Электронные вольтметры

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

БИЙСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ФИЛИАЛ)

Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования

«Алтайский государственный технический университет имени И.И.Ползунова»

Тема: «Электронные вольтметры»

Выполнил: студент гр. ИИТТ-22

Меркулов И.В.

Проверил: Максачук А.И.

Бийск 2004 г.

Введение

Электронным вольтметром называется прибор, показания которого вызываются током электронных приборов, т. е. энергией источника питания вольтметра. Измеряемое напряжение управляет током электронных приборов, благодаря чему входное сопротивление электронных вольтметров достигает весьма больших значений и они допускают значительные перегрузки.

В электронных вольтметрах конструктивно объединены электронный преобразователь и измерительный механизм. Электрон­ный преобразователь может быть ламповым или полупроводнико­вым. Измерительный механизм обычно магнитоэлектрический.

Измерительный механизм

Рис.2.2

Электронный вольтметр состоит из ИЦ, ИМ и ОУ. Конструктивно измерительный механизм может быть выполнен ли­бо с подвижным магнитом, либо с подвижной катушкой. На рис. 2.2 пока­зана конструкция прибора с подвижной катушкой.

Постоянный магнит 1, магнитопровод с полюсными наконечниками 2 и неподвижный сердечник 3 составляют магнитную систему механизма.

В зазоре между полюсными наконечниками и сердечником создается сильное равномер­ное радиальное магнитное поле, в котором находится подвижная прямоугольная катуш­ка 4, намотанная медным или алюминиевым проводом на алюминиевом каркасе (приме­няют и бескаркасные рамки). Катушка (рам­ка) может поворачиваться в зазоре на полу­осях 5 и 6. Спиральные пружины 7 и 8 созда­ют противодействующий момент и исполь­зуются для подачи измеряемого тока от выходных зажимов прибора в рамку (меха­нические и электрические соединения на ри­сунке не показаны). Рамка жестко соединена и со стрелкой 9. Для балансировки подвижной части имеются передвижные грузики 10. Проходя по проводникам обмотки рамки, ток взаимо­действует с магнитным потоком постоянного магнита, что вызывает по­явление механических сил F, создающих вращающий момент Мвр, стре­мящийся повернуть рамку.

Мвр = I*B*S*w, где

I - ток, протекающий по обмотке,

B – магнитная индукция в воздушном зазоре

S – площадь

w – число витков обмотки

Это уравнение является выражением вращающего мо­мента для всех электронный вольтметров. Противодействующий момент в приборах необходим для создания однозначного соответствия измеряемой величины определенному углу отклонения подвижной части. В случае, когда противодействующий момент создается спиральной пружиной, противодействующий момент будет

Мпр = Da, (2.2)

где D — удельный противодействующий момент, зависящий от геомет­рических размеров и материала пружины (растяжек).

Электронные вольтметры подразделяют на:

1. Установки для поверки вольтметров

2. Вольтметры постоянного тока

3. Вольтметры переменного тока

4. Вольтметры импульсного тока

5. Фазочувствительные

6. Селективные

7. Универсальные

1. Установки для поверки вольтметров – это приборы, предназначенные для настройки, регулирования и поверки измерителей напряжения. Основой для этих приборов служит источники напряжения калиброванного уровня.

2. Отличительной особенностью электронных вольтметров на постоянном токе – их большое входное сопротивление, благодаря этому их можно применять для измерения напряжения на участке цепи.

3. Наиболее распространенными и универсальными приборами являются электронные вольтметры перемен­ного тока. У них высокая чувствительность и широкие пределы измерений, которые при ис­пользовании усилителей и делителей напряжения охватывают об­ласть напряжений от единиц микровольт до тысяч вольт; малая входная емкость (единицы пикофарад) и высокое входное активное сопротивление (до десятков мегом); обширный диапазон рабочих частот (от десятков герц до сотен мегагерц); способность выдержи­вать большие перегрузки.

4. Импульсные предназначены, для измерения одиночных и повторяющихся импульсных и импульсно-моделирующих напряжений в диапазоне длительности от нескольких наносекунд до десятков миллисекунд. Некоторые импульсные используются для измерения амплитудных значений напряжения на переменном токе. Кроме того, можно использовать для измерения постоянного напряжения.

5. Фазочувствительные вольтметры применяются при сня­тии амплитудно-частотных и фазово-частотных характеристик различных низко­частотных четырехполюсников — усилителей, фильтров и др.

6. Селективные - электронные вольтметры, на входе которых предусмотрены избирающие, подстраивающие устройства. Ими можно измерять высокочастотные напряжения в присутствии помех.

7. Универсальные. Измеряют напряжение, как на постоянном, так и на переменном токе. Позволяют измерять силу тока в цепях постоянного тока.

Вольтметры постоянного тока

Рис.2.28

Где ВУ – входное устройство, УПТ – усилитель постоянного тока, ИМ – магнитоэлектрический измерительный механизм.

