Измерение величины напряжения в цепях.

1. Прибор для измерения постоянного напряжения.

2. Прибор для измерения переменного напряжения промышленной частоты.

1. Прибор для измерения постоянного напряжения.

Методы

косвенные прямые

(U=IR)

Косвенная оценка величины напряжения используется в тех случаях, когда результат имеет справочное (оценочное) значение.

Прямые измерения подразумевают применение средства измерения, т.е. вольтметра. Вольтметр бывают: - электромеханической системы

- цифровые

- система вычисления

Электромеханические приборы:

Они основаны на использовании электромагнитного поля, создаваемого током в измерительной цепи. Отсюда непосредственно инструмент реагирует на величину тока (а это есть амперметр).

Прибор для измерения напряжения подключается параллельно нагрузке, поэтому R>>R.

С учётом схемы включения приходиться идти на компромисс, когда подбираются такие параметры измерительной цепи, которые обеспечат небольшое влияние на режим работы основной цепи и само средство измерения (амперметр) имеет литература ой точности исследуют магнитно-электрическую головку с выпррямлением приемлемую чувствительность. Поскольку измеряем постоянный ток амперметры магнитоэлектрической системы, что позволяет сконструировать универсальный прибор для измерения постоянного тока – амперметр и вольтметр.

Типовые вольтметры постоянного тока имеют небольшой предел измерения. Причина: с увеличением измеряемого напряжения увеличивается ток, текущий по измерительной цепи, следовательно, и влияние прибора на рабочую цепь. Для увеличения диапазона измерения напряжения чаще всего применяют делители. В любом случае цепочка делителей высчитывается дополнительно помимо приведенной погрешности, поэтому рекомендуется применять приборы с большим входным сопротивлением. Делители на резисторах в корпус вольтметров не помещаются, но добавочное сопротивление обязательно. При этом возможны два включения добавочных сопротивлений: последовательное включение резисторов (рис. 9) и параллельное включение (рис. 10):

Последовательное включение резисторов более эффективно по использованию элементов, но погрешность при этом увеличивается, она может суммироваться по всем включенным последовательно резисторам. Чтобы обеспечить требуемый класс точности необходимо выбирать точные резисторы.

Параллельная схема допускает использование менее точных резисторов, однако всякий раз работает только одна цепь. При использовании в вольтметрах измеряемых механизмов магнитно-электрической системы предельное значение тока в этих приборах небольшое. Расширение пределов измерения электромеханических приборов по постоянному току – использование резистивных делителей, внешних по отношению к вольтметру.

Рис. Параллельное включение добавочных сопротивлений

Величина напряжения, измеряемого элементами измерительно-механическими (ИМ) обычно ограничена: 300 В, реже 600 В.

Рис. Включение делителя в цепь измерения

Для увеличения диапазона измерения напряжения чаще всего применяют делители. В любом случае цепочка делителей высчитывается дополнительно помимо приведенной погрешности, поэтому рекомендуется применять приборы с большим входным сопротивлением, а этим требованиям отвечают e вольтметры, величина которых достигает нескольких десятков МОм. Для справки: сопротивление электродинамического вольтметра = 1 кОм.

Электронные вольтметры постоянного напряжения имеют следующую структуру:

Рис. Структура электронного вольтметра постоянного напряжения

Блок делителей

Входное напряжение поступает в блок делителей где в зависимости от диапазона в высокоомных делителях формируется часть от измеряемой величины. Далее усилитель постоянного тока (УПТ) на ОУ, выходной сигнал которого и регистрируется измерительным механизмом. Большое значение придается стабильности коэффициента передачи УПТ. Делители высокоомные, с тем они должны быть точными. Промышленность же особо точные высокоомные резисторы не выпускает, поэтому делители собирают из цепочки резисторов, подбирая при настройке. Суммарная погрешность такой схемы может превышать погрешность ИМ.

Небольшие величины постоянного напряжения измеряют с помощью компенсаторов. Компенсатор - источник ЭДС, величину которой можно изменить с большой точностью (например набором переключателей). Значение напряжения фиксируется на компенсаторе при совпадении стрелки с нулевым значением.

Рис. Измерение напряжения с помощью компенсатора

Компенсаторы - не самые простые элементы, поэтому их применяют в точных лабораторных измерениях. При измерении высоких напряжений с помощью компенсаторов на входе их ставят делители. Для измерения величины постоянного напряжения чаще применяют ИМ известных систем. Недостаток - погрешность вследствие отвлечения тока в цепи ИМ.

Цифровые вольтметры

Более точной считаются вольтметры с цифровым отсчетом, когда вместо измерительного механизма используется АЦП и индикаторы. В лабораторных работах для точных измерений применяют компенсаторы - более точные устройства, но громоздкие для постоянного использования. Часто встречающиеся сигналы постоянного тока, изменяются по величине. Прибор отметит мелькание младших разрядов. Стрелочный прибор - стрелка будет вибрировать, но занимать среднее положение.

Изначально принцип получения информации основан на том же подходе: отнять часть тока из измеряемой цепи. Отличие: величина такого тока может быть небольшой, входная цепь цифрового вольтметра на несколько порядков больше, чем добавочное сопротивление вольтметра. Входная цепь любого вольтметра с АЦП имеет делители часто подекадно, что позволяет переключать напряжения 10,100, 1000В. Делители на резисторах целесообразно использовать на низких частотах, т.к. сказывается емкость элементов. Делители могут быть как выносными, так и встроенными. Делитель позволяет уменьшить входной сигнал для прибора, а добавочный резистор - уменьшает ток через прибор.

Аттенюатор – делитель.

