Как измерит переменное напряжение

Измерение напряжения переменного тока

Под переменным напряжением понимается периодически изменяющееся напряжение, основными параметрами его являются период (или частота как величина, обратная периоду), амплитуда Um и мгновенное значение сигнала U(t).

Кроме амплитудного и мгновенного значений периодического сигнала часто используют:

1. Среднее значение (7.1)

2. Средневыпрямленное значение (7.2)

3. Действующее значение (7.3)

Зная форму сигнала, можно вычислить соотношения между амплитудным, действующим и средневыпрямленным значениями:

– коэффициент формы;

– коэффициент амплитуды.

Сигнал Вид сигнала Коэффициент формы Коэффициент амплитуды
синус 1,11 1,42
меандр 1,00 1,00
треугольный 1,154 1,73

Комбинированные вольтметры отображают действующее значение измеряемой величины. Переход от мгновенного значения к действующему может быть реализован тремя способами: определение средневыпрямленного значения и умножение его на коэффициент формы; определение амплитудного значения и деление его на коэффициент амплитуды; расчет действующего значения по формуле (7.2). Соответственно, существуют три типа входных детекторов измерительных приборов переменного тока: детекторы средневыпрямленного значения, амплитудного значения, действующего (среднеквадратичного) значения.

Наиболее часто на практике используют синусоидальные сигналы, поэтому в приборах с детекторами средневыпрямленного значения и амплитудного значения производится соответственно умножение и деление на коэффициенты формы и амплитуды для синусоидального сигнала. Таким образом, при измерении сигналов формы, отличной от синусоидальной, будет возникать методическая погрешность.

2. Принцип действия вольтметров с детектором
средневыпрямленного значения

Напряжение переменного тока может быть измерено вольтметрами электромагнитной, электро- и ферродинамической или электростатической систем. Но наиболее широко в измерительной практике используются вольтметры, имеющие измерительный механизм магнитоэлектрической системы и преобразователь измеряемого параметра переменного напряжения в постоянный ток. Измерительные механизмы магнитоэлектрической системы реагируют на среднее значение тока, протекающего по рамке. Поэтому, если пропускать через рамку ток с нулевым средним значением (например, синусоиду, меандр и т.п.), то подвижная система отклоняться не будет. Для измерения переменных токов и напряжений необходимо сигнал предварительно преобразовать в постоянный ток или напряжение. Основные типы таких преобразователей приведены в [2].

Рис. 7.1. Выпрямительные вольтметры

В выпрямительных вольтметрах обычно применяют схемы одно- или двухполупериодного выпрямления (см. рис. 7.1).

Недостатком простейшей схемы (рис. 7.1а) является малая чувствительность, большое обратное напряжение, приложенное к диоду, и, кроме того, несимметричность нагрузки для источника сигнала в разные полуволны сигнала. В схеме на рис. 7.1б использованы два диода, что позволяет выровнять (R=Rр) токи полуволн и защитить диод Д1 от пробоя. Часто используют схемы двухполупериодного выпрямления (рис. 7.1в).

Во всех этих схемах измерительный механизм реагирует на средневыпрямленный ток, т.е. отклонение стрелки пропорционально средневыпрямленному напряжению Uсв измеряемого сигнала

.

В большинстве же технических приложений необходимо знать действующее (среднеквадратическое) значение U. Конечно, если измерено Uсв, то U можно найти, используя коэффициент формы. Например, для синусоидального сигнала U=1,11×Uсв. Для удобства применения прибора это домножение на коэффициент 1,11 производится при градуировке:

;

;

.

В результате таким вольтметром удобно пользоваться при измерении синусоидальных сигналов. Если же коэффициент формы измеряемого сигнала отличается от 1,11, то возникает так называемая погрешность формы кривой.

(7.4)

Например, для меандра (Кф= 1,00):

,

т.е. методическая погрешность за счет отклонения формы кривой от синусоиды может существенно (в несколько раз) превышать инструментальную, определяемую классом точности прибора. Если известен коэффициент формы измеряемого сигнала, то можно вычислить измеряемое действующее значение Uх по формуле

(7.5)

где Uп — показание вольтметра выпрямительной системы.

