Izmeritelnye_preobrazovateli_Mironov
.pdfВходная цепь (ВЦ) приведенного на рис. 19.2 вольтметра средних значений представляет собой делитель из n резисторов R. С помощью переключателя, перемещающегося по неподвижным контактам делителя, выбирают необходимое значение измеряемого напряжения. Выбранное напряжение подается на выпрямительный мост, собранный на диодах D1, D2, D3, D4, и далее (после выпрямления) – на измеритель И магнитоэлектрической системы. Графики напряжений и токов, действующих в рассматриваемой схеме, приведены на рис. 19.3.
Рис. 19.3. Графики напряжений и токов: (t) – мгновенное значение измеряемого напряжения; i1(t) – мгновенное значение тока в положительные полупериоды измеряемого напряжения; i2(t) – мгновенное значение тока в отрицательные полупериоды измеряемого напряжения; io(t) – мгновенное значение тока, протекающего через измеритель;
Icp – среднее значение тока; t – время
Работа вольтметра средних значений протекает в следующей последовательности. При положительном полупериоде измеряемого напряжения (в этом случае «+» приложен к точке «а» схемы и «–» приложен к точке «в» (см. рис. 19.2)) ток i1 протекает по цепи: точка «а» – сопротивление R – диод D1 – измеритель И – диод D2 – сопротивление RД – точка «в». При отрицательном полупериоде измеряемого напряжения («+» в точке «в», «–» в точке «а») ток i2
311
19.3. Вольтметры амплитудных значений
В зависимости от принципа построения различают вольтметры амплитудных значений (или «пиковые вольтметры») с открытым входом (рис. 19.4) и вольтметры с закрытым входом (рис. 19.6). На рис. 19.5 приведены временные диаграммы сигналов вольтметров амплитудных значений с открытым входом.
Рис. 19.4. Схема амплитудного вольтметра с открытым входом:
~U – измеряемое (входное) напряже- |
И – измеритель магнитоэлектрической |
ние; |
системы; |
D – полупроводниковый диод; |
|
С – емкость конденсатора; |
Ro – внутреннее сопротивление измери- |
R – постоянное сопротивление; |
теля |
Рис. 19.5. Временные диаграммы сигналов амплитудных вольтметров с открытым входом: u(t) – мгновенное значение измеряемого (входного) напряжения; uc (t) – мгновенное значение напряжения на конденсаторе; i3 – мгновенное значение тока заряда
Рассмотрим работу амплитудных вольтметров с открытым входом при подаче на вход синусоидального напряжения. Пусть в некоторый момент вре-
мени t0 на вход рассматриваемого вольтметра (см. рис. 19.4) прикладывается
314
синусоидальное напряжение U = Umsin(wt), которое через открытый диод D начинает заряжать конденсатор C.
Постоянная времени заряда Т3: |
|
T3 = (Rc+Rд)·С |
(19.9) |
где RC – внутреннее сопротивление источника сигнала; RД – сопротивление открытого диода;
C – емкость конденсатора.
Конденсатор C заряжается до амплитудного значения измеряемого на-
пряжения Uт (см. рис. 19.5) при выполнении условия |
|
T3 < 0,5T, |
(19.10) |
где T – период измеряемого напряжения. |
|
На этом же рисунке показан зарядный ток i3 в первую четверть периода (от t0 до t1). С момента времени t1 входное напряжение уменьшается, диод закрывается. Конденсатор будет разряжаться через сопротивления R и R0 (ток разряда ip) до момента времени t2, когда входное (измеряемое) напряжение становится равным напряжению на конденсаторе, после чего диод открывается и конденсатор подзаряжается до Um (момент времени t2–t3). Ток подзаряда в моменты времени от t2 до t3 показан на рис. 19.5. Аналогично происходит подза-
ряд конденсатора в моменты времени t4–t5 и t6–t7. |
|
Постоянная времени разряда конденсатора С: |
|
Тр = (R+R0), |
(19.11) |
где Тp – постоянная времени разряда; |
|
R – сопротивление цепи; |
|
R0 – внутреннее сопротивление измерителя магнитоэлектрической системы. Для медленного разряда конденсатора необходимо выполнить условие:
Tp >> T. |
(19.12) |
При выполнении условия (19.12) среднее значение напряжения на кон- |
|
денсаторе Uср близко к Um (см. рис. 19.5), т. е. |
|
U m =U cp . |
(19.13) |
315 |
|
Показания измерителей магнитоэлектрической системы пропорциональны средним значениям электрических величин. С учетом (19.13) можно записать:
α = k Um |
(19.14) |
, |
где α – показание амплитудного вольтметра; k – коэффициент пропорциональности;
Um – амплитуда входного (измеряемого) напряжения.
При наличии постоянной составляющей во входном сигнале ±U0 выходное напряжение (и соответственно показание) амплитудного вольтметра с открытым входом пропорционально величине Um±U0, т. е.
α = k(U m ±U0 ) . |
(19.15) |
Приведенная на рис. 19.4 схема предназначена для измерения амплитуды входного сигнала положительной полярности. Для измерения амплитуды отрицательной полярности необходимо изменить полярность включения диода.
На рис. 19.6 приведена схема амплитудного вольтметра с закрытым вхо-
дом.
