Измерение напряжения переменного тока (Лекция 4)

1. Лекция 4. Измерение напряжения и силы тока

1. Приборы для измерения тока и
напряжения;
2. Параметры напряжения
переменного тока;
3. Классификация вольтметров и
требования к ним;
4. Вольтметры постоянного тока;
5. Вольтметры переменного тока;
6. Зависимость показаний
вольтметра от типа детектора
Литература:
1. «Электрорадиоизмерения» под редакцией Сигова §5.1 –
5.4

2. 1. Приборы для измерения тока и напряжения

Выбор средства измерений
определяется:
• Пределом измерений;
• Частотным диапазоном;
• Классом точности;
• Типом прибора
Для измерения напряжения
или тока необходимо
выбрать прибор с учетом его
диапазона измерений,
частотного диапазона,
класса точности,
потребления мощности из
измерительной цепи,
влияния формы сигнала на
результат измерения

3. Включение амперметра и вольтметра в электрическую цепь

Вольтметр подключается
параллельно нагрузке
Амперметр подключается
последовательно с нагрузкой
Сопротивление Вольтметра должно быть большим
Сопротивление Амперметра должно быть малым

4. 2. Параметры напряжения переменного тока

Переменное напряжение имеет синусоидальную форму.
U (t ) U m Sin( t )
Амплитуда Um – наибольшее
мгновенное значение напряжения
за интервал наблюдения или за
период.
Мгновенные значения
напряжения u(t) наблюдают на
экране осциллографа, дисплее
компьютера и определяют для
каждого момента времени.
Um
Ui

5. Среднеквадратическое и средневыпрямленное значение напряжения

Переменное напряжение характеризуется
несколькими параметрами и его уровень
можно определить по амплитудному,
среднему квадратическому, среднему или средневыпрямленному
значениям. Определим некоторые характеристики и параметры
напряжения переменного тока.
Среднее квадратическое значение напряжения есть корень
квадратный из среднего квадрата его мгновенного значения за
время измерения (за период):
Uск
T
1
T
U
2
(t ) dt
U СК 0.707 U m
0
Средневыпрямленное напряжение определяется как среднее
арифметическое абсолютных мгновенных значений за период:
T
1
Uсв U (t ) dt
T 0
U СВ 0.637 U m

6. 3.2 Постоянная составляющая переменного напряжения

Среднее значение (постоянная составляющая) напряжения равно
среднему арифметическому всех мгновенных значений за период:
1
Ucp
T
U0
T
U (t )dt
0
U0

7. 3. Приборы для измерения силы тока и напряжения.

3.1 Требования к
вольтметрам
Включение прибора в измерительную цепь не
должно вносить изменений в режим работы цепи.
Для этого входное сопротивление вольтметра
должно быть достаточно большим, а
сопротивление амперметра малым.
Прибор должен обладать достаточной
точностью. Точность прибора задаётся его
классом точности, и выбор средства
измерения определяется необходимой
точностью измерений.
Не маловажным фактором является
чувствительность прибора, которая
определяется отношением приращения
показания прибора к приращению
измеряемой величины.
Прибор должен иметь достаточно
широкий предел измерения и широкий
диапазон частот при измерении
переменного тока.

8. Классификация вольтметров

Электронные вольтметры можно разделить по ряду признаков:
По назначению:
Вольтметры постоянного тока В2
Вольтметры переменного тока В3
Вольтметры импульсного тока В4
Селективные вольтметры В6
Универсальные вольтметры В7
По способу измерения:
Приборы непосредственной оценки;
Приборы сравнения.
По характеру измеряемого напряжения:
Амплитудные вольтметры;
Вольтметры среднего квадратического значения;
Вольтметры средневыпрямленного значения.

9. Микровольтметры и милливольтметры

Милливольтметр В3-36
Милливольтметр В4-12 предназначен
для измерения амплитудных значений
напряжений видеоимпульсов и
амплитудных значений напряжений
переменного тока
Микровольтметр селективный
В6-9 предназначен для
измерения среднеквадратических значений малых
синусоидальных напряжений.

