Измерение напряжения электронными аналоговыми вольтметрами Аналоговые вольтметры прямого преобразования К аналоговым вольтметрам относятся электромеханические и электронные вольтметры, в которых измеряемое напряжение преобразуется в пропорциональное значение постоянного тока, измеряемое МЭ приборами. Обобщенная структурная схема аналогового вольтметра прямого преобразования: ВУ входное устройство (в простейшем случае аттенюатор); ИП измерительный преобразователь ИУ – индикаторное устройство И ПИ УВ У UxUx

Длявольтметрапостоянного тока Для вольтметра постоянного тока : ИП = УПТ. Угол отклонения указателя измерительного механизма: K ВУ ; K УПТ - коэффициенты преобразования входного устройства и УПТ, S U – чувствительность по напряжению измерительного механизма; K v – коэффициент преобразования электронного вольтметра. U x= – измеряемое напряжение. У П ТМЭИМВ У Ux=Ux= Шкала вольтметра постоянного тока равномерная

Недостаток: Из-за нестабильности работы УПТ, характеризующейся изменением коэффициента преобразования K УПТ и дрейфом нуля, у вольтметров постоянного тока с прямым преобразованием верхний предел измерений при наибольшей чувствительности - от единиц до десятков мВ. Для уменьшения влияния нестабильности УПТ, предусматривается возможность коррекции нуля перед измерением и коэффициента преобразования УПТ.

В высокочувствительных вольтметрах постоянного тока (микровольтметрах) применяют усилители, построенные по схеме модулятор – демодулятор (М – ДМ). Структурная схема: Такая схема позволяет практически полностью убрать дрейф нуля и имеет стабильный высокий коэффициент усиления. U вых = U ср =k·U x = Верхний предел измерений у микровольтметров при наибольшей чувствительности - единицы микровольт при основной приведенной погрешности γ= 0,5 – 6 %. Ux=Ux= УПрТ МЭИМ Модулятор МЭИМ Демодулятор Генератор

Вольтметры переменного и импульсного тока Схема 1 - Измеряемое напряжение с помощью детектора Д преобразуется в постоянное напряжение, которое затем измеряется вольтметром постоянного тока. Схема 2 - Измеряемое напряжение сначала усиливается с помощью УПрТ, а затем детектируется и измеряется. ДВ У ИМ УПТ U x= Ux~Ux~ Д В У ИМ УПрТ U x= Ux~Ux~

Схема 1 – Схема 1 – широкий диапазон частот (20 – 500 МГц, в некоторых случаях до ГГц). Чувствительность низкая – несколько дел / мВ. Схема 2 – Схема 2 – чувствительность намного выше, УПрТ имеют значительно больший коэффициент усиления, чем УПТ, нижний предел измерений ограничивается собственными шумами УПрТ. Полоса частот по сравнению со схемой 1 уже, ограничивается полосой пропускания УПрТ (не более 50 МГц). Вольтметры, построенные по обеим схемам, могут иметь широкий диапазон измеряемых напряжений за счет изменения коэффициента преобразования (коэффициента деления) ВУ и коэффициента усиления усилителей. Вольтметры импульсного тока (В4) проектируют только по схеме 1 (с детектором на входе), чтобы избежать искажений формы импульсов в УПрТ.

В зависимости от типа детектора В зависимости от типа детектора различают вольтметры: 1. амплитудного; 2. среднеквадратического; 3. средневыпрямленного напряжения.

Вольтметры среднеквадратического значения - используются бесконтактные вакуумные термопреобразователи, аналогичные преобразователям в термоэлектрических амперметрах. УПТ ИУ ТП 1 ТП 2 U1U1 U2U2 U3U3 U x

Выходное напряжение ТП2 На вход УПТ подается напряжение Выходное напряжение ТП1 Напряжение на выходе УПТ Если параметры схемы выбрать так, чтобы т.е. шкала индикаторного устройства вольтметра СК значения – равномерная вольтметра СК значения – равномерная.

