3.6. Измерение переменных токов и напряжений магнитоэлектрическими приборами с преобразователями рода тока

Общие замечания. Высокая чувствительность, точность и малое потребление мощности выгодно отличают магнитоэлектрические приборы от других электромеханических приборов. Ввиду этого понятно стремление использовать магнитоэлектрические приборы для измерений на переменном токе. Эта задача решена путем пре­образования переменного тока в постоянный с последующим его измерением магнитоэлектрическим прибором.

В качестве преобразователей переменного тока в постоянный применяются полупроводниковые диоды, термопреобразователи, электронные лампы и транзисторы. В соответствии с типом исполь­зуемого преобразователя различают приборы выпрямительные, термоэлектрические и электронные.

Полупроводниковые диоды имеют большой срок службы, малые габариты и массу, что позволяет делать выпрямительные приборы компактными, простыми, надежными в работе и отличающимися высокой чувствительностью и малым потреблением мощности. Однако нелинейность характеристик полупроводниковых диодов, их температурная и частотная зависимости, а также нестабильность во времени приводят к снижению точности выпрямительных прибо­ров. Класс точности выпрямительных приборов обычно 1,5–2,5. Частотный диапазон таких приборов ограничен пределом 40–50 кГц, что объясняется влиянием собственной емкости диодов.

Термоэлектрические преобразователи обладают малыми емко­стями и индуктивностями, ввиду чего показания термоэлектриче­ских приборов мало зависят от частоты. Использование теплового действия измеряемого тока в термоэлектрических приборах приводит к заметной потребляемой мощности. Термоэлектрические приборы применяются главным образом в качестве высокочастотных ампер­метров.

Электронные измерительные приборы занимают особое место среди магнитоэлектрических приборов с преобразователями пере­менного тока в постоянный. В ряде случаев электронные приборы оказываются незаменимыми, и их применение значительно расши­ряет возможности электроизмерительной техники. К числу основ­ных достоинств электронных приборов нужно отнести их повышен­ную чувствительность по сравнению с другими электромеханиче­скими приборами переменного тока. Указанное свойство достигается за счет использования усилительных свойств электронных ламп и транзисторов. Приборы могут работать в широком диапазоне ча­стот – от постоянного тока до частот 10³ МГц. Практическое от­сутствие потребления мощности от исследуемого источника поз­воляет использовать их для измерений в маломощных цепях.

Наряду с достоинствами электронные приборы обладают также и недостатками, к числу которых следует отнести их сравнительно невысокую точность и необходимость внешних источников пита­ния.

Наиболее распространены в настоящее время электронные вольт­метры постоянного и переменного тока, приборы для измерения па­раметров электрических цепей, электронные фазометры, частото­меры и др.

Выпрямительные приборы. Эти приборы представляют собой соединение магнитоэлектрического измерительного механизма с вы­прямителями на германиевых или кремниевых диодах.

В зависимости от схемы включения диодов и измерительного ме­ханизма производится одно– или двухполупериодное выпрямление переменного тока. В схемах первого типа (рис. 3.31, а) через изме­рительный механизм проходит только одна полуволна переменного тока, а обратная – пропускается через диод Д₂ и резистор R. Цепь из диода Д₂ и резистора R (R = R_и) в этой схеме используется для выравнивания сопротивления выпрямительной схемы в обе по­ловины периода, а также защищает от пробоя диод Д₁ при обратной полуволне тока и при использовании этой схемы в вольтметре.

В схемах второго типа выпрямленный ток проходит через изме­рительный механизм в обе половины периода, и, следовательно, –Чувствительность этих схем выше, чем у однополупериодных. На рис. 3.31, б показана наиболее распространенная двухполупе–риодная схема выпрямления – мостовая.

Выпрямительные свойства диодов характеризуются коэф­фициентом выпрямления

где I_пр и I_обр – токи, протека­ющие через диод в прямом и обратном направлении; R_пр и R_обр – соответственно прямое и обратное сопротивление диода.

Значение k_в зависит от приложенного к диоду напряжения, ча­стоты, протекающего тока и температуры окружающего воз­духа.