10. 5. Структурные схемы средств измерений

Измерительные приборы можно разделить
на:
•Приборы непосредственной оценки;
•Приборы сравнения
Приборы непосредственной оценки
Вх
П1
П2
П3
ПN
ОУ
Структурная схема прибора непосредственной оценки состоит
из совокупности преобразователей П1 - ПN и отсчетного
устройства ОУ
В качестве отсчетного
Преобразователями являются:
устройства используют:
•Делители напряжения,
•Электромеханические
•Магазины затухания,
приборы;
•Усилители,
•Электроннолучевую трубку;
•Термопреобразователи,
•Цифровое отсчетное
•Аналого-цифровые
устройство.
преобразователи

11. Аналоговые электронные вольтметры

UВх
Входное
устройство
УПТ
=
Измерительный
механизм
α
Рисунок 1
UВх
Входное
устройство
Измерительный
механизм
α
Рисунок 2
Аналоговые вольтметры переменного тока могут строиться по схеме
детектор усилитель рисунок 1 либо по схеме усилитель детектор
рисунок 2.
Вольтметры собранные по схеме усилитель-детектор (2) имеют более
высокую чувствительность но менее широкий частотный диапазон (1 10 МГц).
Для увеличения чувствительности вольтметров использующих
усилитель постоянного тока (1) увеличивают коэффициент усиления
но при этом в таких вольтметрах возникает дрейф нуля.

12. 5.2. Схемы вольтметров

UВх
UВх
Входное
устройство
Входное
устройство
УПТ
=
Измерительный
механизм
Измерительный
механизм
α
α

13. Структурная схема вольтметра переменного тока

Входное
устройство
Делитель
напряжения
Усилитель
детектор
Измерительный
механизм
• Входное устройство – обеспечивает
большое входное сопротивление прибора,
чтобы включение вольтметра не изменяло
режим работы цепи. Обычно входное
устройство содержит входной делитель и
преобразователь импеданса.
• Делитель напряжения – Служит для
расширения пределов измерения, что
позволяет уменьшить погрешность
измерения.
• Усилитель переменного тока – Служит
для увеличения чувствительности прибора.
• Детектор – Преобразует переменное
напряжение в постоянное. Название
вольтметра определяется типом
используемого преобразователя.
• Измеритель – Измерительный механизм
магнитоэлектрической системы.

14. Структурная схема вольтметра переменного тока

К=1
u
U/n
Структурная схема вольтметра
В3-38
Структурная схема вольтметра
В3-57

15. Входное устройство

Входное
устройство
Делитель
напряжения
К=1
Усилитель
детектор
Измерительный
механизм
•Входное устройство – обеспечивает
большое входное сопротивление
прибора, чтобы включение вольтметра
не изменяло режим работы цепи.
Обычно входное устройство содержит
входной делитель и преобразователь
импеданса.

16. Делитель напряжения

Входное
устройство
Делитель
напряжения
Усилитель
детектор
Измерительный
механизм
Делитель напряжения
(Аттенюатор) – Служит для
расширения пределов измерения,
что позволяет уменьшить
погрешность измерения.
u
U/n
R1
R1
UВх
R2
R2
UВых
R1 R2
N
R2
UВх
R3
Rn
R U
Вых

17. Схемы делителей напряжения

а) Резистивный
делитель
б) Емкостной
делитель
г) Делитель
ступенчатого типа
в) Делитель с корректирующими элементами

18. Структурная схема вольтметра В3-38

19. Изменение пределов измерения

0
1
2
3
4
5
6
7
8
9 10
0
1
2
3
4
5
6
7
8
1В
10 В
9 10

20. Усилитель переменного тока

Входное
устройство
Делитель
напряжения
Усилитель
детектор
Измерительный
механизм
Усилитель переменного тока – Служит для
увеличения чувствительности прибора.

21. Детектор

Входное
устройство
Делитель
напряжения
Усилитель
детектор
Измерительный
механизм
•Детектор – Преобразует переменное
напряжение в постоянное. Название
вольтметра определяется типом используемого
преобразователя.

22. Структурная схема вольтметра с условными обозначениями

Вольтметр В3-38
Вольтметр В3-40
Вольтметры В3-38 и В3-40 имеют разные типы детекторов.
Вольтметр В3-38 имеет детектор средневыпрямленных значений;
Вольтметр В3-40 имеет детектор среднеквадратичных значений.

23. Измерительный механизм

Входное
устройство
Делитель
напряжения
Усилитель
детектор
Измерительный
механизм
Измеритель – Измерительный механизм магнитоэлектрической
системы.
Измерительный механизм магнитоэлектрической
системы обеспечивает более высокую точность
измерений, но позволяет измерять только
напряжение постоянного тока.

24. Условные обозначения на шкалах приборов

25. Измерительные механизмы

26. 5.2. Измерительный механизм магнитоэлектрической системы

• Измерительный механизм магнитоэлектрической системы
имеет:
• Постоянный магнит (1) для создания магнитного поля;
• Полюсные наконечники (2), позволяющие получить постоянное
магнитное поле;
• Сердечник цилиндрической формы (3) из магнитомягкого
материала на который замыкается магнитное поле;
• Подвижную катушку (рамку) (4), выполненную из изолированной
проволоки;
• Стрелку (6).

