Меню

Измерение переменного электрического напряжения метрология



«Измерение переменного электрического напряжения»

ПО ДИСЦИПЛИНЕ «МЕТРОЛОГИЯ, СТАНДАРТИЗАЦИЯ И ТЕХНИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ»

для студентов, обучающихся по специальности 210201 «Проектирование и технология радиоэлектронных средств»

к выполнению лабораторной работы

«Измерение переменного электрического напряжения»

по дисциплине «Метрология, стандартизация и технические измерения»

для студентов, обучающихся по специальности 210201 «Проектирование и технология радиоэлектронных средств»

Составитель: Ю.М.Пепякин, О.В.Соломенников

Данные методические указания предназначены для студентов Приборостроительного факультета при выполнении лабораторной работы «Измерение переменного электрического напряжения» по дисциплине «Метрология, стандартизация и технические измерения».

Приведены контрольные вопросы для подготовки к лабораторной работе.

1. Цель работы

Получение навыков измерения переменного электрического напряжения. Ознакомление с особенностями влияния формы и частоты измеряемого напряжения на показания средств измерений. Приобретение представления о поряд­ке работы с электроизмерительными приборами при измерении переменного напряжения.

2. Подготовка к работе (домашнее задание)

Изучить теоретический материал, относящийся к данной работе по литературе [1], [2] и [3].

Для самопроверки готовности к выполнению работы сформулировать ответы на следующие вопросы, которые могут быть заданы:

Понятия коэффициента формы и коэффициента амплитуды и методика учета влияния этих коэффициентов на результаты измерения переменного напряжения.

Методы измерения переменного электрического напряжения.

Причины возникновения и способы учета погрешностей при измерении переменного электрического напряжения.

Устройство, принцип действия и основные характеристики электромеханических вольтметров переменного тока.

Устройство, принцип действия и основные характеристики электронных (аналоговых и цифровых) вольтметров переменного тока.

Содержание и способы реализации методов измерения, используемых при выполнении работы.

Устройство и характеристики средств измерений, используемых при выполнении работы.

3. Краткие теоретические сведения

При измерении переменного напряжения синусоидальной формы, как правило, интересуются его среднеквадратическим (действующим) значением. Действующее значение переменного напряжения Uд находят, используя известную зависимость между Uд и мгновенным значением измеряемого напряжения U(t):

, (1)

где Т — период переменного напряжения.

Действующее значение переменного напряжения может быть измерено электромагнитными (диапазон частот от 20 Гц до 1-2 кГц), электродинамическими (диапазон частот от 20 Гц до 2-5 кГц), ферродинамическими (диапазон частот от 0 Гц до 1-2кГц), электростатическими (диапазон частот от 20 Гц до 10-20 МГц), термоэлектрическими (диапазон частот от 10 Гц до 10-100мГц) и электронными (диапазон частот от 20 Гц до 0,1-1 ГГц) вольтметрами. Иногда, особенно в тех случаях, когда форма электрического сигнала отлича­ется от синусоидальной, измеряют средневыпрямленное и амплитудное значе­ния переменного напряжения. Средневыпрямленное значение переменного напряжения uc определяют как среднее арифметическое абсолютных мгновенных значений за период:

, (2)

Средневыпрямленное значение может быть измерено выпрямительным элект­ромеханическим вольтметром (диапазон частот от 20 Гц до 10-20 кГц) или элект­ронным вольтметром (диапазон частот от 10 Гц до 10-100 МГц).

Таблица 1. Значения коэффициентов Кф и Ка

Для периодических колебаний произвольной формы связь между средневыпрямленным и среднеквадратическим значениями определяется соотношением:

где Кф — коэффициент формы, значения которого для некоторых случаев приведены в таблице 1. Амплитудное значение Um гармонического напряжения связано с его текущим u(t) значением известной зависимостью: u(t) = Um sin(ωt + φ). Для периодических колебаний другой формы эта зависимость может быть сравнительно легкo определена. Что касается непериодических сигналов, то они характеризуются пиковыми значениями (максимальными значениями из всех мгновенных значений за время наблюдения).

Амплитудное и пиковое значения могут быть измерены электронными вольтметрами пикового (амплитудного) значения (диапазон частот от 20 Гц до 10-100 МГц), а также с помощью осциллографов различного типа (диапазон частот от 0,1 Гц до 10-100 ГГц).

Для периодических колебаний произвольной формы связь между амплиту­дой сигнала и его среднеквадратическим значением определяется по формуле:

где Ка — коэффициент амплитуды, значения которого для некоторых часто встре­чающихся случаев приведены в таблице 1.

4. Описание лабораторного стенда. Лабораторный стенд представляет собой Lab VIEW компьютерную модель, рас­полагающуюся на рабочем столе персонального компьютера. На стенде находятся модели электромагнитного и электродинамического вольтметров, электронного вольтметра с амплитудным детектором, проградуированного в действующих значениях гармонического напряжения, электронных милливольтметров средневыпрямленного и среднеквадратического значе­ния, электронного осциллографа и генератора сигналов специальной формы (рис. 1).

При выполнении работы модели средств измерений и вспомогательных устройств служат для решения описанных ниже задач.

Модели электромагнитного и электродинамического вольтметров, а также вольтметра с амплитудным детектором используются при моделировании процесса прямых измерений среднеквадратического значения переменного элект­рического напряжения синусоидальной формы методом непосредственной оценки.

Модели электронных аналоговых милливольтметров средневыпрямленного и среднеквадратического значения используются при моделировании процесса прямых измерений соответственно средневыпрямленного и среднеквадратического значения напряжения в цепях переменного тока синусоидальной и иска­женной формы методом непосредственной оценки.

Модель электронного осциллографа используется при моделировании процесса измерения параметров переменного напряжения произвольной фор­мы.

Модель генератора сигналов специальной формы используется при модели­ровании работы источника переменного напряжения синусоидальной, прямоугольной (меандр), треугольной (двухполярной) и пилообразной формы, с плав­ной регулировкой амплитуды и частоты выходного сигнала.

Схема электрического соединения приборов при выполнении измерений приведена на рис. 2.

