Б. Григорьев (СССР)
Важнейшая характеристика переменного напряжения (тока)-его среднеквадратическое* значение (СКЗ). Знать истинное СКЗ необходимо при определении мощности или энергетических соотношений в цепях переменного тока, измерении шумовых характеристик устройств и коэффициентов гармонических или интермодуляционных искажений, налаживании тиристорных регуляторов мощности. Сочетание «истинное СКЗ» было употреблено здесь не случайно. Дело в том, что измерить СКЗ сложно, поэтому вольтметрами (самостоятельными или включенными в состав мультиметров) обычно измеряют либо среднее выпрямленное, либо пиковое значение переменного напряжения. Для напряжения синусоидальной формы, а оно чаще других встречается в практике измерений, есть однозначная связь между этими тремя значениями СКЗ: пиковое в 1,41 раза больше, чем СКЗ, а среднее выпрямленное в 1,11 раза меньше его. Поэтому вольтметры широкого применения практически всегда откалиброваны в СКЗ независимо от того, что на самом деле регистрирует данный прибор. Следовательно, при измерении СКЗ переменных напряжений, форма которых заметно отличается от синусоидальной, пользоваться этими вольтметрами в общем случае нельзя, однако для периодических сигналов несложной формы (меандр, треугольник и т. п.) можно вычислить поправочные коэффициенты. Но этот способ неприемлем для наиболее важных в практике измерений (в частности, и тех, что упоминались выше). Здесь на помощь может прийти только , регистрирующий истинные СКЗ переменного напряжения.
Длительное время для измерения СКЗ использовались методы, основанные на преобразовании переменного напряжения в постоянное с помощью термоэлектронных приборов. В модернизированной форме эти методы применяются и сейчас. Однако все более широкое распространение получает измерительная аппаратура, представляющая собой специализированные аналоговые вычислительные устройства. По той или иной математической модели они обрабатывают исходный сигнал так, чтобы продуктом обработки было его СКЗ. Этот путь, даже с учетом успехов микроэлектроники, неизбежно ведет к усложнению аппаратуры , что неприемлемо для радиолюбительской практики, поскольку измерительный прибор становится сложней устройств, для налаживания которых он необходим.
Если не выдвигать требование, чтобы СКЗ был прямопоказываю- щим (а это важно, в первую очередь, для массовых измерений), то возможно создание очень простого в изготовлении и налаживании прибора. Метод измерения СКЗ основан в нем на усилении напряжения до уровня, при котором начинает светиться обыкновенная лампочка накаливания. Яркость свечения (ее регистрируют фоторезистором) лампочки однозначно связана с СКЗ приложенного к ней переменного напряжения. Чтобы исключить нелинейность преобразователя переменное напряжение - резистора, целесообразно использовать лишь для регистрации определенной яркости свечения лампочки, устанавливаемой при калибровке прибора. Тогда измерения СКЗ сводятся к регулировке коэффициента передачи предварительного усилителя так, чтобы лампочка светилась с заданной яркостью. Среднее квадратическое значение измеряемого напряжения считывают по шкале переменного резистора.
четании с диодами VD1 и VD2 обеспечивают защиту микроамперметра при значительном разбалансе моста. Этот же микроамперметр с помощью переключателя SA1 можно подключить к выходу усилителя для его балансировки по постоянному току.
Измеряемое напряжение поступает на неинвертирующий вход ОУ DA1. Следует заметить, что если исключить разделительный СI, то на вход прибора можно будет подавать переменное напряжение с постоянной составляющей. И в этом случае показания прибора будут соответствовать истинному СКЗ суммарного (постоянное + переменное) напряжения.
