11.3.4 Электронные аналоговые приборы

Общие сведения. Как было сказано в (электромеханические приборы с преобразователями) в качестве преобразователей переменного тока в постоянный наряду с выпрямительными и термоэлектрическими преобразователями используют преобразователи на электронных элементах.

Объединение таких преобразователей с магнитоэлектрическими приборами дают группу приборов, носящих название электронных приборов.

Благодаря применению электронных устройств удается расширить функциональные возможности средств измерений и обеспечить высокий уровень их метрологических характеристик. Это, в первую очередь, относится к:

1. К высокой чувствительности приборов.

2. Широкому диапазону измерений.

3. Малой потребляемой мощности от измеряемой цепи.

4. Широкому частотному диапазону и др.

1. В настоящее время широкое признание получили такие приборы, как электронно – лучевые осциллографы, электронные вольтметры, омметры, анализаторы спектра и др. В то же время некоторые аналоговые приборы, например частотомеры и фазометры, вытесняются соответствующими цифровыми приборами, что обусловлено относительной простотой преобразования этих параметров в кодовый сигнал.

2. Весьма разнообразен перечень выпускаемых промышленностью электронных измерительных преобразователей электрических величин с аналоговым выходным сигналом. Такие преобразователи имеют, как правило, унифицированный выходной сигнал, в частности, в виде напряжения постоянного тока 0 – 10В или постоянного тока 0 – 5 мА. Эти преобразователи широко используются в измерительных информационных системах.

11.3.4.1 Электронные вольтметры

В электронных вольтметрах измеряемое напряжение преобразуется с помощью аналоговых электронных устройств в постоянный ток, который подается на магнитоэлектрический измерительный механизм со шкалой, градуированной в единицах напряжения. Электронные вольтметры обладают:

1. Высокой чувствительностью.

2. Широким диапазоном измеряемых напряжений (от десятка нановольт на постоянном токе до десятков киловольт)

3. Большим входным сопротивлением (более 1Мом).

4. Могут работать в широком частотном диапазоне (от постоянного тока до частот порядка сотен мегагерц).

Эти достоинства обусловили широкое распространение электронных вольтметров.

Наиболее часто в электронных вольтметрах применяют схемы с прямым преобразованием сигналов. В этом случае аналоговые электронные узлы могут вносить значительные погрешности. Особенно это сказывается при измерении малых напряжений или напряжений высоких частот. Поэтому электронные вольтметры обычно имеют относительно невысокие классы точности (1- 6). Вольтметры с уравновешивающим преобразованием, как правило, имеют более высокие классы точности (0,2 – 2,5), но они более сложны и менее удобны в эксплуатации.

В настоящее время выпускается множество различных типов вольтметров. По своему назначению и принципу действия наиболее распространенные вольтметры могут подразделены на вольтметры:

1. Постоянного тока.

2. Переменного тока.

3. Универсальные.

4. Импульсные.

5. Селективные.

Вольтметры постоянного тока. Упрощенная структурная схема таких вольтметров

ВД –входной делитель напряжения; УПТ – усилитель постоянного тока; ИМ – магнитоэлектрический измерительный механизм.

Рис. 11.1 – Структурная схема электронного вольтметра постоянного тока

Угол отклонения указателя измерительного механизма , где - коэффициенты преобразования (усиления) соответственно ВД и УПТ, - чувствительность по напряжению измерительного механизма; - коэффициент преобразования электронного вольтметра; - измеряемое напряжение.

Есть вольтметры, у которых и основное назначение УПТ в этом случае – обеспечить большое входное сопротивление вольтметра, есть вольтметры (микровольтметры) у которых достигает больших значений ( ) за счет применения специальных схем, убирающих «дрейф» нуля у УПТ (самопроизвольное изменение выходного сигнала).

Вольтметры переменного тока. Такие вольтметры состоят из преобразователя переменного напряжения в постоянное, усилителя и магнитоэлектрического измерительного механизма. Возможны две обобщенные структурные схемы вольтметров переменного тока (рис 11.2), различающиеся своими характеристиками. В вольтметрах по схеме рисунка 11.2 а) измеряемое напряжение сначала преобразуется в постоянное напряжение, которое затем подается на УПТ и ИМ, являющиеся, по существу, вольтметром постоянного тока. Преобразователь Пр представляет собой малоинерционное нелинейное звено (см. далее), поэтому вольтметры с такой структурой могут работать в широком частотном диапазоне (от десятков герц до 10 ³ МГц).

