3.4. Детекторы аналоговых электронных вольтметров

Существует три разновидности детекторов:

• амплитудных (пиковых) значений;

• средних (средневыпрямленных) значений;

• среднеквадратических значений.

Название детектора обусловлено тем, какому значению напряжения равно или пропорционально напряжение на выходе детектора.

Рис. 14

Отличительной особенностью детекторов амплитудных (пиковых) значений является наличие накопителя энергии – конденсатора. Принцип работы этих детекторов основан на свойстве конденсатора заряжаться и разряжаться.

Если напряжение изменяется по гармоническому закону, то детектор называют детектором амплитудных значений, а если форма измеряемого напряжения сложная, то детектор называется детектором пиковых значений.

Электрическая схема детектора амплитудных значений с открытым входом имеет вид:

Рис. 15

Рис. 16

Чем ближе к , тем меньше методическая погрешность измерений амплитудного значения напряжения. Управление погрешностью осуществляется изменением постоянной времени заряда и разряда конденсатора: .

Для уменьшения погрешности необходимо обеспечить выполнение условия: . Управление осуществляется только с помощью изменения . Как правило, значения порядка единиц или десятков мегом.

Необходимо учитывать тот факт что, если , то ~.

Обычно детектор амплитудных значений с открытым входом размещается на входе вольтметра. Часто детектор размещается в выносном пробнике или щупе.

Электрическая схема детектора амплитудных значений с закрытым входом имеет вид:

Рис. 17

Для данного типа детектора постоянные времени заряда и разряда конденсатора определяются по формулам: .

На напряжение пульсирующее с амплитудой пульсации, равной . Так как вольтметр является магнитоэлектрическим ИП и работает на постоянном токе, то для подавления переменной составляющей пульсирующего напряжения на выходе детектора устанавливают фильтр нижних частот.

Рис. 18

Рассмотрим детектор средневыпрямленных значений. Схемотехнически эти детекторы строятся аналогично выпрямительным ИПр (см. раздел 2.3).

Детекторы, в отличие от выпрямительных ИПр, строят не четырёх диодах, а на двух диодах и двух резисторах. Это связано с зависимостью параметров диода от температуры и частоты.

Схема данного детектора имеет вид:

Рис. 19

Поскольку ВАХ диода нелинейная, то вольтметры средневыпрямленных значений не могут измерять напряжения малых уровней. Однако из-за отсутствия накопительных ёмкостей быстродействие вольтметров средневыпрямленных значений выше, чем вольтметров амплитудных значений. Вольтметры средневыпрямленных значений строят по структурной схеме с усилителем напряжения на входе, поэтому эти вольтметры обладают высокой чувствительностью.

Рассмотрим детекторы среднеквадратических значений. Среднеквадратическое значение напряжение определяется по формуле: . Исходя из этой формулы, можно сделать вывод о том, что для реализации измерения таких значений необходимо обеспечить схемотехническую реализацию таких операций:

1. квадрирование ;

2. усреднение (за период);

3. извлечение квадратного корня.

Наличие операции извлечения квадратного корня учитывается при градуировке шкалы. Усредняют с помощью, например, фильтра нижних частот или самого ИП магнитоэлектрической системы. На долю детектора приходится лишь операция квадрирования.

Поскольку начальный участок ВАХ диода, близкий к квадратичному, мал (), то используется схема, позволяющая подбором диодом с соответствующими ВАХ расширить пределы измерения:

Рис. 20

Для больших диапазонов измеряемого напряжение необходимо нагромождение большого количества диодов, что неминуемо влечёт за собой существенные погрешности. Поэтому современные вольтметры среднеквадратических значений строят на основе термопреобразователей – две или более термопар, соединённых последовательно.