27. Электромагнитная система

• Принцип действия этой системы
основан на взаимодействии
катушки с ферромагнитным
сердечником. Ферромагнитный
сердечник втягивается в катушку
при любой полярности тока.
Следовательно приборы
электромагнитной системы можно
использовать для измерения
переменного тока. Однако эти
приборы являются
низкочастотными, так как с
ростом частоты сильно
возрастает индуктивное
сопротивление катушки.

28. Методическая погрешность

R B
A
V
RV
Методическая погрешность
Для измерения напряжения вольтметр с сопротивлением
RV = 10 кОм был подключен к резистору сопротивлением
R = 600 Ом. Определить методическую погрешность при
измерении напряжения.
Дано: RV = 10 кОм; R = 600 Ом Найти: δ - ?
При подключении вольтметра к (·) AB сопротивление участка цепи
изменится и станет равным:
RAB
Падение напряжения UAB определится как:
U AB I RAB
Примем что:
U
I
R
U AB
R RV
I
R RV
тогда
RV
U R RV
U
R R RV
R RV
R RV
R RV

29.

Определим погрешность измерения
U AB U
U
100%
100%
Ud
U
RV
RV
U
1
U
U
R RV
R RV
100%
100
U
U
RV R RV
R
100%
100%
R RV
R RV
R
100%
R RV

30. 6.1 Детектор средневыпрямленных значений

R
U(t)
U(t)
VD1
VD2
R1
R2
ФН
Ч
t
t
V
В некоторых простых приборах
применяется однополупериодное
выпрямление
Схема
однополупериодного
выпрямителя
U(t)
U(t)
t
Схема двухполупериодного выпрямителя
В двухполупериодной схеме
выпрямителя ток проходит через
измерительный механизм в обе
половины периода.
t

31. Вольтметр В3-38

32. Детектор среднего квадратичного значения

Детекторы среднего
квадратического значения (СКЗ) Root Mean Square (RMS) делятся на
аппроксимирующие детекторы
(устройства, лишь приближенно
дающие нужный результат) и
детекторы так называемого
истинного СКЗ (True RMS - TRMS).

33. Детектор среднего квадратического значения

Преобразователи
среднеквадратических значений
выполняют операцию квадратирования измеряемого напряжения Такую операцию
выполняют детекторы с
квадратичной вольт-амперной
характеристикой. В современных
вольтметрах операция
квадратирования
осуществляется с помощью
диодных аппроксиматоров и
термоэлектрических преобразователей.

34. Вольтметр В3-40

˜
Е1
=
Е2
Термоэлектрический
преобразователь
среднеквадратичных
значений содержит два
термонагревателя и две
термопары
выполняемых в
микромодульном
исполнении.

35. Термопреобразователь

Тн1
Uиз
УПТ
Тп1
+Е
- 1
Е2
- +
Тп2
Тн2
И
Термоэлектрический
преобразователь
среднеквадратичных
значений содержит два
термонагревателя и две
термопары
выполняемых в
микромодульном
исполнении.
На подогреватель первого термопреобразователя Тн1 подается
измеряемое напряжение UИз, а на подогреватель второго
термопреобразователя Тн2 подается напряжение постоянного тока
обратной связи. Термопары включены встречно на входе
дифференциального усилителя. Постоянное выходное напряжение
прямо пропорционально среднему квадратическому значению
напряжения, которое показывает вольтметр

36. 3. Детектор амплитудных значений

Высокочастотный вольтметр В3-52/1М

37. Детекторы амплитудных значений

VD
Uвх
Rф
C
R
Cф
Детектор амплитудных
значений
с открытым входом
Rф
C
Uвых Uвх VD
R
Cф
Детектор амплитудных
значений
с закрытым входом
Uвых

38. Амплитудный детектор с открытым входом

VD
Uвх
Rф
C
R
Cф
В моменты когда диод VD
закрыт конденсатор
разряжается через
сопротивление нагрузки R
Принцип работы пикового детектора
заключается в заряде конденсатора
UвыхС через диод VD до максимального
(пикового) значения Ux~, которое
затем запоминается, если постоянная
времени разряда С (через R)
значительно превышает постоянную
времени заряда.

39. Амплитудный детектор с закрытым входом

В схеме с закрытым входом
заряд конденсатора
происходит через малое
сопротивление диода и
внутреннее сопротивление
источника напряжения.
Разряд конденсатора
происходит через большое
сопротивление R и
внутреннее сопротивление
источника напряжения.
Устройства, включенные за сопротивлением R, выделяют постоянную
составляющую напряжения, равную Umax

40. Амплитудный детектор на операционном усилителе

Данный детектор выполнен по
инвертирующей схеме поэтому при
подаче положительных полуволн
напряжение U2 на выходе ОУ будет
отрицательным. При этом диод VD1
открыт, а диод VD2 закрыт. Выход ОУ
через малое прямое сопротивление
диода VD1 подключен ко входу, что
создает глубокую отрицательную
обратную связь.
В результате напряжение на выходе ОУ равно напряжению на его
входе и близко к нулю. При подаче отрицательной полуволны
напряжение U2 на выходе ОУ будет положительным, поэтому диод VD1
закрыт, а диод VD2 при этом напряжение на ОУ и детектора
Uвых = U2 = - Uвх∙R2/R1

41.

