4.11. Автокомпенсационные вольтметры

Дальнейшее повышение чувствительности и снижение погрешности измерения постоянного напряжения могут быть осуществлены применением метода автоматического уравновешивания в приборах непосредственной оценки. Структурные схемы приборов, использующих метод автоматического уравновешивания, приведены на рис.З.22. Это автокомпенсационные приборы, или автоматические компенсаторы с неполной компенсацией. По роду компенсируемой на входе величины приборы разделяют на приборы с компенсацией напряжения (рис. 3.11, в, б) и с компенсацией тока (рис. З.19, в, г), а по схеме построения цепи обратной связи — на приборы последовательного и параллельного типов. Схема автокомпенсационного прибора состоит из двух цепей: прямой и обратной. Во входной цепи устройства, или в измерительном устройстве сравнения, действуют измеряемая величина и_х(1_х) и компенсирующая величина u_к(I_к) , направленные навстречу друг другу. В результате на входе прямой цепи действует разностный сигнал некомпенсации Δи_х = и_х— и_к или ΔI_x = I_x — I_k

Сигнал компенсации вырабатывается в цепи обратной связи путем преобразования выходного сигнала прямой цепи. Сигнал некомпенсации Δи_х(ΔI_x) усиливается в прямой цепи, при этом выходная величина прямой цепи u_вых(I_вых) увеличивается до тех пор, пока пропорциональная ей компенсирующая величина u_к(I_к) не станет примерно равной измеряемой величине и_х(1_х):

u_x ≈ u_k ( I_x ≈ I_k)

Если u_вых(I_вых) является выходной величиной прибора, то уравнение обратной цепи .

Таким образом, устанавливается прямая пропорциональность между u_вх и u_вых, т.е. точность приборов уравновешивания в идеальном случае определяется только стабильностью коэффициента обратной связи р.

При построении автокомпенсационных микро- и нановольтметров наибольшее распространение получили схемы с последовательной обратной связью и измерением выходного напряжения или тока. Схемы с параллельной обратной связью получили преимущественное распространение при построении приборов для измерения тока.

Структурная схема автокомпенсационного микровольтметра с последовательной обратной связью и измерением выходного напряжения аналоговым или цифровым вольтметром приведена на рис. 3.20, а. Рассмотрим коэффициент передачи схемы. Выходное напряжение автокомпенсатора u_вых= - kΔu_x,

где k — коэффициент передачи прямой цепи; Δu_x = и_х — и_k — напряжение некомпенсации.

Напряжение обратной связи определяется коэффициентом передачи цепи обратной связи:

и_к = u_вых = k Δu_x; Δu_x = u_x – u_k = u_x - Δu_x k , или u_x = Δu_x(1 + k)

Коэффициент передачи автокомпенсатора определяется выражением

k_a = u_вых/u_x = k Δu_x/[ Δu_x(1+ k)] = k/(1+ k)

При изменении k и изменяется и коэффициент передачи k_а, т.е. в показаниях авто компенсатора появится погрешность, определяемая как

Рис. 3.5. Структурные схемы автокомпенсационных приборов с компенсацией напряжения (а, б) и тока (в, г)

Рис. 3.6. Структурная схема автокомпенсационного микровольтметра постоянного тока

Δk_a = | k_a/ k | Δk + | k_a/ | Δ

где | k_a/ k | = 1/(1+k )²; | k/ | = k²/(1+k )²

Относительная погрешность измерения

откуда следует, что при большом значении k погрешность вольтметра определяется только элементами прямой цепи.

Достоинством автокомпенсационных схем является их способность в 1 + k раз уменьшать погрешность от изменения коэффициента усиления k . Так, при погрешности коэффициента усиления δк = 100 % и k = 1000 погрешность автокомпенсационной схемы будет равна 0,1%.

Автокомпенсационные приборы постоянного тока используемых в них усилителей некомпенсации бывают электронные, гальванометрические или электрометрические.

Структурная схема электронного автокомпенсационного микровольтметра приведена на рис. 3.2. Прибор состоит из УПТ, аналого-цифрового преобразователя АЦП₁, АЦП₂ , блока развязки БР, блока управления поддиапазонами измерений БУПИ и блока питания БП. Прибор построен на основе УПТ с преобразованием напряжения, охваченного глубокой отрицательной обратной связью. Выходное напряжение устройства измеряется цифровым вольтметром.

Гальванометрические автокомпенсационные приборы с фотоэлектрическим усилителем. При измерении малых напряжений постоянного тока используются гальванометрические компенсаторы, где в качестве УПТ применяются различные варианты гальванометрических усилителей, обладающих очень высокой чувствительностью. Наибольшее распространение получили фотоэлектрические усилители. Упрощенная структурная схема гальванометрического автокомпенсатора представлена на рис.3.21. В схему прибора входят измерительный механизм зеркального гальванометра G магнитоэлектрической системы, образцовый резистор обратной связи R_обр, фоторезисторы ФР₁ и ФР₂, источники постоянного напряжения Е₁ = Е₂, магнитоэлектрический микроамперметр. На зеркальце гальванометра G направлен луч света от источника Л. При отсутствии напряжения на входе измерителя луч света, отраженный от зеркала, одинаково освещает оба фоторезистора и ток через микроамперметр I_k = 0. При подаче на вход измерителя напряжения и_х в цепи гальванометра появляется ток I_г

Рис. 3.7. Структурная схема гальванометрического микровольтметра

подвижная часть гальванометра поворачивается на некоторый угол и происходит перераспределение освещенности фоторезисторов, вследствие чего сопротивление одного резистора уменьшается, второго увеличивается. В результате равновесие мостовой схемы (ФР₁, ФР₂, Е₁, Е₂) нарушается и в диагонали моста потечет ток I_k, создавая на сопротивлении R_o5p напряжение компенсации и_k, почти равное измеряемому напряжению и_х. Значение тока I_к автоматически изменяется в зависимости от изменения измеряемого напряжения и_х, но так, что выполняется условие и_х ≈ и_k. Почти полная компенсация этого напряжения обусловливает большое входное сопротивление. Благодаря компенсационной схеме результаты измерения мало зависят от колебаний напряжения питания, изменения характеристик элементов схемы и сопротивления источника измеряемого напряжения. Чувствительность фотокомпенсационных приборов определяется чувствительностью гальванометра.

Недостатками гальванометрических приборов являются их малое быстродействие, низкое входное сопротивление и чувствительность к механическим вибрациям.

На этом принципе основаны фотогальванометрические компенсационные нановольтметры типов Ф118, Ф128 и др. Наилучшие модели приборов (например, 147 и 148 фирмы Keithley Instruments) питаются от встроенного аккумулятора с подзарядным устройством. Они малочувствительны к вибрациям и ударам, имеют собственные шумы 2*10^-10 В, а также высокое подавление наводок с частотой сети.

Электромеханические компенсаторы

Электромеханические компенсаторы — это измерители напряжения, использующие электрический электрометр и имеющие благодаря этому весьма высокое входное сопротивление. Они применяются для измерения малых напряжений в высокоомных цепях, при измерении потенциала сетки электронных ламп, для измерения электростатического напряжения и пр.

Электрометр представляет собой чувствительный электростатический измерительный механизм, легкая подвижная часть которого подвешивается на тонкой упругой нити.