Технические измерения и приборы

Rн I 2 .

m S

При перегреве рабочего спая термопары на величину в цепи термопары возникает термоэлектродвижущая сила

E k ,

где k – коэффициент пропорциональности.

Таким образом, при прохождении измеряемого тока через нагреватель в цепи магнитоэлектрического прибора возникает постоянный ток IV, пропорциональный квадрату среднеквадратического значения измеряемого тока,

E

IV RV ,

где RV – сопротивление магнитоэлектрического прибора.

Поскольку действие прибора основано на тепловом действии тока, то понятно, что магнитоэлектрический прибор с термоэлектрическим преобразователем измеряет среднеквадратическое значение переменного тока любой формы. Шкала термоэлектрического прибора близка к квадратичной.

Термоэлектрические приборы получили распространение преимущественно для измерения токов. В качестве вольтметров они практически не применяются, так как их входное сопротивление чрезвычайно мало.

К достоинствам приборов термоэлектрической системы можно отнести высокую чувствительность к измеряемому току, широкий диапазон частот, а также возможность измерения среднеквадратических значений токов произвольной формы. Недостатками термоэлектрических приборов являются неравномерность шкалы, зависимость показаний от температуры окружающей среды и большая инерционность термопреобразователей. Термоэлектрические приборы очень чувствительны к перегрузкам.

101

В зависимости от назначения термоэлектрические приборы имеют различные пределы измерения (от 1 мА до 50 А), классы точности (от 1,0 до 2,5) и частотный диапазон (от 45 Гц до сотен мегагерц).

4.1.2. Компенсаторы постоянного тока

Измерение тока и напряжения аналоговыми электромеханическими приборами возможно в лучшем случае с погрешностью 0,1 %. Более точные измерения выполняют методом сравнения с мерой. Средства измерений, использующие метод сравнения, называются

компенсаторами или потенциометрами.

Принцип действия компенсатора основан на уравновешивании (компенсации) измеряемого напряжения известным падением напряжения на образцовом резисторе. Момент полной компенсации фиксируется по показаниям индикаторного прибора (нуль-индикатора).

Упрощенная схема компенсатора постоянного тока приведена на рис. 4.13.

Рис. 4.13. Схема компенсатора постоянного тока

Схема содержит источник образцовой ЭДС Ен, образцовый резистор R0, вспомогательный источник питания ВБ, переменное со-

102

противление R, регулировочный реостат R1 и нуль-индикатор НИ. Нуль-индикатором служит обычно гальванометр с нулем посредине шкалы. В качестве источника образцовой ЭДС (меры ЭДС) используется нормальный элемент – изготавливаемый по специальной технологии гальванический элемент, среднее значение ЭДС которого при температуре 20 °С известно с точностью до пятого знака и равно Ен = 1,0186 В. Образцовый резистор представляет собой катушку сопротивления специальной конструкции с точно известным и стабильным сопротивлением.

Процесс измерения напряжения состоит из двух операций: установления рабочего тока и уравновешивания измеряемого напряжения. Для установления рабочего тока переключатель П ставят в положение 1 и, регулируя сопротивление R1, добиваются отсутствия тока в гальванометре. Это будет иметь место в том случае, когда падение напряжения на резисторе R0 станет равным ЭДС нормального элемента,

IR0 Eн .

При этом рабочий ток в цепи R1, R0, R

После установки рабочего тока переключатель П устанавливают в положение 2 и, не изменяя рабочего тока, устанавливают такое значение сопротивления R = Rx, при котором измеряемое напряжение Еx будет уравновешено падением напряжения IRx и ток в цепи гальванометра снова будет отсутствовать. Отсюда

103

Из (4.8) следует, что при постоянстве значений Eн и R0 шкала сопротивления R может быть проградуирована непосредственно в единицах напряжения постоянного тока.

Поскольку в момент равновесия ток в цепи индикатора отсутствует, то можно считать, что входное сопротивление компенсатора, со стороны измеряемого напряжения, равно бесконечности (Rвх = ). Отсюда следует одно из основных достоинств компенсатора – отсутствие потребления мощности от объекта измерения, т.е. возможность измерения ЭДС.

Погрешность компенсатора постоянного тока определяется погрешностями резисторов R, R0, ЭДС нормального элемента, а также чувствительностью индикатора. Современные потенциометры постоянного тока выпускают с классами точности от 0,0005 до 0,2. Верхний предел измерения до 1…2,5 В. При достаточной чувствительности индикатора нижний предел измерения может составлять единицы нановольт.

