Почти каждому из нас рано или поздно доводилось (или еще придется) столкнуться с задачей измерить электрическое напряжение.
Это может понадобиться вам в одной из бесконечного множества бытовых ситуаций, и хорошо бы заранее знать, как и при помощи чего это можно сделать.
Для измерения напряжения вам понадобится всего лишь один прибор под названием "мультиметр" и источник электроэнергии. Измерить напряжение завалявшейся батарейки, блока питания для ноутбука, оголенных проводов в квартире - это одни из наиболее частых применений.
В этой статье мы на примере рассмотрим как измерять напряжение электрической энергии при помощи бытового мультиметра.
В качестве примера, для чего это нужно знать каждому, можно привести несколько бытовых ситуаций: замерив напряжение на батарейке можно понять, насколько она "здорова", или может быть её уже можно выбрасывать; лампа в люстре не горит, хотя лампочка новая - стоит проверить, возможно проблема в проводке; при отключении электричества на щитке в подъезде не лишним будет убедиться, действительно ли вы обесточили всю квартиру. В общем, применений масса.
С задачами разобрались, теперь стоит рассказать о том, что вам для понадобится для измерений. В 99% бытовых ситуаций вам будет нужен лишь источник переменного или постоянного тока и "мультиметр" - прибор измеряющий напряжение, также называемый "тестером", и другие электрические показатели, а конкретно одна из его функций - вольтметр . Для домашних замеров подойдет самая простая модель, которую можно найти в магазине по цене от 200 рублей.
И совсем немного о токе. Напряжение электрического тока измеряется в вольтах (V) . Сам ток может быть постоянным (DCV) или переменным (ACV) . В розетке и домашней проводке ток всегда переменный, а у всего, где есть "+" и "-" (батареек, аккумуляторов и т.д.) постоянный. Первым делом определите, какой ток вы собрались измерять и выберите на мультиметре соответствующее положение переключателя: DCV - постоянный ток, ACV - переменный ток.
Цифровые значения на мультиметре - это максимальные измеряемые показатели. Если вы даже приблизительно не знаете какое напряжение вам предстоит измерить, начните с установки на самое высокое значение.
Стоит учесть, что многие современные мультиметры умеют сами определять какой ток на них подается - постоянный или переменный. Если ваш мультиметр из таких, то вместо положений переключателя DCV и ACV у вас будет одно положение - V. В таком случае просто выставьте его.
У многих новичков после покупки часто возникает вопрос - куда вставлять провода (а если быть точным, то они называются щупы ) мультиметра и как это правильно сделать.
Большинство мультиметров имеют три разъема для подключения проводов и два провода - черный и красный. Черный провод вставляется в гнездо с надписью COM , красный же в гнездо, где в числе символов есть обозначение V .
Третье гнездо служит для замера высоких токов и для измерения напряжения оно нам не понадобится, а вообще в него при необходимости перетыкается красный провод, а черный всегда остается в одном гнезде.
Одной из самых частых задач является измерение напряжение в розетке либо в квартирной проводке. При помощи мультиметра это сделать очень просто. Как мы уже писали выше, в розетках течет переменный ток, поэтому для его измерения нужно выставить переключатель на мультиметре в зону ACV .
Мы знаем, что напряжение должно быть примерно 220 вольт, поэтому если у вас мультиметр как на примере с фотографии выше - выставьте переключатель на отметку больше предполагаемого значения , в данном случае на 750 в диапазоне ACV.
Настроив прибор самое время засунуть пальцы щупы в розетку. Не имеет разницы какой провод в какое отверстие розетки вставлять. В целом здесь бояться нечего, главное держаться за изолированную часть щупов и не касаться металлической их части (хотя сделать это довольно сложно даже при большом желании), а также не допускать их касания друг друга, пока они вставлены в розетку, иначе можно устроить короткое замыкание.
Если вы все сделали правильно на экране вашего мультиметра будет показано текущее напряжение в розетке и вашей внутриквартирной проводке.