Теперь о некоторых особенностях рассматриваемого вольтметра и о выборе элементов для него. Главным элементом прибора является оптрон VL1. Разумеется, очень удобно использовать готовый стандартный прибор, но аналог оптрона можно изготовить и самостоятельно. Для этого необходимы лампочка накаливания и , которые помещают в корпус, исключающий попадание на внешнего света. Кроме того, желательно с^еспечить минимальную передачу тепла от лампочки к фоторезистору (его и от температуры). Наиболее жесткие требования предъявляются к лампочке накаливания. Яркость ее свечения при СКЗ напряжения на ней около 1,5 В должна быть достаточной, чтобы вывести в рабочую точку, соответствующую балансу моста. Такое ограничение обусловлено тем, что прибор должен иметь хороший пик-фактор (отношение максимально допустимого амплитудного значения измеряемого напряжения к среднему квадратическому). При небольшом пик-факторе прибор может не зарегистрировать отдельные выбросы напряжения и занизить тем самым его СКЗ. При значениях элементов моста, данных на схеме рис. 1, СКЗ напряжения на оптроне , выводящие его в рабочую точку ( около 10 кОм), будет примерно 1,4 В. Максимальная амплитуда выходного напряжения (до начала ограничения) в данном приборе не превышает 11 В, поэтому его пик-фактор будет около 18 дБ. Это значение вполне приемлемо для большинства измерений, но при необходимости его можно несколько увеличить, повысив напряжение питания усилителя.
Еще одно ограничение на лампочку накаливания - ее ток в рабочей точке не должен превышать 10 мА. В противном случае необходим более мощный эмиттер- ный повторитель, так как он должен обеспечивать пиковый ток. примерно в 10 раз больший, чем ток, потребляемый лампочкой накаливания в рабочей точке.
К фоторезистору самодельного оптрона особых требований не предъявляется, но если у радиолюбителя есть возможность выбора, то желательно найти экземпляр, который имеет необходимое в рабочей точке при меньшей освещенности. Это позволит реализовать больший пик-фактор прибора.
Выбор ОУ однозначно определяет комбинацию двух параметров: чувствительность и полосу пропускания. Амплитудно- (АЧХ) операционного усилителя К140УД8 приведена на рис. 2 (она типична для многих ОУ с внутренней коррекцией). Как видно из АЧХ, для того чтобы обеспечить измерения СКЗ напряжения в полосе частот до 20 кГц, максимальный (при верхнем по схеме рис. 1 положении движка переменного резистора R3) коэффициент усиления не должен в данном случае превышать нескольких десятков. Это подтверждает и нормированная АЧХ прибора, которая приведена на рис. 3.
Кривые 1-3 соответствуют трем положениям движка переменного резистора R3: верхнему, среднему и нижнему.
При этих измерениях усилителя (соответствует кривой 1) был около 150, что соответствует пределам измерения СКЗ от 10 до 100 мВ. Видно, что спад АЧХ на частотах выше 10 кГц в данном случае становится уже весьма существенным. Для уменьшения спада АЧХ возможны два способа. Во-первых, можно уменьшить (подбором резисторов R4 и R5) усилителя до 15…20. Это на порядок снизит чувствительность прибора (что можно легко компенсировать предварительными усилителями), но тогда и в худшем случае его АЧХ не будет идти ниже кривой 3 на рис. 3. Во-вторых, можно заменить на другой, более широкополосный (например, на К574УД1, ), что позволит реализовать при полосе пропускания усилителя 20 кГц высокую чувствительность прибора. Так, для К574УД1 усилителя при такой полосе пропускания может быть уже около нескольких сотен.
К остальным элементам прибора особых требований не предъявляется. Отметим лишь, что максимально допустимое рабочее напряжение для транзисторов VT1 и VT2, а также для фоторезистора должно быть не менее 30 В. Впрочем, для фоторезистора оно может быть и меньше, но тогда на мост следует подать пониженное напряжение и подобрать (при необходимости) резисторы R14 и R15.
Перед первым включением вольтметра движок резистора R6 устанавливают в среднее положение, резистора R3 в нижнее, а резистора R5 в крайнее правое по схеме положение. Переключатель SA1 переводят в левое-по схеме положение, а с помощью переменного резистора R6 устанавливают стрелку микроамперметра РА1 на нулевую отметку. Затем движки резисторов R3 и R5 переводят соответственно в верхнее и крайнее левое положение и уточняют балансировку усилителя. Вернув SA1 в исходное положение (контроль баланса моста), приступают к калибровке прибора.
