Какими вольтметрами измеряется средневыпрямленное значение переменного напряжения

Вольтметры среднеквадратических значений

ЛЕКЦИЯ 9 ВОЛЬТМЕТРЫ СРЕДНЕВЫПРЯМЛЕННЫХ И СРЕДНЕКВАДРАТИЧЕСКИХ ЗНАЧЕНИЙ

Измерение среднеквадратического значения переменного напряжения требует применения измерительного преобразователя переменного напряжения в постоянное, имеющего квадратичную характеристику. Тогда если это постоянное напряжение подать на магнитоэлектрический вольтметр, то его показания будут пропорциональны квадрату среднеквадратического значения. Если при градуировке шкалы провести операцию извлечения корня, то показания вольтметра будут пропорциональны среднеквадратическому значению.

Вольтметры СКЗ обеспечивают наиболее высокую точность при измерении СКЗ переменных напряжений, имеющих большое число гармоник. В основном в таких вольтметрах используется детектор с диодной цепочкой и термоэлектрический преобразователь. Детектор с диодной цепочкой обладает значительной нестабильностью параметров, обусловленной нестабильностями элементов. Снизу частотный диапазон ограничен свойствами трансформатора, а 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 диапазонаимеюттермоэлектрические преобразователи. Однако они имеют малую чувствительность, что требует для обеспечения широкого частотного диапазона вольтметра широкополосного усилителя.

На рис. 1 показана структурная схема вольтметра СКЗ переменных напряжений с использованием термоэлектрических преобразователей.

В данной схеме используются два одинаковых термопреобразователя ВК1 и ВК2 с косвенным подогревом и включены встречно на входе УПТ. На нагреватель ЕК1 поступает усиленный измеряемый сигнал K_шU_x, (где К_ш–коэффициент преобразования входной цепи и усилителя), а нагреватель ЕК2 подключен к выходу УПТ. Каждый из термопреобразователей имеет квадратичную характеристику, так что

(1)

где Κ_T – постоянная величина, характеризующая термопреобразователь;

β – коэффициент обратной связи.

(2)

поскольку , то

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. Время измеренияиз-за инерционности термопреобразователей составляет 1. 3 с.

Погрешность вольтметра включает следующие составляющие:

1. погрешность образцовой аппаратуры, по которой производится градуировка;

2. погрешность градуировки;

3. случайную составляющую погрешности стрелочного индикатора;

4. неидентичность термопар;

5. неравномерность частотной характеристики;

6. нестабильность элементов схемы.

Величина погрешности лежит в пределах 2,5. 10% в диапазоне частот 20 Гц. 50 МГц.Верхниезначения погрешности имеют место на краях частотного диапазона. По схеме, аналогичной рассмотренной, построены вольтметры среднеквадратических значений В3-45, В3-48, В3-42, В3-40, В3-46.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник

Вольтметры средневыпрямленных значений

Они обычно выполняются на основе двухполупериодных выпрямителей. Эти преобразователи в качестве нелинейного элемента содержат вакуумные или полупроводниковые диоды, не содержат накопительных емкостей и поэтому обладают бóльшим быстродействием по сравнению с пиковыми вольтметрами и вольтметрами среднеквадратического значения.

Чтобы детектор работал на линейном участке вольтамперной характеристики, на него необходимо подать сравнительно большой сигнал (0,1. 0,3 В). Поэтому вольтметры СВЗ для обеспечения высокой чувствительности в широкой полосе частот должны иметь широкополосный усилитель переменного напряжения, которым также будет определяться качество вольтметра. На точность измерений в значительной мере будет влиять нелинейность вольтамперной характеристики, нестабильность параметров диодов усилителя и других элементов выпрямителя. Для уменьшения этих влияний схему обычно охватывают глубокой отрицательной обратной связью. На рис. 2 изображена функциональная схема электронного вольтметра средневыпрямленного значения.