Pиcунок 1. Модель лабораторного стенда на рабочем столе компьютера

При выполнении работы манипуляция органами управления средствами из­мерений и других устройств производится с помощью мыши в таком же порядке, как это предусмотрено при работе с реальными приборами и устройствами.

Классы точности вольтметров следующие:

— электронного вольтметра амплитудногозначения — 2,5;

— электромагнитного вольтметра — 0,5;

— электродинамического вольтметра — 0,2;

— электронного вольтметра средневыпрямленного значения — 0,5;

— электронного вольтметра среднеквадратического значения — 0,5.

Диапазоны рабочих частот вольтметров следующие:

— электронного вольтметра амплитудного значения — 0 — 5 МГц;

— электромагнитного вольтметра — 0 — 1 кГц;

— электродинамического вольтметра — 0 — 10 кГц;

— электронного вольтметра средневыпрямленного значения — 10 Гц – 10 МГц;

— электронного вольтметра среднеквадратического значения — 10 Гц — 10 МГц.

Источник

Измерение переменного электрического напряжения метрология

ГОСТ Р 8.832-2013

НАЦИОНАЛЬНЫЙ СТАНДАРТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Государственная система обеспечения единства измерений

ГОСУДАРСТВЕННАЯ ПОВЕРОЧНАЯ СХЕМА ДЛЯ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО НАПРЯЖЕНИЯ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА ПРОМЫШЛЕННОЙ ЧАСТОТЫ В ДИАПАЗОНЕ ОТ 1 ДО 500 кВ

State system for ensuring the uniformity of measurements. State verification system for measuring equipment of AC industrial voltage from 1 to 500 kV

Дата введения 2015-01-01

Цели и принципы стандартизации в Российской Федерации установлены Федеральным законом от 27 декабря 2002 г. N 184-ФЗ «О техническом регулировании», а правила применения национальных стандартов Российской Федерации — ГОСТ Р 1.0-2004 «Стандартизация в Российской Федерации. Основные положения»

Сведения о стандарте

1 РАЗРАБОТАН Федеральным государственным унитарным предприятием «Всероссийский научно-исследовательский институт метрологической службы» (ФГУП «ВНИИМС»)

2 ВНЕСЕН Техническим комитетом по стандартизации ТК 206 «Эталоны и поверочные схемы» подкомитетом ПК 206.7 «Эталоны и поверочные схемы в области измерений электрических величин»

3 УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 6 сентября 2013 г. N 1024-ст

4 ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ

Правила применения настоящего стандарта установлены в ГОСТ Р 1.0-2012 (раздел 8). Информация об изменениях к настоящему стандарту публикуется в ежегодном (по состоянию на 1 января текущего года) информационном указателе «Национальные стандарты», а официальный текст изменений и поправок — в ежемесячном информационном указателе «Национальные стандарты». В случае пересмотра (замены) или отмены настоящего стандарта соответствующее уведомление будет опубликовано в ближайшем выпуске информационного указателя «Национальные стандарты». Соответствующая информация, уведомление и тексты размещаются также в информационной системе общего пользования — на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет (gost.ru)

1 Область применения

1 Область применения

Настоящий стандарт распространяется на государственный первичный специальный эталон и государственную поверочную схему для средств измерений электрического напряжения переменного тока промышленной частоты в диапазоне от 1 до 500 кВ (приложение А), и устанавливает назначение государственного первичного специального эталона единицы электрического напряжения переменного тока промышленной частоты в диапазоне от 1 до 500 кВ, комплекс основных средств измерений, входящих в его состав, основные метрологические характеристики эталона и порядок передачи единицы электрического напряжения переменного тока промышленной частоты в диапазоне от 1 до 500 кВ от государственного первичного специального эталона с помощью вторичных эталонов и эталонных средств измерений рабочим средствам измерений с указанием погрешностей (неопределенностей) и основных методов поверки (калибровки).

2 Нормативные ссылки

В настоящем стандарте использованы нормативные ссылки на следующие стандарты:

ГОСТ Р 51350-99 Безопасность электрических контрольно-измерительных приборов и лабораторного оборудования. Часть 1. Общие требования

ГОСТ 1516.2-97 Электрооборудование и электроустановки переменного тока на напряжение 3 кВ и выше. Общие методы испытаний электрической прочности изоляции

ГОСТ 13109-97 Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения

ГОСТ 22261-94 Средства измерений электрических и магнитных величин. Общие технические условия

Примечание — При пользовании настоящим стандартом целесообразно проверить действие ссылочных стандартов в информационной системе общего пользования — на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет или по ежегодному информационному указателю «Национальные стандарты», который опубликован по состоянию на 1 января текущего года, и по выпускам ежемесячного информационного указателя «Национальные стандарты» за текущий год. Если заменен ссылочный стандарт, на который дана недатированная ссылка, то рекомендуется использовать действующую версию этого стандарта с учетом всех внесенных в данную версию изменений. Если заменен ссылочный стандарт, на который дана датированная ссылка, то рекомендуется использовать версию этого стандарта с указанным выше годом утверждения (принятия). Если после утверждения настоящего стандарта в ссылочный стандарт, на который дана датированная ссылка, внесено изменение, затрагивающее положение, на которое дана ссылка, то это положение рекомендуется применять без учета данного изменения. Если ссылочный стандарт отменен без замены, то положение, в котором дана ссылка на него, рекомендуется применять в части, не затрагивающей эту ссылку.

3 Государственный первичный специальный эталон

3.1 Государственный первичный специальный эталон предназначен для воспроизведения, хранения и передачи единицы электрического напряжения переменного тока промышленной частоты в диапазоне от 1 до 500 кВ (здесь и далее имеются в виду действующие и амплитудные значения напряжения переменного тока) с помощью рабочих эталонов и эталонных средств измерений рабочим средствам измерений с целью обеспечения единства измерений.

3.2 В основу измерений единицы электрического напряжения переменного тока промышленной частоты в диапазоне от 1 до 500 кВ должна быть положена единица, воспроизводимая указанным эталоном. Единица электрического напряжения переменного тока промышленной частоты в диапазоне от 1 до 500 кВ воспроизводится методом преобразования измеряемых значений напряжения переменного тока с помощью преобразовательного высоковольтного измерительного блока, с последующим компарированием и уравновешиванием токов, значения которых получены от прикладываемого измеряемого напряжения и точно известного опорного напряжения, с помощью мостовой схемы.

