Для измерения напряжения служат вольтметры, милливольтметры, микровольтметры различных систем. Эти приборы включаются параллельно нагрузке, поэтому сопротивление их должно быть как можно больше (примерно на два порядка больше сопротивления любого элемента цепи).

Рисунок 6 Рисунок 7

Для расширения пределов измерения вольтметра (в k раз) в цепях постоянного тока напряжением до 500В обычно применяют добавочные сопротивления R d , включаемые в цепь последовательно с вольтметром.

Из соотношения
определим
,

Где U max - наибольшее значение напряжения, которое может быть измерено вольтметром с добавочным сопротивлением;

U вн - предельное (номинальное) значение шкалы вольтметра при отсутствии R д.

Величина фактически измеряемого напряжения U определяется из соотношения:

;
,

где U в - показание вольтметра.

В цепях переменного тока для изменения пределов измерения вольтметра применяют трансформаторы напряжения.

Измерение мощности. Измерение мощности в цепях постоянного и однофазного токов

Мощность в цепях постоянного тока, потребляемая данным участком электрической цепи, равна:

и может быть измерена амперметром и вольтметром.

Помимо неудобства одновременного отсчёта показаний двух приборов, измерение мощности этим способом производится с неизбежной погрешностью. Удобнее измерять мощность в цепях постоянного тока ваттметром.

Измерить активную мощность в цепи переменного тока амперметром и вольтметром нельзя, т.к. мощность такой цепи зависит и от соsφ:

Поэтому в цепях переменного тока активная мощность измеряется только ваттметром.

Рисунок 8

Неподвижная обмотка 1-1 (токовая) включается последовательно, а подвижная 2-2 (обмотка напряжения) параллельно с нагрузкой.

Для правильного включения ваттметра один из зажимов токовой обмотки и один из зажимов обмотки напряжения отмечают звёздочкой (*). Эти зажимы, называемые генераторными, необходимо включать со стороны источника питания, объединив их вместе. В этом случае ваттметр будет показывать мощность, идущую со стороны сети (генератора) к приёмнику электрической энергии.

Измерение активной мощности в цепях трёхфазного тока

При измерении мощности трёхфазного тока применяют различные схемы включения ваттметров в зависимости от:

системы проводки (трёх- или четырёхпроводная);

нагрузки (равномерная или неравномерная);

схемы соединения нагрузки (звезда или треугольник).

а) измерение мощности при симметричной нагрузки; система проводки трех- или четырехпроводная:

Рисунок 9 Рисунок10

В этом случае мощность всей цепи можно измерить одним ваттметром (рисунки 9,10), который покажет мощность одной фазы Р=3P ф =3U ф I ф соsφ

б) при несимметричной нагрузке мощность трёхфазного потребителя можно измерить тремя ваттметрами:

Рисунок 11

Общая мощность потребителя равна:

в) измерение мощности методом двух ваттметров:

Рисунок 12

Применяется в 3-х проводных системах трехфазного тока при симметричной и несимметричной нагрузках и любом способе соединения потребителей. При этом токовые обмотки ваттметров включаются в фазы А и В (например), а параллельные на линейные напряжения U АС и U ВС (или А и С  U АВ и U СА), (рис. 12).

Общая мощность P=P 1 +P 2 .

Для измерения переменного напряжения используются аналоговые электромеханические приборы (электромагнитные, электродинамические, редко - индукционные), аналоговые электронные приборы (в том числе выпрямительной системы) и цифровые измерительные приборы. Для измерений могут также использоваться компенсаторы, осциллографы, регистрирующие устройства и виртуальные приборы.

При измерении переменного напряжения следует различать мгновенное, амплитудное, среднее и действующее значения искомого напряжения.

Синусоидальное переменное напряжение может быть представлено в виде следующих соотношений:

где u(t) - мгновенное значение напряжения, В; U m - амплитудное значение напряжения, В; (У - среднее значение напряжения, В Т - период

(Т = 1//) искомого синусоидального напряжения, с; U - действующее значение напряжения, В.

Мгновенное значение переменного тока может быть отображено на электронном осциллографе или с помощью аналогового регистратора (самописца).

Средние, амплитудные и действующие значения переменных напряжений измеряются стрелочными или цифровыми приборами непосредственной оценки или компенсаторами переменных напряжений. Приборы для измерения средних и амплитудных значений используются сравнительно редко. Большая часть приборов градуируется в действующих значениях напряжения. Из этих соображений количественные значения напряжений, приведенные в учебном пособии, даны, как правило, в действующих значениях (см. выражение (23.25)).

При измерениях переменных величин большое значение имеет форма искомых напряжений, которые могут быть синусоидальными, прямоугольными, треугольными и др. В паспортах на приборы всегда указывается, для измерения каких напряжений рассчитан прибор (например, для измерения синусоидальных напряжений или прямоугольных). При этом всегда указывается, какой параметр переменного напряжения измеряется (амплитудное значение, среднее значение или действующее значение измеряемого напряжения). Как уже отмечалось, большей частью используется градуировка приборов в действующих значениях искомых переменных напряжений. В силу этого все далее рассматриваемые переменные напряжения даны в действующих значениях.

Для расширения пределов измерения вольтметров переменных напряжений используются добавочные сопротивления, измерительные трансформаторы и добавочные емкости (с приборами электростатической системы).

Использование добавочных сопротивлений для расширения пределов измерения уже рассмотрено в подразделе 23.2 применительно к вольтметрам постоянного напряжения и поэтому в данном подразделе не рассматривается. Не рассматриваются также измерительные трансформаторы напряжения и тока. Сведения по трансформаторам даны в литературе .

При более детальном рассмотрении использования добавочных емкостей для расширения пределов измерения электростатистики вольтметров может применяться одна дополнительная емкость (рис. 23.3, а) или же могут быть применены две дополнительные емкости (рис. 23.3, б).

