книги из ГПНТБ / Савенко, В. Г. Измерительная техника учеб. пособие

шать основной погрешности на частоте, при которой про1 изводилась градуировка. В расширенной — погрешности будут большими. Одной из основных причин частотной по­ грешности является возможность резонанса во входной це­ пи вольтметра. Анализируя эквивалентную схему входной цепи вольтметра (см. рис. 5.20), можно найти несоответ­ ствие между искомым напряжением Ux и напряжением UBX, которое подается на измерительную схему вольтметра. Действительно, если для простоты считать /?вх» о о , то

Uвк —

где / — частота измеряемого напряжения; / 0 — резонансная частота.

Из этого выражения следует, что допустимая абсолют­ ная погрешность измерений ÄU— ÜBX— Ux будет при опре­ деленном допустимом значении /, и при ее увеличении по­ явятся дополнительные частотные погрешности. Они зависят от входной емкости вольтметра Свх и от индуктив­ ности L3к, определяемой в основном длиной соединительных проводов.

Кроме того, на сверхвысоких частотах могут возникать погрешности, обусловленные инерцией электронов, так как при таких частотах время пролета электронов между элек­ тродами лампы становится соизмеримым с периодом изме­ ряемого напряжения. В этом случае индикатор будет пока­ зывать напряжение меньшее, чем измеряемое, из-за того, что электроны не успевают достичь анода лампы в момент максимума положительной полуволны измеряемого напря­ жения и попадают на него несколько позже. Но не только

ветствие между напряжениями искомым 1)т и измеряемым в схеме £Л;.Ср меньше при низких частотах (см. рис. 5.22), так как разряд конденсатора до точек ІІС5 , Uc6t... и т. д.

190

б промежутках между импульсами будет большим, чем при высоких частотах. Поэтому, если частота измеряемого на­ пряжения f будет меньше расчетной, то будут также возни­ кать дополнительные частотные погрешности.

Неправильное подключение вольтметра к измеряемому объекту создает значительные погрешности. У всех элек­

гласно схеме рис. 5.31. При этом уравнивают­

ся потенциалы зажимов б—з и закорачивается паразитная емкость Са. Зажимы б—з при измерении высоких напря­ жений обязательно надо заземлять. Если же зажим а под­ соединить к зажиму з, то измеряемый объект будет нагру­ жаться еще паразитной емкостью Сп и его выходное напря­ жение исказится.

Кроме рассмотренных частотных погрешностей возмож­ ны дополнительные погрешности от изменения формы из­ меряемого напряжения. Так, при измерении амплитудным вольтметром высокочастотного несинусоидального напря­ жения может возникнуть некоторая резонансная погреш­ ность на какой-нибудь гармонике измеряемого напря­ жения.

При измерении амплитудным вольтметром несинусои­ дального периодического напряжения с узкими пиками мо­ гут возникать погрешности из-за того, что в течение малой длительности пика напряжения конденсатор детектора не успевает зарядиться до максимального значения.

Дополнительные погрешности может вызывать также и усилитель, если он имеет недостаточно широкую полосу

191

пропускания. В вольтметрах со схемой усилитель-детектор такой усилитель будет передавать измеряемое напряжение с искажениями.

Дополнительные температурные погрешности возникают за счет изменения параметров схемы вольтметров от изме­ нения температуры. Особенно значительны они могут быть в схемах с полупроводниковыми диодами и транзисторами.

Электронные вольтметры имеют погрешность и за счет нестабильности напряжения питания. При его изменении на ±10% от номинального значения эта погрешность мо­ жет достигать нескольких процентов (0,5±3% ).

Классы точности электронных вольтметров определяют­ ся ГОСТом. Действующий сейчас ГОСТ 9781—67 устанав­ ливает следующие классы точности: 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0; 6,0. Это значение основных приведенных погрешно­ стей, выраженных в процентах. В многопредельных вольт­ метрах различные пределы измерения могут иметь различ­ ные классы точности.

Г р а д у и р о в к а , п о в е р к а в о л ь т м е т р о в

При изготовлении и выпуске электронных вольтметров производят их градуировку (калибровку), а также поверку и определение класса точности. В заводских условиях ка­ либровка и поверка может осуществляться на образцовых установках или технологических приспособлениях, выдаю­ щих различные калиброванные напряжения, а также по образцовому вольтметру методом сравнения. При этом до­ пустимая погрешность образцового прибора или установки должна быть по крайней мере в три раза меньше допускае­ мой погрешности поверяемого вольтметра.

В настоящее время при градуировке электронных вольт­ метров при низких частотах широко используются повероч­ ные установки типа В 1-2, В 1-4. Они позволяют воспроизво­ дить необходимые напряжения от долей милливольта до 300 в, с погрешностью 0,5-4-1 % при частотах 55, 400

и 1000 гц.