Рис. 3.31. Схемы включения измери­тельного механизма и диодов при однополупериодном (а) и двухполупе–риодном (б) выпрямлении

В мостовых схемах включения на каждый диод приходится меньшее напряжение, чем в однополупериодных, что приводит к сни­жению коэффициента k_в. Поэтому для измерения малых напряже­ний применяют однополупериодную схему выпрямления.

Иногда в мостовых схемах двухполупериодного выпрямления используются лишь два диода, а остальные заменяются постоян­ными резисторами. При этом уменьшается температурная погреш­ность схемы, однако снижается ее чувствительность.

Если измеряется переменный ток i = I_m sinωt, то мгновенное значение вращающего момента измерительного механизма при про­текании по его рамке пульсирующего выпрямленного тока согласно выражению (3.6)

Вследствие инерционности подвижной части измерительного механизма ее отклонение будет определяться не мгновенным, а средним значением вращающего момента М_ср.

Для однополупериодной и двухполупериодной схем выпрямле­ния соответственно получаем:

где Т – период и I_ср – среднее значение измеряемого тока.

Угол поворота подвижной части измерительного механизма при одно– и двухполупериодном выпрямлении соответственно равен:

Из выражений (3.41) видно, что у выпрямительных приборов от­клонение подвижной части пропорционально среднему значению измеряемого тока I_ср. При измерениях в цепях переменного тока обычно нужно знать действующее значение тока (напряжения). Учитывая, что действующее значение тока связано со средним ра­венством I_ср=I/k_ф, где k_ф – коэффициент формы кривой тока, для двухполупериодной схемы выпрямления получим

Очевидно, что выпрямительный прибор может быть отградуиро­ван в действующих значениях тока (напряжения) только для за­данной формы кривой (для синусоиды кф = 1,11). Если же форма кривой измеряемого тока (напряжения) отлична от заданной, в по­казаниях прибора появляется погрешность.

Зависимость коэффициента выпрямления диодов от температуры, приложенного напряжения и частоты протекающего тока, а также влияние формы кривой измеряемого тока обусловливают значитель­ные погрешности выпрямительных амперметров и вольтметров. Снижение погрешностей обычно производится схемным путем.

Сочетание магнитоэлектрического измерительного механизма, схемы выпрямления с шунтами или добавочными резисторами об­разует выпрямительные ам­перметры или вольтметры.

Рис. 3.32. Схемы выпрямительных милли­вольтметра (а) и вольтметра (б)

Схемы выпрямительных вольтметров приведены на рис. 3.32. Схема рис. 3.32,а применяется в вольтметрах с небольшими пределами из­мерения. Уменьшение экви­валентного сопротивления выпрямляющего моста при увеличении температуры ок­ружающей среды компенси­руется увеличением сопротив­ления добавочного резистора, выполненного частично из ме­ди. В вольтметрах для боль­ших напряжений (рис. 3.32, б) сильнее сказывается уменьшение коэффициента, k_в диодов с повышением температуры окружающей среды, и по этой причине применяется шунт к выпрямляющему мосту. Шунт частично выполнен из меди. Уменьшение частотной–погрешности достигается включением конденсатора С (рис. 3.32, а) или катушки индуктивности L (рис. 3.32, б). С повышением частоты шунтирующее действие емкости диодов увеличивается и показания прибора за счет снижения общего коэффициента выпрямления умень­шаются. Благодаря емкости С, шунтирующей в схеме рис. 3.32, а часть R_д, при повышении частоты общий ток вольтметра возра­стает, что компенсирует уменьшение выпрямленного тока. В схеме рис. 3.32, б при повышении частоты уменьшается доля тока, ответ­вляющаяся в шунт, содержащий катушку индуктивности L, что также приводит к компенсации частотной погрешности.

Выпрямительные миллиамперметры на малые пределы измере­ния могут изготовляться для непосредственного включения в цепь без шунта. Амперметры имеют шунты, которые необходимы для расширения пределов измерения и для компенсации погрешностей от изменения частоты и температуры.

Схемы выпрямительных амперметров на малый и на большой токи приведены на рис. 3.33.

Рис. 3.33, Схемы выпрямительных амперметров на малый (а) и на большой (б) токи

Компенсация погрешности от изменения температуры и частоты у выпрямительных амперметров производится по тому же прин­ципу, что и у вольтметров.