Для схемы с одной дополнительной емкостью (рис. 23.3, а ) измеряемое напряжение U распределяется между емкостью вольтметра С у и дополнительной емкостью С обратно пропорционально значениям С у и С

Учитывая, что U c = U- Uy, можно записать

Рис. 23.3. Схема расширения пределов измерения электростатических

вольтметров:

а - схема с одной добавочной емкостью; б - схема с двумя добавочными емкостями; U - измеряемое переменное напряжение (действующее значение); С, С, С 2 - добавочные емкости; C v - емкость используемого электростатического вольтметра V; U c - падение напряжения на дополнительной емкости С; U v - показание электростатического вольтметра

Решая уравнение (23.27) относительно U, получим:

Из выражения (23.28) следует, что чем больше измеряемое напряжение U по сравнению с предельно допускаемым напряжением для данного электростатического механизма, тем меньше должна быть емкость С по сравнению с емкостью С у.

Следует отметить, что формула (23.28) правомерна лишь при идеальной изоляции конденсаторов, образующих емкости С и C v . Если же диэлектрик, изолирующий пластины конденсаторов друг от друга, имеет потери, то возникают дополнительные погрешности. Кроме того, емкость вольтметра С у зависит от измеряемого напряжения U, так как от U зависят показания вольтметра и соответственно взаимное расположение подвижных и неподвижных пластин, образующих электростатический измерительный механизм. Последнее обстоятельство приводит к появлению еще одной дополнительной погрешности.

Лучшие результаты получаются, если вместо одной добавочной емкости использовать две добавочные емкости С (и С 2 , образующие делитель напряжения (см. рис. 23.3, б).

Для схемы с двумя добавочными емкостями правомерно соотношение

где U a - падение напряжения на емкости С у

Учитывая, что можно записать

Решая уравнение (23.30) относительно U, получим:

Из выражения (23.31) можно сделать вывод, что если емкость конденсатора С 2 , к которому подключен вольтметр, значительно превышает емкость самого вольтметра, то распределение напряжения практически не зависит от показания вольтметра. Кроме того, при С 2 » С у изменение сопротивления изоляции конденсаторов С, и С 2 и частоты

Таблица 23.3

Пределы и погрешности измерения переменных напряжений

измеряемого напряжения также мало влияют на показания прибора. То есть при использовании двух добавочных емкостей дополнительные погрешности результатов измерений значительно снижаются.

Пределы измерения переменных напряжений приборами разных типов и наименьшие погрешности этих приборов приведены в табл. 23.3.

В качестве примеров в приложении 5 (табл. П.5.1) приведены технические характеристики универсальных вольтметров, позволяющих измерять, в том числе, и переменные напряжения.

В заключение следует отметить следующее.

Погрешности измерения токов (постоянных и переменных) приборами одного типа и в равных условиях всегда больше погрешностей измерения напряжений (и постоянных, и переменных). Погрешности измерения переменных токов и напряжений приборами одного типа и в равных условиях всегда больше погрешностей измерения постоянных токов и напряжений.

Более подробную информацию по затронутым вопросам можно получить в .

Общие сведения. Необходимость измерения напряжения на практике возникает очень часто. В электротехнических и радиотехнических цепях и устройствах чаще всего измеряют напряжение постоянного и переменного (синусоидального и импульсного) тока.

Напряжение постоянного тока (рис. 3.5, а ) выражается, как . Источниками такого напряжения являются генераторы постоянного тока и химические источники питания.

Рис. 3.5. Временные диаграммы напряжений: постоянного (а), переменного синусоидального (б) и переменного импульсного (в) тока

Напряжение переменного синусоидального тока (рис. 3.5, б ) выражается как и характеризуется среднеквадратичным и амплитудным значениями:

Источниками такого напряжения являются низко- и высокочастотные генераторы , электросеть.

Напряжение переменного импульсного тока (рис. 3.5 в ) характеризуется амплитудным и средним (постоянная составляющая) значениями напряжения. Источником такого напряжения являются импульсные генераторы с сигналом разной формы.

Основной единицей измерения напряжения является вольт (В).

В практике электротехнических измерений широко используются дольные и кратные единицы:

Киловольт (1 кВ - В);

Милливольт (1мВ - В);

Микровольт (1 мкВ - В).

Международные обозначения единиц измерения напряжения приведены в Приложении 1.

В каталоговой классификации электронные вольтметры обознача-ются следующим образом: В1 — образцовые, В2 — постоянного тока, ВЗ — переменного синусоидального тока, В4 — переменной) импульс-ного тока, B5 — фазочувствительные, В6 — селективные, В7 — уни-версальные.

На шкалах аналоговых индикаторов и на лицевых панелях (на пе-реключателях пределов) отечественных и зарубежных электронных и электромеханических вольтметров применяются следующие обо-значения: V — вольтметры, kV — киловольтметры, mV — милливольт-метры, V — микровольтметры.

Измерение напряжения постоянного тока. Для измерения напря-жения постоянного тока используются электромеханические вольт-метры и мультиметры, электронные аналоговые и цифровые вольт-метры, электронные осциллографы.

Электромеханические вольтметры непосредственной опенки измеряемой величины составляют большой класс приборов аналого-вого типа и имеют следующие достоинства:

Возможность работы без подключения к источнику питания;

Малые габаритные размеры;

Меньшая цена (по сравнению с электронными);

Простота конструкции и удобство эксплуатации.

Чаще всего при электротехнических измерениях в сильноточных цепях используются вольтметры на основе электромагнитной и элек-тродинамической систем, в слаботочных цепях — магнитоэлектриче-ской системы . Поскольку все названные системы сами являются из-мерителями силы тока (амперметрами), то для создания на их основе вольтметров необходимо увеличить внутреннее сопротивление при-бора, т.е. подключить последовательно с измерительным механизмом добавочный резистор (рис. 3.6, а).

Вольтметр подключается к исследуемой цепи параллельно (рис. 3.6, б), и его входное сопротивление должно быть достаточно большим.

Для расширения диапазона измерения вольтметра также использу-ют добавочный резистор, который подключают к прибору последова-тельно (рис. 3.6, в).

Значение сопротивления добавочного резистора определяется по формуле:

Рис. 3.6. Схема создания вольтметра на основе амперметра (а ), подключение вольтметра к нагрузке (6 ), подключение добавочного резистора к вольтметру (в )

Где — число, показывающее, во сколько раз расширяется предел измерения вольтметра:

где — исходный предел измерения;

— новый предел измерения.

