1. Электронный вольтметр с преобразованием амплитудного значения: принципе действия, примеры схем с открытым и закрытым входами, временные диаграммы.

Электронным вольтмет­ром называется прибор, показания которого вызываются током электронных приборов, т. е. энергией источника пи­тания вольтметра. Измеряемое напряжение управляет то­ком электронных приборов, благодаря чему входное сопро­тивление электронных вольтметров достигает весьма боль­ших значений и они допускают значительные перегрузки.

Рис.1. Структурная схема ана­логового электронного вольтметра с амплитудным преобразователем

Вольтметр амплитудного (пикового) значения (рис.1) состоит из амплитудного преобразователя АПр, усилителя постоянного тока УПТ и магнитоэлектрического индика­тора, градуированного в вольтах. На входе вольтметра иногда предусматривается делитель напряжения ДН. Ам­плитудный преобразователь выполняют по схеме с откры­тым или закрытым входом.

Амплитудный преобразователь с открытым входом (рис.2, а) представляет собой последовательное соеди­нение вакуумного диода Д с параллельно соединенными ре­зистором Л? и конденсатором С. Если к зажимам 1—2 при­ложено напряжение u = U_m sint от источника с внутрен­ним сопротивлением r_i, то конденсатор через диод заря­жается до некоторого значения U_c, которое приложено к электродам диода так, что он большую часть периода закрыт, т. е. работает в режиме отсечки (рис. 2, б). В те­чение каждого периода диод открывается на некоторый промежуток времени 't₁ - 't₂ тогда и>U_c и конденсатор подзаряжается импульсом тока i_Д до напряжения Uc • постоянная времени заряда _з = (R_i +R_Д ) С, где R_Д — сопротивление открытого диода. Затем диод закрывается и конденсатор разряжается через резистор R в течение ин­тервала t₂ - 't₁ постоянная времени разряда _p = RC.

Постоянные времени должны отвечать следующим усло­виям: _з < 1/f_в и _p > I/f_н где f_в и f_н — границы частотного диапазона вольтметра. Очевидно, что _з << _p и R >> R_i +R_Д. В широкодиапазонных вольтметрах неравенство: _з < 1/f_в выполнить не удается, и потому на высоких ча­стотах процесс установления д

1 Д

U~ R_i + C R U_пик

2

лится в течение нескольких периодов измеряемого напряжения.

а) б)

Рис.2. Амплитудный преобразователь с открытым входом

Результатом амплитудного преобразования является среднее значение слабопульсирующего напряжения Uc, которое в отличие от Um называют пиковым значением U_пик.

U_пик = U_mcos 

Где  - угол отсечки диода.

Напряжение U_пик поступает на вход усилителя постоян­ного тока, входное сопротивление которого большое, а выходное — малое. УПТ служит для согласования выходного сопротивления преобразователя с сопротивлением индика­тора и для повышения чувствительности вольтметра.

Амплитудный преобразователь с закрытым входов (рис. 3) представляет собой последовательное соединение конденсатора постоянной емкости С с параллельно соеди­ненными диодом Д и резистором R. Процесс преобразова­ния переменного напряжения в постоянное U_пик аналогичен рассмотренному выше, с тем отличием, что на зажимах 3—4 име­ются значительные пульсации напряжения, для сглаживания которых предусмотрен фильтр.

1 С 3 R_ф

R_д

U~ Д R С_Ф U_пик

2 4

Рис. 3. Принципиальная схема амплитудного преобра­зователя с закрытым входом

Процессы преобразования пульсирующего напряжения преобразователем с открытым и закрытым входом различны и зависят от полярности подключения к входным зажи­мам /—2 постоянной составляющей пульсирующего напря­жения. Если на вход амплитудного преобразователя с от­крытым входом включено пульсирующее напряжение так,

Рис. 4. Диаграммы напряжении в амплитудных преоб­разователях: а—с открытым входом; б — с закрытым входом

