Содержание
Введение
1. Электромеханическиеприборы для измерения тока и напряжения
1.1 Общаяхарактеристика электромеханических амперметров и вольтметров
1.2 Магнитоэлектрическиеприборы
1.3 Электромагнитныеприборы
1.4 Электродинамическиеприборы
1.5 Электростатическиеприборы
1.6 Термоэлектрическиеприборы
1.7 Выпрямительныеприборы
2. Электронныевольтметры
2.1 Определениеи классификация
2.2 Аналоговыеэлектронные вольтметры
2.3 Цифровыеэлектронные вольтметры
Заключение
Библиографический список литературы
Приложение
Введение
Актуальность темы курсовой работы. В практической жизничеловек всюду имеет дело с измерениями. Измерения являются одним из важнейшихпутей познания природы человеком. Они дают количественную характеристикуокружающего мира, раскрывая человеку действующие в природе закономерности. Всеотрасли техники не могли бы существовать без развернутой системы измерений,определяющих как все технологические процессы, контроль и управление ими, так исвойства и качество выпускаемой продукций.
Особенно возросла роль измерений в век широкого внедренияновой техники, развития электроники, автоматизации, атомной энергетики, космическихполетов.
Метрология, стандартизация, сертификация являются главнымиинструментами обеспечения качества продукции, работ и услуг — важного аспектакоммерческой деятельности.
Метрология — это наука об измерениях, способах обеспеченияих единства и путях приобретения нужной точности[1].
Стандартизация — это деятельность по установлению правил ихарактеристик в целях их добровольного многократного использования, направленнаяна достижение упорядоченности в сферах производства и обращения продукции иповышение конкурентоспособности продукции, работ или услуг[2].
Сертификация — форма осуществляемого органом по сертификацииподтверждения соответствия объектов требованиям технических регламентов,положениям стандартов, сводов правил или условиям договоров[3].
Измерения и мероприятия по обеспечению их единства иточности объединяются единым понятием “метрологическое обеспечение”, котороетрадиционно определяют как деятельность по установлению и применению научных иорганизационных основ, технических средств, правил и норм для достиженияединства и требуемой точности различных способов определения значенийфизических величин.
Единство измерений как одно из слагаемых метрологическогообеспечения — это такое состояние измерений, при котором результаты выражены вузаконенных единицах и погрешности измерений известны с заданной вероятностью.Единство измерений необходимо для того, чтобы можно было сопоставить результатыизмерений, выполненных в разных местах, в разное время, с использованием разныхметодов и средств измерений.
Среди всех видов измерительной техники главная рольпринадлежит технике электрических измерений в силу ее универсальности,автоматизации и компьютеризации, передачи измерительной информации на любыерасстояния. Электрическими измерениями охватываются измерения всехэлектрических величин, магнитных величин и практически любых неэлектрическихвеличин.
Электроизмерительные приборы для измерения тока и напряженияподразделяются на: электромеханические (магнитоэлектрической системы,электродинамические, электромагнитные с подвижным магнитом, индукционнойсистемы, электромагнитные) и электронные (см. Приложение).
Основной целью курсовой работы является изучениеметрологического обеспечения измерений напряжения и тока.
В соответствии с поставленной целью в работе поставленыследующие задачи:
1. Рассмотреть основные методы измерений напряжения и тока.
2. Раскрыть особенности измерений напряжения и токаразличными приборами.
3. Изучить устройство приборов измерения напряжения и токаразличных систем.
1. Электромеханическиеприборы для измерения тока и напряжения/>
1.1 Общая характеристика электромеханических амперметров и вольтметров
Электромеханические измерительные приборы относятся кприборам прямого преобразования, в которых электрическая измеряемая величинанепосредственно преобразуется в показание отсчетного устройства. Таким образом,любой электромеханический прибор состоит из следующих главных частей:неподвижной, соединенной с корпусом прибора, и подвижной, механически илиоптически связанной с отсчетным устройством[4].
Отсчетное устройство предназначено для наблюдения значенийизмеряемой величины. Оно состоит из шкалы и указателя, располагаемых на лицевойстороне прибора.
Шкалой называется совокупность отметок (штрихов), расположенныхв определенной последовательности, и проставленных у некоторых из них чиселотсчета, соответствующих ряду последовательных значений измеряемой величины.Шкалы могут быть равномерными и неравномерными (квадратичными, логарифмическимии др.).
Расстояние между двумя соседними штрихами называется делениемшкалы. Разность значений измеряемой величины, соответствующая двум соседнимотметкам, называется ценой деления. Цена деления Ц равномерной шкалы равна конечномузначению измеряемой величины на шкале Ак, деленному на число деленийп: Ц = Aк / п. Ценуделения обычно выбирают кратной погрешности прибора. Таким образом, по ценеделения можно получить представление об абсолютной погрешности прибора.
Шкала называется односторонней, если нулевая отметкапомещена у ее начала, и двусторонней — при нуле посередине. Шкалу наносят нациферблат прибора; на нем же помещают название прибора и условные обозначения.
Указатели делятся на стрелочные и оптические. Оптическиеуказатели состоят из источника света, зеркальца, расположенного на подвижной части,и системы зеркал, удлиняющих путь луча света и направляющих его наполупрозрачную шкалу. Оптические указатели обеспечивают большую чувствительностьприбора и меньшую погрешность отсчета по сравнению со стрелочными. Подвижнаячасть прибора снабжается осью или полуосями, которые оканчиваютсязапрессованными в них стальными кернами. Последние опираются на корундовые илирубиновые подпятники (рис. 1.1а). Трение керна о подпятник снижаетчувствительность и точность прибора, поэтому подвижную часть устанавливают нарастяжках (рис. 1.1б), а в чувствительных гальванометрах — на подвесе (рис. 1.1в).
Растяжки и подвесы представляют собой тонкие упругие нитиили ленты из платиново-серебряного сплава. Измеряемый ток поступает в подвижнуючасть прибора через эти нити или ленты; в приборе на подвесе вторым проводникомявляется безмоментная лента. В особо чувствительных гальванометрах безмоментнаялента делается из золота толщиной 200—300 нм.
/>
Рис. 1.1. Способы установки подвижной части прибора: а — наоси; б — на растяжках; в — на подвесе
1 — корпус; 2 — регулировочный винт; 3 — подпятник; 4 —керн; 5 — ось; 6 — растяжка; 7 — пружина; 8 — крепящий контактный винт; 9 — рамка;10 — подвес; 11- зеркало; 12 — безмоментная лента.