Выпускаемые в настоящее время выпрямительные приборы мо­гут практически применяться только для измерения синусоидаль­ных токов и напряжений из-за большого влияния формы кривой.

Выпрямительные приборы в большинстве случаев выполняются комбинированными, т. е. путем переключений в схеме с помощью переключателей одним и тем же прибором можно измерять как постоянные, так и переменные токи и напряжения, а также изме­рять сопротивления по схеме омметра (см. § 3.8). Приборы обычно снабжаются многопредельными шунтами и добавочными резисто­рами и, таким образом, имеют несколько пределов измерения по току и по напряжению. Диапазон измерения для большинства Выпрямительных приборов, выпускаемых отечественной промыш­ленностью, составляет: по току – от 3 мА до 6 А, по напряжению – от 75 мВ до 600 В (предел 75 мВ – только для постоянного напря­жения), по сопротивлению – от 0,5 кОм до 5 МОм.

Шкалы выпрямительных приборов на постоянном и переменном токе различаются. Из–за нелинейности вольт–амперных характе­ристик диодов при малых значениях переменных токов (напряже­ний) шкала в начальной части (10–15%) неравномерная.

Использование полупроводниковых усилителей в схемах комбинированных приборов приводит к повышению чувствительности приборов – расширению диапазона измеряемых переменных токов и напряжений в сторону малых значений.

Примером могут служить выпускаемые серийно милливольтмикроампер–метры типа Ф431/2, пределы которых по переменному току составляют 0,01– 5 мА, по напряжению 0,005–300 В. Класс точности прибора 2,5 (для предела 5 мВ – класс точности 4,0).

Промышленностью выпускаются щитовые выпрямительные приборы для измерения переменных токов и напряжений. К их числу относится многопредель­ный микроамперметр типа Ц4207 класса точности 2,5 для переменных токов до 500 мкА в диапазоне частот от 30 Гц до 20 кГц. Существуют самопишущие выпря­мительные вольтметры (типа Н343), а также вольтметры для диапазона низких и повышенных частот класса точности 4,0.

Основные достоинства выпрямительных приборов – высокая чувствительность, малое потребление мощности от объекта измере­ния, возможность работы на повышенных частотах. Выпрямитель­ными приборами без частотной компенсации можно пользоваться для измерения токов и напряжений до частот 500–2000 Гц; в при­борах с частотной компенсацией рабочий диапазон частот расширя­ется до 50 кГц.

Точность выпрямительных приборов относительно невысока – класс точности обычно 1,5–2,5.

Термоэлектрические приборы. Термоэлектрический прибор пред­ставляет собой соединение одного или нескольких термопреобра­зователей с магнитоэлектрическим измерительным механизмом.

Рис. 3.34. Устройство и схемы включения термопреобразователей

В контактном термопреобразо­вателе (рис. 3.34, а) термопара 1 имеет тепловой и гальванический контакт с нагревателем 2. В каче­стве нагревателя используется тон­кая проволока, изготовленная из материала, допускающего длитель­ные нагревы (до 600–800 °С) и имеющего низкий температурный коэффициент сопротивления (ни­хром, платиноиридий и др.). К се­редине нагревателя приваривается рабочий конец термопары. К свободным концам термопары присоединяется магнитоэлектри­ческий измерительный механизм.

Бесконтактные термопреобразователи, в которых нагреватель и рабочий конец термопары отделены изолирующей прослойкой, могут быть использованы для создания термобатарей, состо­ящих из нескольких термопар, соединенных последовательно (рис. 3.34, б).

Для повышения чувствительности термопреобразователя поль­зуются мостовой схемой включения термопар (рис. 3.34, е). Мостовая схема термопреобразователя имеет ограниченное применение на постоянном токе из–за проявления эффекта Пельтье, т. е. раз­личного выделения теплоты в рабочем конце термопары при изменении направления тока. Поэтому показания прибора с мостовым термопреобразователем, отградуированным на переменном токе, отличаются от показаний на постоянном токе.

