6.1.2. Вольтметры среднеквадратических значений.

Измерение СКЗ переменных напряжений требует применения измерительного преобразователя переменного напряжения в постоян­ное, имеющего квадратичную характеристику. Тогда если это постоянное напряжение подать на магнитоэлектрический вольтметр, то его показания будут пропорциональными квадрату СКЗ. Если при градуировке шкалы провести операцию извлечения корня, то показания вольтметра будут пропорциональными СКЗ. При этом шкала будет неравномерной.

Еще раз подчеркнем важное обстоятельство: градуировка вольтметра с квадратичным детектором в СКЗ не зависит от формы напряжения, с помощью которого проводилась градуировка. Следовательно, квадратичный вольтметр, проградуированный в СКЗ синусоидального напряжения, при измерении напряжения сложной формы дает СКЗ этого напряжения. Именно поэтому вольтметры СКЗ обеспечивают наиболее высокую точность при измерении СКЗ переменных напряжений, имеющих большое число гармоник.

Выше мы рассмотрели два вида преобразователей с квадратичной характеристикой: детектор с диодной цепочкой и термоэлектрический преобразователь. Детектор с диодной цепочкой обладает значительной нестабильностью параметров, обусловленной нестабильностями элементов. Частотный диапазон ограничен снизу свойствами трансформатора, сверху паразитными параметрами цепочки, индуктивностью проводов, собственной емкостью и составляет 20 Гц100 кГц. Для создания вольтметров общего применения такой диапазон узок.

Лучшие показатели в отношении частотного диапазона имеют термоэлектрические преобразователи. Однако они имеют малую чувствительность, что требует для обеспечения широкого частотного диапазона вольтметра широкополосного усилителя. Другой недостаток состоит в квадратичной шкале вольтметра, что создает в работе с прибором определенные трудности.

Рис. 6.4. Структурная схема милливольтметра среднеквадратических напряжений.

На рис. 6.4 показана структурная схема милливольтметра СКЗ переменных напряжений в диапазоне от десятков герц до десятков мегагерц, в котором устранены указанные недостатки. Это схема прямого преобразования, однако, отдельные ее звенья охвачены глубокой отрицательной обратной связью.

Остановимся прежде всего на схеме линейного преобразователя СКЗ на основе применения двух термопреобразователей. Два одинаковых термопреобразователя и с косвенным подогревом включены встречно на входе УПТ. На нагреватель поступает усиленный измеряемый сигнал , где - коэффициент преобразования входной цепи и усилителя, а нагреватель подключен к выходу УПТ.

Обозначив постоянное напряжение на термопарах и a на выходе УПТ - , можно записать: , где К - коэффициент усиления УПТ.

Каждый из термопреобразователей имеет квадратичную ха­рактеристику, так что и , где - по­стоянная величина, характеризующая термопреобразователь; β - коэффициент обратной связи.

Подставив значения и в уравнение связи , , получим

,

,

поскольку . Тогда .

Можно видеть, что уравнение преобразования вольтметра линейно. Это значит, что шкала будет равномерна. Для достижения такого результата коэффициент усиления УПТ должен быть очень высок. Отметим, что рассмотренный линейный преобразователь не исключает свойства измерять СКЗ напряжений сложной формы.

Рассмотрим другие элементы структурной схемы.

Входное устройство обычно включает в себя истоковый повто­ритель и Т-образные аттенюаторы на высокочастотных резисторах, переключением которых достигается изменение пределов измерения. Широкополосный усилитель переменного напряжения должен обеспечить стабильное усиление в полосе частот от 20 Гц до 50...60 МГц. В усилителе применяется отрицательная обратная связь и аддитивная коррекция. Однако время измерения из-за инерционности термопреобрэзователей составляет 1...3 с.

Погрешность вольтметра включает следующие составляющие: погрешность образцовой аппаратуры, по которой производится градуировка, погрешность градуировки, случайная составляющая погрешности стрелочного индикатора, неидентичность термопар, неравномерность частотной характеристики, нестабильности элементов схемы. Схема позволяет реализовать милливольтметр, измеряющий среднеквадратическое значение напряжения от единиц милливольт до сотен вольт (с делителем) в диапазоне частот 20 Гц...50 МГц с основной погрешностью от 2,5...10 %. Верхние значения погрешности имеют место на краях частотного и динамического диапазона. По схеме, аналогичной рассмотренной, построены вольтметры среднеквадратических значений В3-45, В3-48, В3-42, В3-40, В3-46. Шкалы приборов градуируются в среднеквадратических значениях.