Электронные вольтметры постоянного тока выполняются по схеме, представленной на рис. 2.28. Измеряемое напряжение V подается на входное устройство, представляющее собой многопредельный высокоомный делитель на резисторах. С делителя напряжение поступает на уси­литель постоянного тока и далее — на измерительный механизм. Де­литель и усилитель постоянного тока ослабляют или усиливают напряжение до значений, необходимых для нормальной работы измерительного механизма. Одновременно усилитель обеспечивает согласование высо­кого сопротивления входной цепи прибора с низким сопротивлением катушки измерительного механизма.

Последовательное соединение делителя напряжения и усили­теля является характерной особенностью построения всех элек­тронных вольтметров. Такая структура позволяет делать вольт­метры высокочувствительными и многопредельными за счет из­менения в широких пределах их общего коэффициента преобразования. Однако повышение чувствительности вольт­метров постоянного тока путем увеличения коэффициента усиле­ния УПТ наталкивается на технические трудности из-за неста­бильности работы УПТ, характеризующейся изменением kУПT и дрейфом «нуля» (самопроизвольным изменением выходного сигнала) усилителя. Поэтому в таких вольтметрах, как правило, kУПT ≈1, а основное назначение УПТ — обеспечить большое входное сопротивление вольтметра. В связи с этим верхний пре­дел измерений таких вольтметров не бывает ниже десятков или единиц милливольт.

Для уменьшения влияния нестабильности УПТ в вольтметрах предусматривают возможность регулировки перед измерением «нуля» и коэффициента преобразования усилителя.

Угол от­клонения указателя измерительного механизма α = kВУkУПTSUUx= =kVUx, где kВУ, kУПT — коэффициенты преобразования (усиле­ния) соответственно ВУ и УПТ, SU —чувствительность по на­пряжению измерительного механизма; kV — коэффициент пре­образования электронного вольтметра; Ux — измеряемое напря­жение.

Для создания высокочувствительных вольтметров постоянно­го тока (микровольтметров) применяют усилители постоянного тока, построенные по схеме М — ДМ (модулятор — демодуля­тор).

Генератор управляет работой модулятора и демодулятора, пред­ставляющих собой в простейшем случае аналоговые ключи, синхронно замыкая и размыкая их с некоторой часто­той. На выходе модулятора возникает однополярный импульсный сигнал, амплитуда которого пропорциональна измеряемому на­пряжению. Переменная составляющая этого сигнала усиливает­ся усилителем, а затем выпрямляется демодулятором. Приме­нение управляемого демодулятора делает вольтметр чувстви­тельным к полярности входного сигнала.

Среднее значение напряжения выходного сигнала пропорцио­нально входному напряжению Uср = kUx. Поскольку такая схема усилителя позволяет практически убрать дрейф «нуля» и имеет стабильный коэффициент усиления, коэффициент k может дости­гать больших значений, например k=3,33-105 для микровольт­метра В2-25. Вследствие этого у микровольтметров верхний предел измерений при наивысшей чувствительности может со­ставлять единицы микровольт. Так, микровольтметр постоянного тока В2-25 имеет верхние пределы измерений 3, 10—300, 1000 мкВ при основной приведенной погрешности ± (0,5—6)%.

Недостатками вольт­метров являются трудность изменения предела измерений, из-за чего приборы выполняются, как правило, однопредельными, и низ­кая чувствительность (верхний предел измерений не менее десятков вольт), что определяет преимущественное их использование для измерения высоких напряжений. Необходимость питания от стабильных источников по­стоянного или переменного напряжения; необходимость в электри­ческой установке стрелки измерителя на нуль или калибровке вольтметра перед началом измерений; сравнительно большая по­грешность измерений (до 3—5%). Шкалу любого электронного вольтметра градуируют в среднеквадратических (действующих) значениях напряжения синусоидальной формы. Исключение составляют импульсные вольтметры, шкалу которых градуируют в амплитудных значениях.

Преимущества

Электронные вольтметры обладают высокой чувствительностью, высоким входным сопротивлением, широким диапазоном измеряемых напряжений, могут работать в широком диапазоне частот.

Диапазон измерений

Электронные вольтметры обладают широким диапазоном измеряемых напряжений: от десятков нановольт на постоянном токе до десятков киловольт, работают в частотном диапазоне от постоянного тока до частот порядка сотен мегагерц, входное сопротивление более 1 МОм.

Вольтметры с уравновешивающим преобразованием, как правило, имеют более высокие классы точности: 0,2 – 2,5.

Список используемой литературы:

1. Аналоговые электроизмерительные приборы: Учебное пособие для вузов/Ф.С.Дмитриев, Е.А.Киселева, Г.П.Лебедев и др.; Под ред. А.А.Преображенского.: Учебник М.:  Выcшая школа, 1979.
2. Основы метрологии и электрические измерения: Учебник для вузов / Б.Я. Андреев, Е.М. Антонюк, Е.М.Душин и др. Под ред. Е.М. Душина.- 6-е изд., перераб. и доп. – Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1987.- 480 с.: ил.
3. Алукер. Электро-измерительные приборы.