В нашем случае это 235.8 вольт - в пределах нормы. Ровно 220V на экране вы никогда не увидите, так что погрешность в +-20 - это нормально.
Всевозможные батарейки и различные аккумуляторы, в общем все, где вы видите "+" и "-" - все это источники постоянного электрического тока. Измерить постоянное напряжение ни чуть не сложнее, чем переменное.
Для этого возьмите, к примеру, самую обыкновенную пальчиковую батарейку. Соедините красный провод мультиметра с "+" - вым контактом батарейки, а черный с "-" - вым . Если вы соедините их наоборот - ничего страшного не произойдет, просто на экране мультиметра показания будут отображаться со знаком "минус", примерно вот так.
Обычно напряжение на аккумуляторах маленькое, так что можно не бояться и прижимать щупы пальцами. До 20 вольт вы скорее всего ничего не почувствуете. В случае батарейки типа AAA - её максимальное напряжение 1.5 вольта, что совсем не страшно для человека.
Как мы видим из показаний мультиметра, напряжение в нашей батарейке 1.351 вольта, а значит батарейка еще вполне себе заряженная и может использоваться.
Аналогичным образом можно проверять любые другие элементы питания и измерять их вольтаж, и как вы теперь знаете, ничего сложного в этом нет.
Для измерения переменного напряжения используются аналоговые электромеханические приборы (электромагнитные, электродинамические, редко - индукционные), аналоговые электронные приборы (в том числе выпрямительной системы) и цифровые измерительные приборы. Для измерений могут также использоваться компенсаторы, осциллографы, регистрирующие устройства и виртуальные приборы.
При измерении переменного напряжения следует различать мгновенное, амплитудное, среднее и действующее значения искомого напряжения.
Синусоидальное переменное напряжение может быть представлено в виде следующих соотношений:
где u(t) - мгновенное значение напряжения, В; U m - амплитудное значение напряжения, В; (У - среднее значение напряжения, В Т - период
(Т = 1//) искомого синусоидального напряжения, с; U - действующее значение напряжения, В.
Мгновенное значение переменного тока может быть отображено на электронном осциллографе или с помощью аналогового регистратора (самописца).
Средние, амплитудные и действующие значения переменных напряжений измеряются стрелочными или цифровыми приборами непосредственной оценки или компенсаторами переменных напряжений. Приборы для измерения средних и амплитудных значений используются сравнительно редко. Большая часть приборов градуируется в действующих значениях напряжения. Из этих соображений количественные значения напряжений, приведенные в учебном пособии, даны, как правило, в действующих значениях (см. выражение (23.25)).
При измерениях переменных величин большое значение имеет форма искомых напряжений, которые могут быть синусоидальными, прямоугольными, треугольными и др. В паспортах на приборы всегда указывается, для измерения каких напряжений рассчитан прибор (например, для измерения синусоидальных напряжений или прямоугольных). При этом всегда указывается, какой параметр переменного напряжения измеряется (амплитудное значение, среднее значение или действующее значение измеряемого напряжения). Как уже отмечалось, большей частью используется градуировка приборов в действующих значениях искомых переменных напряжений. В силу этого все далее рассматриваемые переменные напряжения даны в действующих значениях.
Для расширения пределов измерения вольтметров переменных напряжений используются добавочные сопротивления, измерительные трансформаторы и добавочные емкости (с приборами электростатической системы).
Использование добавочных сопротивлений для расширения пределов измерения уже рассмотрено в подразделе 23.2 применительно к вольтметрам постоянного напряжения и поэтому в данном подразделе не рассматривается. Не рассматриваются также измерительные трансформаторы напряжения и тока. Сведения по трансформаторам даны в литературе .
При более детальном рассмотрении использования добавочных емкостей для расширения пределов измерения электростатистики вольтметров может применяться одна дополнительная емкость (рис. 23.3, а) или же могут быть применены две дополнительные емкости (рис. 23.3, б).