что «+» постоянной составляющей приложен к аноду| диода, то выходное напряжение U_пикU_max=U₀+U_m+, где Uo — постоянная составляющая, а U_m+ — амплитуда положительного полупериода переменной составляющей (рис.4, а). Если к аноду диода приложен «—» постоянной составляющей, то диод закрыт все время и преобразования нет. Если к аноду амплитудного преобразователя с закры­тым входом приложено пульсирующее напряжение, то кон­денсатор С заряжен постоянной составляющей U₀ преобразователь реагирует только на переменную составляющую. если к аноду диода приложен «+», то выходное напряже­ние U_пик U_m+, a если «—», то U_пик U_m- (рис. 4, б). Это полезное свойство вольтметров с закрытым входом из­мерять отдельно значения напряжения положительного или отрицательного полупериодов широко используется для определения симметричности амплитудной модуляции, на­личия ограничения сигналов и т.д. Амплитудные (пиковые вольтметры характеризуются невысокой чувствительностью (порог чувствительности 0.1В) и широкой полосой частот (до 1 ГГц).

2. Аналоговые электромеханические измерительные приборы: измерительные цепи, общие элементы измерительных механизмов, оценка вращающего, противодействующего момента и момента успокоения, уравнение шкалы.

Измерительный прибор, показания которого являются непрерывной функцией измеряемой величины, называется аналоговым измерительными прибором. Структурная схема аналогового электромеханического измерительного прибора содержит измерительную цепь (ИЦ), измерительный механизм (ИМ) и отсчетное устройство (ОУ) ( рис.1).

В ИЦ происходит преобразование входного сигнала х с одну или две промежуточные электрические величины у1 и у2, воздействующие на ИМ. ИЦ может служить для расширения пределов измерений и компенсации погрешностей. В некоторых приборах, например комбинированных, элемента ИЦ занимают основную часть объема прибора.

В ИМ происходит преобразование электромагнитной энергии, обусловленной наличием промежуточных величин у1 и у2, в электромеханическую, в результате чего создается вращающий момент Мвр и происходит поворот подвижной части ИМ в сторону возрастающих показаний на угол альфа. В зависимости от принципа действия ИМ применяются следующие группы приборов: магнитоэлектрическая, электромагнитная, электродинамическая, ферродинамическая, индукционная.

Принципе действия ИМ различных группа приборов основан на взаимодействии: для магнитоэлектрических ИМ – магнитных полей постоянного магнита и проводника с током; для электромагнитных – магнитного поля, создаваемого проводником с током, и ферримагнитного сердечника; для электродинамических – магнитных полей двух систем проводников с токами; для электростатических – двух систем заряженных электродов; для индукционных – переменного магнитного поля проводника с током и индуцированных этим полем вихревых токов в подвижном элементе.

Обобщенная механическая схема ИМ представлена на рисунке.

1 – ось, 2 – электромеханический преобразователь, приведенный к общему центру масс, 3 – стрелка, 4 – пружина, 5 – подшипниковые опоры.

Дифференциальное уравнение моментов, описывающее работу измерительного механизма, имеет вид:

где J – момент инерции подвижной части измерительного механизма,

• - угол отклонения подвижной части,

- угловое ускорение.

На подвижную часть (при движении) воздействуют следующие составляющие моментов:

Вращающий момент – М- определяется скоростью изменения энергии электромагнитного поля, сосредоточенной в механизме, по углу отклонения .

Противодействующий момент - Ма- создается, как правило, при помощи спиральных пружин и растяжек

где: W – удельный противодействующий момент на единицу угла закручивания пружины (определяется её материалом, длиной и т.д.).

Момент успокоения – Мусп- момент сил сопротивления движению. Всегда направлен встречно вращающему моменту.

р- коэффициент успокоения (демпфирования) подвижной части.

После подстановки всех составляющих момента в основное уравнение получим:

и ли

В статическом режиме, т.е когда стрелка прибора находится в неподвижном состоянии при каком то угле отклонения a, можно записать: М=Мa.

Цена деления шкалы определяется как:

где: Х – конечное значение шкала на данном пределе измерения,

N - число отметок шкалы.