Термо–э.д.с., развиваемая термопреобразователем, пропорцио­нальна количеству теплоты, выделенному измеряемым током в на­гревателе: Количество теплоты, в свою очередь, пропорционально квадрату действующего значения измеряемого тока. Ток в цепи измерительного механизма I_и = E/R_и, где Е – термо–э. д. с; R_и – сопротивление цепи рамки измерительного механизма. Таким обра­зом, показания термоэлектрического прибора будут пропорциональ­ны квадрату действующего значения измеряемого тока. Квадра­тичный характер шкалы прибора сохраняется на начальном ее участке, а затем искажается за счет увеличения потерь теплоты нагревателем.

Теплота, выделяемая током в нагревателе, в очень широких пределах не зависит от частоты, поэтому термоэлектрическими при­борами можно пользоваться и на постоянном токе и на перемен­ном, включая радиочастоты.

Термо–э. д. с., развиваемая в преобразователе, очень мала, что заставляет применять измерительные механизмы высокой чувстви­тельности по напряжению. Наиболее распространенные типы тер­мопар, используемых в преобразователях (хромель–копель, железо–константан и др.), дают термо–э. д. с. примерно 30–50 мВ при нагреве рабочего конца до 600–1000 °С.

Применение термобатареи увеличивает термо–э. д. с. преобра­зователя, однако при последовательном включении термопар растет сопротивление цепи измерительного механизма и существенного выигрыша в чувствительности не происходит. Лучшее использова­ние термоэлектрического эффекта достигается применением мосто­вых термопреобразователей. В мостовой схеме получается удвоение термо–э. д. с. в цепи измерительного механизма, а сопротивление цепи измерительного механизма не изменяется.

При малых значениях измеряемых токов (150–300 мА) пользу­ются вакуумными термопреобразователями. В них нагреватель и термопара помещаются в стеклянный баллон, из которого выка­чан воздух. При этом достигается уменьшение потерь на теплоот­дачу в окружающую среду и, следовательно, для нагревания рабо­чего конца термопары требуется меньшая мощность.

В схемах термоэлектрических амперметров и вольтметров в цепи рамки измерительного механизма предусмотрен подгоночный ре­зистор, необходимый для регулировки значения выпрямленного тока в соответствии с чувствительностью выбранного механизма. Резистор выполнен из манганина и одновременно служит для снижения температурного влияния на измерительный механизм. Схема' термоэлектрического вольтметра отличается лишь наличием доба­вочного резистора, включенного последовательно с нагревателем.

Расширение пределов термоэлектрических амперметров на токи до 1 А производится включением измерительного механизма с от­дельными термопреобразователями на каждый предел измерения. При измерении токов свыше 1 А для расширения пределов поль­зуются высокочастотными измерительными трансформаторами тока. В термоэлектрических вольтметрах расширение пределов произво­дится с помощью добавочных резисторов.

В термоэлектрических микроамперметрах используются вакуум­ные термопреобразователи с усилителями постоянного тока (УПТ).

В качестве УПТ в высокочувствительных термоэлектрических приборах нашли применение фотогальванометрические усилители. Принципиальная схема термоэлектрического микроампер­метра с фотогальванометрическим усилителем приведена на рис. 3.35. Прибор состоит из вакуумного кон­тактного термопреобразователя 1, фотогальванометрического усилите­ля 2 и магнитоэлектрического мик­роамперметра 3. Фотогальванометрический усилитель содержит зер­кальный гальванометр 5 с осветительной лампой 4 и фоторезисторы Ф_р1 и Ф_р2. Измеряемая э. д. с. термопары Е_х сравнивается с па­дением напряжения U_к на рези­сторе R_к. Если Е_х ≠ U_к, через гальванометр будет проходить ток. Зеркальце гальванометра повернет­ся, и изменится распределение све­та между Ф_р1 и Ф_р2. Это вызовет изменение тока в цепи фоторезисто­ров и тока через R_к. Рамка галь­ванометра (и зеркальце) остановит­ся, когда измеряемая э. д. с. Ех будет уравновешена падением напряжения U_к. Так как сопротивление R_к неизменно, о значении Е_х и тока I_х судят по по­казаниям микроамперметра 3.

Рис. 3.35. Схема термоэлектрического микроамперметра с фотогальванометриче­ским усилителем

Благодаря применению высокочувствительного гальванометра и схемы компенсационного преобразования в данном приборе достигается высокая чувствительность при независимости показаний его от изменения свойств осветитель­ной лампы, колебания напряжения питания лампы, параметров фоторезисторов. Многопредельность прибора достигается шунтированием нагревателя.