Электромеханический измерительный прибор содержит следующиеузлы: узел, создающий вращающий момент; узел, создающий противодействующиймомент; успокоитель.
Наиболее распространены воздушные, жидкостные имагнитоиндукционные успокоители (рис. 1.2.), с помощью которых время успокоениясокращается до 3—4с.
/>
Рис.1.2. Успокоители:
а — воздушный; б — магнитоиндукционный
Электромеханические приборы по точности делятся на восемьклассов: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0. По принципу преобразованияэлектромагнитной энергии в механическую, они разделяются на несколько групп(систем). Основными системами являются: магнитоэлектрическая, электромагнитная,электродинамическая (ферродинамическая) и электростатическая./>
1.2 Магнитоэлектрические приборы
Узел для создания вращающего момента состоит из сильногопостоянного магнита и легкой подвижной катушки, по которой протекает измеряемыйток (рис. 1.3.а). Катушка в форме прямоугольной рамки помещена в кольцевомзазоре между полюсными наконечниками магнита и цилиндрическим сердечником, т.е. в радиальном магнитном поле.
Рис.1.3./>Магнитоэлектрическийприбор
1 — корректор; 2 — противодействующие пружины; 3 — подвижнаякатушка; 4 — полюсные наконечники; 5 — стрелка; 6 — сердечник
Принцип работы магнитоэлектрических приборов заключается вовзаимодействии поля постоянного магнита с проводником (катушкой), по которомупротекает измеряемый ток. При этом возникает пара сил F (рис.1.4б), создающая вращающий момент.
Ток, проходящий через витки этой рамки, имеет направление,перпендикулярное направлению магнитных линий поля. Электрический ток подаетсячерез два пружинных элемента (ленточные растяжки, спиральные пружины), которыеодновременно создают механический противодействующий момент[5].
Конструктивные исполнения:
1) с подвижной катушкой и неподвижным магнитом;
2) с подвижным магнитом и неподвижной катушкой.
Достоинства магнитоэлектрических приборов: высокаячувствительность (до 3 * 10-11 А); высокие классы точности (докласса 0,05); малое потребление мощности от измеряемой цепи (10-5—10-6Вт); влияющая величина — только температура окружающей среды; большой вращающий момент при малых токах.
/>
Рис. 1.4 а б.Конструкции магнитоэлектрических приборов
а) с внешним магнитом; б) свнутренним магнитом
Недостатки: сравнительная сложность изготовления и ремонта;недопустимость даже кратковременных перегрузок (обычно деформируются илиперегорают токоподводящие пружинки, нити растяжек и подвесов); непригодностьдля измерения переменного тока; высокая стоимость.
Магнитоэлектрические приборы применяются в качествеамперметров, вольтметров и гальванометров для измерений в цепях постоянноготока, а в сочетании с преобразователями переменного тока в постоянный — и дляизмерений в цепях переменного тока.
Амперметры. Обмотка подвижной катушки состоит из витковтонкого провода, поэтому магнитоэлектрический прибор можно применять непосредственнотолько в качестве микро- или миллиамперметра и милливольтметра.
Магнитоэлектрические измерители при непосредственномвключении в электрические цепи могут быть применены лишь в качестве микроамперметровпостоянного тока. Для измерения больших постоянных токов параллельно зажимамприбора присоединяется электрический шунт, представляющий собой прямоугольнуюманганиновую пластину. Для измерения токов выше 50А применяют наружные шунты.Переносные приборы снабжаются внутренними многопредельными шунтами илинаружными магазинами шунтов на несколько номинальных токов. Выбор шунта дляданного прибора зависит от заданного расширения пределов измерения ивнутреннего сопротивления прибора (сопротивления его катушки). Погрешностьшунтированного амперметра возрастает вследствие неточности изготовления шунтов(от 0,005 до 0,5%) и разных температурных коэффициентов сопротивления катушки ишунта.
Вольтметры. При параллельном подключениимагнитоэлектрического прибора к участку электрической цепи можно измеритьнапряжение, причём магнитоэлектрические измерители могут использоваться лишь вкачестве милливольтметров постоянного тока.
Гальванометры. Особо чувствительные магнитоэлектрическиеприборы для измерения токов, напряжений и количества электричества называютсягальванометрами. Класс точности гальванометрам не присваивается. Гальванометрычасто используют в качестве нулевых индикаторов, показывающих отсутствие тока вцепи. Для этого выпускаются гальванометры с двусторонней шкалой, т.е. с нулевойотметкой посередине.
Гальванометры разделяются на переносные и стационарные.Подвижная катушка у переносных гальванометров крепится на растяжках; внутреннееотсчетное устройство снабжено оптическим указателем. Стационарные (зеркальные)гальванометры выполняют с подвесом рамки (катушки) и внешней шкалой, на которуюпадает луч света, отраженный от зеркальца (см. рис. 1.1в).
1.3 Электромагнитные приборы
Электромагнитные измерительные приборы с подвижным магнитомтакже основаны на магнитоэлектрическом принципе. Они могут быть использованыдля измерений на постоянном токе, а с дополнительными преобразователями — и напеременном токе.
Узел для создания вращающего момента (рис. 1.5, а) состоитиз плоской или круглой катушки, по которой протекает измеряемый ток, исердечника, закрепленного на оси указателя.
/>
Рис. 1.5. Электромагнитный прибор
1, 4 — плоская и круглая неподвижные катушки; 2- ферромагнитныйподвижный сердечник; 3 — ось
Принцип действия приборов электромагнитной системызаключается во взаимодействии магнитного поля катушки с подвижнымферромагнитным сердечником.
В приборах с плоской катушкой внутри катушки возбуждениянаходится эксцентрично закрепленная подвижная ферромагнитная пластина, осьповорота которой расположена перпендикулярно оси катушки возбуждения. Припротекании электрического тока пластинка под воздействием электромагнитногополя перемещается в катушке, то есть поворачивается вокруг своей оси.
В приборе с круглой катушкой внутри катушки возбуждениянаходятся неподвижная и подвижная ферромагнитные пластинки, причем ось поворотапоследней параллельна оси катушки. При протекании электрического тока пластинкинамагничиваются в одинаковом направлении и, следовательно, отталкиваются другот друга. При этом подвижная пластинка поворачивается в направлении меньшейширины неподвижной пластинки.
Достоинства электромагнитных приборов — простота конструкциии надежность, применимость на постоянном и переменном (в том числе несинусоидальном)токе; надежность; большая перегрузочная способность, возможность непосредственногоизмерения больших токов и напряжений.
Недостатки: малая чувствительность; значительное потреблениемощности от измеряемой цепи (до 1 Вт); нелинейность шкалы: в начале сжата, вконце растянута; значительная погрешность; много влияющих величин: температураокружающей среды, внешнее магнитное поле, частота измеряемого переменного тока,узкий частотный диапазон.
Электромагнитные приборы благодаря простоте, дешевизне инадежности широко применяются для измерения токов и напряжений в сильноточныхцепях постоянного и переменного тока промышленной частоты (50 и 400 Гц).Большинство электромагнитных амперметров и вольтметров выпускаются в видещитовых приборов различных размеров класса 1,5 и 2,5. Имеются приборы класса1,5 и 1,0 для работы на дискретных частотах 50, 200, 800, 1000 и 1500 Гц.
Амперметры. Катушку амперметра изготовляют из медногопровода, рассчитанного на номинальное значение тока, например 5 А. Число витковопределяют из условия полного отклонения указателя амперметра при номинальномтоке.
Щитовые амперметры непосредственного включения выпускают сошкалами от 100 мА до 500 А. Для расширения пределов измерения переменного токаприменяют измерительные трансформаторы тока. Они различаются классами точности(от 0,05 до 1,0), значением нормированного номинального сопротивления нагрузкив цепи вторичной обмотки (от 0,2 до 2,0 Ом). Основная рабочая частота 50 Гц, ноесть трансформаторы на 400 и 1000 Гц.
Первичная обмотка трансформатора тока содержит малое числовитков и включается последовательно в разрыв цепи.
Вольтметры. Катушку вольтметра изготовляют из большого числавитков тонкого медного провода, достаточного для полного отклонения указателяпри данном значении тока.
Щитовые вольтметры непосредственного включения выпускают сошкалами от 7,5 до 250 В и добавочными сопротивлениями— на 450, 600 и 750 В;класс точности 1,5. Для измерения более высоких напряжений, вплоть до 15 кВ,применяют измерительные трансформаторы напряжения.
1.4 Электродинамические приборы
Электродинамические измерительные приборы основаны напринципе взаимодействия токов. Они могут применяться для измерений, как на переменном,так и на постоянном токе.
Электродинамический измерительный прибор с замкнутоймагнитной цепью работает как прибор магнитоэлектрической системы, но с тойразницей, что вместо постоянного магнита используется электромагнит.
В электродинамическом измерительном приборе безферромагнитного сердечника полностью отсутствуют ферромагнитные элементы. Привозбуждении магнитного ноля принцип действия прибора такой же, как у прибора с:замкнутой магнитной цепью.
Принцип действия основан на взаимодействии магнитных полейподвижной и неподвижной катушек с токами (рис. 1.6).
/>
Рис.1.6. Электродинамический прибор
1 – неподвижная катушка, 2 – подвижная катушка
Достоинства: возможность перемножать измеряемые величины, т.е,измерять мощность; малая погрешность, так как в механизме нет железа;применимость в цепях постоянного и переменного (в том числе несинусоидального)тока; высокая точность; фазочувствительность.
Недостатки: малая чувствительность; низкая перегрузочнаяспособность; большое потребление энергии; сложность конструкции; нелинейностьшкалы; влияние температуры, частоты и внешнего магнитного поля.
Для уменьшения влияния магнитных полей электродинамическиеприборы часто изготовляют астатическими.
Промышленность выпускает много щитовых и переносных амперметров,вольтметров и ваттметров электродинамической системы для применения в цепяхпостоянного и переменного тока с частотой 50, 400, 1000, 2000 и 3000 Гц. Классточности щитовых приборов 1,5; переносных — 0,2; 0,5 и 1,0.
Амперметры. Для измерения силы тока обе катушки соединяютпараллельно или последовательно (рис. 1.7, а).
/>
Рис. 1.7. Соединение катушек электродинамического приборадля работы его в качестве: а — амперметра; б — вольтметра; в — ваттметра
Щитовые амперметры непосредственного включения выпускают спределами измерения от 1 до 200 А. Расширение пределов (до 6 кА) осуществляетсяпри помощи измерительных трансформаторов тока. Переносные амперметры имеютшкалы от 5 мА до 10 А.
Вольтметры. Для измерения напряжения обе катушки соединяют последовательно(рис. 1.7, б).
Щитовые вольтметры непосредственного включения выпускаютсясо шкалами до 450 В, переносные — от 7,5 до 600 В. Для расширения пределов измерениявплоть до 30 кВ применяют измерительные трансформаторы напряжения.
Ферродинамические приборы являются разновидностью электродинамическихс тем отличием, что неподвижные катушки заключены в сердечнике изферромагнитного материала. Такая конструкция обеспечивает значительноеувеличение вращающего момента и хорошую защиту от внешних магнитных полей.Однако наличие сердечника приводит к увеличению погрешности прибора.
1.5 Электростатические приборы
Электростатические измерительные приборы могут бытьиспользованы для измерений, как на постоянном, так и на переменном токе.Измерительный прибор состоит из конденсатора, электроды которого закрепленытак, что имеется возможность, прикладывая электрическое напряжение, получатьмеханическое усилие, действующее в направлении увеличения емкости. Изменениеемкости может осуществляться путем изменения либо эффективной площадиэлектродов, либо расстояния между электродами.
Принцип действия основан на взаимодействии электрическизаряженных подвижных и неподвижных проводников (пластин).
Конструктивно они выполняются в виде неподвижной и подвижнойпластин, к которым прикладывается измеряемое напряжение (рис. 1.8).
/>
Рис. 1.8. Устройство электростатических приборов: а — сизменяющейся рабочей площадью пластин; б — с изменяющимся расстоянием междупластинами; в — высоковольтного
1 и 2 — (неподвижная и подвижная пластины; 3 — высоковольтныйэлектрод; 4 — заземленный электрод; 5 — металлическая труба; 6 — изолятор
Электростатические приборы являются вольтметрами и киловольтмет-рами,пригодными для измерения постоянного и переменного напряжения. Шкала,градуированная на постоянном напряжении, справедлива для действующего значенияпеременного напряжения любой формы.
