РАЗДЕЛ 3. АНАЛГОВЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ

РАЗДЕЛ 4. ЭЛЕКТРОННЫЕ АНАЛГОВЫЕ ВОЛЬТМЕТРЫ

Тема 4.1. Э лектронные вольтметры постоянного и переменного напряжения.

Напряжение в радиоэлектронной технике практически всегда измеряется электронными вольтметрами. В электронных вольтметрах, снабженных усилительными устройствами, потребление мощности из измерительной цепи ничтожно мало. К достоинствам электронных вольтметров относятся: широкие пределы измерения и частотный диапазон, высокая чувствительность, хорошая перегрузочная способность, малое собственное потребление энергии.

Классифицировать электронные вольтметры можно по нескольким признакам:

- по назначению: вольтметры постоянного, импульсного, переменного напряжений; фазочувствительные, селективные, универсальные;

- по способу измерения: приборы непосредственной оценки и приборы сравнения;

- по характеру измеряемого значения напряжения: амплитудные (пиковые), среднеквадратичного значения, средневыпрямленного значения;

- по частотному диапазону: низкочастотные, высокочастотные, сверхвысокочастотные.

В электронных вольтметрах постоянного тока конструктивно объединены электронный преобразователь и измерительный механизм. Электронный преобразователь может быть ламповым или полупроводниковым. Измерительный механизм обычно магнитоэлектрический. Электронные аналоговые вольтметры позволяют производить измерения в широком диапазоне напряжений и частот.

Рис. 4.1 Структурная схема электронного вольтметра постоянного тока

Измеряемое напряжение U, подается на входное устройство, представляющее собой многопредельный высокоомный делитель на резисторах. С делителя напряжение поступает на усилитель постоянного тока и далее — на измерительный механизм. Делитель и усилитель постоянного тока ослабляют или усиливают напряжение до значений, необходимых для нормальной работы измерительного механизма. Одновременно усилитель обеспечивает согласование высокого сопротивления входной цепи прибора с низким сопротивлением катушки измерительного механизма. Входное сопротивление электронного вольтметра составляет обычно несколько десятков мегаом. Это позволяет производить измерения в высокоомных цепях без заметного потребления мощности от объекта измерения. Диапазон, измеряемых напряжений постоянного тока — от десятков милливольт до нескольких киловольт.

Электронные вольтметры переменного тока выполняются по двум структурным схемам, представленным на рис. 4.2.

Рис. 4.2 Структурные схемы электронного вольтметра переменного тока

В схеме а измеряемое переменное напряжение сначала преобразуется в постоянное при помощи детектора, а затем усиливается усилителем постоянного тока и воздействует на измерительный механизм. В схеме б усиление производится на переменном токе (для этого служит усилитель переменного тока) и лишь затем предварительно усиленный сигнал выпрямляется детектором и отклоняет стрелку измерительного механизма. Эти схемы дополняют друг друга. Каждая из них обладает своими преимуществами и недостатками. По схеме а могут строиться вольтметры, обладающие широким частотным диапазоном (10 Гц — 1000 МГц), но обычно не способные измерять напряжения меньше нескольких десятых долей вольта: детектор выпрямляет только достаточно большие напряжения.

Схема б позволяет строить чувствительные вольтметры, нижний предел измерения которых составляет всего лишь единицы микровольт. Однако эти приборы имеют меньший частотный диапазон, поскольку частотный диапазон усилителя переменного тока трудно сделать достаточно большим.

РАЗДЕЛ 3. АНАЛГОВЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ

Тема 3.1. Измерение тока и напряжения. Амперметры и вольтметры магнитоэлектрической системы.

Основной единицей измерения силы тока является ампер (А). Ампер — большая единица измерения силы тока, поэтому при электронных измерениях чаще используются дольные единицы:

- миллиампер (1 мА = 10^-3А);

- микроампер (1 мкА = 10^-6А).

В каталоговой классификации отечественные электронные амперметры обозначаются следующим образом: А1 — образцовые, А2 — постоянного тока, A3 — переменного синусоидального тока, А4 — переменного импульсного тока, А5 — фазочувствительные, А6 — селективные, А7 — универсальные.

В электронике требуется измерять силу тока от единиц микроампер до единиц ампер, в диапазоне частот от нуля до десятков мегагерц. Для измерения силы тока в таких широких диапазонах применяются амперметры, различающиеся по принципу работы.

Устройство приборов магнитоэлектрической системы. Электроизмерительные приборы магнитоэлектрической системы предназначены для измерения силы тока и напряжения в цепях постоянного тока.

Работа приборов магнитоэлектрической системы основана на взаимодействии магнитного поля постоянного магнита с измеряемым током. Схема устройства такого прибора показана на рис.3.1.