Таким образом, при измерении напряжения переменного тока выпрямительным вольтметром следует учитывать две методические погрешности (за счет входного сопротивления и за счет формы кривой) и инструментальную погрешность самого вольтметра.

3. Принцип действия вольтметров с детектором
амплитудного значения

Вольтамперные характеристики реальных диодов имеют нулевую зону (отсутствие тока в прямом направлении) до 0,3-0,7 В. Поэтому выпрямительные вольтметры нельзя использовать при измерении малых напряжений. Необходимо предварительное усиление входного сигнала, что осуществляется в электронных вольтметрах. На рис. 7.2 приведены схемы электронных вольтметров с линейными детекторами на операционных усилителях.

а б

Рис. 7.2. Схемы электронных вольтметров.

При измерении высокочастотных напряжений часто используются электронные вольтметры с амплитудными детекторами. На рис. 7.3 приведена схема вольтметра, состоящего из:

— измерительного механизма магнитоэлектрической системы (ИМ);

— усилителя постоянного тока (УПТ);

— делителей во входных цепях;

— пробника, представляющего собой амплитудный детектор с закрытым входом.

Его выходной сигнал определяется амплитудой переменной составляющей входного сигнала.

В комбинированных вольтметрах шкала градуируется так, чтобы сразу определить среднеквадратическое (действующее) значение.

; ; ,

где КУПТ – коэффициент, зависящий от характеристик усилителя постоянного тока.

Рис. 7.3. Функциональная схема вольтметра В7-15

Градуировку комбинированных электронных вольтметров осуществляют для синусоидального входного сигнала

Если коэффициент амплитуды отличается от КА=1,41, то возникает методическая погрешность:

(7.6)

Например, если входной сигнал имеет форму меандра (КА=1,00), то относительная методическая погрешность:

Знак минус свидетельствует о том, что показания вольтметра меньше, чем действующее значение входного сигнала. Если известен коэффициент амплитуды входного сигнала, то действующее значение равно:

, (7.7)

где Uп — показание электронного вольтметра.

Только в случае, если градуировка шкалы совпадает с типом детектора, приборы показывают тот параметр сигнала, для которого проведена градуировка шкалы.

Учитывая большое входное активное сопротивление электронных вольтметров на промышленных частотах (до 1 кГц), часто можно пренебречь методической погрешностью за счет потребления энергии от входного сигнала и общая погрешность измерения напряжения имеет две составляющие: методическую погрешность формы кривой и инструментальную погрешность самого электронного вольтметра.

Отличительной характеристикой вакуумных диодов, часто используемых в амплитудных детекторах электронных вольтметров (см. рис. 7.3), является отсутствие нулевой зоны, и даже наличие небольшого тока через диод при нулевом входном сигнале. Нестабильность этого нулевого тока диода требует проведения перед измерением электронным вольтметром дополнительной операции «установки нуля переменного напряжения», во время которой подстраивается величина специального компенсирующего сигнала. Таким образом, при измерении электронным вольтметром напряжения переменного тока необходимо произвести две регулировки: балансировку УПТ и компенсацию нулевого тока вакуумного диода.

Современные электронные и цифровые вольтметры обычно построены по схеме широкополосный усилитель — преобразователь средневыпрямленного значения — измерительный механизм. Кроме того, как отдельный конструктивный элемент имеется амплитудный детектор с закрытым входом (пробник). Пробник подключается в случае измерения высокочастотных сигналов к входу вольтметра, работающего в этом случае в режиме измерения постоянного напряжения, поступающего с выхода пробника. Для сохранения градуировки шкалы в пробнике предусмотрен делитель (К=1), так что выходной сигнал пробника равен действующему значению при синусоидальном измеряемом напряжении.

В цифровых вольтметрах также предусматривается два варианта измерения напряжения переменного тока: при подключения сигнала к клеммам используется линейный детектор (см. рис. 7.2), а для измерения высокочастотных сигналов к приборам прилагается пробник (амплитудный детектор). В некоторых вольтметрах применяются квадратичные детекторы, выходной сигнал которых пропорционален действующему значению измеряемого напряжения и погрешность формы кривой отсутствует.