Читайте также:  Как измерить обхват живота при беременности самостоятельно

3.3 Государственный первичный специальный эталон состоит из комплекса следующих средств измерений:

— источника высокого напряжения переменного тока;

— преобразовательного высоковольтного блока;

— блока уравновешивания токов;

— блока опорного напряжения;

— блока плеча низкого напряжения.

3.4 Диапазон значений напряжения переменного тока промышленной частоты, воспроизводимых эталоном, составляет от 1 до 500 кВ.

3.5 Номинальное значение частоты переменного тока составляет 50 Гц.

3.6 Государственный первичный специальный эталон должен обеспечивать воспроизведение, хранение и передачу единицы электрического напряжения переменного тока промышленной частоты в диапазоне при значении показателей качества питающего напряжения по ГОСТ 13109.

3.7 Государственный первичный специальный эталон обеспечивает воспроизведение единицы электрического напряжения переменного тока промышленной частоты в диапазоне от 1 до 500 кВ с показателями точности, указанными в таблице 1:

— среднее квадратическое отклонение результата измерений при 10-ти независимых наблюдениях;

— доверительные границы неисключенной систематической погрешности эталона при доверительной вероятности 0,95;

— стандартная неопределенность, оцениваемая по типу А;

— стандартная неопределенность, оцениваемая по типу В.

Таблица 1 — Показатели точности государственного первичного специального эталона

Диапазон напряжения переменного тока, кВ

Обозначение показателя точности

Значение показателя точности (относительные единицы)

Источник

ЛР 3.4 Измерение переменного электрического напряжения

Описание файла

Документ из архива «ЛР 3.4 Измерение переменного электрического напряжения», который расположен в категории «лабораторные работы». Всё это находится в предмете «метрология» из четвёртого семестра, которые можно найти в файловом архиве РТУ МИРЭА. Не смотря на прямую связь этого архива с РТУ МИРЭА, его также можно найти и в других разделах. Архив можно найти в разделе «лабораторные работы», в предмете «метрология» в общих файлах.

Онлайн просмотр документа «ЛР 3.4 Измерение переменного электрического напряжения»

Текст из документа «ЛР 3.4 Измерение переменного электрического напряжения»

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ РАДИОТЕХНИКИ ЭЛЕКТРОНИКИ И АВТОМАТИКИ

Отчёт лабораторной работы №3.4

Тема: “ Измерение переменного электрического напряжения”

Работа №3.4. Измерение переменного электрического напряжения

Получение навыков измерения переменного электрического напряжения. Ознакомление с особенностями влияния формы и частоты измеряемого напряжения на показания средств измерений. Приобретение представления о порядке работы с электроизмерительными приборами при измерении переменного напряжения.

2. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Ознакомиться с теорией и заданием;

Запустить лабораторную работу 3.4 в программном обеспечении LabView;

Ознакомиться со стендом измерений и приборами;

Используя осциллограф в качестве индикатора, определите в диапазоне частот от 20 Гц до 100 кГц зависимость показаний электромагнитного, электродинамического и электронного вольтметров от частоты измеряемого переменного напряжения

Исследовать зависимость показаний электромагнитного, электродинамического и электронных вольтметров от формы измеряемого напряжения.

Построить графики зависимости показаний вольтметров различных систем от частоты измеряемого напряжения.

Подготовить ответы на контрольные вопросы.

3. СВЕДЕНИЯ О МЕТОДАХ ИЗМЕРЕНИЯ

Модели электромагнитного и электродинамического вольтметров, а также вольтметра с амплитудным детектором используются при моделировании процесса прямых измерений действующего значения переменного электрического напряжения синусоидальной формы методом непосредственной оценки.

Модели электронных аналоговых милливольтметров средневыпрямленного и среднеквадратического значения используются при моделировании процесса прямых измерений соответственно средневыпрямленного и среднеквадратического значения напряжения в цепях переменного тока синусоидальной и искаженной формы методом непосредственной оценки.

4. СВЕДЕНИЯ О ХАРАКТИРИСТИКАХ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЯ

Электронный аналоговый вольтметр. Модель проградуирована в среднеквадратических значениях. Диапазон измерения напряжения (в режимах постоянного и переменного токов) от 100мВ до 300В. Диапазон частот от 10Гц до 100МГц. Класс точности 2.5

Электромагнитный вольтметр. Для измерения напряжения синусоидальной формы. Пределы измерения 0.3, 1, 3 или 15В. Диапазон частот от 20Гц до 1кГц. Класс точности 0.5

Электродинамический вольтметр. Для измерения напряжения синусоидальной формы. Пределы измерения 3В или 30В. Диапазон частот от 20Гц до 5кГц. Класс точности 0.2

Электронный аналоговый милливольтметр среднеквадратического значения. Диапазон измеряемого напряжения переменного тока от 1мВ до 300В. Диапазон частот от 10Гц до 10МГц. Приведённая основная погрешность меньше 0.5%

Электронный аналоговый милливольтметр средневыпрямленного значения. Диапазон измеряемого напряжения переменного тока от 1мВ до 300В. Диапазон частот от 10Гц до 10МГц. Приведённая основная погрешность меньше 0.5%

Источник

Измерение напряжения

Общие сведения. Необходимость измерения напряжения на практике возникает очень часто. В электротехнических и радиотехнических цепях и устройствах чаще всего измеряют напряжение постоянного и переменного (синусоидального и импульсного) тока.

Напряжение постоянного тока (рис. 3.5, а) выражается, как . Источниками такого напряжения являются генераторы постоянного тока и химические источники питания.

Рис. 3.5. Временные диаграммы напряжений: постоянного (а), переменного синусоидального (б) и переменного импульсного (в) тока

Напряжение переменного синусоидального тока (рис. 3.5, б) выражается как и характеризуется среднеквадратичным и амплитудным значениями:

Источниками такого напряжения являются низко- и высокочастотные генераторы, электросеть.

