Измерение напряжения
электронными аналоговыми вольтметрами
Аналоговые вольтметры прямого преобразования
К аналоговым вольтметрам относятся электромеханические и электронные вольтметры, в которых измеряемое напряжение преобразуется в пропорциональное значение постоянного тока, измеряемое МЭ приборами.
Обобщенная структурная схема аналогового вольтметра прямого преобразования:
Ux |
В У |
И П |
И У |
|
ВУ входное устройство (в простейшем случае аттенюатор); ИП измерительный преобразователь ИУ – индикаторное устройство
Для вольтметра постоянного тока : ИП = УПТ.
Ux= |
В У |
У П Т |
МЭИМ |
|
Угол отклонения указателя измерительного механизма:
KВУ KУПТ SU Ux |
KV Ux |
KВУ ; KУПТ - коэффициенты преобразования входного устройства и УПТ,
SU – чувствительность по напряжению измерительного механизма;
Kv – коэффициент преобразования электронного вольтметра.
Ux= – измеряемое напряжение.
Шкала вольтметра постоянного тока равномерная
Недостаток:
Из-за нестабильности работы УПТ, характеризующейся изменением коэффициента преобразования KУПТ и дрейфом нуля, у вольтметров постоянного тока с прямым преобразованием верхний предел измерений при наибольшей чувствительности - от единиц до десятков мВ.
Для уменьшения влияния нестабильности УПТ, предусматривается возможность коррекции нуля перед измерением и коэффициента преобразования УПТ.
В |
высокочувствительных |
вольтметрах |
постоянного |
тока |
(микровольтметрах) применяют усилители, построенные по схеме модулятор
– демодулятор (М – ДМ).
Структурная схема:
Ux= |
УПрТ |
|
МЭИМ |
Модулятор |
Демодулятор |
Генератор
Uвых = Uср =k·Ux=
Такая схема позволяет практически полностью убрать дрейф нуля и имеет стабильный высокий коэффициент усиления.
Верхний предел измерений у микровольтметров при наибольшей чувствительности - единицы микровольт при основной приведенной погрешности γ= 0,5 – 6 %.
Вольтметры переменного и импульсного тока
Схема 1 - Измеряемое напряжение с помощью детектора Д
преобразуется в постоянное напряжение, которое затем измеряется вольтметром постоянного тока.
Ux~ |
|
|
|
|
|
|
Ux= |
|
|
|
|
|
|
||
В У |
|
|
|
Д |
|
|
УПТ |
|
|
|
ИМ |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Схема 2 - Измеряемое напряжение сначала усиливается с помощью УПрТ, а затем детектируется и измеряется.
U |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Ux= |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
x~ |
В У |
|
|
|
УПрТ |
|
|
|
Д |
|
|
|
ИМ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Схема 1 – широкий диапазон частот (20 – 500 МГц, в некоторых случаях до ГГц). Чувствительность низкая – несколько дел / мВ.
Схема 2 – чувствительность намного выше, УПрТ имеют значительно больший коэффициент усиления, чем УПТ, нижний предел измерений ограничивается собственными шумами УПрТ. Полоса частот по сравнению со схемой 1 уже, ограничивается полосой пропускания УПрТ (не более 50 МГц).
Вольтметры, построенные по обеим схемам, могут иметь широкий диапазон измеряемых напряжений за счет изменения коэффициента преобразования (коэффициента деления) ВУ и коэффициента усиления усилителей.
Вольтметры импульсного тока (В4) проектируют только по схеме 1 (с детектором на входе), чтобы избежать искажений формы импульсов в УПрТ.
В зависимости от типа детектора различают вольтметры:
1.амплитудного;
2.среднеквадратического;
3.средневыпрямленного напряжения.
Вольтметры среднеквадратического значения
- используются бесконтактные вакуумные термопреобразователи, аналогичные преобразователям в термоэлектрических амперметрах.
|
ТП 1 |
U3 |
U |
|
|
U1 |
ИУ |
|
x |
|
|
|
|
УПТ |
|
ТП 2 |
|
|
|
|
|
U2 |
|
Выходное напряжение ТП1 |
|
U |
1 |
k |
|
U 2 |
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
T |
|
СК |
|
|
|
||
Выходное напряжение ТП2 |
|
U |
2 |
k |
|
U |
2 |
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
T |
|
3 |
|
|
||||
На вход УПТ подается напряжение |
U |
1 |
U |
2 |
k (U 2 |
|
U 2 ) |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
T |
СК |
|
3 |
|||
Напряжение на выходе УПТ |
U |
3 |
k |
|
|
k |
(U |
2 |
|
U 2 ) |
||||
|
|
|
|
|
УПТ |
|
T |
|
СК |
3 |
||||
Если параметры схемы выбрать так, чтобы kУПТ kT U32 U3
U3 UСК
т.е. шкала индикаторного устройства вольтметра СК значения – равномерная.
Основная погрешность вольтметра СК значения напряжения зависит от неидентичности параметров ТП и увеличивается с их старением до 2,5 – 6 %.
Достоинство:
Такие вольтметры обеспечивают измерение сигналов, имеющих большое количество гармонических составляющих.
Недостаток:
Сравнительно большое время измерения (1 - 3 с), определяемое инерционностью термопреобразователей.
Показания вольтметров среднеквадратического значения не зависят от формы измеряемого напряжения. Соответствуют значению Uск при всех формах сигнала.