Достоинства: большие пределы измерений (до 1 MB); при измерении постоянного напряжения мощность отизмеряемой цепи не потребляется и входное сопротивление стремится к бесконечности;широкий диапазон частот измеряемых напряжений (до 30 МГц).
Недостатки: малая чувствительность; изменение емкости впроцессе измерения; малая надежность; нелинейность шкалы; влияние температурыокружающей среды и внешнего электрического поля.
Для уменьшения влияния внешнего электрического поляприменяется экранирование. Электростатический экран представляет собой в простейшемвиде слой электропроводящей краски на внутренних стенках корпуса прибора. Экранлучшего качества делают из латунной фольги.
Электростатические приборы выполняют в виде щитовых ипереносных вольтметров и киловольтметров для применения в цепях постоянного и переменноготока с частотой от 20 Гц до 30 МГц. Ограничение рабочей частоты обусловленособственной резонансной частотой входной цепи, определяемой входной емкостьюприбора и индуктивностью вводов и подводящих проводов.
Входная емкость для разных приборов составляет от 4 до 30 пФи резонансная частота — от 50 до 180 МГц. Щитовые приборы выполняют со шкаламиот 30 В до 3 кВ класса 1,0 и 1,5 на частоты до 1 МГц. Переносные — со шкаламиот 30 В до 3 кВ класса 0,5; 1,0 и 1,5 на частоты до 30 МГц. Выпускаютсявысоковольтные вольтметры на 2) —75, 100 и 300 кВ класса 1,0 и 1,5 на частотыот 50 кГц до 5 МГц.
На рис. 1.8, показана конструкция одного из киловольтметров.
1.6 Термоэлектрические приборы
При настройке и контроле режима антенных и другихколебательных систем радиотехнических устройств возникает необходимость визмерении токов высоких частот. Электромагнитные и электродинамические приборынепригодны для этой цели из-за больших значений индуктивностей катушек ивходных емкостей. Ограниченно используются и выпрямительные приборы, обладающиезначительной входной емкостью. Наибольшее применение для измерения токов вшироком диапазоне высоких и низких частот получили термоэлектрические приборы.
Термоэлектрический прибор – магнитоэлектрический механизм стермопреобразователем. Приборы с термопреобразованием предназначены для работыв цепях переменного тока в диапазоне низких и высоких частот. Термоэлектрическийприбор состоит из термоэлектрического преобразователя и магнитоэлектрическогомилли- или микроамперметра (рис. 1.9).
/>/>
а) б) в)
Рис.1.9. Термоэлектрический прибор
а) контактный термопреобразователь; б) бесконтактныйтермопреобразователь; в) – вакуумный термопреобразователь
В контактном преобразователе имеется гальваническая связьмежду нагревателем и термопарой, т.е. между входной и выходной цепями, что невсегда допустимо. В бесконтактном преобразователе нагреватель отделен от термопарыстеклянной или керамической бусинкой, так что между ними существует только незначительнаяемкостная связь. Чувствительность бесконтактного преобразователя ниже, чемконтактного. В вакуумном термопреобразователе нагреватель и термопара помещеныв стеклянный баллончик с давлением воздуха 10-3—10-4 Па.
Нагреватель представляет собой тонкую проволочку изманганина или нихрома. Термопара состоит из разнородных металлов или сплавов,устойчивых при высоких температурах. Распространены пары хромель—копель,рабочая температура 600—800 °С, термоЭДС при 100 °С — 6,95 мВ. В образцовыхтермопреобразователях применяется пара платина — платинородий, работающая притемпературе 17-50 °С; термоЭДС при 100 °С — 0,64 мВ.
Максимальное значение измеряемого тока определяется сечениемнагревателя и составляет от единиц миллиампер до десятков ампер. При необходимостиизмерения токов больших значений применяют трансформаторы тока. Максимальнаячастота измеряемого тока также зависит от сечения нагревателя и его длины и приминимальных размерах достигает сотен мегагерц.
Достоинства: независимость показаний от формы кривойизмеряемого тока, широкий частотный диапазон.
Недостатки: — малая чувствительность, неравномерность шкалы,тепловая инерция, недопустимость перегрузки. Влияющими величинами являются температураокружающей среды и частота измеряемого тока.
Для уменьшения дополнительной температурной погрешности последовательнос магнитоэлектрическим миллиамперметром включают резистор из манганиновойпроволоки. Дополнительная частотная погрешность зависит от размеровнагревателя, его поверхностного эффекта и паразитной емкости прибора. В приборахс контактным преобразователем эта емкость достигает 10— 15 пФ, с бесконтактным— 1 пФ.
Термоэлектрические приборы получили распространениепреимущественно в качестве амперметров и миллиамперметров. Термоэлектрическиевольтметры применяются редко вследствие малого входного сопротивления и низкойчувствительности.
1.7 Выпрямительные приборы
Для измерения тока и напряжения в цепях повышенной частотышироко применяются выпрямительные приборы, состоящие из выпрямительногопреобразователя и магнитоэлектрического микро- или миллиамперметра (рис. 1-10а).В качестве выпрямительных элементов используются полупроводниковые (германиевыеили кремниевые) диоды, выпрямляющее действие которых определяется коэффициентомвыпрямления. Действие приборов основано на преобразовании с помощью диодовизмеряемого переменного тока или напряжения в пропорциональный последнему постоянныйток, регистрируемый чувствительным магнитоэлектрическим измерителем, отсчет, пошкале которого производится в значениях измеряемой величины.
Выпрямительные приборы работают по схемам одно- илидвухполупериодного выпрямления. измеряемыйток любой формы вызывает отклонение подвижной части выпрямительного прибора,пропорциональное средневыпрямленному значению. Шкалу выпрямительных прибороввсегда градуируют в среднеквадратических значениях тока синусоидальной формы.
/>
Рис.1.10 Выпрямительный прибор
Главными источниками погрешностей выпрямительных приборовявляются: погрешность градуировки миллиамперметра; емкость диодов; изменениетемпературы окружающей среды; выход частоты за пределы рабочего диапазона; отклонениеформы кривой измеряемого тока от синусоидальной.
