Аналоговый вольтметр

ФГБОУ ВПО  « Мордовский государственный университет

имени Н. П. Огарева»

 

Факультет светотехнический

 

Кафедра метрологии, стандартизации и сертификации

 

 

 

 

ЛАБОРАТОРНАЯ  РАБОТА № 7

По дисциплине:

«Автоматизация, измерения, испытания и контроль»

 

 

АНАЛОГОВЫЙ ВОЛЬТМЕТР

 

 

 

Автор отчета                                                                               А. Р. Аширова

Обозначение отчета                                              02069964 - 200503 – 07 – 12

Преподаватель                                                                                 В. В. Родин

 

 

 

 

 

 

 

Саранск

2012

Цель работы: изучение устройства, принципа работы и назначения вольтметров.

 

Теоретическая часть

 

Вольтметр, электрический прибор для измерения ЭДС или напряжений в электрических цепях. Он включается параллельно нагрузке или источнику электрической энергии.

Наиболее просты в  изготовлении, дешевы и надежны в эксплуатации электромагнитные вольтметры. Они применяются главным образом как стационарные на распределительных щитах электростанций и промышленных предприятий и редко в качестве лабораторных приборов. В электромагнитных измерительных механизмах для создания вращающего момента используется действие магнитного поля катушки с током на подвижный ферромагнитный лепесток. Устройство измерительного механизма электромагнитного вольтметра показано на рис. 1.

 

Рис. 1. Схема устройства электромагнитного вольтметра.

1 - катушка; 2 - сердечник; 3 - ось; 4 - стрелка; 5 - шкала; 6 - пружина.

 

 

 

 

 

 

 

Шкала электромагнитного вольтметра не равномерна и носит квадратичный характер. Для уменьшения неравномерности шкалы прибора необходимо, чтобы чувствительность была также неравномерна в зависимости от угла поворота. Это достигается выбором формы лепестка.

Достоинством электромагнитных вольтметров является возможность их работы в цепях переменного тока, большая перегрузочная способность, возможность непосредственного измерения больших токов и напряжений, простота конструкции.

Недостатками электромагнитных вольтметров являются неравномерная шкала, невысокая чувствительность и влияние на них внешних магнитных полей и температуры. Вольтметры имеют относительно большое собственное потребление энергии (3 - 7 Вт) и большую индуктивность обмотки, приводящую к существенной зависимости показаний от частоты измеряемого напряжения.

Наиболее чувствительны  и точны магнитоэлектрические вольтметры. Это измерительные приборы непосредственной оценки напряжения или количества электричества в цепях постоянного тока. Подвижная часть измерительного механизма магнитоэлектрического вольтметра перемещается вследствие взаимодействия магнитного поля постоянного магнита и проводника с током.

Наиболее распространены магнитоэлектрические вольтметры с подвижной рамкой, расположенной в поле постоянного магнита (рис. 2). При протекании по виткам рамки тока возникают силы, образующие вращающий момент. Ток к рамке подводится через пружинки или растяжки, создающие противодействующий вращающий механический момент. Под действием обоих моментов рамка перемещается на угол, пропорциональный силе тока в рамке.

Рис. 2. Схема устройства магнитоэлектрического прибора:

1 - постоянный магнит; 2 - магнитопровод; 3 - полюсные наконечники; 4 - подвижная рамка; 5 - сердечник; 6 - магнитный шунт для регулировки чувствительности прибора; 7 - растяжки; 8 - опоры; 9 - стрелка-указатель.

Непосредственно через  обмотку рамки можно пропускать только небольшие токи силой от нескольких мкА до десятков мА, чтобы не перегреть обмотки и растяжки. Для расширения пределов измерений по току и напряжению к рамке подключают шунтирующие и добавочные сопротивления, подключаемые извне или встроенные.

Существуют магнитоэлектрические вольтметры, у которых постоянный магнит помещен внутри подвижной катушки, а также приборы с подвижным магнитом, укрепленным на оси внутри неподвижной катушки. Магнитоэлектрические вольтметры с подвижным магнитом более просты, имеют меньшие габариты и массу, но меньшую точность и чувствительность, чем приборы с подвижной рамкой. Для отсчёта показаний используют стрелочный или световой указатель: луч света от осветителя направляется на зеркальце, укрепленное на подвижной части прибора, отражается от него и образует на шкале вольтметра световое пятно с темной чертой в центре.