Добавочные резисторы, размещенные внутри корпуса прибора, называются внутренними, подключенные к прибору снаружи — внешними. Вольтметры могут быть многопредельными. Между пределом измерения и внутренним сопротивлением многопредельного вольтметра существует прямая зависимость: чем больше предел измерения, тембольше сопротивление вольтметра.

Электромеханические вольтметры имеют следующие недостатки:

Ограниченный диапазон измерения напряжений (даже в многопредельных вольтметрах);

Малое входное сопротивление, следовательно, большое собственное потребление мощности из исследуемой цепи.

Этими недостатками электромеханических вольтметров обусловлено предпочтительное использование для измерения напряжения в электронике электронных вольтметров.

Электронные аналоговые вольтметры постоянного тока построены по схеме, представленной на рис. 3.7. Входное устройство состоит из эмиттерного повторителя (для увеличения входного сопро-тивления) и аттенюатора — делителя напряжения.

Преимущества электронных аналоговых вольтметров по сравнению с аналоговыми очевидны:

Рис. 3.7. Структурная схема электронного аналогового вольтметра постоянного тока

Широкий диапазон измерения напряжений;

Большое входное сопротивление, следовательно, малое собствен-ное потребление мощности из исследуемой цепи;

Высокая чувствительность благодаря наличию усилителя на входе прибора;

Невозможность перегрузок.

Вместе с тем электронные аналоговые вольтметры имеют ряд не-достатков:

Наличие источников питания, большей частью стабилизирован-ных;

Большая, чем у электромеханических вольтметров, приведенная относительная погрешность (2,5-6%);

Большие массогабаритные размеры, более высокая цена.

В настоящее время аналоговые электронные вольтметры постоян-ного тока применяются недостаточно широко, так как по своим пара-метрам заметно уступают цифровым вольтметрам.

Измерение напряжения переменного тока.

Для измерения напря-жения переменного тока используются электромеханические вольт-метры и мультиметры, электронные аналоговые и цифровые вольт-метры, электронные осциллографы.

Рассмотрим недорогие и достаточно точные электромеханиче-ские вольтметры. Делать это целесообразно по частотным диапазо-нам.

На промышленных частотах 50, 100, 400 и 1000 Гц широко приме-няются вольтметры электромагнитной, электродинамической, ферро-динамической, выпрямительной, электростатической и термоэлектри-ческой систем.

На низких частотах (до 15-20 кГц) применяются вольтметры вы-прямительной, электростатической и термоэлектрической систем.

На высоких частотах (до единиц — десятков мегагерц) используют-ся приборы электростатической и термоэлектрической систем.

Для электротехнических измерений широко используются универ-сальные приборы — мультиметры.

Мультиметры (тестеры, ампервольтомметры, комбинированные приборы) позволяют измерять множество параметров: силу постоянного и переменного тока, напряжение постоянного и переменного тока, сопро-тивление резисторов, емкость конденсаторов (не все приборы), некото-рые статические параметры маломощных транзисторов ( , , и ).

Мультиметры выпускаются с аналоговым и цифровым отсчетом.

Широкое использование мультиметров объясняется следующими ихпреимуществами:

Многофункциональность, т.е. возможность использования в каче-стве амперметров, вольтметров, омметров, фарадомеров, измерителей параметров маломощных транзисторов:

Широкий диапазон измеряемых параметров благодаря наличию нескольких пределов измерения по каждому параметру;

Возможность использования в качестве переносных приборов, поскольку отсутствует сетевой источник питания;

Небольшие массогабаритные размеры;

Универсальность (возможность измерения переменных и постоянных токов и напряжений),

Мультиметры имеют также ряд недостатков:

Узкий частотный диапазон применимости;

Большое собственное потребление мощности из исследуемой 1 цепи;

Большая приведенная погрешность у аналоговых (1,5; 2,5 и 4) и у цифровых мультиметров;

Непостоянство внутреннего сопротивления на различных пределах 4 измерения силы тока и напряжения.

По отечественной каталоговой классификации мультиметры имеют обозначение Ц43 и далее номер модели, например, Ц4352.

Для определения внутреннего сопротивления аналогового мультиметра на включенном пределе измерения в паспорте прибора может 1 быть приведено удельное сопротивление. Например, в паспорте тестера Ц4341 удельное сопротивление = 16,7 кОм/В, пределы измерения по напряжению постоянного тока составляют 1,5 — 3 — 6 — 15 В.

В этом случае сопротивление мультиметра на пределе 6 В постоянного тока определяют по формуле:

В паспорте прибора могут быть приведены сведения, необходимые для расчета сопротивления по закону Ома .

Если тестер используется как вольтметр, то его входное сопротивление определяется по формуле:

где - выбранный предел измерения;

Значение силы тока в выбранном пределе (указанное на задней пане ли прибора или в его паспорте).

Если тестер используется как амперметр, то его входное сопротив-ление определяется по формуле:

Где — выбранный предел измерения;

— значение напряжения, приведенное на задней панели прибора или в его паспорте.

Например, в паспорте тестера Ц4341 приведено падение напря-жения на приборе, равное 0,3 В в пределах 0,06 — 0,6 — 6 — 60 — 600 мА постоянного тока, и падение напряжения 1,3 В в пределах: 0,3 — 3 — 30 — 300 мА переменного тока. Входное сопротивление мультиметра в пределе 3 мА переменного тока составит

Электронные аналоговые вольтметры переменного тока по-строены по одной из структурных схем (рис. 3.8), которые различа-ются последовательностью расположения основных блоков - усили-теля и преобразователя (детектора) напряжения переменного тока в напряжение постоянного тока. Свойства этих вольтметров во многом зависят от выбранной схемы.

Рис. 3.8. Структурные схемы электронных аналоговых вольтметров переменного тока тина У—Д (а ) и типа Д—У (б)

Вольтметры первой группы - типа усилитель-детектор (У—Д) — имеют высокую чувствительность, что связано с наличием дополни-тельного усилителя. Поэтому все микро- и милливольтметры построе-ны по схеме У—Д. Однако частотный диапазон таких вольтметров неширок (до единиц мегагерц), так как создание широкополосного усилителя переменного тока связано с определенными трудностями. Вольтметры типа У—Д относятся к не универсальным (подгруппа ВЗ), т.е. могут измерять только напряжение переменного тока.