На вход вольтметра подают напряжение синусоидальной формы от звукового генератора. Его среднее квадратическое значение контролируют любым вольтметром переменного тока, имеющим необходимые пределы измерений и частотный диапазон. Отношение максимального измеряемого напряжения к минимальному для данного вольтметра немногим больше 10, поэтому пределы измерений целесообразно выбрать от 0,1 до 1 В (для широкополосного варианта с ОУ КИОУД8) или от 10 до 100 мВ (для варианта с номиналами по рис. 1). Установив входное напряжение чуть меньше нижнего предела измерений, например 9…9,5 мВ, с помощью подстроечного резистора R5 добиваются баланса моста (движок R3 - в верхнем по схеме положении). Затем движок резистора R3 переводят в нижнее положение, а входное напряжение увеличивают до тех пор. пока не восстановится баланс моста. Если это напряжение будет более 100 мВ (для рассматриваемого нами варианта), то можно переходить к калибровке прибора и градуировке его шкалы. В случае, когда напряжение, при котором балансируется мост, меньше 100 мВ или заметно больше этого значения, следует уточнить резистора R2 (соответственно уменьшить или увеличить его). При этом, естественно, процедуру установки пределов измерения повторяют снова. Операция калибровки прибора очевидна: подавая на его вход напряжение в пределах 10… 100 мВ, вращением движка резистора R3 добиваются нулевых показаний микроамперметра и наносят на шкалу соответствующие значения.
Измерения отношения сигнал-шум магнитофонов, усилителей и другой звуковоспроизводящей аппаратуры обычно производят со взвешивающими фильтрами, которые учитывают реальную чувствительность человеческого уха к сигналам различных частот. Вот почему среднеквадратичный целесообразно дополнить таким фильтром, принципиальная которого приведена на рис. 4. Формирование требуемой АЧХ производится тремя RC-цепями - R2C2, R4C3C4 и R6C5. Амплитудно- этого фильтра приведена на
рис. 5 (кривая 2). Здесь же для сравнения показана (кривая 1) соответствующая стандартная АЧХ (стандарт СЭВ 1359-78). В области частот ниже 250 Гц и выше 16 кГц АЧХ фильтра несколько отличается от стандартной (примерно на 1 дБ), но возникающей при этом погрешностью можно пренебречь, поскольку шумовые составляющие с такими частотами в отношении сигнал-шум звуковоспроизводящей аппаратуры невелики. Выигрыш за эти небольшие отклонения от стандартной АЧХ - простота фильтра и возможность с помощью одного переключателя на два направления (SA1) отключить фильтр и получить линейный с коэффициентом передачи 10. У фильтра коэффициент передачи на частоте 1 кГц также равен 10.
Отметим, что R5 не задействован в формировании АЧХ фильтра. Он исключает возможность его самовозбуждения на высоких частотах из-за фазовых сдвигов в цепи обратной связи, обусловленных конденсаторами СЗ и С4. этого резистора некритично. При настройке прибора его увеличивают до тех пор, пока не прекратится самовозбуждение фильтра (контролируют широкополосным осциллографом или высокочастотным милливольтметром).
После подбора резистора R5 переходят к подстройке АЧХ фильтра в области высоких частот. Последовательно снимая АЧХ фильтра при различных положениях ротора подстроечного конденсатора С4, находят такое его положение, при котором на частотах выше 1 кГц отклонения АЧХ от стандартной будут минимальными. В области низких частот (300 Гц и ниже) ход АЧХ при необходимости уточняют подбором конденсатора С5. С2 (состоящий из двух конденсаторов емкостью 0,01 мкФ и 2400 пФ, включенных параллельно) влияет в первую очередь на ход АЧХ на частотах 500…800 Гц. Последний этап в настройке фильтра - подбор резистора R2. Его должно быть таким, чтобы коэффициент передачи фильтра на частоте 1 кГц был равен 10. Затем проверяют сквозную АЧХ фильтра и при необходимости уточняют емкость конденсатора С2. Когда фильтр отключен, подбором резистора R3 устанавливают коэффициент передачи предварительного усилителя равным 10.
Если этот фильтр встраивается в среднеквадратичный , то С1 и R1 (см. рис. 1) можно исключить. Их функции будут выполнять С5 и С6, а также R6 (см. рис. 4). В этом случае сигнал с резистора R6 подают непосредственно на неинвертирующий вход операционного усилителя вольтметра.
Поскольку пик-фактор измеряемого переменного напряжения в общем случае заранее не известен, то, как уже отмечалось, возможна погрешность в измерениях
СКЗ, обусловленная ограничением амплитуды сигнала на выходе усилителя. Чтобы быть уверенным в отсутствии такого ограничения, в прибор целесообразно ввести пиковые индикаторы максимально допустимой амплитуды сигнала: один для сигналов положительной полярности, а другой для сигналов отрицательной полярности. За основу можно взять устройство, которое было описано в .