Напряжение переменного импульсного тока (рис. 3.5 в) характеризуется амплитудным и средним (постоянная составляющая) значениями напряжения. Источником такого напряжения являются импульсные генераторы с сигналом разной формы.

Основной единицей измерения напряжения является вольт (В).

В практике электротехнических измерений широко используются дольные и кратные единицы:

— киловольт (1 кВ — В);

— милливольт (1мВ — В);

— микровольт (1 мкВ — В).

Международные обозначения единиц измерения напряжения приведены в Приложении 1.

В каталоговой классификации электронные вольтметры обознача­ются следующим образом: В1 — образцовые, В2 — постоянного тока, ВЗ — переменного синусоидального тока, В4 — переменной) импульс­ного тока, B5 — фазочувствительные, В6 — селективные, В7 — уни­версальные.

На шкалах аналоговых индикаторов и на лицевых панелях (на пе­реключателях пределов) отечественных и зарубежных электронных и электромеханических вольтметров применяются следующие обо­значения: V — вольтметры, kV — киловольтметры, mV — милливольт­метры, V — микровольтметры.

Измерение напряжения постоянного тока. Для измерения напря­жения постоянного тока используются электромеханические вольт­метры и мультиметры, электронные аналоговые и цифровые вольт­метры, электронные осциллографы.

Электромеханические вольтметры непосредственной опенки измеряемой величины составляют большой класс приборов аналого­вого типа и имеют следующие достоинства:

— возможность работы без подключения к источнику питания;

— малые габаритные размеры;

— меньшая цена (по сравнению с электронными);

— простота конструкции и удобство эксплуатации.

Чаще всего при электротехнических измерениях в сильноточных цепях используются вольтметры на основе электромагнитной и элек­тродинамической систем, в слаботочных цепях — магнитоэлектриче­ской системы. Поскольку все названные системы сами являются из­мерителями силы тока (амперметрами), то для создания на их основе вольтметров необходимо увеличить внутреннее сопротивление при­бора, т.е. подключить последовательно с измерительным механизмом добавочный резистор (рис. 3.6, а).

Вольтметр подключается к исследуемой цепи параллельно (рис. 3.6, б), и его входное сопротивление должно быть достаточно большим.

Для расширения диапазона измерения вольтметра также использу­ют добавочный резистор, который подключают к прибору последова­тельно (рис. 3.6, в).

Значение сопротивления добавочного резистора определяется по формуле:

Рис. 3.6. Схема создания вольтметра на основе амперметра (а), подключение вольтметра к нагрузке (6), подключение добавочного резистора к вольтметру (в)

(3.8)

Где — число, показывающее, во сколько раз расширяется предел измерения вольтметра:

(3.9)

где — исходный предел измерения;

— новый предел измерения.

Добавочные резисторы, размещенные внутри корпуса прибора, называются внутренними, подключенные к прибору снаружи — внешними. Вольтметры могут быть многопредельными. Между пределом измерения и внутренним сопротивлением многопредельного вольтметра существует прямая зависимость: чем больше предел измерения, тембольше сопротивление вольтметра.

Электромеханические вольтметры имеют следующие недостатки:

— ограниченный диапазон измерения напряжений (даже в многопредельных вольтметрах);

— малое входное сопротивление, следовательно, большое собственное потребление мощности из исследуемой цепи.

Этими недостатками электромеханических вольтметров обусловлено предпочтительное использование для измерения напряжения в электронике электронных вольтметров.

Электронные аналоговые вольтметры постоянного тока построены по схеме, представленной на рис. 3.7. Входное устройство состоит из эмиттерного повторителя (для увеличения входного сопро­тивления) и аттенюатора — делителя напряжения.

Преимущества электронных аналоговых вольтметров по сравнению с аналоговыми очевидны:

Рис. 3.7. Структурная схема электронного аналогового вольтметра постоянного тока

— широкий диапазон измерения напряжений;

— большое входное сопротивление, следовательно, малое собствен­ное потребление мощности из исследуемой цепи;

— высокая чувствительность благодаря наличию усилителя на входе прибора;

Вместе с тем электронные аналоговые вольтметры имеют ряд не­достатков:

— наличие источников питания, большей частью стабилизирован­ных;

— большая, чем у электромеханических вольтметров, приведенная относительная погрешность (2,5-6%);

— большие массогабаритные размеры, более высокая цена.

В настоящее время аналоговые электронные вольтметры постоян­ного тока применяются недостаточно широко, так как по своим пара­метрам заметно уступают цифровым вольтметрам.

Измерение напряжения переменного тока.

Для измерения напря­жения переменного тока используются электромеханические вольт­метры и мультиметры, электронные аналоговые и цифровые вольт­метры, электронные осциллографы.

Рассмотрим недорогие и достаточно точные электромеханиче­ские вольтметры. Делать это целесообразно по частотным диапазо­нам.

На промышленных частотах 50, 100, 400 и 1000 Гц широко приме­няются вольтметры электромагнитной, электродинамической, ферро-динамической, выпрямительной, электростатической и термоэлектри­ческой систем.

На низких частотах (до 15-20 кГц) применяются вольтметры вы­прямительной, электростатической и термоэлектрической систем.

На высоких частотах (до единиц — десятков мегагерц) используют­ся приборы электростатической и термоэлектрической систем.

Для электротехнических измерений широко используются универ­сальные приборы — мультиметры.

Мультиметры (тестеры, ампервольтомметры, комбинированные приборы) позволяют измерять множество параметров: силу постоянного и переменного тока, напряжение постоянного и переменного тока, сопро­тивление резисторов, емкость конденсаторов (не все приборы), некото­рые статические параметры маломощных транзисторов ( , , и ).

Мультиметры выпускаются с аналоговым и цифровым отсчетом.

Широкое использование мультиметров объясняется следующими ихпреимуществами:

— многофункциональность, т.е. возможность использования в каче­стве амперметров, вольтметров, омметров, фарадомеров, измерителей параметров маломощных транзисторов:

— широкий диапазон измеряемых параметров благодаря наличию нескольких пределов измерения по каждому параметру;

— возможность использования в качестве переносных приборов, поскольку отсутствует сетевой источник питания;

— небольшие массогабаритные размеры;

— универсальность (возможность измерения переменных и постоянных токов и напряжений),

Мультиметры имеют также ряд недостатков:

— узкий частотный диапазон применимости;

Читайте также:  Прибор для измерения температуры гвс

— большое собственное потребление мощности из исследуемой 1 цепи;

— большая приведенная погрешность у аналоговых (1,5; 2,5 и 4) и у цифровых мультиметров;

— непостоянство внутреннего сопротивления на различных пределах 4 измерения силы тока и напряжения.