Для схемы с одной дополнительной емкостью (рис. 23.3, а ) измеряемое напряжение U распределяется между емкостью вольтметра С у и дополнительной емкостью С обратно пропорционально значениям С у и С
Учитывая, что U c = U- Uy, можно записать
Рис. 23.3. Схема расширения пределов измерения электростатических
вольтметров:
а - схема с одной добавочной емкостью; б - схема с двумя добавочными емкостями; U - измеряемое переменное напряжение (действующее значение); С, С, С 2 - добавочные емкости; C v - емкость используемого электростатического вольтметра V; U c - падение напряжения на дополнительной емкости С; U v - показание электростатического вольтметра
Решая уравнение (23.27) относительно U, получим:
Из выражения (23.28) следует, что чем больше измеряемое напряжение U по сравнению с предельно допускаемым напряжением для данного электростатического механизма, тем меньше должна быть емкость С по сравнению с емкостью С у.
Следует отметить, что формула (23.28) правомерна лишь при идеальной изоляции конденсаторов, образующих емкости С и C v . Если же диэлектрик, изолирующий пластины конденсаторов друг от друга, имеет потери, то возникают дополнительные погрешности. Кроме того, емкость вольтметра С у зависит от измеряемого напряжения U, так как от U зависят показания вольтметра и соответственно взаимное расположение подвижных и неподвижных пластин, образующих электростатический измерительный механизм. Последнее обстоятельство приводит к появлению еще одной дополнительной погрешности.
Лучшие результаты получаются, если вместо одной добавочной емкости использовать две добавочные емкости С (и С 2 , образующие делитель напряжения (см. рис. 23.3, б).
Для схемы с двумя добавочными емкостями правомерно соотношение
где U a - падение напряжения на емкости С у
Учитывая, что
можно записать
Решая уравнение (23.30) относительно U, получим:
Из выражения (23.31) можно сделать вывод, что если емкость конденсатора С 2 , к которому подключен вольтметр, значительно превышает емкость самого вольтметра, то распределение напряжения практически не зависит от показания вольтметра. Кроме того, при С 2 » С у изменение сопротивления изоляции конденсаторов С, и С 2 и частоты
Таблица 23.3
Пределы и погрешности измерения переменных напряжений
измеряемого напряжения также мало влияют на показания прибора. То есть при использовании двух добавочных емкостей дополнительные погрешности результатов измерений значительно снижаются.
Пределы измерения переменных напряжений приборами разных типов и наименьшие погрешности этих приборов приведены в табл. 23.3.
В качестве примеров в приложении 5 (табл. П.5.1) приведены технические характеристики универсальных вольтметров, позволяющих измерять, в том числе, и переменные напряжения.
В заключение следует отметить следующее.
Погрешности измерения токов (постоянных и переменных) приборами одного типа и в равных условиях всегда больше погрешностей измерения напряжений (и постоянных, и переменных). Погрешности измерения переменных токов и напряжений приборами одного типа и в равных условиях всегда больше погрешностей измерения постоянных токов и напряжений.
Более подробную информацию по затронутым вопросам можно получить в .
Под переменным напряжением понимается периодически изменяющееся напряжение, основными параметрами его являются период (или частота как величина, обратная периоду), амплитуда U m 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.
Таблица 7.1
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 .
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=R р) 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 U св измеряемого сигнала
.
В большинстве же технических приложений необходимо знать действующее (среднеквадратическое) значение U . Конечно, если измерено U св, то U можно найти, используя коэффициент формы. Например, для синусоидального сигнала U= 1,11×U св. 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 (К ф = 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 U х по формуле
(7.5)
где U п - 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 К УПТ – 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 К А =1,41, то возникает методическая погрешность:
Например, если входной сигнал имеет форму меандра (К А =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:
где U п - 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.
Цель работы - исследование метрологических характеристик электронных вольтметров
Ознакомиться с используемой аппаратурой и инструкциями по ее применению. Получить у преподавателя конкретное задание по выполнению работы.
