Электронные вольтметры переменного тока,их структурные схемы

Такие вольтметры состоят из преобразователя переменного напряжения в постоянное, усилителя и магнитоэлектрического измерительного механизма. Возможны две обобщенные структурные схемы вольтметров переменного тока (рис. 4.17), различающиеся своими характеристиками. В вольтметрах по схеме рис.4.17, а измеряемое напряжение и_х сначала преобразуется в постоянное напряжение, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ затем подается на УПТ и ИМ, являющиеся, по существу, вольтметром постоянного тока. Преобразователь Пр представляет собой мало­инœерционное нелинœейное звено, в связи с этим вольтметры с такой структурой могут работать в широком частотном диапазоне (от десятков герц до 10³ МГц).

 

Рис.4.17. Структурные схемы вольтметров переменного тока

В вольтметрах, выполненных по схеме рис.4.17, б, благодаря пред­варительному усилению удается повысить чувствительность. При этом создание усилителœей переменного тока с большим коэффициентом усиления, работающих в широком диапазоне частот,— достаточно трудная техническая задача. По этой причине такие вольтметры имеют относительно низкий частотный диапазон (1 — 10 МГц); верхний предел измерений при максимальной чувствительности составляет десятки или сотни микровольт.

Учитывая зависимость отвида преобразователя переменного напряжения в постоянное отклонения указателя измерительного механизма вольтметров бывают пропорциональны амплитудному (пиковому), среднему (средневыпрямленному) или действующему значениям измеряемого напряжения.

Вольтметры амплитудного значения имеют преобразователи амплитудных значений (пиковые детекторы) с открытым (рис. 4.18, а)или закрытым (рис. 4.19, а)входами, где и_вх и и_вых — входное и выходное напряжения преобразователя.)

с открытым входом

В амплитудных преобразователях с открытым входом конденсатор заряжается практически до максимального и_{х mах}положительного (при данном включении диода) значения входного напряжения (см. рис. 4.18, б). Пульсации напряжения u_вых на конденсаторе объясняются его подзарядом при открытом диоде и разрядом через резистор R при закрытом диоде.

Среднее значение выходного напряжения и_ср ʼʼ и_хтах и, следовательно, угол отклонения указателя измерительного механизма

 

где k_y — коэффициент преобразования вольтметра.

Особенностью амплитудных преобразователœей с открытым входом является то, что они пропускают постоянную составляющую входного сигнала (положительную для показанного включения диода)

При и_вх= U_o + U_m sin ωt среднее значение выходного напряжения и_{СР ≈} U о + Um. Следовательно,

(4.30)

Очевидно, при U_BX<0 подвижная часть ИМ не будет отклоняться, поскольку в данном случае закрыт диод Д.

 

Рис. 4.19. Схема (а) и временные диаграммы сигналов (б)

преобразователя амплитудных значений с закрытым входом

В преобразователях с закрытым входом (рис.4.19, а, б) в установившемся режиме на резисторе R независимо от наличия постоянной составляющей входного сигнала имеется пульсирующее напряжение u_R изменяющееся от 0 до -2 U_m где U_m — амплитуда переменной составляющей входного напряжения. Среднее значение этого напряжения практически равно U_m. Для уменьшения пульсаций выходного напряжения в таких преобразователях устанавливается фильтр нижних частот R_фС_ф. Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, показания вольтметра в данном случае определяются только амплитудным значением переменной составляющей входного напряжения и_х, т. е. a = k_vU_m.

Поскольку шкала вольтметров градуируется в действующих значениях синусоидального напряжения, то при измерении напряжений другой формы крайне важно делать соответствующий пересчет, в случае если известен коэффициент амплитуды измеряемого напряжения. Амплитудное значение измеряемого напряжения несинусоидальной формы

(4.31)

где k_ac = = 1,41 —коэффициент амплитуды синусоиды; U_np — значение напряжения, отсчитанное по шкале прибора.

Действующее значение измеряемого напряжения

(4.32)

где k_a — коэффициент амплитуды измеряемого напряжения.