Вольтметры второй группы — типа детектор—усилитель (Д—У) -имеют широкий частотный диапазон (до единиц гигагерц) и низкую чувствительность. Вольтметры этого типа относятся к универсаль-ным (подгруппа В7), т.е. измеряют напряжение не только перемен-ного, но и постоянного тока; могут измерять напряжение значитель-ного уровня, так как обеспечить большое усиление с помощью УНТ несложно.

В вольтметрах обоих типов важную функцию выполняют преоб-разователи напряжения переменного тока в напряжение постоянного тока — детекторы, которые по функции преобразования входного на-пряжения в выходное можно классифицировать на три типа: ампли-тудного, среднеквадратичного и средневыпрямленного значения.

От типа детектора во многом зависят свойства прибора. Вольт-метры с детектором амплитудного значения являются самыми высо-кочастотными; вольтметры с детектором среднеквадратичного значе-ния позволяют измерять напряжение переменного тока любой формы; вольтметры с детектором средневыпрямленного значения пригодны для измерения напряжения только гармонического сигнала и являют-ся самыми простыми, надежными и недорогими.

Детектор амплитудного значения представляет собой устройство, напряжение на выходе которого соответствует амплитудному значе-нию измеряемого сигнала, что обеспечивается путем запоминания на-пряжения на конденсаторе.

Чтобы цепь реальной нагрузки любого детектора эффективно от-фильтровывала полезный сигнал и подавляла нежелательные высоко-частотные гармоники, следует выполнить условие:

Или , (3.12)

где — емкость выходного фильтра;

— сопротивление нагрузки детектора.

Второе условие хорошей работы детектора:

На рисунке 3.9 приведены структурная схема и временные диа-граммы выходного напряжения детектора амплитудного значения с параллельным включением диода и закрытым входом. Детектор с за-крытым входом имеет последовательно включенный конденсатор, не пропускающий постоянную составляющую. Рассмотрим работу та-кого детектора при подаче на его вход синусоидального напряжения .

Рис. 3.9. Структурная схема детектора амплитудного значении параллельным включением диода и закрытым входом (а) и временные диаграммы напряжении (б) При поступлении положительной полуволны синусоиды конденса-тор С заряжается через диод VD, который в открытом состоянии имеет малое сопротивление .

Постоянная времени заряда конден-сатора мала, и конденсатор быстро заряжается до макси-мального значения . При смене полярности входного сигнала диод закрыт и конденсатор медленно разряжается через сопротивление на-грузки , которое выбирается большим — 50-100 МОм.

Таким обра-зом, постоянная разряда оказывается значительно больше периода синусоидального сигнала . В результате конденсатор остается заряженным до напряжения, близкого к .

Изменение напряжения на нагрузочном резисторе определяется разностью амплитуд входного напряжения и напряжения на кон-денсаторе .В результате выходное напряжение бу-дет пульсирующим с удвоенной амплитудой измеряемого напряжения (см. рис. 3.9, б).

Это подтверждается следующими математическими выкладками:

при , , при , при .

Для выделения постоянной составляющей сигнала вы-ход детектора подключен к емкостному фильтру, подавляющему всё остальные гармоники тока.

На основании изложенного следует вывод: чем меньше период ис-следуемого сигнала (чем больше его частота), тем точнее выполняется равенство , что объясняет высокочастотные свойства детектора. При использовании в работе вольтметров с детектором амплитудного значения следует иметь в виду, что эти приборы чаще всего градуиру-ются в среднеквадратичных значениях синусоидального сигнала, т.e показания индикатора прибора равны частному от деления амплитудного значения на коэффициент амплитуды синусоиды:

где — коэффициент амплитуды.

Детектор среднеквадратичного значения (рис. 3.10) преобразу-ет напряжение переменного тока в напряжение постоянного тока, про-порциональное квадрату среднеквадратичного значения измеряемого напряжения. Следовательно, измерение среднеквадратичного напряжения связано с выполнением трех операций: возведения в квадрат мгновенного значения сигнала, усреднения его значения и извлечение корня из результата усреднения (последняя операция обеспечивается градуировкой шкалы вольтметра). Возведение в квадрат мгновенного значения сигнала обычно осуществляется диодной ячейкой путем использования квадратичного участка его характеристики.

Рис. 3.10. Детектор среднеквадратичного значения: а — диодная ячейка; б — ВАХ диода

В диодной ячейке VD, R1 (см. рис. 3.10, а) постоянное напряжение приложено к диоду VD таким образом, что он оказывается закры-тым до тех пор, пока измеряемое напряжение () на резисторе R2 не превысит значение .

Начальный участок вольтамперной характеристики диода имеет малую протяженность (см. рис. 3.10, б), поэтому квадратичную часть искусственно удлиняют методом кусочно-линейной аппроксимации путем использования нескольких диодных ячеек.

При конструировании вольтметров среднеквадратичного значения возникают трудности с обеспечением широкого частотного диапазона. Несмотря на это такие вольтметры являются самыми востребованны-ми, так как ими можно измерять напряжение любой сложной формы.

Детектор средневыпрямленного значения преобразует напряжение переменного тока в напряжение постоянного тока, пропорциональное средневыпрямленному значению напряжения. Выходной ток измери-тельного прибора с таким детектором аналогичен выходному току вы-прямительной системы.

Напряжения переменного тока, действующие в электронных устройствах, могут изменяться во времени по различным законам. На-пример, напряжение на выходе задающего генератора связного радио-передатчика изменяется по синусоидальному закону, на выходе генера-тора развертки осциллографа импульсы имеют пилообразную форму, синхроимпульсы полного телевизионного сигнала прямоугольные.

На практике приходится проводить измерения в различных участ-ках схем, напряжения в которых могут отличаться по значению и по форме. Измерение напряжения несинусоидальной формы имеет свои особенности, которые необходимо учитывать, чтобы не допустить оши-бок.

Очень важно правильно выбрать тип прибора и способ пересчета показаний вольтметра в значение необходимого параметра измеряемо-го напряжения. Для этого необходимо четко представлять себе, каким образом производится оценка и сравнение напряжений переменного тока и как влияет форма напряжения на значения коэффициентов, свя-зывающих между собой отдельные параметры напряжения.

