Вольтметр переменного тока

Федеральное агентство  по образованию

Государственное образовательное  учреждение высшего профессионального  образования

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ  ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

 

Факультет – Электрофизический

Направление – Приборостроение

Кафедра - ИИТ

КУРСОВАЯ РАБОТА

 

ВОЛЬТМЕТР ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

 

 

Студент     гр.1Б72                             ___________________                Григорьев М.Г.

               ^{(подпись)}

              ___________________

   ^(дата)

Научный руководитель                     ___________________               Миляев Д.В

                                                                      ^{(подпись)}

             ___________________

^(дата)

Томск – 2010

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

Введение…………………………………………………………………………..…….…..4

 

1. Методы измерения переменного напряжения ………….………………………..…...5

1. 1. Метод непосредственной оценки……………………………………………………5

1.1.1. Метод преобразования переменного напряжения в угол отклонения.…………5

   1.1.2. Метод косвенного преобразования переменного напряжения в угол                         отклонения……………………………..…………………………………….……...6

    1.1.3. Метод косвенного преобразования переменного напряжения в угол

                      отклонения с помощью электромагнитного механизма…………………………..7

 1.1.4. Метод измерения переменного напряжения осциллографическим методом…...8

 1.1.5. Преобразование переменного напряжения в постоянное ……………….……...9

1.2. Метод  сравнения…………………………………………………………………….11

 1.2.1 Компенсационный метод…………………………………………………………..11

1.2.2. Компараторный метод………..…………………………………………………....12

2.1. Выбор метода измерения …………………………………………………………….13

3. Структурная схема вольтметра переменного тока…….………………………...…...13

4. Градуировка…………………. ……………………………………….…………………13

5. Выбор и расчет элементов принципиальной схемы..………………………………..14

6. Принципиальная схема прибора………………………………………….………........21

7. Установим класс точности прибора…….………………………………………….......21

8. Блок питания…………………………………………………………………...………..22

 

Заключение………………………………………………………………………...……….26

Список использованных источников………………………………………………….....27

 

 

 

 

 

 

 

Техническое задание

Разработать и рассчитать аналоговый вольтметр переменного тока. Представить  структурную схему прибора, принципиальную  схему и спецификацию на элементы принципиальной схемы.

Исходные данные:

• Пределы измерений: U=1мВ

          U=100мВ

• Класс точности: 1,0%
• f=20Гц..1МГц
• Входное сопротивление не менее 1Мом

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 Введение

      В настоящее время вольтметры переменного тока выполняются как с непосредственным   сравнением измеряемого напряжения с известным напряжением, так и с промежуточным  преобразованием переменного напряжения  в напряжение постоянного тока.

Вольтметры со сравнением переменного напряжения U_x с известным напряжением постоянного тока U_k дают показания амплитудных значений U_x. В этих приборах напряжение U_k изменяется в соответствии с выбранным кодом до тех пор , пока оно не станет равным амплитудному значению U_х. Процесс сравнения может длиться несколько периодов.

В настоящее время наибольшее применение получили вольтметры с промежуточным преобразованием напряжения переменного тока в постоянное напряжение , измеряемое цифровым вольтметром постоянного тока. В этих вольтметрах измеряемое напряжение преобразуется в пост. напряжение, пропорциональное либо среднему, либо амплитудному, либо действующему значению, в зависимости от типа используемого преобразователя. Основные характеристики таких вольтметров практически определяются свойствами преобразователей. Известны преобразователи с погрешностью не более ±0.01%, а также преобразователи с верхним частотным диапазоном 30 МГц, но с большей погрешностью.

Для измерения амплитуды периодических  импульсов применяют вольтметры, в которых сравнивается амплитуда  импульсов с постоянным известным  напряжением. Применяются также вольтметры  с предварительным преобразованием амплитуды импульсов в напряжение постоянного тока с помощью “пиковых” детекторов .

В качестве примера укажем выпускаемый  промышленностью щитовой вольтметр  переменного тока типа Ф220 с верхними пределами измерения 1-10-100-500-1000В класса точности 1/0.5. Прибор имеет преобразователь переменного тока в постоянный. Имеется выход двоично-десятичного кода.  

      На переменном  токе измеряемый сигнал имеет  следующие характеристики:

1. амплитудное значение  напряжения U_m
2. действующее значение напряжения U_д

                        U_д=

 

3. среднее значение напряжения

 

                    

Амплитудное, среднее, действующее  значение связаны между собой  через коэффициент формы K_ф=U_м/U_д и коэффициент амплитуды U_a=U_м/K_a.

