкалу вольтметров переменного тока , как правило, градуируют в действующих значениях гармонического напряжения.