Определить основную погрешность электронного вольтметра на диапазоне измерений, указанном преподавателем. Построить на одном графике зависимости относительной и приведенной погрешностей от показаний электронного вольтметра. Сделать вывод о соответствии поверяемого вольтметра своему классу точности.
Определить амплитудно-частотную характеристику АЧХ электронного вольтметра. Построить график АЧХ и определить рабочую полосу частот вольтметра на уровне затухания АЧХ, определяемом нормативно-технической документацией на поверяемый вольтметр.
Экспериментально оценить АЧХ цифрового вольтметра. Провести сравнительный анализ амплитудно-частотных характеристик электронного, цифрового и электромеханического 11 Примечание 1 . Результаты исследований по электромеханическим вольтметрам взять из лабораторной работы №1, если она предварительно выполнялась. вольтметров. Построить графики АЧХ исследуемых приборов.
Измерить электронным вольтметром напряжения различной формы (синусоидальной, прямоугольной и треугольной) с одинаковой амплитудой на частотах, лежащих в рабочей полосе частот этого прибора. Объяснить и подтвердить расчетами полученные результаты. Сделать вывод о влиянии формы измеряемого напряжения на показания электронного вольтметра.
Описание и порядок выполнения работы
Используемые приборы
Электронный вольтметр с аналоговым выходом - GVT-417В
Прибор измерительный универсальный с цифровой индикацией - GDM-8135
Генератор гармонических сигналов - SFG-2120
Осциллограф электронный - GOS-620
Описания приборов прилагаются на стенде .
Для выполнения работы применяют схему, представленную на рис. 2.1, где ГС - генератор (синтезатор) сигналов синусоидальной, прямоугольной и треугольной формы,ЦВ - цифровой вольтметр, ЭВ - электронный вольтметр, ЭЛО - электронно-лучевой осциллограф.
1. Основную погрешность электронного вольтметра определяют методом сличения, т.е. сравнением его показаний с показаниями образцового, в данном случае цифрового вольтметра, при синусоидальном напряжении. Показания образцового вольтметра принимаются за действительные значения напряжения.
Поверку электронного вольтметра GVT-417B проводят при частоте 1кГц на шкалах с верхними пределами 1В или 3В, что обусловлено диапазоном регулирования выходного напряжения используемого генератора.
Поверку проводят для n = (610) отметок шкалы, равномерно распределенных по шкале прибора, при плавном увеличении и уменьшении его показаний
Поверяемые точки напряжения U п устанавливают на поверяемом электронном вольтметре, а действительные значения напряжений U о ув, U о ум снимают с образцового цифрового вольтметра соответственно при подходе к поверяемой отметке U п шкалы при увеличении и уменьшении показаний.
Результаты измерений и расчетов представляют в виде таблицы.
Абсолютную, относительную, приведенную погрешности и вариацию показаний определяют по формулам, приведенным в лабораторной работе 1 или в ; определяют также максимальную приведенную погрешность max = Мах{| i |} и максимальную вариацию H max = Мах{H i }, полученные в результате эксперимента.
По результатам испытаний и расчетов строят на одном графике зависимости относительной и приведенной погрешностей от показаний электронного вольтметра, = F (U п), = F (U п); на графике также проводят линии, определяющие границы предельно допустимой приведенной погрешности, соответствующей классу точности поверяемого прибора.
На основании анализа данных об основной погрешности и вариации показаний делают вывод о соответствии указанных характеристик требованиям, определяемым классом точности поверяемого прибора.
2. Амплитудно-частотную характеристику электронного вольтметра определяют как зависимость показаний вольтметра от частоты входного синусоидального сигнала при постоянном значении его напряжения.
На практике широко используют понятие рабочей полосы частот средства измерений. Под рабочей полосой частот вольтметра понимают диапазон частот f , для которого неравномерность АЧХ вольтметра не превосходит некоторой заранее установленной допустимой величины. Так, для электронного вольтметра GVT-417B в пределах рабочей полосы допускается не более чем 10-ти процентное изменение показаний прибора от показания на частоте f 0 = 1КГц.