По отечественной каталоговой классификации мультиметры имеют обозначение Ц43 и далее номер модели, например, Ц4352.

Для определения внутреннего сопротивления аналогового мультиметра на включенном пределе измерения в паспорте прибора может 1 быть приведено удельное сопротивление. Например, в паспорте тестера Ц4341 удельное сопротивление = 16,7 кОм/В, пределы измерения по напряжению постоянного тока составляют 1,5 — 3 — 6 — 15 В.

В этом случае сопротивление мультиметра на пределе 6 В постоянного тока определяют по формуле:

В паспорте прибора могут быть приведены сведения, необходимые для расчета сопротивления по закону Ома.

Если тестер используется как вольтметр, то его входное сопротивление определяется по формуле:

, (3.10)

где — выбранный предел измерения;

— значение силы тока в выбранном пределе (указанное на задней пане ли прибора или в его паспорте).

Если тестер используется как амперметр, то его входное сопротив­ление определяется по формуле:

(3.11)

Где — выбранный предел измерения;

значение напряжения, приведенное на задней панели прибора или в его паспорте.

Например, в паспорте тестера Ц4341 приведено падение напря­жения на приборе, равное 0,3 В в пределах 0,06 — 0,6 — 6 — 60 — 600 мА постоянного тока, и падение напряжения 1,3 В в пределах: 0,3 — 3 — 30 — 300 мА переменного тока. Входное сопротивление мультиметра в пределе 3 мА переменного тока составит

Электронные аналоговые вольтметры переменного тока по­строены по одной из структурных схем (рис. 3.8), которые различа­ются последовательностью расположения основных блоков — усили­теля и преобразователя (детектора) напряжения переменного тока в напряжение постоянного тока. Свойства этих вольтметров во многом зависят от выбранной схемы.

Рис. 3.8. Структурные схемы электронных аналоговых вольтметров переменного тока тина У—Д (а) и типа Д—У (б)

Вольтметры первой группы — типа усилитель-детектор (У—Д) — имеют высокую чувствительность, что связано с наличием дополни­тельного усилителя. Поэтому все микро- и милливольтметры построе­ны по схеме У—Д. Однако частотный диапазон таких вольтметров неширок (до единиц мегагерц), так как создание широкополосного усилителя переменного тока связано с определенными трудностями. Вольтметры типа У—Д относятся к не универсальным (подгруппа ВЗ), т.е. могут измерять только напряжение переменного тока.

Вольтметры второй группы — типа детектор—усилитель (Д—У) -имеют широкий частотный диапазон (до единиц гигагерц) и низкую чувствительность. Вольтметры этого типа относятся к универсаль­ным (подгруппа В7), т.е. измеряют напряжение не только перемен­ного, но и постоянного тока; могут измерять напряжение значитель­ного уровня, так как обеспечить большое усиление с помощью УНТ несложно.

В вольтметрах обоих типов важную функцию выполняют преоб­разователи напряжения переменного тока в напряжение постоянного тока — детекторы, которые по функции преобразования входного на­пряжения в выходное можно классифицировать на три типа: ампли­тудного, среднеквадратичного и средневыпрямленного значения.

От типа детектора во многом зависят свойства прибора. Вольт­метры с детектором амплитудного значения являются самыми высо­кочастотными; вольтметры с детектором среднеквадратичного значе­ния позволяют измерять напряжение переменного тока любой формы; вольтметры с детектором средневыпрямленного значения пригодны для измерения напряжения только гармонического сигнала и являют­ся самыми простыми, надежными и недорогими.

Детектор амплитудного значения представляет собой устройство, напряжение на выходе которого соответствует амплитудному значе­нию измеряемого сигнала, что обеспечивается путем запоминания на­пряжения на конденсаторе.

Чтобы цепь реальной нагрузки любого детектора эффективно от­фильтровывала полезный сигнал и подавляла нежелательные высоко­частотные гармоники, следует выполнить условие:

или , (3.12)

где — емкость выходного фильтра;

— сопротивление нагрузки детектора.

Второе условие хорошей работы детектора:

(3.13)

На рисунке 3.9 приведены структурная схема и временные диа­граммы выходного напряжения детектора амплитудного значения с параллельным включением диода и закрытым входом. Детектор с за­крытым входом имеет последовательно включенный конденсатор, не пропускающий постоянную составляющую. Рассмотрим работу та­кого детектора при подаче на его вход синусоидального напряжения .

Рис. 3.9. Структурная схема детектора амплитудного значении параллельным включением диода и закрытым входом (а) и временные диаграммы напряжении (б) При поступлении положительной полуволны синусоиды конденса­тор С заряжается через диод VD, который в открытом состоянии имеет малое сопротивление .

Постоянная времени заряда конден­сатора мала, и конденсатор быстро заряжается до макси­мального значения . При смене полярности входного сигнала диод закрыт и конденсатор медленно разряжается через сопротивление на­грузки , которое выбирается большим — 50-100 МОм.

Таким обра­зом, постоянная разряда оказывается значительно больше периода синусоидального сигнала . В результате конденсатор остается заряженным до напряжения, близкого к .

Изменение напряжения на нагрузочном резисторе определяется разностью амплитуд входного напряжения и напряжения на кон­денсаторе .В результате выходное напряжение бу­дет пульсирующим с удвоенной амплитудой измеряемого напряжения (см. рис. 3.9, б).

Это подтверждается следующими математическими выкладками:

при , , при , при .

Для выделения постоянной составляющей сигнала вы­ход детектора подключен к емкостному фильтру, подавляющему всё остальные гармоники тока.