Для измерения больших токов применяют приборы со схемой, представленнойна рис. 1.11а. Здесь резисторы R являются шунтами длякаждого полупериода тока. Вмногопредельных амперметрах набор таких шунтов помешают внутри корпус прибора ипереключают наружным ручным переключателем. Выпрямительный вольтметр состоит извыпрямительного миллиамперметра и добавочного резистора Rд(рис. 1.11б). Добавочныерезисторы располагают внутри корпуса многопредельного вольтметра и переключаютих при изменении предела измерения.
/>Рис.1.11.Схемы выпрямительных приборов
Внутреннее сопротивление выпрямительного вольтметра накаждом пределе разное, поэтому его выражают в виде числа Ом, приходящегося на 1В, например 6000 Ом/В, 10 000 Ом/В и т.д.
Выпрямительные приборы обычно имеют класс точности не выше2,5. Это объясняется тем, что различные экземпляры полупроводниковых диодовнедостаточно однородны по своим характеристикам и параметрам, которые к тому жесо временем несколько изменяются. Поэтому расчет выпрямительного прибора можетбыть произведен лишь приближенно, в процессе его наладки возникаетнеобходимость в подборе диодов и подгонке электрических номиналов других элементовсхемы.
Градуировочная характеристика прибора должна систематическипроверяться и корректироваться, особенно при замене выпрямительных элементов.Вследствие зависимости прямого и обратного сопротивлений диодов от температурыприборы имеют заметную температурную погрешность, достигающую 3—4% на каждые 10К отклонения температуры от 20° С. Способами температурной компенсации итеплоизоляции удается получить диапазон рабочих температур от .—30 до +(40—50)°С.
Достоинства: высокая чувствительность; малое потреблениеэнергии.
Недостатки: низкая точность; малая перегрузочнаяспособность; влияние формы тока.
Выпрямительные приборы получили широкое распространение вкачестве комбинированных измерителей постоянного и переменного тока и напряжения.Снабженные источником постоянного напряжения (малогабаритный аккумулятор илихимический элемент), они могут также использоваться для измерения электрическогосопротивления.
Логарифмические вольтметры представляют собой однопредельныеприборы, позволяющие оперативно измерять или контролировать уровни напряженийили токов, изменяющиеся в процессе наблюдения в очень широких пределах (вдесятки и сотни раз). Они находят применение при электроакустическихизмерениях, измерении напряженности поля, снятии характеристик фильтров и вряде других случаев. Эти приборы должны обладать переменной чувствительностью, высокойпри слабых входных сигналах и постепенно понижающейся с возрастанием уровнясигнала. Их шкалы при производстве отсчета в единицах измеряемого напряженияимели бы логарифмический характер, однако при выполнении отсчета вотносительных единицах — децибелах они получаются почти равномерными.
Требуемый вид градуировочной характеристики прибора обычнодостигается посредством логарифмического преобразования тока в цепи измерителя,например в результате шунтирования последнего специально подобраннымполупроводниковым диодом, включенным в пропускном направлении.
Логарифмические вольтметры аналогично квадратичнымвольтметрам часто выполняются на диодных цепочках. Исследуемый сигнал после еговыпрямления подводится к измерительному блоку через делитель напряжения, одноиз плеч которого является нелинейным. Это плечо обычно состоит из ряда параллельновключенных ветвей, содержащих по резистору и точечному диоду; к последнемуподводится опорное напряжение определенного значения, которое изменяется снекоторым шагом от одной ветви к другой.
По мере роста измеряемого напряжения увеличивается числооткрытых диодов, что ведет к уменьшению коэффициента деления напряжения. Такиевольтметры имеют динамический диапазон измерений до 50 дБ и используются приснятии частотных и других характеристик радиоцепей.
2. Электронные вольтметры
2.1 Определение и классификация
Электронным вольтметром называется прибор, показаниякоторого вызываются током электронных приборов, т.е. энергией источника питаниявольтметра. Измеряемое напряжение управляет током электронных приборов,благодаря чему входное сопротивление электронных вольтметров достигает весьмабольших значений и они допускают значительные перегрузки.
Электронные вольтметры делятся на аналоговые и дискретные. Ваналоговых вольтметрах измеряемое напряжение преобразуется в пропорциональноезначение постоянного тока, измеряемое магнитоэлектрическим микроамперметром,шкала которого градуируется в единицах напряжения (вольты, милливольты,микровольты). В дискретных вольтметрах измеряемое напряжение подвергается рядупреобразований, в результате которых аналоговая измеряемая величинапреобразуется в дискретный сигнал, значение которого отображается наиндикаторном устройстве в виде светящихся цифр.
Аналоговые и дискретные вольтметры часто называют стрелочнымии цифровыми соответственно.
По роду тока электронные вольтметры делятся на вольтметрыпостоянного напряжения, переменного напряжения, универсальные и импульсные.Кроме того, имеются вольтметры с частотно-избирательными свойствами — селективные.
При разработке электронных вольтметров учитываются следующиеосновные технические требования: высокая чувствительность; широкие пределыизмеряемого напряжения; широкий диапазон рабочих частот; большое входноесопротивление и малая входная емкость; малая погрешность; известная зависимостьпоказаний от формы кривой измеряемого напряжения. Перечисленные требованиянельзя удовлетворить в одном приборе, поэтому выпускаются вольтметры с разнымиструктурными схемами.
2.2 Аналоговые электронные вольтметры
Аналоговые электронные вольтметры применяют для измеренияпостоянных напряжений, переменных и импульсных напряжений. Электронные универсальныевольтметры могут измерять и постоянные, и переменные напряжения.
Электронные вольтметры постоянного тока имеют усилительпостоянного тока (УПТ), к выходу которого подключается стрелочный измеритель.
Вольтметры переменного напряжения.
Их основными особенностями являются: высокаячувствительность и широкие пределы измерений, которые при использованииусилителей и делителей напряжения охватывают область напряжений от единиц микровольтдо тысяч вольт; малая входная емкость (единицы пикофарад) и высокое входноеактивное сопротивление (до десятков мегом); обширный диапазон рабочих частот(от десятков герц до сотен мегагерц); способность выдерживать большиеперегрузки.
К недостаткам электронных вольтметров относятся:необходимость питания от стабильных источников постоянного или переменногонапряжения; необходимость в электрической установке стрелки измерителя на нульили калибровке вольтметра перед началом измерений; сравнительно большая погрешностьизмерений (до 3—5%).