Крайние значения диапазона частот, удовлетворяющего указанному требованию, называются нижней f Н и верхней f В граничными частотами рабочей полосы электронного вольтметра.
Определение АЧХ проводят также по схеме, представленной на рис. 2.1. В качестве источника сигналов используют генератор SFG-2120, который обеспечивает постоянство амплитуды выходного сигнала при изменении частоты в его рабочем диапазоне.
Предварительно на генераторе ГС устанавливают частоту f 0 =1кГц при синусоидальной форме сигнала. С помощью регулятора выходного напряжения генератора ГС устанавливают показание электронного вольтметра на отметке шкалы в диапазоне (0.7-0.9) от верхнего предела измерений и записывают установленное значение напряжения U П (f 0 =1кГц) = … .
В дальнейшем при определении АЧХ изменяют только частоту генератора сигналов ГС, а напряжение, снимаемое с генератора, не изменяют.
Для контроля уровня сигнала и его формы используют электронно-лучевой осциллограф. На экране осциллографа, путем выбора коэффициентов (VOLTS/DIV) отклонения и коэффициентов (TIME/DIV) развертки, получают удобную для наблюдений и измерений осциллограмму - изображение нескольких периодов синусоиды с достаточно большой амплитудой; записывают амплитуду l А (или l 2А - двойную амплитуду) изображения сигнала для последующего контроля уровня сигнала.
АЧХ удобно определять отдельно для области верхних и области нижних частот.
В области верхних частот АЧХ начинают снимать с шагом 100 кГц: 1 кГц (начальная частота), 100 кГц, 200 кГц, … до частоты, при которой показания электронного вольтметра упадут до величины порядка 0,8-0,9 от первоначально установленного показания U П (f 0 =1кГц). Для уточнения верхней частоты f в рабочей полосы частот f электронного вольтметра в районе 10-ти процентного спада АЧХ необходимо дополнительно снять несколько точек АЧХ с меньшим шагом изменения частоты входного сигнала.
В процессе проведения испытаний постоянный уровень выходного сигнала ГС контролируют электронным осциллографом.
Результаты испытаний и расчетов записать в таблицу:
Для ЭВ f В = … для ЦВ f В = …
где U П (f ) - показания вольтметра на частоте f ; K (f ) = U П (f ) /U П (f о = 1 кГц) - АЧХ вольтметра, представленная в относительных единицах для соответствующих частот, f в - верхняя граничная частота рабочей полосы вольтметра, найденная в эксперименте.
При выполнении задания аналогичным образом при тех же частотах оценивается АЧХ цифрового вольтметра. Результаты испытаний заносятся в ту же таблицу. Поскольку в данной работе требуется сравнить рабочие полосы частот электронного и цифрового вольтметров в качественном смысле, не обязательно уточнять АЧХ цифрового вольтметра в дополнительных точках по частоте. При этом значения граничных частот цифрового вольтметра будут определены с меньшей точностью.
Нижняя граничная частота f н рабочей полосы f для электронных вольтметров переменного тока обычно находится в области единиц и первых десятков Гц. Поэтому процедура определения АЧХ в области нижних частот может быть следующей: сначала уменьшают частоту от исходной f 0 =1000Гц через 200Гц, а затем от 50Гц - через 10Гц. При необходимости уточняют нижнюю частоту f н рабочей полосы, при которой АЧХ падает до уровня 0.9 от ее значения при f 0 =1000Гц, снятием дополнительных точек с шагом 1Гц.
Оценка АЧХ цифрового вольтметра проводится при тех же частотах.
Результаты испытаний и расчетов представляют в виде таблицы:
Для ЭВ f н = …Гц, для ЦВ f н = …Гц.
По результатам проведенных исследований строятся графики АЧХ для верхних и нижних частот. По оси частот графики удобно строить в логарифмическом масштабе.
3. Определение влияния формы входного сигнала на показания вольтметров переменного тока.