Процесс калибровки или поверки сводится к установле­ нию зависимости между отклонением стрелки индикатора вольтметра и величиной напряжения, подводимого к входу вольтметра. Частота напряжения может быть различной. Градуировку производят на частотах 50/55, 400 гц, 1,10 кгц\ 1, 10 Мгц. Более точную градуировку производят на рабо­ чих частотах. Если показания вольтметра не зависят от ча­

1 9 2

стоты в широком диапазоне, то его градуируют и поверяют на частоте 50 гц по образцовому электродинамическому

вольтметру класса 0,2 или 0,5, Схема градуировки электронных вольтметров на низкой

частоте показана на рис. 5.32. Напряжение, подаваемое на градуируемый (поверяемый) вольтметр Ux может регули­ роваться с помощью потенциометра R і, реостата /?з, дели-

Рис. 5.33. Структурная схема поверки электронных вольт­ метров при высоких частотах

теля напряжения R — Ri^-Rs, состоящего из магазинов со­ противления. Ограничение нелинейных искажений произ­ водится с помощью фильтра, а установка необходимого напряжения по образцовым вольтметрам Uо. С помощью пе­ реключателей П\ и П2 изменяется диапазон подаваемых на и х напряжений. Таким образом, можно производить гра­ дуировку в диапазоне от милливольт до нескольких сотен

вольт. При работе с делителем напряжения R напряжение,

О

подводимое к Ux, определяется отношением Ut = U0 — — .

Функциональная схема поверки (градуировки) элек­ тронных вольтметров на высоких частотах приведена на рис. 5.33. В этом случае также производится сравнение по­ казаний поверяемого и образцового вольтметров, но при подаче на них напряжений от вспомогательного высокочас­ тотного генератора. В качестве образцового применяются компенсационные вольтметры (§ 5.11), а в цепь генератора включаются фильтры для исключения погрешностей от гар­ монических составляющих. При градуировке электронных

Рис. 5.34. Структурная схема поверки электронных милли­ вольтметров

милливольтметров и микроамперметров используются об­ разцовые делители напряжения (рис. 5.34).

Измерительные схемы экранируются от воздействия электромагнитных полей и заземляются.

§ 5.10. КОМПЕНСАЦИОННЫЙ МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ И СИЛЫ ТОКА

Принцип компенсационного метода

Наиболее точные измерения напряжения и силы тока производятся компенсационным методом. Принцип этого метода состоит в уравновешивании (компенсации) неиз­ вестной э. д. с. Е х (рис. 5.35, а) известным падением напря­ жения UK на образцовом сопротивлении RK. Момент ком­ пенсации определяется по нулевому показанию гальвано­ метра Г, и следовательно, Ех= £/ц = #к/р.

Величина рабочего тока /р в этом случае будет вполне определенной; она устанавливается в рабочей цепи, питае­ мой вспомогательной батареей Е т с помощью регулируе­

мого сопротивления R ^ и определяется по амперметру.

194

В момент компенсации такая схема не потребляет мощно­ сти от объекта измерения и позволяет с большой точностью измерять э. д. с. генераторов постоянного тока.

Компенсаторами или потенциометрами называются устройства для производства измерений компенсационным

Рис. 5.35. Схемы:

а — компенсации; б —» компенсатора; в — измерения тока

вспомогательная батарея ВБ и регулируемое сопротивле­ ние Rper, нормальный элемент Е н, гальванометр Г и изме­ ряемое напряжение Ux. В отличие от схемы рис. 5,35, а здесь рабочий ток /р определяется более точно с помощью образцовых мер э. д. с. и сопротивления RB. Для этого пе­ реключатель П ставят в положение 1 и с помощью Дрег до­ биваются нулевого показания гальванометра Г. Это озна­

= En/Rg, которая при дальнейших измерениях не должна изменяться. После этого переключатель П устанавливают в положение 2 и определяют Их подбором такого падения напряжения R lv (изменяя R ), которое компенсировало бы Ux. При нулевом показании гальванометра

Ux ~ R ip — Е н .

Компенсатор состоит из набора высокоточных резисто­ ров, позволяющих получать нужные падения напряжения. С помощью компенсатора косвенным методом можно из­ мерить силу тока Іх■ Для этого в цепь тока Іх (рис. 5,35, в) включают образцовое сопротивление Д„(Д„<СД) и изме­ ряют на нем падение напряжения Ux. Значение измеряемо­ го тока определим из выражения

h = и х; я в.