42.

43. Электромагнитная система

• Принцип действия этой системы
основан на взаимодействии
катушки с ферромагнитным
сердечником. Ферромагнитный
сердечник втягивается в катушку
при любой полярности тока.
Следовательно приборы
электромагнитной системы можно
использовать для измерения
переменного тока. Однако эти
приборы являются
низкочастотными, так как с
ростом частоты сильно
возрастает индуктивное
сопротивление катушки.

44. Вольтметр В3-38

45. Градуировка вольтметров

Все вольтметры не зависимо от типа детектора градуируются в средне
квадратических значениях напряжения. Для этого вводятся
коэффициент формы и коэффициент амплитуды.
Коэффициент формы определяется:
U Ск U m 0.707
KФ
1.11
U Св U m 0.637
Коэффициент амплитуды определяется:
Um
Um
KA
1.41
U Ск U m 0.707

46. Показания вольтметров

1. Определим показания вольтметра среднеквадратичных значений
Показания вольтметра среднеквадратичных значений равны
AСк U Ск
2. Определим показания вольтметра средневыпрямленных значений
Показания вольтметра средневыпрямленных значений равны
AСв U Св К ф
3. Определим показания вольтметра амплитудных значений
Показания вольтметра амплитудных значений равны
Um
Am
KA

47.

Определим показания вольтметров имеющих разные типы детекторов
при измерении синусоидального напряжения с амплитудой Um = 10 В
Дано:
Um = 10 В Найти: AСк, AСв, Am
Решение:
1. Определим показания вольтметра среднеквадратических значений.
AСк U Ск U m 0.707 10 0.707 7.07( В )
2. Определим показания вольтметра средневыпрямленных значений.
AСв U Св K Ф U m 0.637 KФ
AСв 10 0.637 1.11 7.07( В)
3. Определим показания вольтметра амплитудных значений.
Am
Um
10
7.07( В )
K A 1.41
При измерении синусоидального напряжения все вольтметры не
зависимо от типа детектора покажут одно и тоже напряжение.

48. Зависимость показаний вольтметра от типа детектора

Форма сигнала
U
Средневыпрямленное
напряжение
t
U
Среднее квадратическое
напряжение
U СВ U m 0.637
U Ск U m 0.707
U Св U m
U Ск U m
τ
t
T
U
U Св
t
1
Uсв
T
Um
2
U Ск
T
0
U (t ) dt
Uск
1
T
Um
3
T
U
0
2
(t ) dt

49. Зависимость погрешности измерений от входного сопротивления вольтметра

Определить погрешность измерения напряжения на нагрузке R1 = 10 кОм
если сопротивление вольтметра RV = 10 кОм. R2 =10 кОм E = 3 В
R1
E
A
B
V
Дано: R1 = 10 кОм, R2 = 10 кОм, RV = 10 кОм, Е = 3 В
R2
RV
Найти: U1, UV, δ
Решение:
1. Определим падение напряжения U1 на резисторе R1 без подключения вольтметра.
RОб R1 R2 10 10 20(кОм)
E
3
3
I
0
.
15
10
0.15(mA)
3
RОб 20 10
U1 I R1 0.15 10 3 10 103 1.5( В)

50.

2. Определим падение напряжения на резисторе R1 при
подключении вольтметра.
Определим сопротивление участка AB
RAB
R1 RV
10 10
5(кОм)
R1 RV 10 10
Определим общее сопротивление цепи
Rобщ RAB R2 5 10 15(кОм)
Определим ток в цепи
I
`
общ
E
3
3
0
.
2
10
0.2(mA)
3
Rобщ 15 10
Определим падение напряжения на участке AB
`
U AB I общ
RAB 0.2 10 3 5 103 1( В)
При подключении вольтметра изменился ток и стал равен 0.2 mA
напряжение также изменилось и стало равным 1 В.

51.

3 Определим погрешность измерения при подключении вольтметра

52. Погрешности при измерении не синусоидальных напряжений

53. Милливольтметр импульсного тока

Милливольтметр В4-12 предназначен для измерения амплитудных
значений напряжений видеоимпульсов и амплитудных значений
напряжений переменного тока

54. Селективный вольтметр

Микровольтметр селективный В6-9 предназначен для измерения
среднеквадратических значений малых синусоидальных
напряжений.