Рис.3.1 Устройство магнитоэлектрического механизма с неподвижным магнитом

 

Магнитное поле создается сильным постоянным магнитом (1) подковообразной формы, к ножкам которого прикреплены полюсные наконечники (2), обращенные друг к другу вогнутыми цилиндрическими поверхностями. Между ними неподвижно укреплен железный сердечник из мягкого ферромагнетика (3) в виде цилиндра. В небольшом зазоре между цилиндром и наконечниками может свободно поворачиваться на оси (7) катушка (4). Катушка состоит из алюминиевого каркаса прямоугольной формы с намотанной на нем тонкой проволокой. На той же оси укреплена стрелка (5), конец которой перемещается по шкале.

Существенной особенностью магнитного поля этой системы является то, что вектор магнитной индукции В всюду в кольцевом зазоре между магнитом и сердечником перпендикулярен поверхности сердечника и одинаков по величине. (Рис.3.2)

Рис.3.2 Примерный вид линий магнитного поля в зазоре между полюсными наконечниками магнита и сердечником.

 

Благодаря этому, момент сил, действующих на рамку со стороны магнитного поля при пропускании через нее измеряемого тока, не зависит от положения рамки в зазоре и равен:

М₁ = I× S× N× B (3.1)

, где I - сила тока в рамке, S - площадь витка, N - число витков, B - магнитная индукция.

При повороте рамки под действием магнитного поля на нее действует в обратную сторону момент сил упругости М₂ со стороны двух спиральных пружин (6). Момент упругих сил прямо пропорционален углу поворота рамки a:

М₂ = γ a (3.2)

При некотором значении угла a моменты М₁ и М₂ сравняются. Это и будет положение равновесия рамки с током. При этом между значением угла a и силой тока I существует соотношение:

a = I S N B / γ (3.3)

, из которого следует, что угол отклонения рамки a прямо пропорционален силе тока I, а следовательно, шкала измерительного прибора магнитоэлектрической системы является линейной.

Чтобы устранить влияние силы тяжести на стрелку при повороте, к стрелке прикрепляют противовесы, так что общий центр тяжести находится на оси, вокруг которой поворачивается стрелка. Кроме того, в конструкциях приборов данной системы предусмотрено устройство, обеспечивающее плавный подход рамки к положению равновесия.

При протекании через прибор тока I напряжение на клеммах прибора будет, очевидно, равно:

U = I r (3.4)

, где r - внутреннее сопротивление прибора, так что прибор может использоваться в качестве вольтметра при соответствующей градуировке шкалы.

Достоинствами магнитоэлектрических приборов являются:

- высокая чувствительность и точность показаний;

- равномерность шкалы;

- нечувствительность к внешним магнитным полям;

- малое потребление энергии.

К недостаткам данной системы относятся возможность измерений только в цепях постоянного тока и чувствительность к перегрузкам (прибор легко перегорает).

 

Из-за высокой чувствительности пределы измерения приборов магнитоэлектрической системы, как правило, невелики. Для того чтобы их можно было использовать для измерения токов и напряжений, превышающих предельные значения данного прибора, применяют простой прием, при котором прибор фиксирует только часть измеряемой величины.

Если к амперметру, имеющему сопротивление r, подключить параллельно резистор (он называется шунт) с сопротивлением R_ш, и включить прибор в цепь с током I_о, то через амперметр пойдет ток I_A, составляющий только часть от общего тока:

I_A = I_оR_ш / (R_ш + r), (3.5)

Рис. 3.3 Подключение шунта к амперметру

 

Тогда амперметр может быть использован и в тех случаях, когда измеряемые токи превышают предельное значение для данного прибора.

Если мы хотим увеличить предел измерения амперметра до значения I₂, следует подобрать величину шунтирующего сопротивления так, чтобы часть тока, идущего через амперметр, не превышала его предельного значения I₁:

R_ш = r/(n - 1) (3.6)

, где n = I₂ / I₁. (3.7)

При этом наряду с изменившимся пределом измерения, прибор будет иметь измененные цену деления и чувствительность.

Пусть теперь необходимо измерить напряжение в цепи между точками А и В, причем заранее известно, что величина U_АВ больше предельного значения напряжения, измеряемого вольтметром. Если включить последовательно с вольтметром, имеющим сопротивление r, добавочное сопротивление R_доб, то падение напряжения на приборе U_v будет составлять только часть от общего напряжения:

U_v = U_АВ r / (r + R_доб). (3.8)

Рис.3.4 Подключение добавочного сопротивления к вольтметру

 

Тогда вольтметр может быть использован и в тех случаях, когда измеряемые напряжения превышают предельное значение для данного прибора. Для увеличения предела измерения вольтметра до значения U₂ необходимо подобрать добавочное сопротивление так, чтобы на вольтметр приходилась только часть напряжения U₂, равная U₁:

R_доб = (n - 1) r_v (3.9)

, где n = U₂ / U₁. (3.10)

После этого необходимо заново пересчитать цену деления.

 

1234567Следующая ⇒

Поделиться: