Цель работы - изучить принцип действия вольтметра и оценить погрешности измерений постоянного и переменного тока, научиться пользоваться вольтметром
1. Теоретическая часть
Электронные вольтметры предназначены для измерения постоянных и переменных напряжений. Они работают в широком диапазоне частот и напряжений, обладают высокой чувствительностью, большим входным сопротивлением и малой входной емкостью.
Приборы для измерения напряжения сигналов образуют подгруппу В, внутри которой выделяют : В1 - приборы для проверки вольтметров, В2 - вольтметры постоянного тока, В3 - вольтметры переменного тока, В4 - вольтметры импульсного тока, В7 - универсальные, измеряющие постоянные и переменные напряжения и сопротивления на постоянном токе. Остановимся более подробно на вольтметрах переменного тока.
Вольтметры переменного тока позволяют измерять различные параметры переменного напряжения. По этому признаку их можно разделить: на вольтметры пиковых, среднеквадратичных и средневыпрямленных значений.
Вольтметры пиковых, или амплитудных, значений отличаются наибольшим диапазоном частот, но их недостатком является небольшая точность при измерении напряжений с большим уровнем гармонических составляющих и небольшая чувствительность. К таким вольтметрам относятся: В3-24, В3-28А, В3-36, В3-43, В4-11, В4-12, В4-12, В3-13 [8] и др.
Вольтметры среднеквадратичных значений обеспечивают высокую точность измерения напряжений с большим числом гармоник. К вольтметрам этого типа можно отнести: В3-40, В3-41, В3-42, В3-48[8].
Вольтметры средневыпрямленных значений обеспечивают высокую точность при измерении напряжений с малым уровнем высших гармоник. К ним можно отнести: В3-38, В3-39, В3-41, В3-44 [8].
Кроме того, вольтметры переменного тока по частотному диапазону делятся на низкочастотные, высокочастотные, сверхвысокочастотные.
Вольтметры переменного тока могут иметь открытый или закрытый вход, то есть пропускающие или не пропускающие на вход прибора постоянную составляющую напряжения.
Формы и параметры напряжений
Переменное напряжение можно характеризовать следующими параметрами:
пиковым значением,
средним значением,
средневыпрямленным значением
среднеквадратичным значением
Пиковое значение Umax - это наибольшее мгновенное значение напряжения за период (рис.1.1). При разнополярных несимметрических кривых напряжения различают положительное () и отрицательное пиковые значения; при этом - максимальное значение, а - минимальное значение.
Среднее значение Uср за период (постоянная составляющая напряжения) - это среднеарифметическое мгновенных значений за период.
Средневыпрямленное значение Uсв - среднее арифметическое из абсолютных мгновенных значений напряжений за период (рис.1.2).
Для однополярных напряжений среднее и средневыпрямленное значения равны. Для разнополярных эти два параметра могут существенно отличаться друг от друга. Так, для гармонического напряжения Uср=0; Uсв=0,637Umax.
Среднеквадратичное значение U - это корень квадратный из суммы квадратов всех мгновенных значений напряжений за период: , где U(t)- исследуемый сигнал. Квадрат среднеквадратичного значения численно равен мощности, рассеиваемой на активной нагрузке 1 Ом.
Связь между пиковым (амплитудным), среднеквадратичным и средневыпрямленным значениями напряжения данной конкретной формы устанавливается через коэффициент амплитуды:
Ka=Um/U (1)
и коэффициент формы:
Kф=U/Uсв . (2)
Значения коэффициентов Ка и Кф для распространенных на практике форм кривых напряжений приведены в табл.1.1.
Пользуясь табл.1.1, приведем соотношения, позволяющие по результатам измерения рассчитать все параметры напряжений синусоидальной и импульсной форм:
1) для синусоидального напряжения
U=Um/1,41=0,707Um , (3)
Uсв=U/1,11=0,92U=0,92Um/1,41=0,652Um; (4)
2) для пилообразного напряжения и симметричного напряжения треугольной формы
U=0,578Umax , (5)
Uсв=U0=0,5Umax=0,865U; (6)
3) для прямоугольного напряжения среднеквадратичное значения можно определить по формуле:
U= Umax t/T=Umax/Q ,
где t – длительность импульса,
Т – период повторения импульсов,
Q – скважность импульсов.