Вольтметры среднего значения имеют преобразователи пе­ременного напряжения в постоянное, аналогичные преобразователям, используемым в выпрямительных приборах. Такие вольтметры обычно имеют структуру, показанную на рис.4.17, б. В этом случае на выпрямительный преобразователь подается предварительно усиленное напряжение и_х, что повышает чувствительность вольтметров и уменьшает влияние нелинœейности диодов. Угол отклонения подвижной части измерительного механизма у таких вольтметров пропорционален средневыпрямленному значению измеряемого напряжения, т. е.

(4.33)

Шкала таких вольтметров также градуируется в действу­ющих значениях синусоидального напряжения. При измерении напряжения несинусоидальной формы среднее значение этого напряжения

(4.34)

а действующее˸

(4.35)

где U_ПР — показание вольтметра; k_фс = 1,11 — коэффициент формы синусоиды; k_Ф — коэффициент формы измеряемого напряжения.

Вольтметры действующего значения имеют преобразователь переменного напряжения с квадратичной статической характеристикой преобразования и_ВЫХ= k u_ВХ². В качестве такого преобразователя используют термопреобразователи, квадратирующие устройства с кусочно-линœейной аппроксимацией параболы, электронные лампы и другие. При этом если вольтметр действующего значения выполнен по структурным схемам, изображенным на рис.4.17, то независимо от формы кривой измеряемого напряжения отклонение указателя измерительного механизма пропорционально квадрату действующего значения измеряемого напряжения˸
20)Электронные омметры,их структурные схемы

При построении электронных омметров используются два метода измерения: метод стабилизированного тока в цепи делителя и метод преобразования измеряемого сопротивления в пропорциональное ему напряжение.

Схема измерения сопротивления по методу стабилизированного тока приведена на рис. 3.7, а.

а б

Рис. 3.7. Измерение сопротивления по методу стабилизированного тока

Делитель напряжения, составленный из известного образцового R _обри измеряемого R_x сопротивлений, питается от источника опорного напряжения U _оп. Падение напряжения на образцовом резисторе усиливается усилителем У с большим входным сопротивлением. Выходное напряжение усилителя U _выхзависит от значения сопротивления R_x. В качестве индикатора обычно применяется микроамперметр магнитоэлектрической системы, шкала которого градуируется в единицах сопротивления. Если усилитель имеет коэффициент усиления К и входное сопротивление R _вх>> R _обр, то измеряемое сопротивление определяется выражением

.

Этот вариант схемы омметра применяется для измерения достаточно больших сопротивлений, когда R_x > R _обр.

Для измерения малых сопротивлений (R_x < R _обр) используется схема, представленная на рис. 3.7, б. Измеряемое сопротивление здесь определяется выражением

.

Вторая схема реализована в ряде промышленных миллиомметров, обеспечивающих измерение активных сопротивлений в диапазоне

10^–4…10²Ом с погрешностью 1,5…2,0 %.

Измерение средних и больших (до 10¹⁸Ом) сопротивлений осуществляется с использованием преобразования измеряемого сопротивления в пропорциональное ему напряжение. В основу метода положен принцип работы операционного усилителя (ОУ) постоянного тока с отрицательной обратной связью (рис. 3.8).

а б

Рис. 3.8. Схемы омметров на основе операционных усилителей

Для схемы, представленной на рис. 3.8, а, измеряемое сопротивление R_x определяется выражением

,

где U _вых– выходное напряжение усилителя; R _обр– образцовый резистор.

При постоянных значениях U _опи R _обрнапряжение U _выхбудет зависеть только от R_x и, следовательно, шкала микроамперметра может быть отградуирована в единицах сопротивления. Указанная схема применяется в основном для измерения больших сопротивлений в приборах, называемых тераомметрами.

Поменяв местами R_x и R _обр, получим схему (рис. 3.8, б), пригодную для измерения малых сопротивлений (от единиц Ом). Измеряемое сопротивление в такой схеме определяется выражением

.

Применение в одном приборе обеих схем позволяет создать измерители сопротивления с диапазоном измерения от единиц ом до нескольких десятков мегом с погрешностью не более 10 %.

Цифровые частотомеры

 

Частотомеры - сам принцип работы приборов основан на подсчете количества импульсов, сформированных входными цепями из периодического сигнала произвольной формы, за определенный интервал времени. Временной интервал измерения задается методом подсчета импульсов, взятых с внутреннего кварцевого генератора или из внешнего источника. Более простыми словами можно сказать что прибор является сравнивающим устройством, точность которого завистит от эталонной частоты и правильности задания её.Данное устройство отличается высокой точностью и широким диапазоном частот относитьтельно своих аналогов.