Электронный вольтметр переменного напряжения состоит изпреобразователя переменного напряжения в постоянное, усилителя и магнитоэлектрическогоиндикатора. Часто на входе вольтметра устанавливается калиброванный делительнапряжения, с помощью которого увеличивается верхний предел измеряемого напряжения.
В зависимости от вида преобразования показание вольтметраможет быть пропорционально амплитудному (пиковому), средневыпрямленному илисреднеквадратическому значению измеряемого напряжения. Однако следует иметь ввиду, что шкалу любого электронного вольтметра градуируют в среднеквадратических(действующих) значениях напряжения синусоидальной формы. Исключение составляютимпульсные вольтметры, шкалу которых градуируют в амплитудных значениях.
Вольтметр амплитудного (пикового) значения (рис. 2.1) состоитиз амплитудного преобразователя АПр, усилителя постоянного тока УПТ и магнитоэлектрическогоиндикатора, градуированного в вольтах. На входе вольтметра иногдапредусматривается делитель напряжения ДН. Амплитудный преобразователь выполняютпо схеме с открытым или закрытым входом.
/>
Рис.2.1. Структурная схема аналогового электронноговольтметра с амплитудным преобразователем
Усилитель постоянного тока с магнитоэлектрическиминдикатором является электронным вольтметром постоянного напряжения, поэтому амплитудныевольтметры часто делают универсальными (рис. 2.2). При положении «^» переключателяП измеряется переменное напряжение, при «—» —постоянное. Шкала для постоянногонапряжения градуируется отдельно.
/>
Рис.2.2. Структурная схема универсального вольтметра
Амплитудные (пиковые) вольтметры характеризуются невысокойчувствительностью (порог чувствительности «0,1 В) и широкой полосой частот (до1 ГГц).
Вольтметр средневыпрямленного значения (рис. 2.3.) состоитиз входного делителя напряжения ДН, широкополосного транзисторного усилителяШУ, выпрямительного преобразователя Пр и магнитоэлектрического индикатора.
/>
Рис 2.3. Структурная схема вольтметра высокойчувствительности
Входное сопротивление делителя напряжения высокое, и еслиусилитель имеет низкое входное сопротивление, то между ними ставится узелсогласования — преобразователь сопротивлений (с высоким входным и низкимвыходным сопротивлениями). Выходное напряжение усилителя поступает навыпрямительный преобразователь и через микроамперметр протекает постояннаясоставляющая выпрямленного тока, пропорциональная средневыпрямленному значениюизмеряемого напряжения.
Шкалу индикатора градуируют в среднеквадратических значенияхсинусоидального напряжения.
Вольтметры, построенные по такой структурной схеме,характеризуются высокой чувствительностью (микро- и милливольты) и сравнительноузкой полосой частот измеряемых напряжений (1; 5; 10 МГц). Обе эти характеристикиопределяются усилителем переменного напряжения.
Вольтметр среднеквадратического (действующего) значения строитсяпо структурной схеме рис. 2.3. Применяются преобразователи с квадратичнойхарактеристикой, обеспечивающей измерение среднеквадратического значениянапряжения любой формы. К таким преобразователям относятся, в первую очередь,термоэлектрические и оптронные.
Основная погрешность преобразования обусловленанеидентичностью параметров термопреобразователей, увеличивающейся с ихстарением, и составляет 2,5—6%.
Вольтметры постоянного напряжения.
Рассмотренный выше (рис. 2.2) универсальный вольтметрпозволяет измерять постоянное напряжение от десятых долей вольта и выше. Дляизмерения меньших значений (от 0,5 мкВ) применяют высокочувствительныеэлектронные вольтметры с преобразованием постоянного напряжения в переменное,которое после значительного усиления вновь преобразуется в постоянное иизмеряется магнитоэлектрическим микроамперметром.
Упрощенная структурная схема электронного микровольтметраприведена на рис. 2.4.
/>
Рис.2.4. Упрощенная структурная схема микровольтметрапостоянного тока
Измеряемое напряжение через фильтр Ф1 подавляющийпомехи промышленной частоты, поступает на модулятор М, в котором постоянное напряжениепреобразуется в переменное с частотой 42 Гц, задаваемой генератором ГНЧ. В качествемодулятора используют вибропреобразователь или схему на полевых транзисторах,обеспечивающую высокое входное сопротивление. Переменное напряжение усиливаетсяусилителем У1, работающим на нувисторе, и У2 (на транзисторах).
Общее усиление достигает 333 333. Усиленное напряжениедемодулируется синхронным детектором ДМ, управляемым тем же генератором ГНЧ.Демодулированное постоянное напряжение после интегрирования фильтром Ф2и усиления усилителем постоянного тока У3 измеряется магнитоэлектрическиминдикатором, градуированным в микро- или милливольтах.
Вольтметр охвачен глубокой отрицательной обратной связью, вцепи (ЦОС) которой предусмотрен переключатель пределов измерения от долей микровольтадо 1 В. Входное сопротивление вольтметров с преобразованием достигает сотенмегаом; относительная погрешность измерения 1—6%.
2.3 Цифровые электронные вольтметры
В цифровых вольтметрах результат измерения представляетсяцифрами, что исключает ряд субъективных погрешностей. Сигналы, вырабатываемыецифровыми вольтметрами в процессе измерения напряжения, удобны для ихиспользования в цифровых вычислительных и регистрирующих машинах, АСУ и т.д. Точностьцифровых вольтметров обычно существенно выше точности аналоговых вольтметров.
Наибольшее распространение получили цифровые вольтметрыпостоянного тока. Для измерения переменных напряжений такие вольтметры комплектуютсясъемными детекторами. Разработаны также цифровые вольтметры прямого (бездетекторов) измерения переменного напряжения.
В основу работы цифровых вольтметров положен принциппреобразования аналоговой (непрерывной) величины в дискретную. По способутакого преобразования различают цифровые вольтметры с времяимпульсным преобразованием,вольтметры с поразрядным уравновешиванием и др.
/>Принципработы вольтметров дискретного действия состоит в преобразовании измеряемогопостоянного или медленно меняющегося напряжения в электрический код, которыйотображается на табло в цифровой форме. В соответствии с этим обобщеннаяструктурная схема цифрового вольтметра (рис. 2.5) состоит из входногоустройства ВхУ, аналого-цифрового преобразователя АЦП и цифрового индикатора ЦИ.
