24. Зависимость показаний вольтметров от формы измеряемых напряжений. Алгоритм определения показаний вольтметров.

Многочисленные электронные вольтметры, выпускаемые промышленностью, содержат преобразователи разных типов: пиковые, квадратичные, средневыпрямленного значения. Шкалы электронных вольтметров градуируют в значениях различных параметров напряжения, причем далеко не всегда в значениях того параметра, который соответствует типу преобразователя. Например, преобразователь может быть пиковым, а шкала проградуирована в среднеквадратических значениях синусоидального напряжения. Поэтому при подключении нескольких вольтметров к одному источнику отсчеты могут быть неодинаковыми. Пользователь, измеряющий напряжение, должен уметь правильно определять результат измерений по показанию прибора. Решая эту задачу, опираются на градуировочную характеристику вольтметра. (Градуировочная характеристика средства измерений это зависимость между значениями величины на выходе и входе средства намерений, представленная в виде формулы, таблицы или графика), устанавливающую соотношение между показанием прибора Ап и значением определенного параметра А напряжения, подводимого к входу прибора: Ап= с*А, (5.14) где с градуировочный коэффициент, зависящий от типа преобразователя измеряемого параметра, обеспечивающий получение прямого отсчета при измерении данного параметра. Для большей наглядности удобно представить формулу, определяющую градуировочный коэффициент, в виде: с=(параметр напряжения, в значениях которого проградуирована шкала) / (параметр того же напряжения, соответствующий типу преобразователя) (5.15) Из этой формулы видно, что если шкала вольтметра проградуирована в значениях параметра, соответствующего типу преобразователя, то градуировочный коэффициент с=1. Так, с=1, когда либо преобразователь пиковый и шкала проградуирована в пиковых значениях напряжения, либо преобразователь квадратичный и на шкале нанесены среднеквадратические значения, либо преобразователь средневыпрямленного значения и шкала градуирована в средневыпрямленных значениях. У таких приборов градуировочная характеристика не зависит от формы напряжения, посредством которого производилась операция градуировки шкалы. Найдем градуировочные коэффициенты для случаев, когда нет соответствия между типом преобразователя и значениями параметра, нанесенными на шкалу вольтметра. 1. Преобразователь пиковый, шкала проградуирована в среднеквадратических значениях синусоидального напряжения (в таких ситуациях обязательно следует указать форму напряжения, по которому градуировалась шкала прибора). Тогда согласно 5.15) : с = (среднеквадратическое значение синусоидального напряжения) / (пиковое значение синусоидального напряжения)=1/(корень из 2) 2. Преобразователь средневыпрямленного значения, шкала проградуирована в среднеквадратических значениях синусоидального напряжения: c = (среднеквадратическое значение синусоидального напряжения) / (средневыпрямленное значение синусоидального напряжения) с=1,11. Шкалы подавляющего большинства стрелочных электронных вольтметров переменного тока градуируют в среднеквадратических значениях синусоидального напряжения. Это объясняется тем, что при измерении гармонического напряжения преимущественно интересуются его среднеквадратическим значением U. Если преобразователь вольтметра квадратичный, то, как уже было выяснено, с=1. Тогда показание прибора непосредственно соответствует среднеквадратическому значению напряжения, т. е. An = U. Для преобразователей других типов коэффициент с отличен от 1. Шкалы импульсных вольтметров, предназначенных для измерения максимальных значений Um напряжений импульсов, градуируют в пиковых значениях. Коэффициент с= 1 и показание прибора равно пиковому значению напряжения, поданного на вход вольтметра, т. е. An=Um. Иногда при измерении синусоидального напряжения вольтметром, шкала которого проградуирована в среднеквадратических значениях этого напряжения, интересуются другими параметрами амплитудным (пиковым) или средневыпрямленным значением. Данную задачу несложно решить, но измерения получаются косвенными: для нахождения интересующего пользователя параметра используют известную зависимость между ним и непосредственно измеряемым среднеквадратическим значением. Напомним еще раз, что амплитудное, среднеквадратическое и средневыпрямленное значения синусоидального напряжения связаны строго определенными соотношениями: Um=1,41U; Uср.в = 0,9U, но они справедливы только для сигналов синусоидальной формы. На практике часто приходится измерять параметры напряжений несинусоидальной формы. Разумеется, при большом парке приборов следует выбирать вольтметр, позволяющий осуществить прямые измерения данного параметра напряжения. Но нередки такие ситуации, когда пользователь располагает только вольтметрами для синусоидальных напряжений, а требуется измерить определенный параметр напряжений несинусоидальной формы. Возможен случай, когда имеется прибор для измерения напряжений произвольной формы, шкала которого всегда градуируется в среднеквадратических значениях, а желательно определить, например, пиковое значение напряжения несинусоидальной формы. В подобных ситуациях находят интересующий пользователя параметр исследуемого напряжения, применив вольтметр не по прямому назначению, т. е. проводят косвенные измерения. При измерении напряжений несинусоидальной формы следует ответить на следующие четыре вопроса: 1. Какой параметр несинусоидального напряжения может быть измерен данным вольтметром? 2. Дает ли показание прибора непосредственно значение этого параметра? 3. Если не дает, то как по показанию прибора найти значение параметра, измеряемого данным вольтметром? 4. Как определить значения других параметров? Последовательно ответим на вопросы. 1. Фактически измеряемый прибором параметр напряжения определяется типом преобразователя: каков преобразователь пиковый, квадратичный или средневыпрямленного значения, таков и фактически измеряемый параметр. Данный вольтметр измеряет только параметр, соответствующий типу преобразовавателя. 2. Необходимо знать, в значениях какого параметра проградуирована шкала. Если в формуле 5.14) коэффициент с=1, то прибор показывает непосредственно значение измеряемого параметра, 3. Вычисляем градуировочный коэффициент с согласно 5.15) и, пользуясь градуировочной характеристикой E.14), записываем уравнение, связывающее конкретный параметр напряжения с показанием прибора: А=Ап/с. Так, если преобразователь данного вольтметра пиковый и шкала проградуирована в среднеквадратических значениях синусоидального напряжения, то c=1/корень из 2, A = Um и, следовательно, Um = корень из 2*Ап. 4. Чтобы найти значения параметров напряжения, не соответствующих типу преобразователя, необходимо располагать значениями коэффициентов амплитуды и формы или моделью исследуемого сигнала (описанием формы напряжения), подаваемого на вход вольтметра. Измеряя параметры несинусоидального напряжения вольтметром с закрытым входом, следует учитывать, что на преобразователь поступает напряжение исследуемого сигнала без постоянной составляющей. Форма этого напряжения, отличающаяся от формы напряжения исходного сигнала, характеризуется "своими* значениями коэффициентов амплитуды и формы k'a = U'm/U' и k'ф= U'/U'Cp.B, причем в общем случае k'a не равно ka и к'ф не равно kф. Изложенное показывает, что параметры несинусоидальных напряжений нужно измерять очень вдумчиво, с большим вниманием. Применять прибор с преобразователем, не соответствующим параметру напряжения, который требуется измерить, целесообразно лишь тогда, когда отсутствуют вольтметры, непосредственно измеряющие интересующий нас параметр.