Основным достоинством термоэлектрических приборов является достаточно высокая точность измерений в расширенном диапазоне частот. Современные термопреобразователи могут использоваться как на постоянном токе, так и на частотах вплоть до 100 МГц. Однако на частотах примерно 5–10 МГц частотная погрешность термоэлектрического прибора растет и может достигать 5–10%. Объясняется это тем, что с увеличением частоты, вследствие поверх-иостного эффекта, повышается сопротивление нагревателя. Кроме того, при очень высоких частотах часть измеряемого тока ответ­ляется через паразитные емкости между отдельными частями прибора, минуя нагреватель. Частотная погрешность у термоэлект трических вольтметров обычно выше, чем у амперметров, из-за влияния изменения сопротивления добавочного резистора, который не может быть выполнен совершенно безреактивным.

К недостаткам термоэлектрических приборов следует отнести малую перегрузочную способность и ограниченный срок службы термопреобразователей даже в нормальных условиях работы, за­висимость показаний прибора от температуры окружающей среды и значительное собственное потребление мощности (у амперметров на 5 А примерно 1 Вт, ток полного отклонения вольтметров колеб­лется от 10 до, 50 мА).

Приборостроительной промышленностью серийно выпускаются многопре­дельные переносные термоэлектрические приборы, предназначенные для изме­рения, переменных и постоянных токов от 100 мкА до 100 А, напряжений – от 150 мВ до-600 В. Приборы работают в диапазоне от постоянного тока до частот 25 МГц, класс точности 1–1,5. Высокочастотные термоэлектрические микроам­перметры (типа Т133) с пределом измерения до 1000 мкА (четыре поддиапазона) имеют встроенный в прибор фотогальванометрический усилитель,

Электронные вольтметры. Электронные вольтметры переменного тока представляют собой сочетание выпрямителя на электровакуум­ных или полупроводниковых диодах, усилителя и магнитоэлектри­ческого измерительного механизма.

Рис. 3.36. Структурные схемы электронных вольтметров переменного и постоянного тока (а), переменного тока (б) и постоянного тока (в)

Структурные схемы, вольтметров переменного тока даны на рис. 3.36, а к б. Основными узлами схем являются: выпрямитель В, усилитель переменного тока У, усилитель постоянного тока УПТ и магнитоэлектрический измерительный механизм ИМ.

Структурная схема рис. 3.36, а используется для универсальных электронных вольтметров переменного и постоянного тока. Нижний предел измерения таких вольтметров ограничивается порогом чувствительности выпрямителя и составляет обычно 0,1–0,2 В. При использовании в выпрямителях высокочастотных диодов по­добные электронные вольтметры работают в диапазоне от 20–30 Гц до 100–300 МГц.

Электронные вольтметры, выполненные по структурной схеме рис. 3.36, б, имеют большую чувствительность и точность, но мень­ший рабочий частотный диапазон, который ограничивается усили­телем У. Электронные милли- и микровольтметры переменного тока выполняются по схеме рис. 3.36, б.

Структурная схема электронного вольтметра постоянного тока (рис. 3.36, в) включает в себя усилитель постоянного тока, построен­ный по типу предварительного преобразования постоянного напря­жения в переменное с помощью электромеханического или полу­проводникового модулятора М, усиления усилителем У с последую­щим выпрямлением выпрямителем В. Применение усилителя с пре­образованием усиливаемого напряжения позволяет существенно стабилизировать коэффициент преобразования схемы и, следова­тельно, повысить точность вольтметра. Схема УПТ с предваритель­ной модуляцией усиливаемого напряжения используется такж в универсальных электронных вольтметрах.

Для реализации описываемых структурных схем используются в основном полупроводниковые элементы (диоды, транзисторы, интегральные схемы), однако и электронные лампы находят доста­точно широкое применение. Это объясняется многофункциональ­ностью электронных ламп, возможностью обеспечить с их помощью высокое входное сопротивление вольтметра, а также нечувствитель­ностью характеристик ламп к влиянию температуры.