На основании изложенного следует вывод: чем меньше период ис­следуемого сигнала (чем больше его частота), тем точнее выполняется равенство , что объясняет высокочастотные свойства детектора. При использовании в работе вольтметров с детектором амплитудного значения следует иметь в виду, что эти приборы чаще всего градуиру­ются в среднеквадратичных значениях синусоидального сигнала, т.e показания индикатора прибора равны частному от деления амплитудного значения на коэффициент амплитуды синусоиды:

,

где — коэффициент амплитуды.

Детектор среднеквадратичного значения (рис. 3.10) преобразу­ет напряжение переменного тока в напряжение постоянного тока, про­порциональное квадрату среднеквадратичного значения измеряемого напряжения. Следовательно, измерение среднеквадратичного напряжения связано с выполнением трех операций: возведения в квадрат мгновенного значения сигнала, усреднения его значения и извлечение корня из результата усреднения (последняя операция обеспечивается градуировкой шкалы вольтметра). Возведение в квадрат мгновенного значения сигнала обычно осуществляется диодной ячейкой путем использования квадратичного участка его характеристики.

Рис. 3.10. Детектор среднеквадратичного значения: а — диодная ячейка; б — ВАХ диода

В диодной ячейке VD, R1 (см. рис. 3.10, а) постоянное напряжение приложено к диоду VD таким образом, что он оказывается закры­тым до тех пор, пока измеряемое напряжение ( ) на резисторе R2 не превысит значение .

Начальный участок вольтамперной характеристики диода имеет малую протяженность (см. рис. 3.10, б), поэтому квадратичную часть искусственно удлиняют методом кусочно-линейной аппроксимации путем использования нескольких диодных ячеек.

При конструировании вольтметров среднеквадратичного значения возникают трудности с обеспечением широкого частотного диапазона. Несмотря на это такие вольтметры являются самыми востребованны­ми, так как ими можно измерять напряжение любой сложной формы.

Детектор средневыпрямленного значения преобразует напряжение переменного тока в напряжение постоянного тока, пропорциональное средневыпрямленному значению напряжения. Выходной ток измери­тельного прибора с таким детектором аналогичен выходному току вы­прямительной системы.

Напряжения переменного тока, действующие в электронных устройствах, могут изменяться во времени по различным законам. На­пример, напряжение на выходе задающего генератора связного радио­передатчика изменяется по синусоидальному закону, на выходе генера­тора развертки осциллографа импульсы имеют пилообразную форму, синхроимпульсы полного телевизионного сигнала прямоугольные.

На практике приходится проводить измерения в различных участ­ках схем, напряжения в которых могут отличаться по значению и по форме. Измерение напряжения несинусоидальной формы имеет свои особенности, которые необходимо учитывать, чтобы не допустить оши­бок.

Очень важно правильно выбрать тип прибора и способ пересчета показаний вольтметра в значение необходимого параметра измеряемо­го напряжения. Для этого необходимо четко представлять себе, каким образом производится оценка и сравнение напряжений переменного тока и как влияет форма напряжения на значения коэффициентов, свя­зывающих между собой отдельные параметры напряжения.

Критерием оценки напряжения переменного тока любой формы служит связь с соответствующим напряжением постоянного тока по одинаковому эффекту теплового действия (среднеквадратичное зна­чение U), определяемое выражением

(3.14)

где — период повторения сигнала;

— функция, описывающая закон изменения мгновенного значения на­пряжения. Далеко не всегда в распоряжении оператора может оказаться вольт­метр, с помощью которого можно измерить нужный параметр напряжения. В таком случае необходимый параметр напряжения измеряется косвенно с помощью имеющегося вольтметра, с использованием коэффициентов амплитуды и формы . Рассмотрим пример расчета необходимых параметров напряжения синусоидальной формы.

Необходимо определить амплитудное ( ) и средневыпрямленное ( ) значения напряжения синусоидальной формы вольтметром, градуированным в среднеквадратичных значениях напряжения синусоидальной формы, если прибор показал .

Расчет выполняем следующим образом. Так как вольтметр градуирован в среднеквадратичных значениях , то в приложении 3 для дан­ного прибора показание 10 В соответствует прямому отсчету по шкале среднеквадратичного значения, т.е.

Переменное напряжение характеризуется средним, амплитудным) (максимальным) и среднеквадратичным значениями.

Среднее значение (постоянная составляющая) за период переменного напряжения:

(3.15)

Максимальное значение — это наибольшее мгновенное значение переменного напряжения за период сигнала:

(3.16)

Средневыпрямленное значение это среднее напряжение на вы­ходе двухполупериодного выпрямителя, имеющего на входе перемен­ное напряжение :

(3.17)

Соотношение среднеквадратичного, среднего и максимального зна­чений напряжения переменного тока зависит от его формы и в общем виде определяются двумя коэффициентами:

(коэффициент амплитуды), (3.18)

(коэффициент формы). (3.19)

Значения этих коэффициентов для напряжений разной формы иих соотношения приведены в табл. 3.1

Значения и для напряжений разной формы

Примечание, скважность: .

В ряде приборов напряжение оценивают не в абсолютных единицах измерения (В, мВ, мкВ), а в относительной логарифмической единице — децибеле (dB, или дБ). Для упрощения перехода абсолютных единиц в относительную и, наоборот, большинство аналоговых вольте метров (автономных и встроенных в другие приборы: генераторы, мультиметры, измерители нелинейных искажений) наряду с обычной шкалой имеют децибельную. Эта шкала отличается четко выраженной нелинейностью, что при необходимости позволяет получать результат сразу в децибелах, без соответствующих расчетов и применения таблиц перевода. Чаще всего у таких приборов нуль шкалы децибел соответствует входному напряжению 0,775 В.

Напряжение больше условного нулевого уровня характеризуется положительными децибелами, меньше этого уровня — отрицательными. На переключателе пределов каждый поддиапазон измерения отличается по уровню от соседнего на 10 дБ, что соответствует кратности по напряжению 3,16. Показания, снятые по шкале децибел, алгебраически складываются с показаниями на переключателе пределов измерения, а не перемножаются, как в случае абсолютного отсчета напряжений.