 

 

 

 

 

1 Методы измерения  переменного напряжения

 Рассмотрим 2 метода измерения переменного напряжения: метод непосредственной оценки и метод сравнения.

  1.1 Метод непосредственной оценки

При использовании метода непосредственной оценки вольтметр подключается параллельно тому участку цепи, на котором измеряется напряжение.

 

1.1. 1  Метод преобразования переменного напряжения в угол отклонения с                помощью электростатического измерительного механизма.

                                                                     

                                                                             

 

 

 

Уравнение преобразование:

                                                                                                                      

 

Переменное напряжение  преобразуется  непосредственно в угол отклонения.

Данный метод можно реализовать  при помощи электростатического механизма.

Рассмотрим механизм с изменением емкости вследствие изменения активной площади пластин. Он используется главным образом для создания вольтметров на низкие напряжения (в десятки и сотни вольт). (Рис.1)

                                                               

 

                                                                1- алюминиевые пластины подвижной

                                                                части;

                                                                2 - неподвижная часть состоит из одной

                                                                или  нескольких камер,  (чем больше

                                                                камер тем выше чувствительность 

                                                               прибора);                                                      

                                                                          3 - ось, на которой крепится подвижная часть;

                                                                4 - упругий элемент.

 

 

Рис.1 Электростатический ИМ с изменяющейся активной площадью электродов                 

                                                  

Рассмотрим объемный электростатический механизм. Между неподвижными пластинами 2 может перемещаться подвижная пластина 1, укрепленная на оси 3. При подключении напряжения подвижная и неподвижная пластины получают противоположные заряды и между ними возникает электрическое поле. В результате подвижная пластина втягивается в зазор между неподвижными, создавая вращающий момент, под действием которого перемещается укрепленная на оси указательная стрелка. Противодействующий момент создается спиральной пружиной 4.

 

Уравнение преобразования электростатического прибора имеет вид

                                                                                                            (2)

Характеристики электростатического измерительного механизма:

• Измеряемое напряжение может составлять от 10В до 500 кВ;
• Небольшая предельная погрешность измерений
• Широкий частотный диапазон до 500 МГц;
• Может применятся для измерения в цепях постоянного и переменного тока;
• Малое потребление энергии;
• Независимость показаний от температуры окружающей среды, внешних магнитных полей, частоты измеряемого напряжения;
• Неравномерная шкала ;
• Влияние внешних электрических полей

 

 

1.1.2 Метод косвенного преобразования переменного напряжения в угол

 отклонения с помощью   электродинамического измерительного механизма.

 

 

Уравнение преобразование:

 

                                   

 

В электродинамических измерительных  механизмах элементом подвижной части, участвующим в создании вращающего момента МВР, является рамка (2), намотанная тонким проводом. На осях (3) укреплены подвижные части механизмов. Ось (3) снабжена на концах кернами и может поворачиваться в подпятниках (4). Чтобы увеличить затухание и уменьшить время установления показаний в механизмах применяются специальные устройства - успокоители. В качестве успокоителя применено крыло (12), которое при повороте подвижной части, расходует энергию, перегоняя воздух в камере (13) из одной части в другую. Для включения обмотки подвижной катушки в цепь измеряемого тока используются пружинки или растяжки (9). При наличии тока в обмотках катушек ИМ возникают силы, стремящиеся повернуть подвижную часть так, чтобы магнитные потоки подвижных и неподвижных катушек совпадали.

 

 

Рис.2. Устройство электродинамического механизма.

 

Характеристики электродинамического измерительного механизма:

• высокая точность на переменном токе (класс точности до 0,05).
• Предел основной приведенной погрешности может быть 0,1…0,2 %
• возможность использования в цепях постоянного и переменного тока.
• Частотный диапазон до 20 кГц.
• большое потребление мощности.
• ощутимое влияние внешних магнитных полей.

 

1.1.3 Метод косвенного преобразования переменного напряжения в угол

         отклонения с помощью электромагнитного механизма

Уравнение преобразование:

Данный метод можно реализовать  при помощи электромагнитного механизма. Принцип действия данной системы основан на взаимодействии катушки с ферромагнитным сердечником. Сердечник втягивается в

катушку при любой полярности протекающего по ней тока. Это обусловлено тем, что ферромагнетик располагается в магнитном поле катушки так, что поле усиливается. Следовательно, прибор

электромагнитной системы  может работать на переменном токе. Принцип работы: Катушка (1) на нее наматывается медный провод в ней воздушный зазор, в который входит укрепленный на оси (3) сердечник (2).