Рис. 2.5. Обобщенная структурная схема цифрового вольтметра
Входное устройство предназначено для изменения масштабаизмеряемого напряжения, фильтрации помех и, при измерении переменного напряжения,— для его преобразования в постоянное. В соответствии с назначением во входномустройстве имеется аттенюатор (делитель напряжения), усилитель, фильтр нижнихчастот и переключатель полярности. В вольтметрах переменного напряженияпредусматривается преобразователь, обычно средневыпрямленного значения. В болеесовершенных моделях здесь же осуществляется автоматический выбор полярности ипределов измерений.
Схемные решения цифровых вольтметров определяются видоманалого-цифрового преобразователя. Получили распространение вольтметры с время-импульсными частотным преобразованием, с двойным" интегрированием, поразряднымуравновешиванием.
Цифровые вольтметры с время-импульсным преобразованием. Принципработы заключается в преобразовании измеряемого напряжения Uxв пропорциональный интервал времени AT, измеряемыйчислом N заполняющих его импульсов со стабильной частотой следования.
Вольтметр (рис. 2.6) работает циклами, длительность которых Тустанавливается с помощью управляющего устройства УУ и обычно равна или кратнапериоду питающей сети. Для единичного измерения Ux предусмотренручной запуск. В начале цикла импульс управляющего устройства запускает генераторлинейно-падающего образцового напряжения ГЛН и сбрасывает показания предыдущегоцикла, заполнявшие электронный счетчик ЭСч.
/>
Рис.2.6. Цифровой вольтметр с время-импульснымпреобразованием
Входное напряжение Ux иобразцовое напряжение Uo6p поступают навходы сравнивающего устройства СУ1, и в момент их равенства tx на выходе последнего возникает импульс,открывающий временной селектор ВС; через него на электронный счетчик начинаютпроходить импульсы от генератора счетных импульсов ГСчИ, с частотой fсч, или периодом Тсч.
В момент времени t2, когдаобразцовое напряжение достигнет нуля, второе сравнивающее устройство СУ2вырабатывает импульс, закрывающий временной селектор; прохождение счетныхимпульсов прекращается, и на табло цифрового индикатора ЦИ появляютсяпоказания, пропорциональные числу счетных импульсов, прошедших через ВС заинтервал времени AT = t2 —t1.
Помехоустойчивость вольтметров с время-импульснымпреобразованием низкая, так как любая помеха вызывает изменение моментасрабатывания сравнивающего устройства. Главным достоинством этих вольтметровявляется их сравнительная простота.
Цифровой вольтметр с частотным преобразованием. Принцип действиязаключается в преобразовании измеряемого напряжения в пропорциональную емучастоту следования импульсов, измеряемую цифровым частотомером (рис.2.7.).
/>
Рис.2.7. Цифровой вольтметр с частотным преобразованием.
Цифровой вольтметр с двойным интегрированием (рис.2.8.).
Принцип его работы подобен принципу время-импульсногопреобразования, с тем отличием, что здесь образуются два временных интервала втечение цикла измерения, длительность которого устанавливается кратной периодупомехи. Таким образом, определяется среднее значение измеряемого напряжения, апомеха подавляется. Эти вольтметры являются более точными и помехоустойчивымипо сравнению с рассмотренными выше, однако время измерения у них больше.
/>Рис.2.8 Цифровойвольтметр с двойным интегрированием
Цифровой вольтметр с поразрядным уравновешиванием. Этивольтметры являются наиболее быстродействующими и достаточно точными. Принципих работы заключается в сравнении измеряемого напряжения с суммой дискретныхзначений образцовых напряжений, вырабатываемых цифроаналоговым преобразователем,с определенными весами, например 1-2-4-8 или 1-2-4-4.
В цифровом вольтметре с развертывающим уравновешиванием (рис.2.9) значения образцовых напряжений изменяются в течение цикла измерения пожесткой программе и текущая их сумма сравнивается с измеряемым напряжением дополучения равенства или достижения максимального значения. Затем прибор возвращаетсяв начальное состояние и начинается следующий цикл.
/>
Рис.2.9. Цифровой вольтметр с развертывающимуравновешиванием
Вольтметр следящего уравновешивания работает не циклами, анепрерывно реагируя на изменение измеряемого напряжения: сумма образцовых напряженийпринимает большее или меньшее значение в зависимости от значения измеряемогонапряжения. Преимущество вольтметров следящего уравновешивания заключается вуменьшении статической и динамической погрешности и в повышении быстродействия.
Импульсные вольтметры.
При измерении напряжения импульсной формы требуетсяопределить высоту импульсов. Для этой цели применяют электронные вольтметры самплитудным преобразователем с открытым входом (ри.2.7).
Если применить пиковый вольтметр с закрытым входом, топотеря постоянной составляющей импульсного напряжения вызывает погрешность ипри малой скважности. Поэтому в технических характеристиках импульсныхвольт-метров, выполненных с амплитудным преобразованием, указаны предельныезначения длительностей импульсов и их скважностей, при которых показаниявольтметра содержат нормированные погрешности.
Для точных измерений импульсных напряжений преимущественноприменяются вольтметры компенсационные. С помощью вольтметров компенсационного типа можно такжеизмерять амплитудное значение синусоидального напряжения и напряжениепостоянного тока. Погрешность определяется чувствительностью указателякомпенсации — гальванометра и точностью установки и измерения образцовогонапряжения. Для этой цели часто применяют цифровые вольтметры.
Для измерения очень коротких импульсов используются болеесовершенные вольтметры с автокомпенсацией. Принцип автокомпенсации заключаетсяв преобразовании измеряемого напряжения в компенсирующее с последующим точнымизмерением его значения.
Селективные вольтметры.
Эти вольтметры предназначаются для измерения напряженияотдельных составляющих спектра сложного сигнала, значения сигнала в присутствиипомех, наводки в электрических цепях, для определения ослабления электромагнитныхполей соответствующими экранами, для исследования спектральной плотностишумовых сигналов. В качестве селективных цепей используются встроенныеузкополосные фильтры.