Измеряемое напряжение поступает на входное устройство, которое обеспечивает высокое входное сопротивление вольтметра и расширение пределов измерения. Затем напряжение подается на вход широкополосного усилителя A1 и после усиления – на преобразователь переменного напряжения в постоянное. Схема охвачена глубокой отрицательной обратной связью, напряжение обратной связи снимается с резистора R3 и подается на вход усилителя Α1. Благодаря обратной связи исключается влияние диодов на коэффициент преобразования преобразователя переменного напряжения в постоянное. Кроме того, улучшаются характеристики усилителя: уменьшается его нестабильность и нелинейность амплитудной характеристики. По схемам, подобным рассмотренной, построены серийные вольтметры В3-38, В3-39, В3-44

Современные вольтметры СВЗ обеспечивают измерение напряжений от десятых долей милливольта до сотен вольт в диапазоне частот 20 Гц. 10 МГц. Основная погрешность составляет 2,5. 10%. Данные приборы осуществляют процесс измерений за 0,2. 0,5 с, т.е. являются самыми быстродействующими среди вольтметров переменного напряжения.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник

Какими вольтметрами измеряется средневыпрямленное значение переменного напряжения

6. Сохраните файл лабораторного журнала на дискете под оригинальным именем.

При оформлении лабораторного отчета необходимо полностью заполнить имеющуюся в распоряжении студента таблицу, находящиеся в лабораторном журнале.

Помимо заполненной таблицы в отчете должны содержаться:

• сведения о цели и порядке выполнения работы,
• данные о характеристиках использованных приборов, с указанием источника информации,
• электрические схемы,
• примеры расчетов, выполнявшихся при заполнении таблиц,
• график зависимости показаний вольтметров различных систем от частоты гармонического напряжения, при неизменной амплитуде,
• осциллограммы,
• графики теоретической и экспериментальной зависимостей показаний вольтметров различных систем от формы измеряемого переменного напряжения (при построении графиков примите, что амплитуда напряжения совпадает с показаниями осциллографа, коэффициент формы изменяется в пределах от 1 до 1,5, а коэффициент амплитуды – от 1 до 2),
• оценки частоты измеряемого напряжения и значения его коэффициента формы и/или амплитуды, при которых соответствующая дополнительная погрешность вольтметров будет равна основной погрешности, определяемой классом точности прибора,
• выводы по результатам проделанной работы.

1. Какими параметрами, подлежащими измерению, характеризуется переменное напряжение?

2. Что такое среднеквадратическое, среднее и средневыпрямленное значения переменного напряжения?

3. Какими вольтметрами измеряется среднеквадратическое значение переменного напряжения? Какие из них наиболее точны и почему?

4. Какими вольтметрами измеряется средневыпрямленное значение переменного напряжения?

5. Нужно измерить среднее значение переменного напряжения. Какое средство измерений Вы выберите?

6. В каком диапазоне частот можно измерять гармоническое напряжение? Какие вольтметры могут служить образцовыми на низких, средних и высоких частотах?

7. Имеется выпрямительный вольтметр класса 1,0 и шкалой в 100 делений, проградуированный в действующих значениях гармонического напряжения. В каком диапазоне может изменяться коэффициент формы и/или амплитуды измеряемого напряжения, чтобы этим изменением можно было пренебречь?

8. Чем определяется зависимость показаний вольтметров различного типа от частоты измеряемого напряжения?

9. Опишите принцип работы и устройство электромеханических вольтметров переменного тока? Чем определяется их погрешность?

10. Опишите принцип работы и устройство электронных вольтметров переменного тока? Чем определяется их погрешность?