Принцип действия компенсаторов переменного тока

Этот принцип такой же, как и постоянного: измеряемое напряжение (э. д. с.) уравновешивается известным напря­ жением, создаваемым переменным рабочим током на ак­ тивных сопротивлениях вспомогательной цепи. Полного уравновешивания добиться в этом случае труднее, так как при этом, кроме равенства по модулю измеряемого и ком­ пенсирующего напряжений, надо иметь еще противополож­ ность их фаз, равенство их частот, идентичность форм кривых.

Равенство напряжений по модулю и противоположность их фаз обеспечивается конструкцией компенсаторов. Ра­ венство частот соблюдается при питании объекта измере­ ния и компенсатора от одного источника (например, от сети 50 гц). Использование в качестве нулевого индикато­ ра гальванометров, имеющих острую настройку на резо­ нансную частоту, позволяет производить компенсацию по основной гармонике, если форма кривых напряжения не­ сколько отличается друг от друга.

Компенсаторы переменного тока имеют меньшую точ­ ность измерений, чем компенсаторы постоянного, так как

196

рабочий ток устанавливается по амперметрам (в лучшем случае класса 0,1 или 0,2).

В зависимости от способа уравновешивания по величи­ не и фазе измеряемого и известного напряжений компенса­ торы переменного тока подразделяются на полярно-коор­ динатные и прямоугольно-координатные. Компенсаторы

Сдвиг фаз обеспечи­ вается при помощи воздушного трансформатора с коэффи­

циентом взаимоиндукции М.

В каждую цепь включаются измерительные сопротивле­ ния (калиброванная проволока — реохорд) 1—1 и 2—2, имеющие чисто активные сопротивления. Средние точки реохордов соединены перемычкой О—О. С помощью движ­ ков Д\ и Д 2 молено с каждого реохорда снимать падение напряжения соответственно Ux= r\I\ и U2= r 2h , которые по фазе совпадают с токами. Вектор падения напряжения относительно точки О может быть положительным или от­ рицательным. Для наглядности на рис. 5.36 реохорды сме­

пенсирующего напряжения можно изменять перемещением

1 9 7

движков Д\ и Дг вдоль реохордов. При нулевом показании нуль-индикатора (НИ) будет соблюдаться равенство

и , = / Щ + Ц .

Против каждого реохорда устанавливают шкалу. Ее градуируют в единицах напряжения. Для реохорда 1—1 это можно сделать потому, что величина тока І\, обуслов­ ленная источником питания (сеть, специальные генерато­ ры) компенсатора и регулируемая с помощью реостата R, поддерживается постоянной. Установка тока и контроль осуществляются амперметром. Для реохорда 2—2 это также можно выполнить при условии, что ток /2 будет оп­ ределенным и неизменным. Связь между токами обеих цепей определяется соотношением

Из этого следует, что неизменность тока /2 по отноше­ нию к / 1, а следовательно, и возможность градуировки шкалы реохорда в вольтах будут при постоянном коэффи­ циенте пропорциональности между токами. Поэтому для случая отклонения / от номинального значения во второй цепи предусмотрено регулировочное сопротивление Rf, по­ зволяющее в определенных пределах изменения частоты поддерживать постоянным отношение токов.

198

§ 5.11. КОМПЕНСАЦИОННЫЕ ВОЛЬТМЕТРЫ

Использование принципа компенсации позволило соз­ дать компенсационные электронные вольтметры, с по­ мощью которых производят измерение постоянных, пере­ менных и импульсных напряжений с высокой точностью. В этих вольтметрах осуществляется уравновешивание из­ меряемого напряжения известным постоянным напряже­ нием; они являются прецизионными приборами, использу­ ющимися часто для поверки электронных вольтметров [24],

Рис. 5.37. Схема диодного компенсацион­ ного вольтметра

Принцип построения диодных компенсационных вольт­ метров показан на рис. 5.37. В этой схеме UbX— измеряе­ мое напряжение, а UK— компенсирующее регулируемое потенциометром R и определяемое но показанию высоко­ точного вольтметра V. Перед проведением измерений пере­ ключатель U устанавливают в положение 1, а движок по­ тенциометра R — в нижнее положение (компенсирующее напряжение UK= 0). При этом вход вольтметра закорочен и через гальванометр Г протекает ток, обусловленный толь­ ко термоэмиссией диода. Значение этого тока принимается за нулевую отметку гальванометра и при повторных изме­ рениях поддерживается путем стабилизации и регулировки тока накала диода. Затем переключатель переводят в по­ ложение 2 и регулировкой компенсирующего напряжения UK добиваются прежнего показания гальванометра. После измерения вновь переводят ключ входа в положение 1 и убеждаются в сохранении постоянства нулевой отметки гальванометра.

Достоинства компенсационного вольтметра: он не на­ гружает (за исключением входной емкости, которая может быть очень мала) источник сигнала и что стрелочный инди­ катор питается от независимого источника, что позволяет применить в качестве индикатора точный прибор с малым

199