Основная погрешность вольтметра СК значения напряжения зависит от неидентичности параметров ТП и увеличивается с их старением до 2,5 – 6 %.Достоинство: Такие вольтметры обеспечивают измерение сигналов, имеющих большое количество гармонических составляющих.Недостаток: Сравнительно большое время измерения (1 - 3 с), определяемое инерционностью термопреобразователей. Показания вольтметров среднеквадратического значения не зависят от формы измеряемого напряжения. Соответствуют значению Uск при всех формах сигнала.

Вольтметры амплитудного значения C открытым входом Диод VD (сопротивление Rд) включен последовательно с высокоомным резистором R. R >> Rд VD RДRД С R U вх t U T Uc1Uc1 Uc2Uc2 U c U max <<

t U T Uc1Uc1 Uc2Uc2 U c U max

С закрытым входом Диод VD включен параллельно высокоомному (RC >> T) резистору R. VD С R U вх RфRф Сф Сф t U U(t) U c = - U max t U R (t) U R ср - U max

t U U(t) U c = - U max t U R (t) U(t) = U max sin ωt U R (t) = U(t) – U C = U max sin ωt - U max >> T U(t) = U 0 + U max sin ωt U C U max U C U 0 + U max U R (t) = U (t) – U C = (U 0 + U max sin ωt) – U C = U max sin ωt - U max

За счет пикового детектора вольтметр измеряет пиковое (амплитудное) значение при любой форме сигнала. Шкалы вольтметров с амплитудными преобразователями градуируются в СК значениях напряжения синусоидальной формы. Амплитудное значение измеряемого напряжения несинусоидальной формы равно: U m = K asin · U V = 1,41 ·U V U СК = U m / K a = 1,41 ·U V / K a

Достоинства вольтметров амплитудного значения : Широкий частотный диапазон, который может быть расширен до 1 ГГц; Недостатки Недостатки: 1. Сравнительно невысокая чувствительность ( 0,01 дел / мВ) 2. Увеличение погрешностей при измерениях напряжений с большим уровнем гармонических составляющих

Вольтметры средневыпрямленного напряжения Выполняются по выпрямительной схеме с двухполупериодным выпрямлением (как и амперметры). Шкала вольтметра градуируется в СК значениях синусоидального напряжения. При измерениях напряжения несинусоидальной формы пользуются соотношением: Достоинства: 1. Высокая чувствительность (за счет усиления U ~ ) 2. Полоса пропускания до 10 МГц; 3. При измерении напряжений с малым уровнем гармонических составляющих – сравнительно небольшие погрешности.

Аналоговые вольтметры сравнения Электронные аналоговые вольтметры сравнения в основном реализуют нулевой метод (компенсационные вольтметры). В момент компенсации они не потребляют мощности от источника питания, т.е. с их помощью можно измерять э.д.с. маломощных источников питания. В компенсационных вольтметрах измеряемое напряжение (постоянное, переменное или импульсное) сравнивается с постоянным компенсирующим напряжением, которое является мерой. Типовая структурная схема аналогового вольтметра сравнения: ВУ И V = R VD У EкEк

Расширение пределов измерения напряжений На постоянном токе – добавочные резисторы. Погрешность измерений возрастает из-за неточности изготовления добавочных резисторов + дополнительные частотные погрешности. V RVRV RДRД UVUV UДUД U

На переменном токе – измерительные трансформаторы напряжений. Коэффициент трансформации Используются от 380 В до 500 КВ. UVUV V w1w1 w2w2 RнRн U~U~

Методическая погрешность при измерении напряжения Т. к. R v не бесконечно большое, то вольтметр потребляет некоторую мощность, следовательно, возникает погрешность. До включения вольтметра действительное напряжение на нагрузке R н : После подключения вольтметра (измеренное значение): E0E0 RнRн RvRv V

Погрешность метода: R V должно быть как можно больше. Эта погрешность - систематическая.