Входные цепи цифрового вольтметра могут работать как в режиме усиления для малых напряжений, так и для деления, это связано с тем, что диапазон входных значений для АЦП на каждом пределе изменений должен быть одинаков. Измерение с помощью ИВС (измерительно-вычислительных систем) предусматривают дополнительно аналогово-цифровой преобразователь, который может быть внешним выносным, либо встраиваемым в ЭВМ. Для измерения высоких напряжений (свыше 1 кВ) используют выносные делители: 1:10; 1:100.

Измерительные величины постоянного тока в промышленности значительного распространения не нашло (кроме схемы техники). Используют для проведения опытов, регламентов, контроля работы электрических схем.

2. Измерение переменного напряжения промышленнойчастоты:

Принцип получения информации в вольтметрах постоянного тока перенесен и на вольтметры переменного тока. Отличие: электромеханические измерительные приборы для переменного тока – электромагнитная система, электродинамическая и ферродинамическая системы могут работать с большими токами. Поэтому добавочное сопротивление менее критично. Вместе с тем обе указанных системы имеют меньшую чувствительность, чем магнитоэлектрическая система. Это находит отражение в классе точности вольтметров переменного тока (0,5; 1,0; 1,5). Поскольку оба измерительных механизма имеют катушку индуктивности L и вольтметры переменного тока, построенные на их основе частотозависимы, поэтому на лицевой панели шкалы указывается диапазон частот, в пределах которого измерения имеют объявленную погрешность. Если же сигнал сложной формы, электромеханические вольтметры не гарантируют достоверности результатов. ИМ электромагнитной и электродинамической систем используют с добавочными сопротивлениями, подключенными последовательно к катушкам. Ток полного отклонения в таких приборах может достигать 200 mA уже при напряжении порядка 30 В, поэтому наибольший предел измерения в вольтметре с добавочными сопротивлениями 600 В. Повысить его можно с помощью первичных преобразователей: измерительными трансформаторами.

Рис. Измерительный трансформатор в цепи измерения

Напряжение его, подключенное к нагрузке, снижает точность измерения, поскольку собственные потери не учитываются. Делители на резисторах целесообразно использовать на низких частотах, т.к. сказывается емкость элементов. Делители могут быть как выносными, так и встроенными. Делитель позволяет уменьшить входной сигнал для прибора, а добавочный резистор - уменьшает ток через прибор. Приборы электромеханические сохраняют свои позиции, при которых текущее значение стационарно, используются на щитах, пультах, индикаторах. Вместе с тем, цифровые вольтметры более удобны в пользовании, обеспечивают высокую точность, поэтому в последнее время они внедряются повсеместно по критериям точности. Основное отличие структуры цифрового вольтметра переменного напряжения от рассматриваемого в входном преобразователе.

Рис. Структура цифрового вольтметра С

Электромеханические вольтметры на сегодня применяют на 300 – 600В. Как правило, щитовые. Цифровые вольтметры обеспечивают более высокую точность результатов, менее частотозависимы и более удобны в практике. Вольтметры переменного тока измеряют действующее значение переменного напряжения. Действующее значение напряжения – величина постоянного напряжения, при котором с наличием одинаковых нагрузок выделается одинаковая мощность. Действующая величина напряжения переменного тока – некая энергетическая характеристика, которая принята из удобства работы.

Помимо измерения действующего значения разработаны приборы для получения амплитуды постоянной составляющей напряжения. Максимальная или амплитудная величины напряжения измеряются вольтметрами амплитудных значений. Абсолютное большинство электромеханических вольтметров переменного тока проградуировано в еденицах действительного напряжения. Поэтому для получения амплитудных значений нужно использовать дополнительную цепь – детекторную головку (выпрямитель, рис. 12).

Рис. Включение в цепь пикового детектора

Схема на рис. называется пиковым детектором. Схема выпрямляет входной сигнал и величина выходного напряжения у выхода U_MAX. В технике получить большую составляющую разряда конденсатора = 2,2RC сложно, поэтому чаще такую схему называют квазипиковой детектор. Эти схемы применяют для измерения максимальных значений переменного напряжения.

Скорость разряда зависит от параметров цепи и чем больше постоянная разряда τ, тем медленнее разряжается конденсатор. Изменяя величину емкости конденсатора, можно измерять действующее значение и амплитудное значение. Выпрямительные элементы позволяют подобрать параметры так, чтобы конденсатор разряжался очень медленно и мы измеряли пиковое значение напряжения. Пиковый (квазипиковый) вольтметр позволяет измерять максимум значений за интервал времени. Пиковый вольтметр используют для получения амплитудных значений пикового сигнала.

Приборы используют для анализа сигналов в схемах защитной автоматики и анализа переходных процессов. Как правило, выпрямительные схемы используют в цифровых приборах, но имеются универсальные приборы, измеряющие постоянный ток и напряжения и переменный ток и напряжение. В них просто выпрямление и шкала с действующими значениями.

Вторая особенность в измерении напряжения в получении средних значений. Как правило, эта величина интересна, когда сигнал однополярный, но не постоянный по величине. Для его получения необходим также преобразователь на основе выпрямителя. Но его постоянная соизмерима с временем измерения, которое может изменяться.

U(t)

Рис. Двуполярный, но не постоянный по величине сигнал напряжения

Эта энергия используется при исследовании цепей для характеристики сигналов: гармоники, шумы.

Время измерения усредняет величину U₀, поэтому основная трудность - это подбор времени измерения.

Амплитудные

пиковые

квазипиковые

максимальные

Конструктивно сам детектор часто выполняют в выносном делителе. Среднее значение напряжения на интервале также измеряют электронным вольтметром, у которого постоянная интегрирования подбирается близкой к периоду следования сигнала. Наибольшей точностью при измерении U обеспечивают цифровые вольтметры, поэтому стремятся применить их во всех возможных ситуациях.