Электронный вольтметр амплитудного значения

Электронный вольтметр среднекв. значения

Электронный вольтметр средневып. значения

Электромаг — нитный вольтметр

Рис. 3.4.2 Схема электрического соединения приборов при измерении переменного напряжения

Источник

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Вольтметр — средневыпрямленное значение

Вольтметр средневыпрямленного значения ( рис. 3 — 26) состоит из входного делителя напряжения ДН, широкополосного транзисторного усилителя ШУ, выпрямительного преобразователя Пр и магнитоэлектрического индикатооа. [1]

Вольтметры средневыпрямленных значений содержат преобразователь переменного напряжения в постоянное, пропорциональное СВЗ измеряемого напряжения. Простейшие преобразователи этого типа были рассмотрены в гл. Они обычно выполняются на основе двухполупериодных выпрямителей. Эти преобразователи в качестве нелинейного элемента содержат вакуумные или полупроводниковые диоды, не содержат накопительных емкостей и поэтому обладают большим быстродействием по сравнению с вольтметрами СКЗ и пиковыми. Поэтому вольтметры СВЗ для обеспечения высокой чувствительности в широкой полосе частот должны иметь широкополосный усилитель переменного напряжения. [2]

Вольтметры среднеквадратических и средневыпрямленных значений требуют применения усилителя переменного напряжения, поскольку преобразователи переменного напряжения в постоянное обладают малой чувствительностью. Этой мерой решается вопрос о необходимой чувствительности, однако возникают трудности обеспечения широкого диапазона частот. Амплитудные вольтметры, чтобы выполнить требования в отношении диапазона частот, чувствительности и точности, строятся, как правило, по схеме уравновешивающего ( компенсационного) преобразования как со статической характеристикой ( автокомпенсационные вольтметры), так и с астатической ( компенсационные вольтметры. [3]

Простейшие вольтметры постоянного напряжения и вольтметры средневыпрямленного значения строят аналогично соответствующим измерителям тока, но последовательно с прибором включают добавочный резистор. Входное сопротивление таких вольтметров оказывается недостаточно большим для измерений в высоко-омных цепях. [4]

Существует метод измерения дисперсии, основанный на использовании вольтметров средневыпрямленного значения с двухполу-периодным выпрямителем. Такие вольтметры более точны и широко распространены. В основу метода положена связь между дисперсией и средневыпрямленным значением случайного процесса сязвест-ным законом распределения. С помощью вольтметра оценивают средневыпрямленное значение и рассчитывают оценку дисперсии. [5]

По принципу действия прибор ( рис. 1.52) является вольтметром средневыпрямленных значений напряжений переменного тока , шкалы которого проградуирозаны в средне-квадратическнх значениях гармонического напряжения. [6]

Синусоидальное напряжение, В, и — 14 bin at подается на вольтметры средневыпрямленного значения с одно — и дв хполупериодным выпрямителем, амплитудный, среднеквадратический. [7]

В соответствии с проведенной выше классификацией вольтметры переменного напряжения разделяют на пиковые ( амплитудные), вольтметры среднеквадратических и средневыпрямленных значений . [8]

В зависимости от типа примененного детектора электронные вольтметры разделяют на квадратичные ( измеряют действующее значение напряжения), амплитудные ( пиковые) и вольтметры средневыпрямленного значения . [9]

Наибольшую точность обеспечивают вольтметры эффективных значений, но они уступают вольтметрам амплитудных значений по широкополосное и имеют значительное время измерения Стоимость этих приборов выше стоимости вольтметров средневыпрямленных значений . [10]

Наибольшим диапазоном частот ( до 1 ГГц) обладают вольтметры амплитудных значений из-за детектирования сигналов непосредственно на входе прибора. Наиболее высокой чувствительностью и большим быстродействием, а также меньшей погрешностью измерений обладают вольтметры средневыпрямленных значений . Наиболее высокую точность при измерениях параметров сигнала с большим количеством гармонических составляющих обеспечивают вольтметры среднеквадрати-ческих значений. [11]

Элементная база, используемая при создании вольтметров переменного тока, определяется существующим на момент создания вольтметра уровнем техники ( от полупроводниковых образцов до микроинтегрального исполнения), однако функциональное назначение блоков идентично. Детекторы можно классифицировать по функции преобразования входного напряжения в выходное на следующие типы: амплитудные ( пиковые), действующего и средневыпрямленного значения. Тип детектора во многом определяет свойства прибора: так вольтметры с амплитудными детекторами являются самыми высокочастотными; вольтметры с детекторами действующего значения позволяют измерять напряжение любой формы; вольтметры средневыпрямленного значения пригодны только для измерения гармонического сигнала, но являются самыми простыми, надежными и дешевыми. Ниже приводятся некоторые простейшие структурные схемы детекторов. [13]