Среди измерительных приборов частотомеры занимают определенное почетное положение. Обычно частотомеры применяются для определения частоты переменного или импульсного тока для настройки радиоаппаратуры. А так же частотомер может быть пригоден на электростанциях для отслеживания частоты переменного тока, подающегося на линии электропередачи. Принцип любого частотомера одинаков и состоит в подсчете количества колебания за одну секунду времени.

Рис. 10. 2-7: Питание (220 B AС) 3-4: Выход реле 1-8: Измерительный вход

 

Как и все измерительные электрические приборы, частотомеры делятся на две большие группы: аналоговые и цифровые. Частотомеры и той, и другой группы имеют и преимущества и недостатки. Исторически аналоговые измерительные приборы, в том числе и частотомеры аналогового типа, появились первыми. К недостаткам аналоговых приборов следует отнести наличие чувствительной к тряскам и вибрациям механической части, требования к определенной ориентации и положения прибора, конечная погрешность частотомера. К положительным качествам аналоговых частотомеров относится легкая считываемость показаний при постоянном изменении измеряемой частоты. По расположению частотомеры разделяются на карманные, настольные, и щитовые. Щитовые частотомеры устанавливают на станциях подачи и распределения электроэнергии и на других предприятиях в служебных помещениях для отслеживания частоты переменного тока. И все же частотомер цифровой уже несколько десятков лет назад вытеснил аналогового собрата. Современный частотомер цифровой не имеет механических частей, и поэтому не критичен к способу установки. Ему не страшны вибрации, частотомер цифровой щитовой может быть установлен в одном из помещений производственного цеха завода без опасений за его точную и бесперебойную работу. Относительная погрешность, которую имеет частотомер цифровой щитовой, может быть очень малой. Точность работы цифрового прибора может достигать сотых долей процента. Измерительный прибор частотомер цифровой щитовой предназначен для точного измерения и отслеживания частоты переменного напряжения электрической сети. Цифровые частотомеры этого типа предназначены для стационарной установки в электроизмерительные щиты. Выпускаются стандартных габаритных размеров 120х120, 96х96, 80х80 и 96х48 мм. Класс точности выпускаемых цифровых частотомеров для установки в электрощиты 0,2 или 0,1. Щитовой частотомер имеет пределы измерения частот от 45 до 65 Гц с точностью 0.02 и 0.01 Гц. С указанной точностью частотомер цифровой щитовой способен измерять частоту переменного тока в сети с напряжением от 85 до 242В. Работоспособность прибора сохраняется в широком диапазоне температур от -50 до +50 градусов и до 80% влажности. Конструирование этого измерительного прибора (рис. 11) должно стать для вас обобщением, сведением воедино и практическим применением знаний и навыков по основам цифровой техники. Прибор позволит измерять синусоидальные гармонические и импульсные электрические колебания частотой от единиц герц до 10 МГц и амплитудой от 0,15 до 10 В, а также считать импульсы сигнала.

 

Рис. 11. Внешний вид цифрового частотомера

 

Его образуют: формирователь импульсов сигнала измеряемой частоты, блок образцовых частот, электронный ключ, двоично-десятичный счетчик импульсов, блок цифровой индикации и управляющее устройство. Питается частотомер от сети переменного тока напряжением 220 В через двухполупериодный выпрямитель со стабилизатором выпрямленного напряжения.

Действие прибора основано на измерении числа импульсов в течение определенного-образцового-интервала времени. Исследуемый сигнал подают на вход формирователя импульсного напряжения. На его выходе формируются электрические колебания прямоугольной формы, соответствующие частоте входного сигнала, которые поступают на электронный ключ. Сюда же через управляющее устройство, открывающее ключ на определенное время, поступают и импульсы образцовой частоты. В результате на выходе электронного ключа появляются пачки импульсов, которые далее следуют к двоично-десятичному счетчику. Логическое состояние двоично-десятичного счетчика, в котором он оказался после закрывания ключа, отображает блок цифровой индикации, работающий в течение времени, определяемого управляющим