Особенностями магнитоэлектрических вольтметров являются равномерная шкала, хорошее успокоение стрелки, высокие точность и чувствительность, малое потребление мощности. Вольтметры мало чувствительны к влияниям внешних магнитных полей и окружающей температуры, чувствительны к перегрузкам, механическим сотрясениям и ударам.

В комплекте с термоэлектрическими, полупроводниковыми преобразователями переменного тока в постоянный магнитоэлектрические вольтметры применяются для измерения напряжения в цепях переменного тока. Такие вольтметры называемые термоэлектрическими, выпрямительными и электронными, применяются главным образом в лабораторной практике.

Выпрямительные вольтметры используются для измерений в диапазоне звуковых частот, а термоэлектрические и электронные на высоких частотах. Недостаток этих приборов - существенное влияние на точность их показаний формы кривой измеряемого напряжения.

В начале 20 века широко применялись вольтметры тепловой и индукционной систем. В настоящее время промышленное производство их прекращено из-за их большого собственного потребления энергии и зависимости показаний от температуры окружающей среды.

Принцип действия вольтметров электростатической системы основан на взаимодействии двух электрически заряженных тел. Конструктивно такие приборы выполняются в виде неподвижной и подвижной пластин, к которым прикладывается измеряемое напряжение (рис. 3).

Измеряемое  напряжение подводится к подвижному электроду, укрепленному на оси, связанной со стрелкой, и к изолированному от него неподвижному электроду. В результате взаимодействия зарядов, возникающих на электродах, на оси появляется вращающий момент, пропорциональный квадрату приложенного напряжения. Действующая на ось пружина создаёт момент, противодействующий вращающему моменту и пропорциональный углу поворота оси подвижного электрода. При взаимодействии вращающего и противодействующего моментов стрелка измерительного механизма поворачивается на угол, пропорциональный квадрату поданного на электроды напряжения. Шкала, градуируемая в единицах измеряемых величин, получается неравномерной, выполняется часто со световым указателем.

 

Рис. 3. Схема устройства электростатического прибора:

1 - подвижный  электрод; 2 - неподвижный электрод; 3 - ось; 4 - пружина; 5 - стрелка; 6 - шкала.

 

Электростатические приборы являются вольтметрами и киловольтметрами, пригодными для измерения постоянного и переменного напряжения. Шкала, градуированная на постоянном напряжении, справедлива для действующего значения переменного напряжения любой формы.

Достоинства электростатических вольтметров: большие пределы измерений (до 1 MB); при измерении постоянного напряжения мощность от измеряемой цепи не потребляется, и входное сопротивление стремится к бесконечности; широкий диапазон частот измеряемых напряжений (до 30 МГц).

Линейность шкалы электростатического вольтметра достигается изменением формы одного из лепестков.

При увеличении частоты измеряемого напряжения возникает значительная погрешность, обусловленная возникающими паразитными емкостями и токами утечки.

Электростатические  приборы используются для измерения  напряжений переменного или постоянного тока, в том числе высокочастотных. Для них характерно малое потребление энергии и независимость показаний от частоты. Приборы подвержены влиянию внешних электростатических полей, которое ослабляется внутренним экранированием прибора. Выпускаются наивысшего класса точности 0,005.

В настоящее время  в лабораторных условиях и промышленности наиболее распространены электронные вольтметры. Они используются при измерениях в маломощных радиотехнических цепях, так как имеют большое входное сопротивление и работают в широком диапазоне частот (от 50 Гц до 100 МГц) с погрешностями, не превышающими 3% от верхнего предела измерения. Изготовляются электронные вольтметры для измерения амплитуды импульсов напряжения длительностью от десятых долей мкс при скважности до 2500.

Электронные вольтметры делятся на аналоговые и дискретные (цифровые). В аналоговых вольтметрах измеряемое напряжение преобразуется в пропорциональное значение постоянного тока, измеряемое магнитоэлектрическим микроамперметром, шкала которого градуируется в единицах напряжения. В дискретных вольтметрах измеряемое напряжение подвергается ряду преобразований, в результате которых аналоговая измеряемая величина преобразуется в дискретный сигнал, значение которого отображается на индикаторном устройстве в виде светящихся цифр.