Источник

Измерение переменного напряжения

Вольтметры переменного напряжения можно классифицировать по раз­личным признакам:

— по видам, предназначенным для измерений переменных напряжений: им­пульсных напряжений, селективные и т.п.;

— по методу измерения: непосредственной оценки и сравнения с мерой;

— по измеряемому параметру исследуемого напряжения: пиковые (амплитуд­ные), средневыпрямленного, среднеквадратического значения;

— по типу индикатора: стрелочные, цифровые.

Для измерения напряжения промышленной частоты обычно применя­ются измерительные приборы электромагнитной и электродинамической систем, а также электростатические вольтметры.

Большинство вольтметров электромагнитной системы используются на частотах 45 Гц-55 Гц. Повышение частоты существенно увеличивает по­грешность приборов, поэтому верхний частотный предел обычно не превы­шает 3000 Гц. «Типовые» классы точности электромагнитных приборов 1.0, 1.5, 2.5. Электродинамические вольтметры имеют примерно тот же частот­ный диапазон, но более высокий класс точности, самые точные – 0.1.

Достоинствами вольтметров этих систем являются возможность их не­посредственного применения в цепях переменного тока, простота конструк­ции, низкая стоимость, надёжность в эксплуатации и устойчивость к пере­грузкам. К общим недостаткам относятся низкая чувствительность, относи­тельно большое потребление мощности от измеряемой цепи, неравномер­ность шкалы.

Электростатические вольтметры обычно применяются для измерения высоких напряжений – до 100 кВ; эти вольтметры выпускаются класса 1.0 с диапазоном частот от 45 Гц до 0.25 МГц, например, вольтметр М110.

При использовании метода непосредственной оценки вольтметр под­ключается параллельно тому участку электрической цепи, на котором изме­ряется напряжение. Очевидно, для уменьшения методической погрешности измерения напряжения мощность потребления вольтметра должна быть ми­нимальна, а его входное сопротивление – максимально (R_пр→∞). В связи с этим, при измерениях в радиотехнических цепях предпочтительно использо­вание электронных вольтметров.

Электронные вольтметры представляют собой совокупность электрон­ного преобразователя и электромеханического или цифрового измеритель­ного прибора. Они, в основном, строятся в соответствии с двумя структур­ными схемами (см. рис. 3).

Согласно первой схеме усиление исследуемого сигнала осуществляется в частотном диапазоне сигнала, усиленный сигнал выпрямляется и измеряется (см. рис. 3а). В соответствии со второй схемой сначала выполняется детектирование (выпрямление) исследуемого сигнала, затем осуществляется усиление полученного напряжения с помощью усили­теля постоянного тока и его измерение (см. рис. 3б).

Рис. 3. Структурные схемы электронных вольтметров

Вольтметры первой группы характеризуются высокой чувствительно­стью, но сравнительно узким диапазоном рабочих частот из-за сложностей построения широкополосных усилителей. Известны вольтметры, построен­ные по первой структурной схеме, с рабочим диапазоном частот: 2 Гц-100 МГц. Для вольтметров второй группы характерен более широкий рабочий диапазон частот: 20 Гц-1000 МГц, но недостаточно высокая чувствитель­ность.

Усилитель (преобразователь) является важнейшим элементом вольт­метра, в значительной мере определяющим его метрологические характери­стики. Выходное напряжение преобразователя может быть пропорциональ­ным амплитудному, средневыпрямленному или действующему значению входного напряжения. Характер этой зависимости, естественно, определяет, какой вид параметра измеряет вольтметр.

Вольтметры средних значений преимущественно строятся по первой схеме – с преобразованием переменного напряжения в постоянное по сред­нему значению. Эти вольтметры предназначены для измерения среднего или действующего значения синусоидального напряжения.

Простейшими вольтметрами средних значений являются выпрямитель­ные вольтметры на основе однополупериодных или двухполупериодных преобразователей средневыпрямлен­ных значений. В большинстве случаев шкала вольтметра градуируется в действующих значениях измеряемого напряжения, что обуславливает наличие дополнительной погрешности из-за отклонения формы измеряемого напряжения от синусоидальной. При измерении несинусоидального сигнала в показания вольтметра должна быть внесена поправка и действующее значение несинусоидального напряжения определено по формуле:

где: U_нс – действующее значение напряжения несинусоидальной формы;

U_пр – показания прибора;

k_фнс– коэффициент формы несинусоидального сигнала;

k_фс – коэффициент формы синусоидального сигнала.

Таким образом, для сигналов с известным значением коэффициента формы должна быть выполнена корректировка показаний вольтметра. На рисунке 4 изображена относительная погрешность прибора из-за влияния несинусоидальной формы сигнала (зависимость величины погрешности, обусловленной второй гармоникой сигнала, изображена тонкой линией, третьей гармоникой – утолщённой линией); из графика видно, что чётные гармоники оказывают большее влияние на точность измерения.

Основными узлами вольтметров амплитудных значений (пиковых вольтметров) являются: входное устройство, преобразователь переменного напряжения в постоянное напряжение по амплитудному значению, усилитель постоянного тока и измеритель постоянного напряжения (см. рис. 5).

Рис. 4. Зависимость относительной погрешности измерения напряжения

от величины гармоник сигнала

Из-за простоты схемотехнического решения преобразователи амплитудных значений – амплитудные детекторы, широко используются в практике. Принцип действия амплитудного детектора основан на быстром заряде конденсатора через детектирующий диод до амплитудного значения измеряемого напряжения и медленном разряде через нагрузочный резистор. Из-за различия времени заряда и разряда на конденсаторе появляется постоянная составляющая. Чем больше отношение времени разряда конденсатора ко времени заряда, тем, очевидно, больше напряжение на конденсаторе приближается к амплитудному значению исследуемого напряжения. В зависимости от того, какое напряжение в результате измеряется различают две разновидности преобразователей. Если измеряемым является напряжение на конденсаторе, то это – преобразователь амплитудных значений с открытым входом. Такое название он получил потому, что на выход схемы проходит постоянная составляющая входного напряжения. Если выходное напряжение снимается с диода без постоянной составляющей – это преобразователь амплитудных значений с закрытым входом.

Рис. 5. Структурная схема пикового вольтметра

Схема и временные диаграммы сигналов амплитудного детектора с открытым входом изображены на рисунке 6. На вход преобразователя от источника с внутренним сопротивлением R_ист поступает напряжение u(t)=U_msinωt. В установившемся режиме, когда u(t)>u_C, диод открыт. Конденсатор C заряжается с постоянной времени τ_зар=(R_ист+R_д)·RC/(R_ист+R_д+R), посколькупо переменному току нагрузочный резистор R оказывается включённым параллельно последовательно включённым резисторам R_ист и прямому сопротивлению диода R_д.

Рис. 6. Пиковый детектор с открытым входом

Если параметры схемы выбраны так, что R>>(R_ист+R_д), то τ_зар≈(R_ист+R_д)·С. Заряд конденсатора продолжается до момента времени, пока диод не закроется. При закрытом диоде конденсатор разряжается через резистор R с постоянной времени разряда τ_раз=R·C. Поскольку R>>(R_ист+R_д), разряд протекает значительно медленнее и за время отрицательного полупериода конденсатор не успевает разрядиться значительно. В результате, среднее значение напряжения на конденсаторе оказывается близким к амплитудному значению измеряемого напряжения.

Возможности увеличения значения R ограничены входным сопротивлением усилителя постоянного тока, следующего за детектором; существенную погрешность измерений может вызвать внутреннее сопротивление источника R_ист измеряемого напряжения.

На рисунке 7 представлена схема пикового детектора с закрытым входом. Схема представляет собой диодный ограничитель больших сигналов.

Рис. 7. Схема пикового детектора с закрытым входом

Во время положительного полупериода входного напряжения диод открывается и конденсатор С заряжается с постоянной времени τ_зар=(R_ист+R_д||R)·C, или поскольку R>>R_д, τ_зар≈(R_ист+R_д)·C. Постоянна времени τ_зар достаточно мала и конденсатор заряжается почти до значения U_m. Как только напряжение на конденсаторе становится больше входного напряжения, диод закрывается. Если пренебречь значительным обратным сопротивлением диода, можно записать, что разряд конденсатора происходит с постоянной времени τ_раз≈(R_ист+R)·C. Таким образом, как и в предыдущей схеме при выборе достаточно большим R, конденсатор не успевает разрядиться значительно. В результате среднее значение напряжения u_с на конденсаторе оказывается близким к амплитудному значению измеряемого напряжения. При этом напряжение u_с тем меньше отличается от U_m, чем больше отношение R/R_д, а соответствующая погрешность не зависит от значения внутреннего сопротивления источника измеряемого напряжения R_ист. Обратим внимание, что выходным напряжением этого детектора является напряжение U_R≈u(t)-u_C. При этом очевидно, выходное напряжение не содержит постоянной составляющей измеряемого напряжения и пропорционально только его амплитудному значению.

Электронные вольтметры среднеквадратических значений строятся по структурной схеме, приведённой на рисунке 3а. Одним из основных узлов приборов является преобразователь – детектор, переменного напряжения в постоянное напряжение, пропорциональное среднеквадратическому значению напряжения при любой форме входного сигнала. Суть работы вольтметров такого типа заключается в том, что при воздействии входного напряжения на детектор с квадратичной характеристикой преобразования в его цепи формируется сложный по форме ток, средняя или постоянная составляющая которого пропорциональна среднеквадратическому значению измеряемого напряжения независимо от формы этого напряжения, то есть i=α·u 2 (t).

В качестве таких преобразователей могут использоваться электронные лампы или полупроводниковые диоды, имеющие параболическую форму начального участка вольтамперной характеристики. Ламповый детектор с квадратичной характеристикой имеет ряд недостатков, препятствующих его широкому применению. К главным из их относятся малый участок характеристики с квадратичной зависимостью – 1-1.5 В, и зависимость характеристики от напряжения питания. Гораздо устойчивее квадратичный начальный участок вольтамперной характеристики полупроводникового диода, но этот участок ещё меньше, нежели участок лампового диода, всего 0.2-0.3 В.

Одним из способов получения квадратичного детектора, работающего в достаточном диапазоне измеряемых напряжений, является использование диодных цепочек с кусочно-линейной аппроксимацией выходного тока.

На рисунке 8 приведена упрощённая схема квадратичного вольтметра и вольтамперная характеристика его преобразователя. В состав вольтметра входят широкополосный трансформатор Тр, двухполупериодный выпрямитель на элементах VD*, диодная цепочка на элементах VD1—VD5, R₁—R₅ и R * ₁—R * ₅, измеритель И и источник стабилизированного напряжения Е_ст.

Рис. 8. Структурная схема квадратичного вольтметра

Измеряемое напряжение u(t) поступает на вход трансформатора Тр; с помощью диодов VD*, включённых во вторичную обмотку трансформатора, осуществляется двухполупериодное выпрямление исследуемого напряжения. Прибор И измеряет среднее значение тока диодной цепочки. Диодная цепочка прибора имеет близкую к параболической вольтамперную характеристику. В связи с этим, среднее значение тока прибора пропорционально действующему значению исследуемого напряжения.

Диодная цепочка работает следующим образом. Делители напряжения R₁—R₅ и R * ₁—R * ₅ подключены к общему стабилизированному источнику напряжения. Соотношения сопротивлений делителя подобраны так, что U₁

Источник