При наличии тока в катушке (1) сердечник стремится расположиться в месте с наибольшей концентрацией поля, т.е. втягивается в зазор катушки.

Рис.3. Устройство электромагнитного механизма

 

Характеристики электромагнитного измерительного механизма:

• Простота конструкции
• выдерживает значительные перегрузки
• большое собственное потребление энергии
• низкая точность
• малая чувствительность

 

1.1.4 Метод измерения переменного напряжения осциллографическим методом.

 

Осциллограф является прибором, реагирующим  на изменение напряжения.При использовании осциллографа в качестве амплитудного вольтметра измеряемое переменное напряжение подается на вход Y,

обычно при отключенном генераторе развертки. Электронный луч при  этом будет прочерчивать на экране вертикальную прямую линию, длина которой, при синусоидальном измеряемом сигнале напряжения будет

пропорциональна его удвоенной  амплитуде:

Рис.4 Экран осциллографа

 

Зная чувствительность S_U или коэффициент отклонения луча K₀ можно

определить:

Значения величин S_U и K₀ может быть определено по положению рукоятки

“Чувствительность” осциллографа.

Точность измерения напряжения с помощью осциллографа невелика,

погрешность составляет 5-10% от измеряемой величины.

 

1.1.5 Преобразование переменного напряжения в постоянное

 

Преобразователи переменного напряжения в постоянное (детекторы) можно классифицировать по функции преобразования входного напряжения в выходное:

                                                                    

                                                                      -амплитудные (пиковые)

                                                                      -среднеквадратического

                                                                      -средневыпрямленного значения

 

 

Тип преобразователя - детектора во многом определяет свойства прибора: вольтметры с амплитудными детекторами являются самыми высокочастотными; вольтметры с детекторами среднеквадратического значения позволяют измерять напряжение любой формы; вольтметры средневыпрямленного значения измеряют только гармонические сигналы, но являются самыми простыми и надежными.

  1) Амплитудный детектор (пассивный)

Амплитудный детектор - устройство, напряжение на выходе которого, т.е. на нагрузке, соответствует максимальному (амплитудному) значению измеряемого напряжения  ( Рис.5).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.5 Принципиальная схема.                                  Рис.6  Временные диаграммы.

 

 

Принцип работы:

 

Рассмотрим работу детектора при  подаче на его вход гармонического напряжения. .

На интервалах времени, когда на вход детектора поступает положительная  полуволна, конденсатор С заряжается через диод, сопротивление R₀ которого в открытом состоянии мало. Постоянная времени заряда τ_з =RoC невелика и заряд конденсатора до максимального значения U_m происходит быстро. На интервале действия отрицательной полуволны диод закрыт и конденсатор С медленно разряжается на сопротивлении нагрузки R_н так как оно выбирается достаточно большим (50... 100 МОм).

Постоянная разряда τ_р = R_нC оказывается значительно больше периода Т = 2π/ω входного переменного напряжения. В результате конденсатор останется заряженным до напряжения, близкого к U_C = U_m = U_вых. ( Рис.3)

Чем меньше период исследуемого сигнала (чем выше частота), тем точнее выполняется  равенство U_C = U_m. Этим объясняются высокочастотные свойства детектора.

            

2) Детектор среднего значения

Среднее значение (постоянная составляющая) напряжения равно среднему арифметическому всех мгновенных значений за период:

                                             ,

где T - период напряжения сети

 

 

 

 

 

 

            

           

  

           Рис.7 Принципиальная схема                         Рис.8 Временные диаграммы

 

 

 

В данном примере рассмотрен однополупериодный выпрямитель. В таком выпрямителе ток через нагрузку протекает лишь в течение полупериода, т.к ток через диод протекает лишь в одном направлении. (Рис.7) Для

приведенной схемы преобразователя  постоянное напряжение будет равно Um= , так как преобразователь однополупериодный. Детектор работает в пределах до нескольких десятков МГц, в зависимости от подобранных диодов, погрешность преобразователь высока (3-4%).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3) Детектор действующего значения

Действующее значение напряжения определяется как корень квадратный из среднего квадрата мгновенного значения напряжения за время измерения (или за период):

                              

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                             Рис.9 Активный детектор действующего значения

 

На термопару ТП1 подаем измеряемое напряжение U_x~  в результате этого возникает ток термопары I₁. Происходит выделение тепла Qтп1- это количество тепла, которое выделяется в нагревателе за период T.

Первая термопара выполняет функции квадратора и интегратора, при поступлении на термопару ТП2 напряжения U_{вых ус} возникает ток термопары I₂.

