Компенсаторы постоянного тока

Измерения тока и напряжения аналоговыми электромеханическими приборами возможно в лучшем случае с погрешностью 0,1% (класс точности прибора 0,1). Более точные измерения выполняют методом сравнения с мерой. Средства измерения, использующие метод сравнения, называется компенсаторами или потенциометрами.

Принцип действия компенсатора основан на уравновешивании (компенсации) измеряемого напряжения известным падением напряжения на образцовом резисторе. Момент полной компенсации фиксируется по показаниям индикаторного прибора (нуль- индикатора).

Упрощенная схема компенсатора постоянного тока приведена на рис. 3.13.

Схема содержит источник образцовой ЭДС , образцовый резистор , вспомогательный источник питания ВБ, переменное сопротивление R, регулировочный реостат R1, и нуль-индикатор НИ. Нуль –индикаторы служит обычно гальванометр с нулем посредине шкалы. В качестве источника образцовой ЭДС(меры ЭДС) используется нормальный элемент –изготавливаемый по специальной технологии гальванический элемент, среди значения ЭДС которого при температуре 20С известно с точностью до пятого знака и равно В. Образцовый резистор представляет собой катушку сопротивления специальной конструкции с точной известным и стабильным сопротивлением.

Процесс измерения напряжения состоит из двух операций: установление рабочего тока и уравновешивание измеряемого напряжения. Для установления рабочего тока переключатель П ставят в положение I и, регулируя сопротивления R1, добиваются отсутствия тока в гальванометре. Это будет иметь место в том случает, когда падение напряжения на реостате R0 станет равным ЭДС нормального элемента:

При этом рабочий ток в цепи

После установки рабочего тока переключатель П устанавливается в положение 2и, не изменяя рабочего тока, устанавливают такое значение сопротивления R=Rх, при котором измеряемое напряжение, будет уравновешено падением напряжения и ток в цепи гальванометра снова будет отсутствовать. Отсюда:

(3.16)

Из (3.16)следует, что при постоянстве значения шкала сопротивления R может быть проградуирована непосредственно в единицах напряжения постоянного тока.

Так как в момент равновесия ток в цепи индикатора отсутствует, то можно считать, что входное сопротивление R компенсатора (со стороны измеряемого напряжения) равно бесконечности, т.е R= . отсюда следует одно из основных достоинств компенсатора- отсутствие потребления мощности от объекта измерения, т.е возможность измерения ЭДС.

Современные потенциометры постоянного тока выпускают классов точности от 0,0005 до 0,2. Верхний предел измерения до 1…2,5В. При достаточной чувствительности индикатора нижний предел измерения может составлять единицы нановольт.

В современных конструкциях компенсаторов вместо нормального элемента часто используется стабилизованные источники напряжения с более высоким значением стабилизованного напряжения, что позволяет расширить верхний предел измерения компенсатора до нескольких десятков вольт. Для измерения более высоких значений напряжения могут быть использованы схемы с делителем напряжения. При этом, однако, утрачивается основное достоинство компенсационного метода-отсутствие потребления мощности от объекта измерения.

Промышленностью выпускаются компенсаторы с ручными и автоматическим уравновешиванием.

Компенсационные методы используются также для измерения на переменном токе.

3.6 Электронные аналоговые вольтметры

При измерение напряжения метода непосредственной оценки вольтметр подключается параллельно тому участку цепи, на котором измеряется напряжение. Для уменьшения методической погрешности измерения собственного потребления вольтметра должно быть мало, а его входное сопротивление велико. Поэтому в схемах электроники при измерении в маломощных цепях применение электромеханических приборов ограничено. Предпочтительнее является использование электронных вольтметров.

Электронные вольтметры представляют собой сочетание электронного преобразователя и магнитоэлектрического или цифрового измерительного прибора.

В отличии вольтметра электромеханической группы электронные вольтметры постоянного и переменного токов имеют высокие входное сопротивление и чувствительность и мало потребление тока от измерительной цепи. Электронные аналоговые и цифровые вольтметры позволяют производить измерения в широком диапазоне напряжений и частот.

По роду тока электронные вольтметры делятся на вольтметры постоянного напряжения, переменного напряжения, универсальные (постоянного и переменного напряжения в одном приборе) и импульсные. Кроме того, выпускаются вольтметры с частотно-избирательными свойствами-селективные.

Электронные аналоговые вольтметры постоянного тока выполняются по схеме, представленной на рис. 3.14 а. Измеряемое напряжение U подается на входное устройство BxY, представляющее собой многопредельные высокоомные делитель напряжения на резисторах. С делителя напряжение поступает на усилитель постоянного тока УПТ и далее – на стрелочный прибор V. Делитель и усилитель постоянного тока ослабляются или усиливают напряжение до значений, необходимых для нормальной работы прибора. Одновременно усилитель обеспечивает согласование высокого сопротивления входной цепи вольтметра с низким сопротивлением рамки прибора магнитоэлектрической системы. Высокое входное сопротивление электронного вольтметра(несколько десятков мегаом) позволяет произвести измерение напряжения в высокоомных цепях без заметного потребления мощности от объекта измерения.