Рис. 19.6. Схема амплитудного вольтметра с закрытым входом: U – действующее значение измеряемого (входного) напряжения; Rф, Cф – сопротивление и емкость фильтра;
Uвых – выходное напряжение; R – постоянное сопротивление
В этой схеме процесс заряда конденсатора аналогичен процессу, рассмотренному в схеме амплитудного вольтметра с открытым входом. Напряжение на конденсаторе устанавливается и остается близким к значению Um. С помощью фильтра RфСф напряжение усредняется. Выходное напряжение Uвых постоянно и
316
близко к Um. Амплитудные вольтметры с закрытым входом не реагируют на постоянную составляющую входного (измеряемого) напряжения.
Напряжение Uвых может быть измерено с помощью, например, измерителя магнитоэлектрической системы так же, как для амплитудных вольтметров с открытым входом. В этом случае уравнение шкалы для вольтметров с закрытым входом аналогично уравнению шкалы для вольтметров с открытым входом (см. соотношение (19.14)).
Следует отметить, что лучшие результаты обеспечивает подключение магнитоэлектрических измерителей к амплитудным вольтметрам через электронные усилители. Использование электронных усилителей позволяет легче выполнить условие (19.12) и получить более благоприятные метрологические характеристики приборов.
Рассмотренные вольтметры обычно градуируются в амплитудных значениях измеряемого напряжения. В этом случае показания вольтметров не зависят от формы входного (измеряемого) напряжения. Если же приборы проградуированы в действующих значениях синусоидального напряжения, то при измерении напряжений другой формы необходимо делать соответствующий пересчет с учетом коэффициента амплитуды измеряемого напряжения.
Более детально с амплитудными вольтметрами можно ознакомиться по литературным источникам [1; 2; 36].
19.4. Конденсаторные частотомеры
Электронные конденсаторные частотомеры используются для измерения частоты периодических напряжений в диапазоне от 20 Гц до 500 кГц. Приведенная погрешность таких приборов обычно находится в пределах 1,0–2,5 %.
Принцип действия электронного конденсаторного частотомера поясняется схемой, приведенной на рис. 19.7, и временными диаграммами, приведенными на рис. 19.8.
317
Рис. 19.7. Схема электронного конденсаторного частотомера:
УФ – усилитель-формирователь; ЭК – электронный ключ; D1, D2 – полупроводниковые диоды; И – измеритель магнитоэлектрической системы; R, R1 – постоянные сопротивления
Pис. 19.8. Временная диаграмма сигналов электронного конденсаторного частотомера:
u(t) – входной сигнал; |
uc(t) – напряжение на конденсаторе С; |
uф(t) – напряжение на выходе усили- |
ip – ток разряда |
теля – формирователя; |
|
Напряжение, частота которого изменяется u(t) (рис. 19.7, 19.8), подается на вход усилителя-формирователя УФ, усиливающего входное напряжение и
318
формирующего из него прямоугольное напряжение. Этим напряжением управляется схема электронного ключа ЭК. Предполагается, что при отрицательных сигналах ЭК разомкнут, а при положительных замкнут. При разомкнутом состоянии ключа в течение половины периода конденсатор С через RA заряжается до значения Е. Ток заряда i3 протекает через диод D1. При замыкании ЭК конденсатор С разряжается через замкнутый ключ, измеритель И и диод D2.
Заряд конденсатора С до напряжения питания произойдет при выполнении условия
tЗ < 0,5T , |
(19.16) |
где t3 – время заряда;
Т – период входного напряжения.
Полный разряд конденсатора С произойдет при выполнении условия
t p < 0,5T , |
(19.17) |
где tp – время разряда.
При выполнении условий (19.16) и (19.17) конденсатор С за первую половину периода запасает заряд q. За вторую половину периода это количество
электричества проходит через измеритель И. |
|
q = E C , |
(19.18) |
где Е – ЭДС источника питания.
Показания измерителя магнитоэлектрической системы пропорциональны среднему току, проходящему через него.
α = K П I cp , |
(19.19) |
||||
|
T |
∫0 |
|
|
|
Icp = |
1 |
t |
ip (t)dt , |
(19.20) |
|
t |
|
||||
|
|
|
|
|
|
q = ∫ip (t)dt , |
(19.21) |
||||
0 |
|
|
|
|
|
|
f |
= |
1 |
, |
(19.22) |
|
|
||||
|
|
|
T |
|
319
где α – показания прибора;
KП – коэффициент пропорциональности;
Iср – среднее значение разрядного тока;
ip – мгновенное значение тока разряда конденсатора; t – текущее время;
f – частота входного напряжения.
На основании соотношений (19.18)–(19.22) можно записать:
α = K П |
1 |
q = K П f |
E C |
, |
(19.23) |
|
|||||
|
T |
|
|||
K = K П E C , |
|
|
(19.24) |
||
|
α = K f , |
|
|
(19.25) |
где К – коэффициент пропорциональности по частоте.
Выражение (19.25) свидетельствует, что показания рассматриваемого прибора прямо пропорциональны частоте входного сигнала.
Дополнительные сведения по электронным конденсаторным частотомерам приведены в литературных источниках [1; 2].
19.5. Омметры
Электронные омметры широко используются для измерения активных сопротивлений резисторов, контактов, изоляции, поверхностных и объемных сопротивлений и в других случаях.
Погрешность таких омметров составляет от 1–2 до 10–15 %. Особенно велики погрешности при измерении особо больших сопротивлений (при R > (1010–1012) Ом). В зависимости от диапазона измерений рассматриваемые приборы называют миллиомметрами, омметрами, мегаомметрами, тераомметрами.
Работа электронных омметров основана, как правило, на преобразовании измеряемого сопротивления в постоянное напряжение, которое подается на магнитоэлектрический измеритель со шкалой, проградуированной в единицах сопротивления.
320