Список литературы
1. Сухов Н. Среднеквадратичный //Радио.- 1981.- № 1.- С. 53-55 и № 12.-С. 43-45.
2. Владимиров Ф. Индикатор максимального уровня//Радио.- 1983.-№ 5.-
Основной единицей измерения электрического напряжения является вольт. В зависимости от величины напряжение может измеряться в вольтах (В), киловольтах (1 кВ = 1000 В), милливольтах (1 мВ = 0,001 В), микровольтах (1 мкВ = 0,001мВ = 0,000001 В). На практике, чаще всего, приходится сталкиваться с вольтами и милливольтами.
Существует два основных вида напряжений – постоянное и переменное . Источником постоянного напряжения служат батареи, аккумуляторы. Источником переменного напряжения может служить, например, напряжение в электрической сети квартиры или дома.
Для измерения напряжения используют вольтметр . Вольтметры бывают стрелочные (аналоговые) и цифровые .
На сегодняшний день стрелочные вольтметры уступают пальму первенства цифровым, так как вторые более удобны в эксплуатации. Если при измерении стрелочным вольтметром показания напряжения приходится вычислять по шкале, то у цифрового результат измерения сразу высвечивается на индикаторе. Да и по габаритам стрелочный прибор проигрывает цифровому.
Но это не значит, что стрелочные приборы совсем не применяются. Есть некоторые процессы, которые цифровым прибором увидеть нельзя, поэтому стрелочные больше применяются на промышленных предприятиях, лабораториях, ремонтных мастерских и т.п.
На электрических принципиальных схемах вольтметр обозначается кружком с заглавной латинской буквой «V » внутри. Рядом с условным обозначением вольтметра указывается его буквенное обозначение «PU » и порядковый номер в схеме. Например. Если вольтметров в схеме будет два, то около первого пишут «PU 1 », а около второго «PU 2 ».
При измерении постоянного напряжения на схеме указывается полярность подключения вольтметра, если же измеряется переменное напряжение, то полярность подключения не указывается.
Напряжение измеряют между двумя точками схемы: в электронных схемах между плюсовым и минусовым полюсами, в электрических схемах между фазой и нулем . Вольтметр подключают параллельно источнику напряжения или параллельно участку цепи — резистору, лампе или другой нагрузке, на которой необходимо измерить напряжение:
Рассмотрим подключение вольтметра: на верхней схеме напряжение измеряется на лампе HL1 и одновременно на источнике питания GB1 . На нижней схеме напряжение измеряется на лампе HL1 и резисторе R1 .
Перед тем, как измерить напряжение, определяют его вид и приблизительную величину . Дело в том, что у вольтметров измерительная часть рассчитана только для одного вида напряжения, и от этого результаты измерений получаются разными. Вольтметр для измерения постоянного напряжения не видит переменное, а вольтметр для переменного напряжения наоборот, постоянное напряжение измерить сможет, но его показания будут не точными.
Знать приблизительную величину измеряемого напряжения также необходимо, так как вольтметры работают в строго определенном диапазоне напряжений, и если ошибиться с выбором диапазона или величиной, прибор можно повредить. Например. Диапазон измерения вольтметра составляет 0…100 Вольт, значит, напряжение можно измерять только в этих пределах, так как при измерении напряжения выше 100 Вольт прибор выйдет из строя.
Помимо приборов, измеряющих только один параметр (напряжение, ток, сопротивление, емкость, частота), существуют многофункциональные, в которых заложено измерение всех этих параметров в одном приборе. Такой прибор называется тестер (в основном это стрелочные измерительные приборы) или цифровой мультиметр .
На тестере останавливаться не будем, это тема другой статьи, а сразу перейдем к цифровому мультиметру. В основной своей массе мультиметры могут измерять два вида напряжения в пределах 0…1000 Вольт. Для удобства измерения оба напряжения разделены на два сектора, а в секторах на поддиапазоны: у постоянного напряжения поддиапазонов пять, у переменного — два.
У каждого поддиапазона есть свой максимальный предел измерения, который обозначен цифровым значением: 200m , 2V , 20V , 200V , 600V . Например. На пределе «200V» измеряется напряжение, находящееся в диапазоне 0…200 Вольт.
Теперь сам процесс измерения .
1. Измерение постоянного напряжения.
