1.3. Універсальні вольтметри

Універсальні вольтметри призначені як для вимірювання в ланцюгах постійного струму, так і для вимірювання в ланцюгах змінного струму. Їх узагальнену структуру зображено на рис.8.3. Робота приладу зрозуміла зі схеми і не потребує додаткових пояснень.

Рис. 8.3

До безперечних переваг електронних вольтметрів належать:

– великій вхідний опір,

– мала споживана потужність,

– широкий частотний діапазон,

– широкий динамічний діапазон.

Недоліками електронних вольтметрів порівняно з електромеханічними до певної міри можна вважати:

– необхідність джерел живлення для електронних блоків,

– невисоку точність (клас 2,5; 4,0), що пояснюється нестабільністю елементів електронних схем.

Імпульсні, селективні та фазочутливі вольтметри відрізняються, в основному, наявністю в їх структурах додаткових електронних вузлів. В імпульсних вольтметрах – це перетворювачі амплітудних значень сигналів, в селективних – це смугові частотні фільтри, що дозволяють вимірювати напруги окремих частотних складових (вибирати або селектувати ці складові) складних за своїм спектром сигналів, в фазочутливих, або векторних – це синхронні детектори (див. фазометрію), які дозволяють зробити показання вольтметрів чутливим не тільки до амплітуди гармонічної напруги, але й до її фазового зсуву відносно певного зразкового сигналу.

2. Компенсатори постійного струму

Вольтметри – не єдиний клас приладів, що здатний вимірювати напругу. Для виконання найбільш відповідальних вимірювань напруг з підвищеною точністю застосовують більш складні схеми, що реалізують метод зрівноваження. До числа таких схем належать компенсатори та вимірювальні мости.

Компенсаторами (або потенціометрами) називають прилади для вимірювання електрорушійних сил, напруг чи функціонально пов’язаних з ними величин, і які реалізують метод зрівноваження. Існують компенсатори постійного і змінного струмів. Схему найпростішого компенсатора постійного струму зображено на рис.8.4. Ідея метода полягає у тому, що невідома напруга порівнюється з падінням напруги на резисторі R_k. Сила робочого струму регулюється резистором R_р і контролюється міліамперметром mА. Вимірювальна напруга зрівноважується рівним за величиною та протилежним по знаку значенням напруги компенсації _. Момент досягнення рівноваги фіксується гальванометром G, а величина регулюється резистором R_k. При досягненні рівноваги U_х=U_k , отже

. (8.3)

Рис. 8.4

Окремо слід відзначати, що в зрівноваженому режимі схема не споживає струм з вимі-рювального ланцюга, оскільки сумарне падіння напруги в контурі “Ux - гальванометр – резистор ” дорівнює 0.

В схемі на рис.8.4 згадано новий для нас тип приладу – гальванометр. Що таке гальванометр? Гальванометр - це високочутливий магнітоелектричний прилад, який призначено для вимірювання надто малих струмів, напруг та кількості заряду. Найчастіше гальванометри застосовують як індикатори нуля. Висока чутливість гальванометрів забезпечується тим, що:

1) рухома частина гальванометра закріплюється на підвісі з тонкої пружинної стрічки, яка одночасно створює протидіючий момент і слугує одним струмопроводом;

2) другий струмопровід виконано з безмоментної срібної фольги;

3) рамка гальванометра виконана безкаркасною для зменшення моменту інерції рухомої частини;

4) пристрій заспокоєння відсутній.

В гальванометрах як правило застосовують оптичний пристрій відліку, який складається з люстерка, яке кріплять на рухомій частині, джерел світла з вузьким променем та шкали з міліметровими рисками. Люстерком, що обертається разом з рухомою частиною (рамкою зі струмом) промінь відбивається на шкалу і зміщується вздовж останньої.

З рівняння вимірювання компенсатора (8.3) витікає, що результат вимірювання залежить від - напруги допоміжного джерела._. Тому в практичних схемах компенсаторів для підвищення точності вимірювання застосовують високостабільні джерела напруги – т.з. нормальні елементи, а струм визначають не амперметром, а також компенсатором. Нормальний елемент – це гальванічний елемент, який слугує зразковою мірою електрорушійної сили (е.р.с.). Його високі метрологічні характеристики забезбечуються спеціальним підбором матеріалу електродів та електроліту (додатній електрод виконано із ртуті, від’ємний – з амальгами кадмію, а як електроліт застосовують водні розчини CdSO₄ або ZnSO₄). Нормальний елемент забезпечує постійну в часі е.р.с. з точно відомим значенням Е_н.е.=1,01865 В при температурі t⁰= 20⁰С, внутрішньому опорі = 500¸100 Ом і робочому струмі І=1 мкА.

Нижче на рис.8.5 розглянуто схему з вимірюванням робочого струму компенсаційним методом. Робота компенсатора вико-нується в 2 етапи. На першому (перемикач SW в лівому положенні) за допомогою R_p встановлюється робочий струм І

. (8.4)

На цьому етапі значенню Ен.е. протиставляють падіння напруги на резисторі навантаження Rн. У зрівноваженому режимі . На другому етапі (перемикач SW в правому положенні) значення вимірюваної напруги зрівноважують падінням напруги на частині Rк¢ зразкового каліброваного резистору Rк

Рис. 8.5

. (8.5)

Отже в рівнянні вимірювання відсутнє значення джерела напруги. Для зручності, як правило, обирають =10^-nА, наприклад = 0,0001А.

За допомогою компенсаторів можна вимірювати е.р.с. та напруги з дуже високою точністю – до 0,0005¸0,5% в діапазоні U_х<2,5 В. Це зумовлено тим, що резистори R_н та R_р, а також нормальний елемент Е_н можуть мати похибки, які не перевищують 0,001%.

В наведеній схемі процес вимірювання не автоматизовано, що ускладнює процедуру вимірювання та подовжує час вимірювання. Цей недолік усунуто в наступній схемі автоматичного компенсатора рис.8.6, в якій реалізовано слідкуючий режим роботи. Автоматичний режим дозволяє значно зменшити час, необхідний для виконання операції компенсації.

Рис. 8.6

Напруга U_х компенсується напругою U_аб, яка формується між точками а, б схеми. Якщо компенсація не відбулась, то напруга U_х – U_аб після перетворення та підсилення діє на реверсивний двигун. Останній пов’язаний механічно з рухомим контактом реохорда (змінного резистора ) та реєструючим пристроєм. Необхідний робочий струм задається резистором .

Похибка вимірювання автоматичних компенсаторів не перевищує 0,5%, поріг чутливості - долей мілівольта.