В современных конструкциях компенсаторов вместо нормального элемента часто используются стабилизованные источники напряжения с более высоким значением стабилизированного напряжения, что позволяет расширить верхний предел измерения компенсатора до нескольких десятков вольт. Для измерения более высоких значений напряжения могут быть использованы схемы с делителем напряжения. При этом, однако, утрачивается основное достоинство компенсационного метода – отсутствие потребления мощности от объекта измерения.

Промышленностью выпускаются компенсаторы с ручным и автоматическим уравновешиванием.

Компенсационные методы используются также для измерения на переменном токе.

4.1.3. Электронные аналоговые вольтметры

При измерении напряжения методом непосредственной оценки вольтметр подключается параллельно тому участку цепи, на котором измеряется напряжение. Для уменьшения методической погрешности измерения собственное потребление вольтметра должно быть

104

мало, а его входное сопротивление велико. Поэтому в схемах электроники при измерении в маломощных цепях применение электромеханических приборов ограничено. Предпочтительнее является использование электронных вольтметров.

Электронные вольтметры представляют собой сочетание электронного преобразователя и магнитоэлектрического или цифрового измерительного прибора.

В отличие от вольтметров электромеханической группы электронные вольтметры постоянного и переменного тока имеют высокие входное сопротивление, чувствительность и малое потребление тока от измерительной цепи. Электронные аналоговые и цифровые вольтметры позволяют производить измерения в широком диапазоне напряжений и частот.

По роду тока электронные вольтметры делятся на вольтметры постоянного напряжения, переменного напряжения, универсальные (постоянного и переменного напряжения в одном приборе) и импульсные. Кроме того, выпускаются вольтметры с частотно-избира- тельными свойствами – селективные.

Рис. 4.14. Электронные вольтметры

Электронные аналоговые вольтметры постоянного тока выполняются по схеме, представленной на рис. 4.14, а. Измеряемое напряжение U подается на входное устройство ВхУ, представляющее собой

105

многопредельный высокоомный делитель напряжения на резисторах. С делителя напряжение поступает на усилитель постоянного тока УПТ и далее – на стрелочный прибор V. Делитель и усилитель постоянного тока ослабляют или усиливают напряжение до значений, необходимых для нормальной работы прибора. Одновременно усилитель обеспечивает согласование высокого сопротивления входной цепи вольтметра с низким сопротивлением рамки прибора магнитоэлектрической системы. Высокое входное сопротивление электронного вольтметра (несколько десятков мегом) позволяет производить измерение напряжения в высокоомных цепях без заметного потребления мощности от объекта измерения.

Чтобы обеспечить необходимую точность вольтметра к усилителям постоянного тока, применяемым в электронных вольтметрах, предъявляются жесткие требования в отношении линейности амплитудной характеристики, постоянства коэффициента усиления, температурного и временного дрейфа нуля. При построении электронных вольтметров для измерения малых напряжений эти требования не всегда могут быть удовлетворены. Поэтому электронные вольтметры постоянного тока для измерения малых напряжений выполняются по схеме (рис. 4.14, б).

В таких вольтметрах постоянное измеряемое напряжение вначале преобразуется модулятором М в переменное, а далее усиление измеряемого сигнала осуществляется усилителем переменного тока У, обладающим лучшими метрологическими характеристиками по сравнению с усилителями постоянного тока. Напряжение, выпрямленное выпрямителем (детектором В), подается на стрелочный прибор V. Это позволяет получить электронные микровольтметры с нижним пределом измерения порядка 10-8 В.

Электронные вольтметры переменного тока выполняют по двум структурным схемам (рис. 4.14, в, г). В первой из этих схем измеряемое переменное напряжение сначала преобразуется в постоянное детектором В, а затем усиливается усилителем постоянного тока. Во второй схеме усиление производится на переменном токе и лишь затем предварительно усиленный сигнал выпрямляется детектором. Эти схемы дополняют друг друга. Каждая из них обладает своими преимуществами и

106

недостатками. Вольтметры, построенные по первой схеме, позволяют измерять напряжение переменного тока в широком частотном диапазоне (10 Гц…1000 МГц), но не дают возможности измерять напряжения меньше нескольких десятых долей вольта, так как детектор выпрямляет только достаточно большие напряжения. Вторая схема позволяет строить более чувствительные вольтметры, нижний предел измерения которых составляет всего лишь единицы микровольт. Однако такие приборы имеют меньший частотный диапазон, поскольку частотный диапазон усилителя переменного тока трудно сделать достаточно широким.