В зависимости от того, какое значение переменного напряжения измеряется электронным вольтметром, различают вольтметры сред­него, действующего и амплитудного значения. Между амплитудным (максимальным) U_m, действующим U и средним U_ср значениями на­пряжения определенной формы кривой имеется связь через коэффи­циенты амплитуды k_a и формы k_ф:

Электронные вольтметры среднего значения напряжения стро­ятся с использованием схем одно- или двухполупериодного выпрям­ления, в которых применяются полупроводниковые диоды, работаю­щие на линейном участке характеристики. Поэтому выпрямители дают постоянную составляющую тока, пропорциональную сред­нему значению измеряемого переменного напряжения U(t), т. е.

В основном схемы выпрямителей среднего значения использу­ются в высокочувствительных электронных вольтметрах с предва­рительным усилением сигнала (рис. 3.36, б). При градуировке шкалы вольтметра в действующих значениях напряжения в показа­ниях прибора появится погрешность за счет несинусоидальности измеряемого напряжения.

Электронный милливольтметр среднего значения типа ВЗ-41 предназначается пля измерения синусоидальных напряжений. Прибор имеет 11 поддиапазонов с верхними пределами от 3 мВ до 300 В в рабочем диапазоне частот 20 Гц – 10 МГц- Класс точности прибора 2,5 на пределах 3 мВ – 1 В и 4 – на остальных.

Основным достоинством серийно выпускаемых вольтметров сред­него значения является их высокая чувствительность, достигаемая "предварительным усилением измеряемого напряжения. Зависимость показаний приборов от формы кривой измеряемых напряжений и недостаточно широкий диапазон рабочих частот относятся к числу их недостатков.

В вольтметрах действующего значения используют выпрямители с квадратичной вольт-амперной характеристикой вида i = au² при u > 0. При периодическом, и в частности при синусоидальном, входном напряжении u(t) постоянная составляющая выпрямленного тока двухполуперйодного выпрямителя

т. е. среднее значение тока определяется действующим значением напряжения. Шкала прибора в этом случае получается квадра­тичной с градуировкой в действующих значениях напряжения. Полученная выше зависимость справедлива для симметричных пе­риодических сигналов u(t) любой формы кривой.

В качестве выпрямителей с квадратичной характеристикой мо­гут быть использованы ламповые или полупроводниковые диоды, многосеточные электронные лампы, поставленные в соответствую­щий режим работы. Наилучшие характеристики у нелинейных квадратирующих элементов на термопреобразователях, а также у диодно-резистивных элемен­тов, использующих принцип ку­сочно-линейной аппроксимации параболы. Использование тер­мопреобразователей позволяет создавать вольтметры действую­щего значения с линейной шка­лой, что очень важно при ис­пользовании последних для ре­гистрации, автоматической об­работки данных или для управ­ления.

Вольтметр действующего значения с равномерной шкалой по­казан на рис. 3.37. Два идентичных термопреобразователя Т_п1 и Т_п2 включены по дифференциальной схеме на входе УПТ, охваченного отрицательной обратной связью по току. В цепи обратной связи УПТ включен магнитоэлектрический измерительный механизм и нагреватель Т_п2. Нагреватель Т_п1 включен на выходе усилителя переменного тока У. На вход УПТ подается разность термо-э. д. с. двух термопар Δе = е₁ – е₂. На выходе УПТ ток I поступает в рам­ку магнитоэлектрического измерительного механизма и в нагрева­тель Т_п2. При достаточно большом коэффициенте усиления УПТ Δе ≈ 0 и е₁ ≈ е₂. Так как и , получаем , где .

Рис. 3.37. Схема вольтметра действу­ющего значения с термопреобразова­телями

Рассмотренный принцип положен в основу работы электронных милливольт­метров (например, типа ВЗ-48), используемых для измерения напряжений проивольной формы кривой в пределах от 1 мВ до 300 В в диапазоне частот 5 Гц – 5 МГц, а также для преобразования действующего значения напряжений произ­вольной формы в пропорциональное постоянное напряжение. Класс точности этих приборов в рабочей области частот 2,5.

В настоящее время промышленностью выпускаются электрон­ные вольтметры действующего значения, в которых используется электростатический измерительный механизм. В таких вольтметрах (например, типов Ф534 и Ф563) отпадает необходимость в использо­вании выпрямительных устройств. Этим вольтметрам присуща не­равномерность шкалы, обусловленная нелинейностью функции преобразования электростатического измерительного механизма.