Вначале определяемся с видом измеряемого напряжения (постоянное или переменное) и переводим переключатель в нужный сектор. Для примера возьмем пальчиковую батарейку, постоянное напряжение которой составляет 1,5 Вольта. Выбираем сектор постоянного напряжения, а в нем предел измерения «2V», диапазон измерения которого составляет 0…2 Вольта.
Измерительные щупы должны быть вставлены в гнезда, как показано на нижнем рисунке:
красный
щуп принято называть плюсовым
, и вставляется он в гнездо, напротив которого изображены значки измеряемых параметров: «VΩmA»;
черный
щуп называют минусовым
или общим
и вставляется он в гнездо, напротив которого стоит значок «СОМ». Относительно этого щупа производятся все измерения.
Плюсовым щупом касаемся положительного полюса батарейки, а минусовым — отрицательного. Результат измерения 1,59 Вольта сразу виден на индикаторе мультиметра. Как видите, все очень просто.
Теперь еще нюанс. Если на батарейке щупы поменять местами, то перед единицей появится знак минуса, сигнализирующий, что перепутана полярность подключения мультиметра. Знак минуса бывает очень удобен в процессе наладке электронных схем, когда на плате нужно определить плюсовую или минусовую шины.
Ну а теперь рассмотрим вариант, когда величина напряжения неизвестна. В качестве источника напряжения оставим пальчиковую батарейку.
Допустим, мы не знаем напряжение батарейки, и чтобы не сжечь прибор измерение начинаем с самого максимального предела «600V», что соответствует диапазону измерения 0…600 Вольт. Щупами мультиметра касаемся полюсов батарейки и на индикаторе видим результат измерения, равный «001 ». Эти цифры говорят о том, что напряжения нет или его величина слишком мала, или выбран слишком большой диапазон измерения.
Опускаемся ниже. Переключатель переводим в положение «200V», что соответствует диапазону 0…200 Вольт, и щупами касаемся полюсов батарейки. На индикаторе появились показания равные «01,5 ». В принципе этих показаний уже достаточно, чтобы сказать, что напряжение пальчиковой батарейки составляет 1,5 Вольта.
Однако нолик, стоящий впереди, предлагает снизиться еще на предел ниже и точнее измерить напряжение. Снижаемся на предел «20V», что соответствует диапазону 0…20 Вольт, и снова производим измерение. На индикаторе высветились показания «1,58 ». Теперь можно с точностью сказать, что напряжение пальчиковой батарейки составляет 1,58 Вольта.
Вот таким образом, не зная величину напряжения, находят ее, постепенно снижаясь от высокого предела измерения к низкому.
Также бывают ситуации, когда при измерении в левом углу индикатора высвечивается единица «1 ». Единица сигнализирует о том, что измеряемое напряжение или ток выше выбранного предела измерения. Например. Если на пределе «2V» измерить напряжение равное 3 Вольта, то на индикаторе появится единица, так как диапазон измерения этого предела всего 0…2 Вольта.
Остался еще один предел «200m» с диапазоном измерения 0…200 mV. Этот предел предназначен для измерения совсем маленьких напряжений (милливольт), с которыми иногда приходится сталкиваться при наладке какой-нибудь радиолюбительской конструкции.
2. Измерение переменного напряжения.
Процесс измерения переменного напряжения ни чем не отличается от измерения постоянного. Отличие состоит лишь в том, что для переменного напряжения соблюдать полярность щупов не требуется.
Сектор переменного напряжения разбит на два поддиапазона 200V
и 600V
.
На пределе «200V» можно измерять, например, выходное напряжение вторичных обмоток понижающих трансформаторов, либо любое другое находящееся в диапазоне 0…200 Вольт. На пределе «600V» можно измерять напряжения 220 В, 380 В, 440 В или любое другое находящееся в диапазоне 0…600 Вольт.
В качестве примера измерим напряжение домашней сети 220 Вольт.
Переводим переключатель в положение «600V» и щупы мультиметра вставляем в розетку. На индикаторе сразу появился результат измерения 229 Вольт. Как видите, все очень просто.
И еще один момент.
Перед измерением высоких напряжений ВСЕГДА лишний раз убеждайтесь в исправности изоляции щупов и проводов вольтметра или мультиметра
, а также дополнительно проверяйте выбранный предел измерения
. И только после всех этих операций производите измерения
. Этим Вы убережете себя и прибор от неожиданных сюрпризов.