Например, переключатель пределов установлен на «- 10 dB», при этом стрелка индикатора установилась на отметку «- 0,5 dB». Суммар­ный уровень составит: —- 10 + (- 0,5) = — 10,5 dB, И основу перевода напряжения из абсолютных значений в относительные положена формула

Читайте также:  Вреден ли пирометр для измерения температуры

(3.20)

Где = 0,775В.

Поскольку бел — большая единица, то на практике применяют дольную (десятую) часть бела — децибел.

Импульсные и цифровые вольтметры. При измерении импульсных напряжений с малой амплитудой применяют предварительное усиление импульсов. Структурная схема аналогового импульсного вольтметра (рис. 3.11) состоит из выносного пробника с эмиттерным повторителем, аттенюатора, широкополосного предварительного усилителя, детектора амплитудного значения, усилителя постоянного тока (УПТ) и электромеханического индикатора. Вольтметры, реа­лизованные по этой схеме, непосредственно измеряют напряжения 1 мВ — 3 В с погрешностью ± (4 — 10)%, длительностью импульсов 1 — 200 мкс и скважностью 100 . 2500.

Рис. 3.11.тСтруктурная схема импульсного вольтметра

Для измерения малых напряжений в широком диапазоне длитель­ностей (от наносекунд до миллисекунд) применяют вольтметры, рабо­тающие на основе автокомпенсационного метода.

Электронные цифровые вольтметры имеют существенные преиму­щества перед аналоговыми:

— высокая скорость измерений;

— исключение возможности возникновения субъективной ошибки оператора;

— малая приведенная погрешность.

Благодаря этим преимуществам цифровые электронные вольтмет­ры широко используются для измерения. На рисунке 3.12 приведена упрощенная структурная схема цифрового вольтметра.

Рис. 3.12. Упрощенная структурная схема цифрового вольтметра

Входное устройство предназначено для создания большого вход­ного сопротивления, выбора пределов измерения, ослабления помех, автоматического определения полярности измеряемого напряжения постоянного тока. В вольтметрах переменного тока входное устрой­ство включает в себя также преобразователь напряжения перемен­ного тока в постоянный.

С выхода входного устройства измеряемое напряжение подается на аналого-цифровой преобразователь (АЦП), в котором напряжение преобразуется в цифровой (дискретный) сигнал в виде электрического кода или импульсов, количество которых про­порционально измеряемому напряжению. Результат появляется на табло цифрового индикатора. Работой всех блоков управляет устрой­ство управления.

Цифровые вольтметры в зависимости от типа АЦП подразделяют­ся на четыре группы: кодоимпульсные, времяимпульсные, частотно-импульсные, пространственного кодирования.

В настоящее время широко применяются цифровые времяимпульсные вольтметры, преобразователи которых выполняют промежуточное преобразование измеряемого напряжения в пропорцио­нальный интервал времени, заполняемый импульсами с известной частотой повторения. В результате такого преобразования дискретный сигнал измерительной информации на входе АЦП имеет вид пачки счетных импульсов, количество которых пропорционально измеряе­мому напряжению.

Погрешность времяимпульсных вольтметров определяется погрешностью дискретизации измеряемого сигнала, нестабильностью частоты счетных импульсов, наличием порога чувствительности схемы сравнения, нелинейностью преобразованного напряжения на входе схемы сравнения.

Различают несколько вариантов схемотехнических решений при построении времяимпульсных вольтметров. Рассмотрим принцип работы время импульсного вольтметра с генератором линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН).

На рисунке 3.13 представлены структурная схема цифрового времяимпульсного вольтметра с ГЛИН и временные диаграммы, поясняющие его работу.

Дискретный сигнал измерительной информации па выходе преоб­разователя имеет вид пачки счетных импульсов, количество которых пропорционально значению входного напряжения . С выхода ГЛИН на входы 1 устройств сравнения поступает линейно нарастающее во времени напряжение . Вход 2 устройства сравнения II соединен с корпусом.

В момент равенства на входе устройства сравнения II и на его выходе возникает импульс, который подается на единичный вход триггера (Т), вызывая появление сигнала на его выходе. Триггер возвращается в исходное положение импульсом, поступающим с выхода устройства сравнения II. Этот сигнал появляется в момент равенства линейно нарастающего напряжения и измеряемого . Сформированный таким образом сигнал длительностью (где коэффициент преобразования) подается на вход 1 схемы логиче­ского умножения И, а на вход 2 поступает сигнал с генератора счетных импульсов (ГСИ). Импульсы следуют с частотой . Импульсный сигнал появляется тогда, когда на обоих входах есть импульсы, т.е. счетные импульсы проходят при наличии сигнала на выходе триггера.

Рис. 3.13. Структурная схема (а) ивременное диаграммы (б) цифрового времяимпульсного вольтметра с ГЛИН

Счетчик импульсов подсчитывает количество прошедших импуль­сов (с учетом коэффициента преобразования). Результат измерения отображается на табло цифрового индикатора (ЦИ). Приве­денная формула не учитывает погрешность дискретности из-за несовпа­дения появления счетных импульсов с началом и концом интервала

Кроме того, большую погрешность вносит фактор нелинейности коэффициента преобразования . В результате цифровые время импульсные вольтметры с ГЛИН являются наименее точными среди цифровых вольтметров.

Цифровые вольтметры с двойным интегрированием отличаются от времяимпульсных вольтметров принципом работ Ы. В них в тече­ние времени цикла измерения формируются два временных интервала — и . В первом интервале обеспечивается интегрирование измеряемого напряжения , во втором — опорного напряжения. Вре­мя цикла измерения предварительно устанавливают кратным периоду действующей на входе помехи, что приводит к улучшению помехоустойчивости вольтметра.

На рисунке 3.14 приведены структурная схема цифрового вольтме­тра с двойным интегрированием и временные диаграммы, поясняющие его работу.

Рис. 3.14. Структурная схема (а) и временные диаграммы (6) цифрового вольтметра с двойным интегрированием

При (в момент начала измерения) управляющее устройство вырабатывает калиброванный импульс с длительностью

, (3.21)

где — период повторения счетных импульсов;

— емкость счетчика.