Критерием оценки напряжения переменного тока любой формы служит связь с соответствующим напряжением постоянного тока по одинаковому эффекту теплового действия (среднеквадратичное зна-чение U ), определяемое выражением

где — период повторения сигнала;

— функция, описывающая закон изменения мгновенного значения на-пряжения. Далеко не всегда в распоряжении оператора может оказаться вольт-метр, с помощью которого можно измерить нужный параметр напряжения. В таком случае необходимый параметр напряжения измеряется косвенно с помощью имеющегося вольтметра, с использованием коэффициентов амплитуды и формы . Рассмотрим пример расчета необходимых параметров напряжения синусоидальной формы.

Необходимо определить амплитудное () и средневыпрямленное () значения напряжения синусоидальной формы вольтметром, градуированным в среднеквадратичных значениях напряжения синусоидальной формы, если прибор показал .

Расчет выполняем следующим образом. Так как вольтметр градуирован в среднеквадратичных значениях , то в приложении 3 для дан-ного прибора показание 10 В соответствует прямому отсчету по шкале среднеквадратичного значения, т.е.

Переменное напряжение характеризуется средним, амплитудным) (максимальным) и среднеквадратичным значениями.

Среднее значение (постоянная составляющая) за период переменного напряжения:

Максимальное значение — это наибольшее мгновенное значение переменного напряжения за период сигнала:

Средневыпрямленное значение — это среднее напряжение на вы-ходе двухполупериодного выпрямителя, имеющего на входе перемен-ное напряжение :

Соотношение среднеквадратичного, среднего и максимального зна-чений напряжения переменного тока зависит от его формы и в общем виде определяются двумя коэффициентами:

(коэффициент амплитуды), (3.18)

(коэффициент формы). (3.19)

Значения этих коэффициентов для напряжений разной формы иих соотношения приведены в табл. 3.1

Таблица 3.1

Значения и для напряжений разной формы

Примечание , - скважность: .

В ряде приборов напряжение оценивают не в абсолютных единицах измерения (В, мВ, мкВ), а в относительной логарифмической единице — децибеле (dB, или дБ). Для упрощения перехода абсолютных единиц в относительную и, наоборот, большинство аналоговых вольте метров (автономных и встроенных в другие приборы: генераторы, мультиметры, измерители нелинейных искажений) наряду с обычной шкалой имеют децибельную. Эта шкала отличается четко выраженной нелинейностью, что при необходимости позволяет получать результат сразу в децибелах, без соответствующих расчетов и применения таблиц перевода. Чаще всего у таких приборов нуль шкалы децибел соответствует входному напряжению 0,775 В.

Напряжение больше условного нулевого уровня характеризуется положительными децибелами, меньше этого уровня — отрицательными. На переключателе пределов каждый поддиапазон измерения отличается по уровню от соседнего на 10 дБ, что соответствует кратности по напряжению 3,16. Показания, снятые по шкале децибел, алгебраически складываются с показаниями на переключателе пределов измерения, а не перемножаются, как в случае абсолютного отсчета напряжений.

Например, переключатель пределов установлен на «- 10 dB», при этом стрелка индикатора установилась на отметку «- 0,5 dB». Суммар-ный уровень составит: ---- 10 + (- 0,5) = - 10,5 dB, И основу перевода напряжения из абсолютных значений в относительные положена формула

Где = 0,775В.

Поскольку бел — большая единица, то на практике применяют дольную (десятую) часть бела — децибел.

Импульсные и цифровые вольтметры. При измерении импульсных напряжений с малой амплитудой применяют предварительное усиление импульсов. Структурная схема аналогового импульсного вольтметра (рис. 3.11) состоит из выносного пробника с эмиттерным повторителем, аттенюатора, широкополосного предварительного усилителя, детектора амплитудного значения, усилителя постоянного тока (УПТ) и электромеханического индикатора. Вольтметры, реа-лизованные по этой схеме, непосредственно измеряют напряжения 1 мВ - 3 В с погрешностью ± (4 — 10)%, длительностью импульсов 1 - 200 мкс и скважностью 100 ... 2500.

Рис. 3.11.т Структурная схема импульсного вольтметра

Для измерения малых напряжений в широком диапазоне длитель-ностей (от наносекунд до миллисекунд) применяют вольтметры, рабо-тающие на основе автокомпенсационного метода.

Электронные цифровые вольтметры имеют существенные преиму-щества перед аналоговыми:

Высокая скорость измерений;

Исключение возможности возникновения субъективной ошибки оператора;

Малая приведенная погрешность.

Благодаря этим преимуществам цифровые электронные вольтмет-ры широко используются для измерения. На рисунке 3.12 приведена упрощенная структурная схема цифрового вольтметра.

Рис. 3.12. Упрощенная структурная схема цифрового вольтметра

Входное устройство предназначено для создания большого вход-ного сопротивления, выбора пределов измерения, ослабления помех, автоматического определения полярности измеряемого напряжения постоянного тока. В вольтметрах переменного тока входное устрой-ство включает в себя также преобразователь напряжения перемен-ного тока в постоянный.

С выхода входного устройства измеряемое напряжение подается на аналого-цифровой преобразователь (АЦП), в котором напряжение преобразуется в цифровой (дискретный) сигнал в виде электрического кода или импульсов, количество которых про-порционально измеряемому напряжению. Результат появляется на табло цифрового индикатора. Работой всех блоков управляет устрой-ство управления.

Цифровые вольтметры в зависимости от типа АЦП подразделяют-ся на четыре группы: кодоимпульсные, времяимпульсные, частотно-импульсные, пространственного кодирования.

В настоящее время широко применяются цифровые времяимпульсные вольтметры , преобразователи которых выполняют промежуточное преобразование измеряемого напряжения в пропорцио-нальный интервал времени, заполняемый импульсами с известной частотой повторения. В результате такого преобразования дискретный сигнал измерительной информации на входе АЦП имеет вид пачки счетных импульсов, количество которых пропорционально измеряе-мому напряжению.

Погрешность времяимпульсных вольтметров определяется погрешностью дискретизации измеряемого сигнала, нестабильностью частоты счетных импульсов, наличием порога чувствительности схемы сравнения, нелинейностью преобразованного напряжения на входе схемы сравнения.