а) б)

Рис. 11.2 – Структурные схемы вольтметров переменного тока

В вольтметрах, выполненных по схеме 11.2. б), благодаря предварительному усилению удается повысить чувствительность. Однако создание усилителей переменного тока с большим коэффициентом усиления, работающих в широком диапазоне частот, - достаточно трудная техническая задача. Поэтому такие вольтметры имеют относительно низкий частотный диапазон (1 – 10МГц); верхний предел измерений при максимальной чувствительности составляет десятки или сотни микровольт.

В зависимости от вида преобразователя переменного напряжения в постоянное отклонения указателя измерительного механизма вольтметров могут быть пропорциональны:

1. Амплитудному (пиковому).

2. Среднему (средневыпрямленному)

3. Действующему значениям измеряемого напряжения.

В связи с этим вольтметры называют соответственно вольтметрами амплитудного, среднего или действующего значения (среднеквадратического). Однако независимо от вида преобразователя шкалу вольтметров переменного тока , как правило, градуируют в действующих значениях напряжения синусоидальной формы.

Вольтметры среднего значения имеют преобразователи переменного напряжения в постоянное, аналогичные преобразователям, используемым в выпрямительных приборах, у них

Вольтметры действующего значения имеют преобразователь переменного напряжения с квадратичной статической характеристикой преобразования . В качестве такого преобразователя используют термопреобразователи, квадратирующие устройства с кусочно – линейной аппроксимацией параболы, электронные лампы и другие, у них

У вольтметров амплитудного значения преобразователь служит для выделения амплитудного значения измеряемого напряжения. Вольтметры выпускаются для измерения напряжения от 1мВ до 150В, у них

Преобразователь, служащий для выделения амплитудного значения, строится по схеме:

( в общем случае может присутствовать). Конденсатор через диод заряжается в положительный полупериод до напряжения . При разряде падения на будет равно разности . Т.е. .

Т.е. это разность падения напряжения на не зависит от . После фильтрации переменной составляющей напряжения на цепочке напряжение на выходе будет .

Универсальные вольтметры. Такие вольтметры предназначены для измерения напряжений постоянного и переменного токов. Обобщенная структурная схема показана рис. 11.3., где – переключатель. В зависимости от положения переключателя вольтметр работает по схеме вольтметра переменного тока с преобразователем (положение 1) или вольтметра постоянного тока (положение 2).

В универсальных вольтметрах, называемых также комбинированными, часто предусматривается возможность измерения сопротивлений в таких вольтметрах имеется преобразователь , выходное напряжение которого зависит от неизвестного сопротивления: на основание этой зависимости шкала прибора градуируется в единицах сопротивления. При измерении резистор с неизвестным сопротивлением подключается к входным зажимам преобразователя, а переключатель ставится в положение 3.

где представляет собой

Рис.11.3 – Универсальный вольтметр

Кроме рассмотренных вольтметров переменного ока, в настоящее время выпускаются диодно – компенсационные вольтметры.

Принцип действия таких вольтметров поясняется схемой основными элементами, которой являются: диод ; высокочувствительный гальванометр – нуль – индикатор ; образцовый делитель напряжения .

В отсутствие ток через диод не протекает.

При подключении напряжения при < через диод начинает протекать некоторый ток, вызывая отклонения указателя нуль – индикатора. Увеличивая (по модулю) компенсационное напряжение , добиваются отсутствия тока через . В момент, когда ток в исчезает, . Отсчет снимают по положению рукоятки . Высокая чувствительность и высокая точность установки позволяют получать малые погрешности измерений (до 0,2%).

Эти вольтметры являются наиболее точными из существующих электронных вольтметров, обладают высоким входным сопротивлением, широким частотным диапазоном (до 10³ МГц). Недостаток прибора – сложность эксплуатации.

Для измерения амплитуды импульсных сигналов различной формы применяют импульсные вольтметры. Особенности работы импульсных вольтметров определяется малой длительностью измеряемых импульсов (от 10 –100 нс) и значительной скважностью Ө = (до 10⁹), где - период следования импульсов.

Импульсные вольтметры градуируют в амплитудных значениях измеряемых импульсов.

Селективные вольтметры. Такие вольтметры предназначены для измерения действующего значения напряжения в некоторой полосе частот или действующего значения отдельных гармонических составляющих измеряемого сигнала.