По роду тока электронные  вольтметры делятся на вольтметры постоянного напряжения, переменного напряжения, Универсальные и импульсные. Кроме того, имеются вольтметры с частотно-избирательными свойствами - селективные.

При разработке электронных вольтметров учитываются  следующие основные технические  требования: высокая чувствительность; широкие пределы измеряемого напряжения; широкий диапазон рабочих частот; большое входное сопротивление и малая входная емкость; малая погрешность; известная зависимость показаний от формы кривой измеряемого напряжения. Перечисленные требования нельзя удовлетворить в одном приборе, поэтому выпускаются вольтметры с разными структурными схемами.

Аналоговый электронный вольтметр переменного напряжения состоит из преобразователя переменного напряжения в постоянное, усилителя и магнитоэлектрического индикатора. Часто на входе вольтметра устанавливается калиброванный делитель напряжения, с помощью которого увеличивается верхний предел измеряемого напряжения. В зависимости от вида преобразования показание вольтметра может быть пропорционально амплитудному (пиковому), средневыпрямленному или среднеквадратическому значению измеряемого напряжения.

Однако следует иметь  в виду, что шкалу любого электронного вольтметра градуируют в среднеквадратических (действующих) значениях напряжения синусоидальной формы. Исключение составляют импульсные вольтметры, шкалу которых градуируют в амплитудных значениях.

Аналоговый  вольтметр амплитудного (пикового) значения (рис. 4) состоит из амплитудного преобразователя, усилителя постоянного тока и магнитоэлектрического индикатора, градуированного в вольтах. Амплитудный преобразователь выполняют по схеме с открытым или закрытым входом.

Рис. 4. Структурная схема электронного амплитудного вольтметра:

ДН – калиброванный  делитель напряжения; АПР – амплитудный преобразователь; УПТ – усилитель постоянного тока; И – индикатор.

 

Амплитудный преобразователь с открытым входом представляет собой диод с параллельно соединенными резистором и конденсатором (рис. 5). Если к входу преобразователя приложено напряжение u = U_m sinwt от источника с внутренним сопротивлением R_I, то конденсатор через диод заряжается до некоторого значения U_C, которое приложено к электродам диода так, что он большую часть периода закрыт (рис. 6). В течение каждого периода диод открывается на время от t₁ до t₂ когда и > U_С. Конденсатор при этом подзаряжается. Постоянная времени заряда определяется

t_З = (R_I + R_Д) С,

где R_Д - сопротивление открытого диода.

Затем диод закрывается  и конденсатор разряжается через резистор R в течение интервала времени до следующего открытия диода с постоянной разряда t_Р = RC.

Постоянные  времени заряда и разряда должны отвечать следующим условиям:

                         t_З < 1 / f_В                    и                        t_Р > I / f_Н

где f_В и f_Н - границы частотного диапазона вольтметра.

Очевидно, что t_З << t_Р и R >> R_I +R_Д. В широкодиапазонных вольтметрах условие t_З < 1 / f_В на высоких частотах не выполняется, поэтому процесс установления длится несколько периодов измеряемого напряжения.

Рис. 5. Амплитудный преобразователь с открытым входом.

Рис. 6. Форма тока и напряжения в преобразователе с открытым входом.

 

Результатом амплитудного преобразования является среднее значение напряжения U_С, которое в отличие от U_m называют пиковым значением U_ПИК

U_ПИК = U_m cos q

где q - угол отсечки диода.

Напряжение U_ПИК поступает на вход усилителя постоянного тока, входное сопротивление которого большое, а выходное - малое. Усилитель служит для согласования выходного сопротивления преобразователя с сопротивлением индикатора и для повышения чувствительности вольтметра.

Схема амплитудного преобразователя с закрытым входом приведена на рис. 7. В ней процесс преобразования переменного напряжения в постоянное аналогичен рассмотренному выше, с тем отличием, что на выходе имеются значительные пульсации напряжения, для сглаживания которых используется фильтр. Он состоит из R_Ф и C_Ф.