Различают несколько вариантов схемотехнических решений при построении времяимпульсных вольтметров. Рассмотрим принцип работы время импульсного вольтметра с генератором линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН).

На рисунке 3.13 представлены структурная схема цифрового времяимпульсного вольтметра с ГЛИН и временные диаграммы, поясняющие его работу.

Дискретный сигнал измерительной информации па выходе преоб-разователя имеет вид пачки счетных импульсов, количество которых пропорционально значению входного напряжения . С выхода ГЛИН на входы 1 устройств сравнения поступает линейно нарастающее во времени напряжение . Вход 2 устройства сравнения II соединен с корпусом.

В момент равенства на входе устройства сравнения II и на его выходе возникает импульс, который подается на единичный вход триггера (Т), вызывая появление сигнала на его выходе. Триггер возвращается в исходное положение импульсом, поступающим с выхода устройства сравнения II. Этот сигнал появляется в момент равенства линейно нарастающего напряжения и измеряемого . Сформированный таким образом сигнал длительностью (где — коэффициент преобразования) подается на вход 1 схемы логиче-ского умножения И, а на вход 2 поступает сигнал с генератора счетных импульсов (ГСИ). Импульсы следуют с частотой . Импульсный сигнал появляется тогда, когда на обоих входах есть импульсы, т.е. счетные импульсы проходят при наличии сигнала на выходе триггера.

Рис. 3.13. Структурная схема (а) ивременное диаграммы (б) цифрового времяимпульсного вольтметра с ГЛИН

Счетчик импульсов подсчитывает количество прошедших импуль-сов (с учетом коэффициента преобразования). Результат измерения отображается на табло цифрового индикатора (ЦИ). Приве-денная формула не учитывает погрешность дискретности из-за несовпа-дения появления счетных импульсов с началом и концом интервала

Кроме того, большую погрешность вносит фактор нелинейности коэффициента преобразования . В результате цифровые время импульсные вольтметры с ГЛИН являются наименее точными среди цифровых вольтметров.

Цифровые вольтметры с двойным интегрированием отличаются от времяимпульсных вольтметров принципом работ Ы. В них в тече-ние времени цикла измерения формируются два временных интервала — и . В первом интервале обеспечивается интегрирование измеряемого напряжения , во втором — опорного напряжения. Вре-мя цикла измерения предварительно устанавливают кратным периоду действующей на входе помехи, что приводит к улучшению помехоустойчивости вольтметра.

На рисунке 3.14 приведены структурная схема цифрового вольтме-тра с двойным интегрированием и временные диаграммы, поясняющие его работу.

Рис. 3.14. Структурная схема (а) и временные диаграммы (6) цифрового вольтметра с двойным интегрированием

При (в момент начала измерения) управляющее устройство вырабатывает калиброванный импульс с длительностью

, (3.21) переводит ключ в положение 2 и от источника образцового напряжения (ИОН) в интегратор подает-ся образцовое отрицательное напряжение становится равным нулю, устройство сравнения выдает сигнал, по-ступающий на триггер, и возвращает последний в исходное состояние. На выходе триггера сформированный импульс напряжения

; ; (3.25)

Из полученных соотношений следует, что погрешность результата измерения зависит только от уровня образцового напряжения, а не от нескольких параметров (как в кодоимпульсном вольт метре), но здесь также имеет место погрешность дискретности.

Преимуществами вольтметра с двойным интегрированием являются высокая помехозащищенность и более высокий класс точ-ности (0,005-0,02%) по сравнению с вольтметрами с ГЛИН.

Цифровые вольтметры со встроенным микропроцессором являются комбинированными и относятся к вольтметрам наивысшего класса точности. Принцип их работы основан на методах поразрядного уравновешивания и времяимпульсного интегрирующего преобразования.

Микропроцессор и дополнительные преобразователи, включенные в схему такого вольтметра, расширяют возможности при-бора, делая его универсальным в части измерения большого числа параметров. Такие вольтметры измеряют напряжение постоянного и переменного тока, силу тока, сопротивление резисторов, часто-ту колебаний и другие параметры. При использовании совместное с осциллографом могут измерять временные параметры: период, длительность импульсов и т.д. Наличие в схеме вольтметра микропроцессора позволяет осуществлять автоматическую коррекциям погрешности измерений, диагностику отказов, автоматическую калибровку.

На рисунке 3.15 приведена структурная схема цифрового вольтметра со встроенным микропроцессором.

Рис. 3.15. Структурная схема цифрового вольтметра со встроенным микропроцессором

С помощью соответствующих преобразователей блок нормали-зации сигналов приводит входные измеряемые параметры (97 стр) к унифицированному сигналу , поступающему на вход АЦП, ко-торый выполняет преобразование методом двойного интегрирования. Выбор режима работы вольтметра для заданного вида измерений осу-ществляет блок управления АЦП с дисплеем. Этот же блок обеспечи-вает нужную конфигурацию системы измерения.

Микропроцессор является основой блока управления и связан с другими блоками через сдвигающие регистры. С помощью клавиа-туры, находящейся на панели управления, обеспечивается управление микропроцессором. Управление может осуществляться также и через стандартный интерфейс подключаемого канала связи. В постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ) хранится программа работы микро-процессора, которая реализуется с помощью оперативного запомина-ющего устройства (ОЗУ).

Встроенные высокостабильные и точные резистивные делители опорного напряжения, дифференциальный усилитель (ДУ) и ряд внеш-них элементов (аттенюатор, устройство выбора режима, блок опорного напряжения ) выполняют непосредственно измерения. Все блоки синхронизируются сигналами от генератора тактовых импульсов.

Включение в схему вольтметра микропроцессора и ряда дополнительных преобразователей позволяет выполнять автоматическую коррекцию погрешностей, автоматическую калибровку и диагностику отказов.

Основными параметрами цифровых вольтметров являются точность преобразования, время преобразования, пределы изменения входной величины, чувствительность.

Точность преобразования определяется погрешностью квантова-ния по уровню, характеризуемой числом разрядов в выходном коде.

Погрешность цифрового вольтметра имеет две составляющие. Пер-вая составляющая (мультипликативная) зависит от измеряемой вели-чины, вторая составляющая (аддитивная) не зависит от измеряемой величины.