Рис. 3.38. Схемы амплитудных выпрямителей с открытым вхо­дом (а), с закрытым входом (б) и диаграмма напряжений (в)

Вольтметрами амплитудного значения (амплитудными вольт­метрами) называют такие, у которых показания соответствуют амплитуде измеряемого синусоидального напряжения или макси­мальному его значению при искаженной форме кривой. Шкала при­бора может быть отградуирована как в максимальных значениях напряжения U_m, так и в действующих значениях U = 0,707U_m для синусоиды.

Для измерения амплитудного значения напряжения в выпря­мительное устройство вольтметра вводится элемент, запоминаю­щий значение U_m. Свойством «памяти» обладает конденсатор, заря­жаемый через диод до амплитудного значения переменного напря­жения.

Применяются две основные схемы выпрямителей амплитудного значения (амплитудных детекторов): с открытым и закрытым входом (рис. 3.38). В схеме с открытым входом (рис. 3.38, а) при сину­соидальном входном напряжении U_х в положительный полупериод происходит заряд конденсатора С до напряжения U_C ≈ U_m через диод с малым прямым сопротивлением R_пр и исследуемый источник с внутренним сопротивлением R_i. В отрицательный полупериод конденсатор разряжается через нагрузку R_н. Если сделать посто­янную времени цепи разряда конденсатора (τ = CR_н) значительно большей, чем период изменения измеряемого напряжения, то за время отрицательной полуволны конденсатор разрядится незна­чительно.

Как видно из графика рис. 3.38, в, отпирание диода и подзаряд конденсатора происходит лишь в короткие промежутки времени θ, когда напряжение U_х превосходит по значению U_C.

Пульсация напряжения U_C зависит от выбора сопротивлений в цепи заряда и разряда конденсатора согласно неравенству R_н >> R_пр + R_i. Практически всегда U_{C ср} ≈ U_m,T.e. показания вольтметра соответствуют амплитудному значению измеряемого напряжения.

Если измеряемое напряжение U_х = U₀ + U_m sinωt, т. е. име­ется постоянная составляющая U₀, то она также через диод посту­пит в цепь заряда конденсатора, который зарядится до напряже­ния U_C = U₀ + U_m. Показания вольтметра с открытым входом будут соответствовать максимальному значению суммарного при­ложенного напряжения.

Для устранения этого недостатка используется схема с закры­тым входом (рис. 3.38, б). Принцип работы схемы подобен описан­ному ранее. В схеме с закрытым входом, независимо от наличия по­стоянной составляющей, напряжение на выходе выпрямителя оста­ется примерно равным максимальному значению положительной полуволны измеряемого напряжения. Для уменьшения пульсаций выпрямленного сигнала, которые значительно больше, чем в схеме с открытым входом, на выходе выпрямителя ставится RC-фильтр.

Схемы с открытым и закрытым входом получили распростране­ние в универсальных электронных вольтметрах.

Пределы измеряемых переменных напряжений для большинства универсальных вольтметров бывают от 100–200 мВ до 10³ В.

Частотные свойства амплитудных вольтметров определяются амплитудным выпрямителем (ЛВ). Использование в качестве АВ микроминиатюрных высокочастотных ламп, а также конструктив­ное оформление АВ в виде выносного элемента (пробника), отличаю­щегося существенно уменьшенными паразитными емкостями и ин-Дуктивностями, позволяет получить рабочий диапазон частот вольт­метров до 10³ МГц.

Для выпускаемых промышленностью универсальных вольтметров типов В7-17, В7-26, ВК7-9 на низкочастотном входе без пробника) основная погреш­ность находится на уровне ±2,5% на диапазонах измеряемых напряжений 0,3–300 В. На остальных диапазонах погрешность увеличивается до ±4%.

Схемы амплитудных выпрямителей с закрытым входом применяют в импульсных электронных вольтметрах, используемых для измерения амплитуд импульсов.