В электронных вольтметрах переменного тока применяют преобразователи Пр переменного напряжения в постоянное, как, например, показано на рис. 2.2, где: u вх (t ) - входное напряжение, У - усилитель переменного тока, ИМ - магнитоэлектрический измерительный механизм, - угол отклонения измерительного механизма.
Используют преобразователи амплитудного, средневыпрямленного или действующего значений переменного напряжения в постоянное. В то же время все электронные вольтметры переменного тока, не зависимо от вида преобразователя, градуируются в действующих значениях синусоидального напряжения . Это может привести к появлению дополнительных погрешностей при измерении несинусоидальных напряжений.
Электронный вольтметр GVT-417B имеет преобразователь средневыпрямленного значения. Для таких вольтметров угол отклонения указателя пропорционален средневыпрямленному значению U ср входного напряжения
где: k V - коэффициент преобразования вольтметра, u вх (t ) - входное переменное напряжение с периодом Т .
Показания U п вольтметра градуируются в действующих U значениях синусоидального напряжения
где: k Ф = U /U СР - коэффициент формы напряжения, для синусоидального напряжения k Ф = 1,11. Следовательно, для другой формы напряжения (k Ф? 1,11) показания вольтметра могут значительно отличаться от его действующего значения, что приводит к появлению дополнительной погрешности результата измерений.
В таких случаях искомые напряжения при известной форме сигналов можно находить расчетным путем.
Исходя из принципа действия вольтметра и принятой градуировки можно по показаниям U П прибора определить средневыпрямленное значение любого (в пределах АЧХ вольтметра) измеряемого напряжения
U СР = U П /1,11.
Действующее значение U несинусоидального напряжения может быть определено только в том случае, когда известен коэффициент k Ф формы кривой напряжения, k Ф = U/ U СР (или известна форма сигнала, по которой может быть определен этот коэффициент)
U= k Ф U СР.
Численные значения коэффициентов формы для некоторых сигналов представлены в таблице.
Для экспериментальной оценки влияния формы напряжения на показания электронного вольтметра последовательно измеряют сигналы синусоидальной, прямоугольной и треугольной формы при их одинаковой амплитуде.
Предварительно на синусоидальном сигнале устанавливают показания вольтметров в диапазоне 0.5 - 0.6 от верхнего предела измерений выбранной шкалы при номинальной частоте f н =1 кГц , а затем при той же амплитуде входных сигналов измеряют вольтметром напряжения при других формах сигнала. Формы сигналов (синусоидальная, треугольная, прямоугольная) устанавливается нажатием на клавишу “Wave ” на генераторе.
По показаниям U П вольтметра определяют среднее U СР и действующее U значения напряжений для всех форм сигналов.
Для оценки влияния формы напряжения на показания электронного вольтметра с преобразователем средневыпрямленного напряжения определяют дополнительную относительную погрешность (в процентах)
100(U П - U )/ U .
Результаты измерений и расчетов записывают в таблицу.
Следует заметить, что дополнительная погрешность войдет в результат измерений, если действующие значения напряжений несинусоидальной формы определять непосредственно по показаниям вольтметра без учета формы сигнала и проведения соответствующих расчетов.
По результатам исследований сделать вывод о влиянии формы кривой напряжения на результаты его измерения электронным вольтметром.
Литература
Метрология, стандартизация и сертификация: учебник для студ. высш. учеб. заведений/[Б.Я.Авдеев, В.В.Алексеев, Е.М.Антонюк и др.]; под ред В.В.Алексеева. - М. : Издательский центр «Академия», 2007. стр. 136-140.
Мы уже рассматривали, что переменное напряжение характеризуется мгновенным, средним, средневыпрямленным и среднеквадратическим значениями.
Градуировку большинства шкал вольтметров, кроме импульсных, производят в среднеквадратических (действующих) значениях, которые равны 0,707 от амплитудного значения. Если известны коэффициенты формы, то по одному из параметров можно определить другие. При измерении синусоидальных напряжений мгновенное значение (амплитуда) определяется как U=Uизм*1,41, гдеUизм – действующее значение илиU=1,1*Uсв (если измеряется средневыпрямленное значение). При измерении несинусоидальных сигналов в показания также должны быть введены поправки.
