Измерение напряжения

Измерение напряжения

Общие требования к вольтметрам

1. Большое входное сопротивление (Rвх); сотни кОм – десятки Мом.

2. Малая погрешность измерения. У аналоговых вольтметров – (0,1-5)%, у ЦВ на несколько порядков ниже.

3. Малая входная емкость (1-20) пФ.

4. Широкие пределы измерений (единицы микровольт – десятки тысяч вольт).

5. Широкий диапазон рабочих частот (от постоянного тока до ~ 1 ГГц).

Вольтметры и частотомеры (счетчики) составляют (50-70)% всех измерительных приборов.

Классификация вольтметров

1. По принципу действия: выпрямительные, термоэлектрические, цифровые, цифровые с микропроцессором.

2. По назначению: постоянного тока, переменного тока, универсальные, комбинированные, специального назначения (импульсные, фазочувствительные, измерители напряжённости тока, селективные), установки для поверки вольтметров, измерители нестабильностей.

3. По назначению измеряемого напряжения: пиковые (амплитудные), действующего (среднеквадратического) значения, средневыпрямленного значения.

4. По методу измерения: вольтметры непосредственной оценки, измерители методом сравнения (компенсационные).

5. По способу индикации: со стрелочной индикацией, цифровые, с осциллографическим индикатором, с печатающим устройством.

6. По частотному диапазону: постоянного тока, низкочастотные, высокочастотные и сверхвысокочастотные.

Примечание: мгновенные значения напряжений наблюдают на осциллографе и определяют для каждого момента времени по осциллограмме.

Вольтметры градуируют на sin напряжение (k=1,41; k=1,11) в действующих или пиковых значениях.

Если с помощью этих приборов измеряют не sin напряжение, то показания прибора следует переоценить в соответствии с другими соотношениями между амплитудным, действующим и средневыпрямленным напряжениями, т.е. необходимо учесть значения k и k.

Аналоговые вольтметры (кроме измерителей импульсных напряжений) градуируются в действующих значениях sin напряжения.

Примеры форм напряжений

1. Напряжение пилообразной формы

k== 1,73; k==1,16

2.Напряжение прямоугольной формы (теандр)

U=Um; Uср.в.= Um; k=1; k=1

k=; k=

Um – амплитудное значение, U – действующее значение, Uср.в – средневыпрямленное значение

Измерители уровня градуируют в дб. За напряжение нулевого уровня U принимают действующее значение напряжения, выделяющее на градуированном сопротивлении R. Мощность в 1 МВт – абсолютный нулевой уровень мощности. Т. о. U связано с R соотношениями: P= Вт = ; U=В.

Например, при R= 600 Ом , действующее значение напряжения U=0,775В; при R= 1000 Ом напряжение U= 0,333 В. При градуировке прибора для измерения уровня в дб.

P = 20 lg () (дБ); = U

Пример: определим амплитудное значение пилообразного напряжения (k=1,16; k= 1,73) при условии, что показания вольтметра, реагирующего на средневыпрямленные значения и градуированного в действующих значениях напряжения равно .

= =1,8

Методы измерения

1. Метод непосредственной оценки – основан на использовании прямо показывающих приборов.

2. Метод сравнения (точность более высокая) с помощью компенсаторов постоянного и переменного токов; компенсационных схем. Это косвенный метод измерения (применяется при градуировании).

Приборы непосредственной оценки

В зависимости от вида преобразования приборы называются детекторными (выпрямительными) или термоэлектрическими .

Аналоговые вольтметры выполняются в основном по двум схемам:

а) детектор – УПТ;

б) усилитель переменного тока – детектор.

а)

б)

Вольтметры типа а) измеряют постоянное и переменное напряжение от десятых долей вольта до нескольких сотен вольт в диапазоне от единиц Гц до порядка единиц ГГц.

Вольтметры типа б) измеряют малые напряжения переменного тока от единиц мкВ (и меньше) до единиц вольт.

ВУ – обеспечивает большое входное сопротивление ( до 10 МОм ; - (1÷30) пФ).

Большое входное сопротивление с усилителем переменного тока обеспечивается эмиттерным повторителем, при детектировании сигналов в выносной головке (а) – применением детекторных схем с высокоомным входом.

Различают детекторы с “открытым” и “закрытым” входом для постоянной составляющей.

Усилители переменного тока имеют заданный, высокостабильный коэффициент усиления.

Калибраторы вырабатывают sin напряжения высокой стабильности и определенного значения. Напряжение подается на вход прибора для проверки попаданий. Если попадания отличаются от требуемого, производится корректировка коэффициента усиления (сравнить – калибровка в ЦИП, в частности ЦВ с МП).

Аналоговые вольтметры

Измерение амплитуды импульсного напряжения аналоговым вольтметром с открытым входом.

Rід – сопротивление диода при прямом включении;

C – зарядная емкость;

R – сопротивление нагрузки;

Rп – сопротивление прибора (при расчётах пренебрегаем).

График напряжения при измерении пиковым детектором в установившемся режиме импульсного напряжения

Um – амплитуда импульсного напряжения;

Uc – напряжение на конденсаторе;

Uср – среднее значение напряжения на конденсаторе;

 – длительность импульса;

Т – период импульсного процесса;

tp =T- .

Uср = (1);

Um –Uср – абсолютная погрешность измерения;

– относительная погрешность измерения.

Пример: а) для tp/;Uср = 0,99Um; = = 0,01;1%

tp/; Uср = 0,5Um; = = 0,5;50%

Используя (1):

1. При фиксированных значениях отношения (; ; ; ; ) построить графики зависимостей для отношений (1000; 500; 100; 50; 10).

2. Для значений = 1%; 2%; 5% фиксированных (; ; ; ; ) определить соотношения при которых погрешность измерения 1%; 2%; 5%.

Интегрирующие цифровые вольтметры с преобразованием напряжения в частоту

Интегрирующие вольтметры сочетают высокую помехоустойчивость с достаточным быстродействием. Один из вариантов – рассмотренный метод двойного интегрирования. Второй вариант основан на преобразовании измеряемого напряжения в частоту с последующим измерением среднего значения частоты за установленный период времени.

Структурная схема интегрирующего цифрового вольтметра с преобразованием напряжения в частоту

ВУ – входное устройство;

ПНЧ – преобразователь напряжения в частоту;

ЦЧ – цифровой частотомер;

УУ – управляющее устройство.

Преобразования Ux должно быть линейным

– постоянное напряжение

.

При действии симметричной помехи (напряжение питания Sin и др.)

обеспечивается усреднением за интервал, равный периоду напряжения помехи.

. Т.е.= , т.е. измеренное среднее значение частоты равно частоте соответствующей напряжению , искаженному помехой.

Преобразование в импульсные, частоты следования которых пропорциональны этому напряжению, т.е.

позволяет заменить интегрирование измерением за определённый временной интервал