Источник

Как измерять напряжение?

Тусклый свет от приборов освещения или отказ стиральной машины выполнять свои функциональные обязанности свидетельствует о возможном падении питающего напряжения ниже нормы. В таких случаях необходимо произвести измерение напряжения, что позволит определить его соответствие заданному номиналу электрической сети.

Такая же процедура производится при ремонте электронных приборов, где измеряется падение напряжения на радиодеталях и отдельных участках цепи. Данная процедура выполняется довольно легко, но без понимания физики процесса и особенностей проведения замеров, человек рискует не только повредить дорогостоящее оборудование, но и получить электротравму, поэтому далее мы рассмотрим основные принципы измерения.

Используемые приборы

В каждом доме прибор учета электроэнергии находится в состоянии постоянного измерения переменного напряжения, но крайне редко эти данные где-либо отображаются. Некоторые из них подключаются напрямую, другие через измерительные трансформаторы.

В практических целях для измерения уровня напряжения могут применяться:

Вольтметр представляют собой устройство для проверки разности потенциалов. На практике могут встречаться как цифровые, так и аналоговые вольтметры, на которых измеряемое напряжение отображается на дисплее или посредством отклонения стрелки на циферблате соответственно.

Важными параметрами при выборе как электронного, так и стрелочного вольтметра являются единицы измерений (мВ, В, кВ), рабочий диапазон и класс точности. Однако сфера их применения ограничена и применяется, чаще всего, для лабораторных исследований, поскольку в бытовых и производственных нуждах содержать один прибор для измерения одной электрической величины нецелесообразно.

Мультиметр или цифровой тестер является более универсальным прибором, который может работать с несколькими параметрами: электрическим током, сопротивлением, частотой, температурой, напряжением и т.д. Для измерения напряжения мультиметр переключается в режим вольтметра, щупы подключаются к соответствующим разъемам. Конструктивно встречаются и цифровые и аналоговые модели, в некоторых из них можно переключать диапазон измерений, выбирать род тока, в других мультиметрах все эти величины могут подбираться автоматически.

Осциллограф – это довольно сложный прибор для измерения разности потенциалов, так как в нем на цифровом или аналоговом дисплее выводится кривая измеряемой величины. При этом можно растянуть или сократить диапазон частот, чтобы рассмотреть форму импульсных напряжений, длительность импульсов, нарастание и провалы в кривой функции. Поэтому осциллограф для измерения напряжения применяется в электрических цепях и приборах высокой точности, при изготовлении и проверке радиодеталей и т.д. Мало кто держит дома осциллограф из-за высокой стоимости и сложности выполнения операций.

Измерение напряжения в сети

Чтобы правильно выполнить измерение напряжения необходимо четко представлять принцип и объект исследования. Поэтому следует отметить, что напряжение представляет собой такую электрическую величину, которая показывает разность заряда между двумя электрическими точками. К примеру, если в одной точке заряд составит +35 В, а в другой +310 В, то разница между этими точками составит 310 – 35 = 275 В, это и будет напряжение. Соответственно измерение напряжения может производиться только относительно чего-то, поэтому используются сразу две точки.

Если говорить о падении напряжения на каком-либо объекте или участке цепи, то измерение напряжения проводиться относительно концов прибора или цепи, точек подключения и т.д. При этом важно учитывать, что цифровой вольтметр или мультиметр в режиме измерения считается бесконечным сопротивлением или разрывом в цепи.

Падение напряжения возможно только при условии протекания тока, поэтому подключение вольтметров последовательно с измеряемым объектом недопустимо, так как через него перестанет протекать ток. Аналоговый или электронный вольтметр должен подключаться только параллельно по отношению к измеряемому сигналу.