Такое представление связано с дискретным принципом измерения аналоговой величины, так как в процессе квантования возникает абсо-лютная погрешность, обусловленная конечным числом уровней квантования. Абсолютная погрешность измерения напряжения выражается как

знаков) или ( знаков), (3.27)

где — действительная относительная погрешность измерения;

— значение измеряемого напряжения;

— конечное значение на выбранном пределе измерения;

т знаков — значение, определяемое единицей младшего разряда ЦИ (аддитивная погрешность дискретности). Основную действительную относительную погрешность измере-ния можно представить и в другом виде:

Где a, b — постоянные числа, характеризующие класс точности прибора.

Первое слагаемое погрешности (а) не зависит от показаний при-бора, а второе (b) увеличивается при уменьшении .

Время преобразования — это время, затрачиваемое на выполнение одного преобразования аналоговой величины в цифровой код.

Пределы изменения входной величины — это диапазоны преобразования входной величины, которые полностью определяются числом разрядов и «весом» наименьшего разряда.

Чувствительность (разрешающая способность) — это наименьшее различимое преобразователем изменение значения входной величины.

К основным метрологическим характеристикам вольтметров, которые необходимо знать для правильного выбора прибора, относятся следующие характеристики:

Параметр измеряемого напряжения (среднеквадратичное, ампли-тудное);

Диапазон измерения напряжения;

Частотный диапазон;

Допустимая погрешность измерений;

Входной импеданс ().

Эти характеристики приводятся в техническом описании и паспор-те прибора.

Приборы для измерения напряжения и тока можно классифицировать по различным признакам:

• - по типу отсчетного устройства (аналоговые и цифровые);
• - по методу измерения (непосредственной оценки (прямого действия) и сравнения с мерой);
• - по значению измеряемого напряжения (пиковых значений, сред- невыпрямленных значений, среднеквадратических значений);
• - по виду входа (с открытым или закрытым).

В настоящее время в эксплуатации находится большое количество электромеханических и электронных приборов для измерения напряжений и токов. Рассмотрим принципы их построения.

Электромеханические вольтметры и амперметры

Электромеханические вольтметры и амперметры относятся к аналоговым приборам прямого действия, в которых электрическая измеряемая величина непосредственно преобразуется в показание отсчетного устройства.

В простейшем случае электромеханические вольтметры и амперметры представляют собой измерительный механизм с отсчетным устройством (см. гл. 1), снабженный входными зажимами для подключения к объекту измерения.

Обобщенную структурную схему электромеханического вольтметра (амперметра) можно представить в виде последовательно соединенных входной измерительной цепи и измерительного механизма с отсчетным устройством. Заметим, что сочетание измерительного механизма и отсчетного устройства принято называть измерителем.

Входная измерительная цепь (входное устройство) содержит, как правило, один или несколько измерительных преобразователей, с помощью которых измеряемая величина X преобразуется в величину Y, удобную для воздействия на измерительный механизм.

Наиболее часто в электромеханических приборах используют масштабные и нормирующие измерительные преобразователи, а также преобразователи значений величин (см. гл. 1).

Для измерения напряжений и токов могут применяться практически большинство известных типов измерительных механизмов (ИМ).

Для измерения постоянных напряжений в широком диапазоне значений (от долей милливольт до сотен вольт) используют электромеханические вольтметры с магнитоэлектрическим измерительным механизмом (МЭИМ). Эти приборы имеют сравнительно высокий класс точности (до 0,05), однако их входное сопротивление не превышает десятков тысяч ом, что может приводить к значительным систематическим погрешностям. Систематические погрешности вольтметров с МЭИМ имеют также и температурный характер вследствие зависимости сопротивления рамки прибора от температуры окружающей среды.

Реже для измерения постоянных напряжений используют электромеханические вольтметры с электростатическим ИМ (ЭСИМ), электромагнитным ИМ (ЭМИМ) и электродинамическим ИМ (ЭДИМ).

Вольтметры с ЭСИМ обычно используют для измерения больших напряжений (киловольтметры), а вольтметры с ЭДИМ применяют в качестве образцовых приборов при проверке измерительных приборов более низкого класса точности.

Для измерения постоянных токов в широком диапазоне значений (10 _7 ...50 А) наиболее широко, также как при измерении постоянных напряжений, используют электромеханические приборы (амперметры) с МЭИМ. Для этих приборов также характерна температурная систематическая погрешность (особенно при использовании шунтов), так как в этом случае из-за различных значений температурных коэффициентов материала рамки и шунта происходит перераспределение протекающих через них токов. Для измерения постоянных токов используют также амперметры с ЭМИМ и ЭДИМ.

Измерение переменных напряжений проводят вольтметрами с ЭМИМ, ЭДИМ, ФДИМ, ЭСИМ, термоэлектрическими приборами, а также выпрямительными вольтметрами, т.е. вольтметрами, имеющими измерительный механизм магнитоэлектрической системы и выпрямитель (преобразователь), включенный на входе ИМ.

Переменные токи измеряют термоэлектрическими и выпрямительными амперметрами, а также амперметрами, имеющими электромагнитные и электродинамические ИМ. Малые переменные токи измеряют обычно выпрямительными амперметрами. Наиболее широкий диапазон измеряемых переменных токов обеспечивают выпрямительные амперметры, они чаще используются для измерения малых токов. Наиболее широкий частотный диапазон измеряемых токов обеспечивают амперметры термоэлектрической системы.

У большинства электромеханических приборов входное сопротивление невелико (килоомы), поэтому они пригодны для измерения напряжения только в низкоомных цепях. В цепях с высокоомными нагрузками (мегаомы) эти приборы (за исключением электростатических) использовать нельзя, так как при их включении шунтируется нагрузка и тем самым изменяется электрический режим цепи. Кроме того, типовыми недостатками для аналоговых электромеханических приборов являются малый диапазон частот, в котором они дают достоверные показания, большие входные емкости и индуктивности, зависимость входного сопротивления от частоты.

На практике широкое распространение получили универсальные электромеханические приборы для измерения постоянных и переменных напряжений и токов, а также сопротивлений постоянному току - авометры (мультиметры). Они представляют собой сочетание добавочных резисторов или шунтов, преобразователей значений измеряемых переменных токов и напряжений (полупроводниковых выпрямителей) и ИМ магнитоэлектрической системы с отсчетным устройством.