А если что осталось не понятно, то посмотрите видеоролик, где показано измерение напряжения и силы тока с помощью мультиметра.
Принцип работы электронного вольтметра переменного напряжения состоит в преобразовании переменного напряжения в постоянное, прямо пропорциональное соответствующему значению переменного напряжения, и измерении постоянного напряжения электромеханическим измерительным прибором либо цифровым вольтметром.
Измеряемое электронным вольтметром значение переменного напряжения определяется типом применяемого измерительного преобразователя переменного напряжения в постоянное. Рассмотрим устройство электронных вольтметров переменных напряжений, требования к отдельным элементам, особенности построения и их метрологические характеристики.
Вольтметры амплитудных значений
Отклонение указателя амплитудного вольтметра прямо пропорционально амплитудному (пиковому) значению переменного напряжения, независимоот формы кривой напряжения. Таким свойством не обладает ни одна из систем электромеханических измерительных приборов. В электронных вольтметрах амплитудного значения используются пиковые детекторы с открытым и закрытым входом.
Необходимая чувствительность (нижний предел измеряемых напряжений – единицы милливольт) достигается применением после детектора УПТ с большим коэффициентом усиления.
Нарис. 2 показана упрощенная структурная схема амплитудного вольтметра с закрытым входом, построенного по схеме уравновешивающего преобразования.
Измеряемое напряжение U x подается через входное устройство на вход пикового детектора с закрытым входом (VD1, С1, R1). На идентичный детектор (VD2, С2, R2) подается компенсирующее напряжение с частотой около 100 кГц, сформированное в цепи обратной связи. Постоянные напряжения, равные амплитудным значениям измеряемого сигнала и компенсирующего напряжения сравниваются на резисторах R1,R2. Следует отметить, что при малых напряжениях детекторы будут работать в квадратичном режиме, что приведет к погрешности вольтметра амплитудного значения.
Разностное напряжение подается на УПТ A1 с высоким коэффициентом усиления. Если напряжение на выходе УПТ имеет положительную полярность, что свидетельствует о превышении напряжения сигнала над компенсирующим или об отсутствии последнего, запускается ранее запертый генератор-модулятор, и компенсирующее напряжение поступает через делитель обратной связи на детектор VD2, R2, С2. Генератор-модулятор представляет собой генератор, собранный по емкостной трехточечной схеме, усилитель и эмиттерный повторитель.
Превышение компенсирующего напряжения над измеряемым приводит к запиранию генератора-модулятора. Выходное напряжение с амплитудой, пропорциональной амплитуде измеряемого напряжения и частотой 100 кГц, подается на детектор средневыпрямленного напряжения U1 и измеряется магнитоэлектрическим вольтметром PV1.
Важным требованием является идентичность передаточных характеристик детекторов сигнала и компенсирующего напряжения. Только при одинаковых характеристиках равенство выходных напряжений детекторов будет свидетельствовать о равенстве входных напряжений.
В установившемся режиме на резисторах R1 и R2 образуется некоторая разность напряжений и равна
(1)
где К и β – коэффициенты передачи цепи прямого преобразования и обратной связи.
В данной схеме в цепь прямого преобразования входят УПТ, генератор-модулятор, в цепь обратного – делитель в цепи обратной связи и детектор компенсирующего сигнала. Таким образом, для обеспечения высокой точности уравновешивания коэффициент усиления УПТ и генератора-модулятора должен быть достаточно высок.
Составляющими погрешности являются: погрешность образцовых средств при градуировке, случайная погрешность измерения постоянного напряжения магнитоэлектрическим прибором, погрешность, обусловленная нестабильностью коэффициента передачи цепи обратной связи и коэффициента передачи детектора средневыпрямленного значения, неидентичность характеристик детекторов, неуравновешенность схемы.
По подобной схеме работают выпускаемые промышленностью серийные амплитудные милливольтметры В3–6, В3–43. Основная погрешность на частотах до 30 МГц составляет 4...6%, на частотах до 1 ГГц – 25%. Шкалы амплитудных вольтметров градуируются в среднеквадратических значениях синусоидального напряжения. Недостатком является большая погрешность при измерении напряжений с большим уровнем гармонических составляющих.
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.
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.
Как подключить провода мультиметра
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.
Как измерить напряжение в розетке
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.
Как измерить напряжение аккумулятора или батареи
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.