С практической точки зрения следует заметить, что аналоговые модели измерительных приборов имеют входное сопротивление равное 10 – 20 кОм, а современные мультиметры могут похвастаться 1МОм. Так как через сопротивление на входе в измерительное устройство может протекать ток утечки, этот делитель напряжения будет обуславливать снижение точности измерений. Поэтому чем ближе сопротивление на входе к бесконечности, тем более точный прибор вы используете.

Важно отметить, что замеры производятся под напряжением, из-за чего присутствует угроза поражения электротоком. Поэтому важно соблюдать элементарные меры предосторожности. Далее рассмотрим порядок выполнения измерения для постоянного и переменного напряжения.

Постоянного тока

Для цепи постоянного тока расмотрим порядок измерения напряжения при помощи цифрового мультиметра. Для этого:

  1. Переведите переключатель мультиметра в положение для постоянного напряжения. На панели обозначается латинской буквой V со значком « = », знаками «+ и – », также может обозначаться аббревиатурой DC.
  2. Выберете нужный предел измерения, который будет максимально приближен к предполагаемому номиналу, но выше измеряемого.
  3. Установите щупы в соответствующие разъемы – черный к выводу COM, красный к выводу V.
  4. Приложите щупы мультиметра сразу к двум точкам – красный к плюсу, черный к минусу. Если вы заранее не знаете положение потенциалов, и показание прибора имеет отрицательное значение, нужно просто поменять полярность подключения.

На дисплее вы увидите показания вольтметра, если значение слишком малое, переключите ручку на меньший предел измерений. Прикладывая щупы, создавайте хорошее усилие, чтобы избежать большого переходного сопротивления, иначе они внесут ощутимую погрешность измерений.

Переменного тока

В цепи переменного тока бытовой цепи важно учитывать ее опасность из-за номинала в 220/380 В. Поэтому при невозможности подключения мультиметра непосредственно в процессе эксплуатации, его присоединение должно выполняться при отключенном напряжении при помощи «крокодилов».

В остальном процесс измерения идентичен:

    Переключите ручку мультиметра в положение для измерения переменного напряжения. На панели оно обозначается как V со значком «

» или аббревиатурой AC.

  • Установите ручкой деление на нужный предел по принципу ближайшего большего потенциала относительно измеряемого номинала.
  • Выполните подключение щупов к соответствующим выводам: черный к выводу COM, красный к выводу V.
  • Подключите измерительный прибор к нужному устройству, заметьте, что полярность щупов здесь значения не имеет.
  • На дисплее у вас отобразится действующее значение разности потенциалов, именно оно и является основным для всех расчетов. Но, помимо этого существует и амплитудное значение, которое больше действующего на √2 раз или 1,41 раза.

    Реальные примеры измерения напряжения

    Наиболее простым примером измерения напряжения в бытовых условиях является пальчиковая батарейка. В ней вам необходимо приложить черный щуп к выводу «– », а красный к выводу « + », позицию переключателя установить на 2 В постоянного напряжения.

    Если показания для батарейки 1,5 В будут в пределах от 1,6 до 1,2 В, то такой источник питания считается пригодным для всего оборудования, в случае снижения значений до 1 – 0,7 В, от батарейки будут запускаться импульсные устройства, к примеру, часы. Если вольтметр покажет 0,6 В и менее, разряд достиг критического значения.

    При измерении разности потенциалов в бытовой сети, вам следует коснуться щупами контактов розетки. Так как изолированная часть щупа имеет ограничительное кольцо, за которым расположен длинный стержень, вы можете безопасно проникнуть в розетку, не рискуя прикоснуться к токоведущим элементам. Допустимыми считаются отклонения от номинала на 10%, то есть от 198 до 142 В.

    Также можно замерить разность потенциалов на выходе автомобильного аккумулятора или на другом элементе цепи электрической проводки. Для этого черный щуп мультиметра устанавливается на «– » клемму аккумулятора, а красный на « + » клемму.

    Если аккумулятор заряжен, то показания вольтметра должны находиться в пределах от 12 до 14 В, но встречаются модели и с большим разбросом. Такое измерение позволяет диагностировать различные причины неполадок.

    Видео по теме

    Источник

    Поделиться с друзьями
    Моя стройка
    Adblock
    detector