Для измерения переменного напряжения применяют электромеханические, термоэлектрические и электронные приборы. Выбор прибора определяется предельными значениями напряжения, условиями измерений, требуемой точностью.
Из электромеханических приборов применяются в основном приборы электромагнитной, электродинамической и электростатической систем.
Вольтметры переменного напряжения классифицируются по различным признакам:
по назначению: импульсные, переменного тока, фазочувствительные, селективные, универсальные;
по методу измерения: непосредственной оценки и сравнения с мерой;
по измеряемому параметру напряжения: амплитудные, среднеквадратические и средневыпрямленные;
по типу индикатора: стрелочные и цифровые.
Большинство вольтметров электромагнитной системы применяются на частотах 50 Гц. Класс точности – 2,5 – 0,5.Электродинамические вольтметры имеют тот же частотный диапазон, но более высокий класс точности (0,1). Уравнение шкалы носит квадратичный характер. Достоинства – простота конструкции, возможность непосредственного применения в цепях переменного напряжения, надежность. Недостатки – низкая чувствительность, большое потребление от измерительной цепи, неравномерность шкалы.
Электростатические вольтметры применяют для измерения высоких (до 100 кВ) напряжений. Класс точности 1.
Измерение напряжения высокой частоты имеет свои особенности. Чтобы прибор не влиял на измерительную цепь, необходимо, чтобы его входное сопротивление было большим, а входная емкость как можно меньше.
В практике радиоэлектронных измерений наибольшее распространение получили электронные и выпрямительные вольтметры. Это объясняется тем, что электронные вольтметры имеют высокое входное сопротивление как на высоких, так и на низких частотах, высокую чувствительность при использовании усилителя, малое потребление из измерительной цепи.
Измерение переменного напряжения методом непосредственной оценки.
Электронные вольтметры.
Структурные схемы электронных вольтметров строятся в основном по двум схемам, милливольтметры и вольтметры для измерений больших напряжений. Они представлены на рисунке М2-8.
Рисунок М2-8. Электронные вольтметры для измерений переменных напряжений.
Вольтметры для измерения больших напряжений состоят из входного устройства, преобразователя переменного напряжения в постоянное (детектора), усилителя постоянного тока и измерителя магнитоэлектрической системы. Милливольтметры отличаются наличием усилителя переменного напряжения до детектора, служащего для повышения чувствительности.
Вольтметры средних значений строятся по структурной схеме первого типа с преобразователей переменного напряжения в в постоянное по среднему значению. Простейшими вольтметрами средних значений являются выпрямительные вольтметры с преобразователями, выполненными на диодах.
Селективные вольтметры.
Селективные, т.е. избирательные микровольтметры широко применяются для исследования спектра непериодических сигналов. Это высокочувствительные приемники гетеродинного типа с настройкой на определенную частоту или узкий интервал частот. Упрощенная схема селективного вольтметра приведена на рисунке М2-9.
Рисунок М2-9. Схема селективного вольтметра
Измеряемый сигнал частоты Fc подается через входное устройство на смеситель, куда поступает и сигнал от гетеродина. В смесителе измеряемый сигнал преобразуется на промежуточную частоту и усиливается УПЧ. На выходе усилителя имеется вольтметр с цифровым или стрелочным индикатором.
Импульсные вольтметры. Импульсные напряжений измеряют с помощью импульсных вольтметров, которые строятся по схеме аналогового электронного вольтметра с амплитудным детектором. В этих схемах импульсное напряжение преобразуется в напряжение постоянного тока и измеряется его значение. В этой схеме возможно измерение амплитуды только положительных импульсов, для отрицательных необходимо обратное включение диода. Специальные импульсные вольтметры градуируются в амплитудных значениях. Очень часто используют осциллографические методы измерений, которые позволяют не только измерять амплитуду импульсов, но и наблюдать их форму.