В момент появления фронта импульса ключ переводится в положение 1 и с входного устройства на интегратор поступает на­пряжение , пропорциональное измеряемому напряжению . На интервале времени интегрируется напряжение , про­порциональное измеряемому напряжению .В результате на выходе интегратора нарастающее напряжение составит

(3.22)

При управляющий сигнал переводит ключ в положение 2 и от источника образцового напряжения (ИОН) в интегратор подает­ся образцовое отрицательное напряжение . Одновременно с этим управляющий сигнал опрокидывает триггер .

Интегрирование напряжения он происходит быстрее, посколь­ку .и продолжается до тех пор, пока выходное напряжение интегратора снова не станет равным нулю (при этом ). В ре­зультате в течение времени второго интервала на выходе интегратора формируется убывающее напряжение

. (3.23)

Длительность интервала интегрирования тем больше, чем выше амплитуда измеряемого напряжения .

В момент времени напряжение на выходе интегратора становится равным нулю, устройство сравнения выдает сигнал, по­ступающий на триггер, и возвращает последний в исходное состояние. На выходе триггера сформированный импульс напряжения дли­тельностью подается на вход схемы логического умножения И, на другой вход которой поступает сигнал с ГСИ. По окончании импульса триггера измерение прекращается.

Трансформация измеряемого временного интервала в эквива­лентное число импульсов п осуществляется так же, как в предыдущем методе — заполнением интервала периодическими импульсами ГСИ и подсчетом их числа счетчиком. На счетчике, а следовательно, и на ЦИ, записывают количество импульсов прямо пропорцио­нальное измеряемому напряжению :

. (3.24)

Это выражение приводит к следующему:

; ; (3.25)

(3.26)

Из полученных соотношений следует, что погрешность результата измерения зависит только от уровня образцового напряжения, а не от нескольких параметров (как в кодоимпульсном вольт метре), но здесь также имеет место погрешность дискретности.

Преимуществами вольтметра с двойным интегрированием являются высокая помехозащищенность и более высокий класс точ­ности (0,005-0,02%) по сравнению с вольтметрами с ГЛИН.

Цифровые вольтметры со встроенным микропроцессором являются комбинированными и относятся к вольтметрам наивысшего класса точности. Принцип их работы основан на методах поразрядного уравновешивания и времяимпульсного интегрирующего преобразования.

Микропроцессор и дополнительные преобразователи, включенные в схему такого вольтметра, расширяют возможности при­бора, делая его универсальным в части измерения большого числа параметров. Такие вольтметры измеряют напряжение постоянного и переменного тока, силу тока, сопротивление резисторов, часто­ту колебаний и другие параметры. При использовании совместное с осциллографом могут измерять временные параметры: период, длительность импульсов и т.д. Наличие в схеме вольтметра микропроцессора позволяет осуществлять автоматическую коррекциям погрешности измерений, диагностику отказов, автоматическую калибровку.

На рисунке 3.15 приведена структурная схема цифрового вольтметра со встроенным микропроцессором.

Рис. 3.15. Структурная схема цифрового вольтметра со встроенным микропроцессором

С помощью соответствующих преобразователей блок нормали­зации сигналов приводит входные измеряемые параметры (97 стр) к унифицированному сигналу , поступающему на вход АЦП, ко­торый выполняет преобразование методом двойного интегрирования. Выбор режима работы вольтметра для заданного вида измерений осу­ществляет блок управления АЦП с дисплеем. Этот же блок обеспечи­вает нужную конфигурацию системы измерения.

Микропроцессор является основой блока управления и связан с другими блоками через сдвигающие регистры. С помощью клавиа­туры, находящейся на панели управления, обеспечивается управление микропроцессором. Управление может осуществляться также и через стандартный интерфейс подключаемого канала связи. В постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ) хранится программа работы микро­процессора, которая реализуется с помощью оперативного запомина­ющего устройства (ОЗУ).

Встроенные высокостабильные и точные резистивные делители опорного напряжения, дифференциальный усилитель (ДУ) и ряд внеш­них элементов (аттенюатор, устройство выбора режима, блок опорного напряжения ) выполняют непосредственно измерения. Все блоки синхронизируются сигналами от генератора тактовых импульсов.

Включение в схему вольтметра микропроцессора и ряда дополнительных преобразователей позволяет выполнять автоматическую коррекцию погрешностей, автоматическую калибровку и диагностику отказов.

Основными параметрами цифровых вольтметров являются точность преобразования, время преобразования, пределы изменения входной величины, чувствительность.

Точность преобразования определяется погрешностью квантова­ния по уровню, характеризуемой числом разрядов в выходном коде.

Погрешность цифрового вольтметра имеет две составляющие. Пер­вая составляющая (мультипликативная) зависит от измеряемой вели­чины, вторая составляющая (аддитивная) не зависит от измеряемой величины.

Такое представление связано с дискретным принципом измерения аналоговой величины, так как в процессе квантования возникает абсо­лютная погрешность, обусловленная конечным числом уровней квантования. Абсолютная погрешность измерения напряжения выражается как

знаков) или ( знаков), (3.27)

где — действительная относительная погрешность измерения;

— значение измеряемого напряжения;

конечное значение на выбранном пределе измерения;

т знаков — значение, определяемое единицей младшего разряда ЦИ (аддитивная погрешность дискретности). Основную действительную относительную погрешность измере­ния можно представить и в другом виде:

(3.2)

Где a, b — постоянные числа, характеризующие класс точности прибора.

Первое слагаемое погрешности (а) не зависит от показаний при­бора, а второе (b) увеличивается при уменьшении .

Время преобразования — это время, затрачиваемое на выполнение одного преобразования аналоговой величины в цифровой код.

Пределы изменения входной величины это диапазоны преобразования входной величины, которые полностью определяются числом разрядов и «весом» наименьшего разряда.

Чувствительность (разрешающая способность) — это наименьшее различимое преобразователем изменение значения входной величины.

К основным метрологическим характеристикам вольтметров, которые необходимо знать для правильного выбора прибора, относятся следующие характеристики:

— параметр измеряемого напряжения (среднеквадратичное, ампли­тудное);

— диапазон измерения напряжения;

— допустимая погрешность измерений;

— входной импеданс ( ).

Эти характеристики приводятся в техническом описании и паспор­те прибора.

Источник