Для измерения амплитуд импульсов большой скважности (по­рядка 10³–10⁶) могут быть использованы схемы выпрямителей (рис. 3.38, а) у которых постоянная времени цепи разряда конден­сатора т существенно увеличена. Увеличение постоянной τ необходимо для того чтобы напряжение на выходе схемы менялось незна­чительно в интервале времени между импульсами. При малых дли­тельностях импульсов (10–100 нс) и значительных скважностях (более 10⁶) погрешность за счет разряда конденсатора получается значительной.

При изменении полярности исследуемого импульса требуется менять полярность включения диода на обратную. Для этого в схеме вольтметра предусматривается специальный переключатель. Для ускорения разряда конденсатора перед началом измерений кон­денсатор шунтируется небольшим по сопротивлению резистором. Шкалы импульсных вольтметров градуируются в амплитудных значениях напряжения.

Главными достоинствами электронных вольтметров следует счи­тать их высокую чувствительность, практическое отсутствие потреб­ляемой мощности от объекта измерения, широкий диапазон рабочих частот и широкий диапазон измеряемых напряжений.

Повышение чувствительности приборов достигается использо­ванием в схемах вольтметров усилителей. Для увеличения верхних пределов измерения используются делители напряжения ДН, как встроенные в прибор, так и прилагаемые к нему. Так как исполь­зование ДН на входе вольтметра увеличивает потребляемую прибо­ром мощность, ДН должен быть высокоомным

Создание электронных вольтметров на базе современной мик­роэлектроники позволяет получать малогабаритные и экономич­ные приборы.

Основным недостатком электронных вольтметров является огра­ниченная точность, характеризуемая в среднем классами точности 2,5 – для рабочего диапазона частот и 4–6 – для расширенного диапазона.

Частотная погрешность вольтметров в рабочем диапазоне ча­стот (до 10–100 МГц) объясняется, в основном, влиянием межэлек­тродной емкости транзисторов или электронных ламп, находящихся во входных цепях вольтметра, паразитными емкостями и индуктив-ностями монтажа и подводящих проводов. В расширенной области частот (800–10³ МГц) на частотную погрешность прибора оказы­вают влияние паразитные емкости и индуктивности в выносном элементе (пробнике)

В настоящее время наивысшей точностью отличаются диодные компенсационные вольтметры (ДКВ). Их погрешности в широком интервале частот не превышают десятых долей процента.

Принцип действия ДКВ поясняется схемой рис. 3.39, а, основ­ными элементами которой являются: диод Д; высокочувствительный магнитоэлектрический гальванометр – нуль-индикатор НИ; образ­цовый делитель напряжения ОДН. Основываясь на идеализированном представлении вольт-амперной характеристики диода (рис. 3.39, б) в виде ломаной линии, можно считать, что в отсутствие подаваемого на вход вольтметра напряжения U_х, ток через диод не протекает. При подключении напряжения U_х = U_m sinωt и подаче отрицательного напряжения смещения (компенсационного) U_к можно отрегулировать последнее так, чтобы ток через диод исчез. Тогда можно считать, что U_m = U_к

В рассмотренном вольтметре отсчет снимается по положению ру­кояток ОДН в момент, когда ток в НИ исчезает.

Факторами, влияющими на погрешность ДКВ, являются: откло­нение характеристики диода от расчетной, нестабильность источ­ника питания, погрешность ОДН и порог чувствительности НИ.

Рис. 3.39. Принципиальная схема диодного компенсацион­ного вольтметра (а) и диаграмма, поясняющая принцип компенсации (б)

Компенсационный диодный вольтметр (типа ВЗ-24) может исполь­зоваться для точного измерения напряжения синусоидальной формы, а также для поверки и градуировки электронных вольтметров. Диапазон измерения напряжений от 20 мВ до 100 В разбит на четыре поддиапазона. Рабочая полоса частот 20 Гц – 103 МГц. Основная погрешность (в процентах) прибора может быть рассчитана по фор­муле – в диапазоне частот от 20 Гц до 10 МГц и – в диапазоне 900–103 МГц (U_х – значение измеряемого напряжения, В).

ДКВ являются наиболее точными из существующих электронных вольтметров, обладают высоким входным сопротивлением, широ­ким частотным диапазоном. Недостаток прибора – сложность экс­плуатации. Среди различных типов ДКВ имеются вольтметры, предназначенные для измерения как периодических, так и импульс­ных напряжений (типа В4-11).