Важнейшим элементом электронного вольтметра, в значительной мере определяющим его метрологические характеристики, является детектор. Напряжение на выходе детектора может быть пропорционально амплитудному, средневыпрямленному или среднеквадратическому значению измеряемого напряжения. Характер этой зависимости определяет, на какое из этих значений реагирует магнитоэлектрический стрелочный прибор. Соответственно, различают вольтметры средних, амплитудных и среднеквадратических значений. Необходимо, однако, помнить, что шкалу электронного вольтметра обычно градуируют в среднеквадратических значениях напряжения синусоидальной формы, и это следует учитывать при измерении и при анализе погрешностей, обусловленных отклонением формы реального измеряемого сигнала от синусоиды.

Простейшими вольтметрами средних значений являются выпрямительные вольтметры, рассмотренные выше на основе пассивных (без применения усилительных схемных элементов) преобразователей средневыпрямленных значений. Преобразователи выполняются на полупроводниковых диодах, работающих на линейном участке вольтамперной характеристики.

Повышение чувствительности, расширение пределов измерения и улучшение линейности функции преобразования в электронных вольтметрах достигается применением активных преобразователей средневыпрямленных значений.

Вольтметры среднеквадратических значений строятся по структурной схеме, приведенной на рис. 4.14, в, г. Детекторы среднеквадратического значения используют квадратичный участок вольтамперной

107

характеристики диода или диодной цепочки, в результате чего постоянная составляющая напряжения на выходе детектора оказывается пропорциональной квадрату среднеквадратического значения измеряемого напряжения, независимо от формы этого напряжения. В некоторых вольтметрах в качестве детектора среднеквадратического значения применяются термоэлектрические преобразователи.

Принцип действия амплитудного детектора (рис. 4.15, а) основан на заряде конденсатора С через диод Д до амплитудного значения измеряемого напряжения и медленном его разряде через нагрузочный резистор R. Из-за различия времени заряда и разряда на конденсаторе появляется постоянная составляющая напряжения. Чем больше отношение постоянной времени разряда конденсатора к постоянной времени его заряда, тем больше напряжение на конденсаторе приближается к амплитудному значению. При синусоидальной форме сигнала u(t) среднее значение напряжения на диоде равно среднему значению напряжения на конденсаторе, но с противоположным знаком. Постоянная составляющая напряжения на конденсаторе С и напряжения на диоде несет информацию об амплитудном значении преобразуемого напряжения. В зависимости от того, какое из этих напряжений принимается за выходное, различают две разновидности амплитудных детекторов. Если выходным служит напряжение на конденсаторе, то получаем амплитудный детектор с открытым входом (см. рис. 4.15), который пропускает постоянную составляющую измеряемого напряжения.

Рис. 4.15. Амплитудный детектор с открытым входом

108

Если выходное напряжение снимается с диода, то имеем амплитудный детектор с закрытым входом (рис. 4.16). При измерении пульсирующего напряжения конденсатор С будет заряжаться до пикового напряжения Umax.

Рис. 4.16. Схема амплитудного детектора с закрытым входом

Амплитудные детекторы с закрытым и открытым входами применяются в универсальных и высокочастотных вольтметрах при измерении в широком диапазоне частот.

Погрешность измерения вольтметра с амплитудным детектором зависит от частоты. Эта погрешность тем больше, чем меньше частота измеряемого напряжения. В промежутках между входными импульсами конденсатор разряжается, поэтому среднее значение напряжения UC меньше амплитуды Um. При повышении частоты интервалы между импульсами меньше и конденсатор разряжается незначительно, поэтому UC выше, чем при низкой частоте. При достаточно низких частотах UC может значительно отличаться от амплитуды Um. Относительная погрешность преобразования при этом оценивается по формуле

где Т – период измеряемого напряжения.

Одним из существенных недостатков вольтметров с амплитудным детектором является зависимость показаний прибора от формы сигнала. Обычно шкала амплитудных вольтметров градуируется в среднеквадратических значениях синусоидального напряжения, тогда как отклонение стрелки прибора пропорционально амплитуде напряжения. Поэтому

109

показания, отсчитанные по шкале стрелочного прибора, справедливы только при измерении синусоидальных напряжений.

При произвольной форме сигнала, если значение kф для этого сигнала неизвестно, измерение среднеквадратического значения напряжения оказывается невозможным.

На аналоговые электронные вольтметры установлены классы точности от 0,1 до 25. Обычные классы точности 2,5; 4,0.

4.2. ЦИФРОВЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ ВОЛЬТМЕТРЫ

Принцип работы цифровых измерительных приборов основан на дискретном представлении непрерывных величин. Непрерывная величина x(t) – величина, которая может иметь в заданном диапазоне Д бесконечно большое число значений в интервале времени Т при бесконечно большом числе моментов времени (рис. 4.17, а). Величина может быть непрерывной либо по значению, либо по времени.

110