Чтобы обеспечить необходимую точность вольтметра к усилителям постоянного тока, применяемых в электронных вольтметрах, предъявляются жесткие требования в отношении линейности амплитудной характеристики, постоянства коэффициента усиления, температурного и временного дрейфа нуля. При построении электронных вольтметров для измерения малых напряжений эти требования не всегда могут быть удовлетворены. Поэтому электронные вольтметры постоянного тока для измерения малых напряжений выполняются по схеме рис.3.14,б.

В таких вольтметрах постоянного измеряемое напряжение вначале преобразуется модулятором M в переменное, а далее усиление измеряемого сигнала осуществляется усилителем переменного тока Y, обладающим лучшими метрологическими характеристиками по сравнению с усилителями постоянного тока. Выпрямленное выпрямителем (детектором) В, напряжение подается на стрелочный прибор V. Это позволяет получить электронные микровольтметры с нижним пределом измерения порядка 10 В.

Электронные вольтметры переменного тока выполняют по двум структурным схемам(рис.3.14 в,г). В первой из этих схем измеряемое переменное напряжение сначала преобразуется в постоянное детектором В, а затем усиливается усилителем постоянного тока. Во второй схеме усиление производится на переменном токе и лишь затем, предварительно усиленный сигнал, выпрямляется детектором. Эти схемы дополняют друг друга. Каждая из них имеет преимущество и недостатки. Вольтметры, построенные по первой схеме, позволяют измерять напряжения переменного тока в широком частотном диапазоне (10 Гц…1000МГц),но не дают возможности измерять напряжения меньше нескольких десятых долей вольта, т.к детектор выпрямляет только достаточно большое напряжение. Вторая схема позволяет строить более чувствительные вольтметры, нижний предел измерений которых составляет всего лишь единицы микровольт. Однако такие приборы имеют меньший частотный диапазон, поскольку частотный диапазон усилителя переменного тока трудно сделать достаточно широким.

Важнейшим элементом электронного вольтметра, в значительной мере определяющим его метрологические характеристики, является детектор. Напряжение на выходе детектора может быть пропорционально амплитудному, средневыпрямленному или среднему квадратичному значению измеряемого напряжения. Характер этой зависимости определяет, на какое из этих значений реагирует магнитоэлектрический стрелочный прибор. Соответственно, различают вольтметры средних, амплитудных и средних квадратических значениях напряжения синусоидальной формы и это следует учитывать при измерении и при анализе погрешностей, обусловленных отклонение формы реального измеряемого сигнала от синусоиды.

Простейшими вольтметрами средних значений являются выпрямительные вольтметры, рассмотренные выше на основе пассивных (без применения усилительных схемных элементов) преобразователей средневыпрямленных значений. Преобразователи выполняются на полупроводниковых диодах, работающих на линейном участке вольт-амперной характеристики.

Повышение чувствительности, расширение пределов измерения и улучшение линейности функции преобразования в электронных вольтметрах достигается применением активных преобразователей средневыпрямленных значений.

Принцип действия амплитудного детектора (рис.3.15а)основан на заряде конденсатора C через диод Д до амплитудного значения измеряемого напряжение и медленном его разряда через нагрузочный резистор R. Из –за наличия времени заряда и разряда на конденсаторе появляется постоянная составляющая напряжения. Чем больше отношение постоянной времени разряда конденсатора к постоянной времени его заряда, тем больше напряжение на конденсаторе приближается к амплитудному значению. При синусоидальной форме сигнала U(t) среднее значение напряжения на диоде равно среднему значению напряжения на конденсаторе, но с противоположным знаком. Постоянная составляющая напряжения на конденсаторе C и напряжение на диоде несет информацию об амплитудном значении преобразуемого напряжения. В зависимости от того, какое из этих напряжений принимается за выходное, различают две разновидности амплитудных детекторов. Если выходным служит напряжение на конденсаторе, то получаем амплитудный детектор с открытым входом(рис.3.15), который пропускает постоянную составляющую измеряемого напряжение. Если выходное напряжение снижается с диодом, то имеет амплитудным детектором с закрытым входом (рис.3.16). При измерении пульсирующего напряжения конденсатор C будет заряжаться до пикового напряжения .

Амплитудные детекторы с закрытыми и открытым входами применяются в универсальных и высокочастотных вольтметрах при измерении в широком диапазоне частот. Погрешность измерения вольтметра с амплитудным детектором зависит от частоты. Эта погрешность тем больше, чем меньше частоты. Эта погрешность тем больше, чем меньше частота измеряемого напряжения. В промежутках между входными импульсами конденсатор разряжается, поэтому среднее значение напряжения меньше амплитуды. При повышении частоты интервалы между импульсами меньше импульсами меньше и конденсатор разряжается незначительно, поэтому напряжение выше, чем при низкой частоте.

При достаточно низких частотах напряжения может значительно отличаться от амплитуды. Относительная погрешность

T- период измеряемого напряжения.

Одним из существенных недостатков вольтметров с амплитудным детектором является зависимость показаний прибора от формы сигнала. Обычно шкала амплитудных вольтметров градуируется в средних квадратических значениях синусоидального напряжения, тогда как отклонение стрелки прибора пропорционально амплитуде напряжения. Поэтому показания, отсчитанные по шкале стрелочного прибора, справедливы только при измерении синусоидальных напряжений.

При произвольной форме сигнала, если значение Kф для этого сигнала неизвестно, измерение среднего квадратического значения напряжения оказывается невозможным.

На электронные вольтметры установлены классы точности от 0,1 до 25. Обычные классы точности 2,5;4,0.