Вариант схемы авометра при измерении напряжения постоянного тока показан на рис. 5.4.

Рис. 5.4.

Переключателем осуществляется изменение диапазона измерений, однако входное сопротивление вольтметра, отсчитанное в [Ом/В], при изменении диапазона обычно остается постоянным за счет подбора резисторов.

Например, если Л, = 15 МОм, Я 2 = 4 МОм, /?, = 800 кОм, /? 4 = 150кОм,Л 5 = 48 кОм, а диапазоны соответственно 1000,250,50, 10, 2,5 В, то при сопротивлении обмотки прибора 2 кОм входное сопротивление прибора в любом положении переключателя диапазонов будет равно 20 кОм/В.

Измерение напряжения на практике приходится выполнять довольно часто. Напряжение измеряют в радиотехнических, электротехнических устройствах и цепях и т.д. Вид переменного тока может быть импульсным или синусоидальным. Источниками напряжения являются или генераторы тока.

Виды измерения напряжения

Напряжение импульсного тока имеет параметры амплитудного и среднего напряжения. Источниками такого напряжения могут быть импульсные генераторы. Напряжение измеряется в вольтах, имеет обозначение «В» или «V». Если напряжение переменное, то впереди ставится символ «~ », для постоянного напряжения указывается символ «-». Переменное напряжение в домашней бытовой сети маркируют ~220 В.

Это приборы, предназначенные для измерения и контроля характеристик электрических сигналов. Осциллографы работают на принципе отклонения электронного луча, который выдает изображение значений переменных величин на дисплее.

Измерение напряжения в сети переменного тока

Согласно нормативным документам величина напряжения в бытовой сети должна быть равной 220 вольт с точностью отклонений 10%, то есть напряжение может меняться в интервале 198-242 вольта. Если в вашем доме освещение стало более тусклым, лампы стали часто выходить из строя, либо бытовые устройства стали работать нестабильно, то для выяснения и устранения этих проблем для начала необходимо измерение напряжения в сети.

Перед измерением следует подготовить имеющийся измерительный прибор к работе:

• Проверить целостность изоляции контрольных проводов со щупами и наконечниками.
• Установить переключатель на переменное напряжение, с верхним пределом 250 вольт или выше.
• Вставить наконечники контрольных проводов в гнезда измерительного прибора, например, . Чтобы не ошибиться, лучше смотреть на обозначения гнезд на корпусе.
• Включить прибор.

На мультиметре выбрана граница измерений 700 вольт. Некоторые приборы требуют для измерения напряжения устанавливать в нужное положение несколько разных переключателей: вид тока, вид измерений, а также вставить наконечники проводов в определенные гнезда. Конец черного наконечника в мультиметре воткнут в гнездо СОМ (общее гнездо), красный наконечник вставлен в гнездо с обозначением «V». Это гнездо является общим для измерения любого вида напряжения. Гнездо с маркировкой «ma» применяется для замеров небольших токов. Гнездо с обозначением «10 А» служит для измерения значительной величины тока, который может достичь 10 ампер.

Если измерять напряжение со вставленным проводом в гнездо «10 А», то прибор выйдет из строя, или сгорит предохранитель. Поэтому при выполнении измерительных работ следует быть внимательным. Наиболее часто ошибки возникают в случаях, когда сначала измеряли сопротивление, а затем, забыв переключить на другой режим, начинают измерение напряжения. При этом внутри прибора сгорает резистор, отвечающий за измерение сопротивления.

После подготовки прибора, можно начинать измерения. Если при включении мультиметра на индикаторе ничего не появляется, это означает, что элемент питания, расположенный внутри прибора, отслужил свой срок и требует замены. Чаще всего в мультиметрах стоит «Крона», выдающая напряжение 9 вольт. Срок ее службы составляет около года, в зависимости от производителя. Если мультиметром долго не пользовались, то крона все равно может быть неисправной. Если батарейка исправна, то мультиметр должен показать единицу.

Щупы проводов необходимо вставить в розетку или прикоснуться ими к оголенным проводам.

На дисплее мультиметра сразу появится величина напряжения сети в цифровом виде. На стрелочном приборе стрелка отклонится на некоторый угол. Стрелочный тестер имеет несколько градуированных шкал. Если их внимательно рассмотреть, то все становится понятным. Каждая шкала предназначена для определенных измерений: тока, напряжения или сопротивления.

Граница измерений на приборе была выставлена на 300 вольт, поэтому нужно отсчитывать по второй шкале, имеющий предел 3, при этом показания прибора необходимо умножить на 100. Шкала имеет цену деления, равной 0,1 вольта, поэтому получаем результат, изображенный на рисунке, около 235 вольт. Этот результат находится в допустимых пределах. Если при измерении показания прибора постоянно меняются, возможно, плохой контакт в соединениях электрической проводки, что может привести к искрению и неисправностям в сети.

Измерение постоянного напряжения

Источниками постоянного напряжения являются аккумуляторы, низковольтные или батарейки, напряжение которых не более 24 вольт. Поэтому прикосновение к полюсам батарейки не опасно, и нет необходимости в специальных мерах безопасности.

Для оценки работоспособности батарейки или другого источника, необходимо измерение напряжения на его полюсах. У пальчиковых батареек полюсы питания расположены на торцах корпуса. Положительный полюс маркируется «+».

Постоянный ток измеряется аналогичным образом, как и переменный. Отличие заключается только в настройке прибора на соответствующий режим и соблюдении полярности выводов.

Напряжение батарейки обычно обозначено на корпусе. Но результат измерения еще не говорит об исправности батарейки, так как при этом измеряется электродвижущая сила батарейки. Продолжительность эксплуатации прибора, в котором будет установлен элемент питания, зависит от его емкости.

Для точной оценки работоспособности батарейки, необходимо проводить измерение напряжения при подключенной нагрузке. Для пальчиковой батарейки в качестве нагрузки подойдет обычная лампочка для фонарика на 1,5 вольта. Если напряжение при включенной лампочке снижается незначительно, то есть, не более, чем на 15%, следовательно, батарейка пригодна для работы. Если напряжение падает значительно сильнее, то такая батарейка может еще послужить только в настенных часах, которые расходуют очень мало энергии.