Низкочастотный селективный микровольтметр (рис. 2.10) представляетсобой калиброванный приемник прямого усиления с тремя широкополоснымиусилителями У1 У2, У3 и одним селективным —СУ. В последнем сигналы, отстоящие на октаву от его центральной частотынастройки, ослабляются на 30 дБ. В широкополосном режиме переключатель П2замкнут. Выходное напряжение измеряется вольтметром среднеквадратическогозначения. Широкополосные усилители пропускают полосу частот 20 кГц — 200 кГц, аселективный настраивается в полосе 20 Гц — 100 кГц.
/>
Рис.2.10. Селективный микровольтметр
Пределы измерения 1 мкВ — 1 В и 30 мкВ — 10 В — вселективном и широкополосном режимах соответственно. Входной аттенюатор Ат1обеспечивает Rвх = 1 МОм и Свх =70 пФ.
Погрешность измерения на пределе до 10 мкВ — 10-15%, наостальных — ±6%. С помощью переключателя П1 и генератора Гкпредусмотрена калибровка прибора. Через эмиттерный повторитель ЭП с RBыX = 100 Ом можно получить на нагрузке 10 кОм напряжениеизмеряемого сигнала 1 В.
Высокочастотный селективный микровольтметр (рис. 2.11) представляетсобой супергетеродинный приемник с двойным преобразованием частоты измеряемогосигнала. Пройдя входной каскад (пробник) ВК, первый аттенюатор Ат1 иэмиттерный повторитель ЭП, сигнал разветвляется на два канала: первый с полосойпропускания 1 — 30 МГц и второй — 15 кГц — 1 МГц. В обоих каналах, послеусиления в У1 и У2 и ослабления напряжений с частотамивыше 30 МГц в фильтре Ф1 и выше 1 МГц в фильтре Ф2происходит преобразование частоты сигнала. В первом канале — с помощьюгетеродина с плавной настройкой Гет1 гетеродина с одной частотой Гет2и смесителей Смг и См2, сначала в первую промежуточнуючастоту 40 МГц, а затем во вторую— 1,6 МГц.
/>
Рис.2.11. Высокочастотный селективный микровольтметр
Во втором канале — с помощью Гет1 и См3происходит одно преобразование сигнала в промежуточную частоту 1,6 МГц.
Для осуществления таких преобразований гетеродин Гет1обеспечивает для первого канала настройку в диапазоне частот 41 МГц — 70 МГц, адля второго — в диапазоне 1,615 — 2,6 МГц. Второй гетеродин Гет2 вырабатываетнапряжение с частотой 38,4 МГц. Для работы в селективном режиме напряжение сосмесителей См2 и См3 поступает на кварцевый фильтр,полоса пропускания которого меньше 1 кГц.
В широкополосном режиме переключателем П кварцевый фильтрисключается из тракта и ширина полосы определяется усилителями УПЧ2 иУПЧ3. С выхода УПЧ3 сигнал поступает на преобразовательвольтметра среднеквадратического значения Пр и одновременно с индикацией его значенияс выхода низкой частоты можно получить сигнал для прослушиваниядемодулироваиного сигнала. С оконечного усилителя ОУ снимается напряжение дляавтоматической подстройки частоты гетеродина Гет1.
Погрешность установки частоты ± (0,02 + 3 кГц). Погрешностьизмерения 10—15 %. Предусмотрена калибровка микровольтметра с помощью генератораГк (1 МГц, 10 мВ).
Заключение
Цель курсового исследования достигнута путём реализациипоставленных задач. В результате проведённого исследования по теме «Метрологическоеобеспечение и стандартизация измерений напряжения и тока» можно сделатьряд выводов.
Большое разнообразие явлений, с которыми приходится сталкиваться,определяет широкий круг величин, подлежащих измерению. Во всех случаяхпроведения измерений, независимо от измеряемой величины, метода и средства измерений,есть общее, что составляет основу измерений — это сравнение опытным путемданной величины с другой подобной ей, принятой за единицу. При всяком измерениимы с помощью эксперимента оцениваем физическую величину в виде некоторого числапринятых для нее единиц, т.е. находим ее значение.
Напряжения и токи измеряют в диапазоне от единиц микровольтдо сотен киловольт и от долей наноампер до сотен килоампер при частотах от нулядо гигагерц.
Различные методы и средства измерений позволяют получатьрезультаты измерений с погрешностями, составляющими тысячные доли процента, атоков — сотые доли процента. С наивысшей точностью измеряются постоянные напряженияи токи. Напряжения и токи измеряют как приборами непосредственной оценки(электромеханической и электронной групп), так и приборами, реализующими методысравнения. Широко применяются косвенные методы измерения.
Приборы, предназначенные для прямого измерения напряжений,называют вольтметрами, милливольтметрами,киловольтметрами. Их подключают параллельно участку цепи,напряжение на котором нужно измерить.
Приборы, предназначенные для прямого измерения токов,называют амперметрами (миллиамперметрами, микроамперметрами). Их подключают вразрыв цепи.
Библиографический список литературы
1. Федеральный закон «О техническом регулировании» от 27.12.2002 N184-ФЗ (ред. от 18.07.2009).
2. ГОСТ 16263-70 «Метрология. Термины и определения».
3. Богданов Г.П., Кузнецов В.А., Лотонов М.А. Метрологическоеобеспечение и эксплуатация вычислительной техники. – М.: Радио и связь, 1990.
4. Васильев Л.А. Основы метрологии и электроизмерительная техника.Конспект телевизионных лекций: Учебное пособие. Донецк: ДонНТУ. – 2004.
5. Кузнецов В.А., Ялунин Г.В. Основы метрологии. Учебное пособие. –М.: Издательство стандартов, 1995.
6. Кушнир Ф.В. Электрорадиоизмерения: Учебное пособие для вузов. —Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1983.
7. Малинский В.Д. Основы сертификации. Учебное пособие – МГИЭМ.- М.:2001.
8. Меерсон А.М. Радиоизмерительная техника.- Л.: Энергия, 1978.
9. Метрологическое обеспечение и эксплуатация измерительной техники/Под ред. В.А.Кузнецова. – М.: Радио и связь, 1990.
10. Метрология, стандартизация и измерения в технике связи. Учеб.пособие для вузов /Под ред. Б.П.Хромого. – М.: Радио и связь, 1986.
11. Справочная книга радиолюбителя – конструктора./Под ред. ЧистяковаН.И.- М.: Радио и связь,1990.
Приложение
Электроизмерительные приборы
/>