 Происходит выделение тепла  Qтп2 и возникает ЭДС на втором термопреоьразователе.

Термопара является корнеизвлекающим устройством, т.к коэффициент усиления усилителя стремится к бесконечности.

Данная схема работает до частот 200 – 400 МГц с погрешностью измерения менее 1%, ТП необходимо подбирать для каждого случая.

 

 

2. Метод  сравнения

 

1. Компенсационный метод

Принцип действия компенсатора переменного тока заключается в том, что измеряемая ЭДС уравновешивается известным напряжением, создаваемым рабочим током на участке сопротивления рабочей цепи. Для уравновешивания двух напряжений переменного тока необходимо равенство этих напряжений по модулю, противоположность по фазе, равенство частоты и идентичность формы кривой.

Рис. 10. Схема полярно-координатного компенсатора.

Компенсатор снабжен фазорегулятором  ФР, с помощью которого производится изменение фазы компенсирующего напряжения до момента компенсации. Измеряемое напряжение подключается к зажимам Ех. Напряжение определяется по положению указателя движков Дв1 и Дв2 на шкале калиброванной проволоки а - б и магазина сопротивлений б – в. Фаза напряжений на участке рабочей цепи регулируется фазорегулятором ФР, благодаря чему можно добиться практически полного отсутствия тока в

нулевом индикаторе НИ. Отсчет сдвига фазы производится по фазорегулятору. Необходимое значение рабочего тока устанавливается по амперметру А при помощи реостата R. Недостатки метода: Компенсаторы переменного тока по точности измерений значительно уступают компенсаторам постоянного тока. Это

объясняется тем, что не существует меры Э.Д.С. переменного тока, аналогичной нормальному элементу. Рабочий ток в компенсаторах переменного тока приходится устанавливать по приборам ограниченной

точности, обычно по амперметрам в  лучшем случае класса точности 0,05 или 0,1.

 

 

2. Компараторный метод

 

Компаратор – прибор, использующийся для сравнения друг с другом двух величин. С помощью соответствующих компараторов можно измерять переменные токи и напряжения путем сравнения их с постоянным напряжением. Компараторы бывают как одновременного, так и разновременного сравнения. Основным элементом компаратора является преобразователь Пi, выходная величина которого одинакова как при воздействии на вход измеряемой величины переменного напряжения, так и эквивалентного ей по действию постоянного напряжения. В качестве такого преобразователя могут быть использованы электростатические и электродинамические измерительные механизмы, выпрямительные и термоэлектрические преобразователи.

 

 

 

 

 

 

           П - преобразователь

 

В приборах сравнения используются также компараторы, сравнивающие механическое воздействие, создаваемое измеряемой величиной переменного тока, с воздействием постоянного тока, измерение

которого можно осуществлять с  высокой точностью. В электромеханических компараторах сравниваются электромеханические моменты, вызываемые изменением электромагнитной энергией постоянного

и переменного токов, с использованием для создания указанных компараторов моментов измерительных механизмов электростатической  системы. Электромеханические компараторы осуществляются как

компараторы разновременного и  одновременного сравнения. Более совершенным является метод одновременного сравнения, при котором преобразователь реагирует одновременно на измеряемую величину

на переменном токе и эквивалентное  ее значение на постоянном токе. Положение равновесия подвижной части преобразователя при любом конструктивном исполнении и любой системе уравновешивания

определяется равенством нулю суммы  моментов, действующих на подвижную часть.

 

2. Выбор метода измерения

Из рассмотренных методов наиболее простым  на широком диапазоне частот является преобразователь средних значений (ПСЗ). Переменное напряжение преобразуется в постоянное. Такие вольтметры имеют широкий диапазон измерения: от 1мВ и до 1000 В. При этом основная погрешность приходится на ПСЗ.

 

3.Структурная  схема вольтметра переменного тока

П-повторитель

Д-делитель

У-усилитель

ПСЗ-преобразователь средних значений

МЭВ-магнито-электрический вольтметр

4.Градуировка

На входе 1 и 100 мВ,а на выходе 100 делений, тогда общие коэффициенты преобразования определяются из уравнений преобразований

            

 

 

Распределим коэффициенты для первого предела:

1. Повторитель: K_П = 1; ;

2. УПТ: ; ;

3. ПСЗ:  ; γпсз =

4.Магнитоэлектрический вольтметр 

; ;

Распределим коэффициенты для второго предела:

1. Повторитель: K_П = 1; ;

2. Входной делитель: ; ;

3. УПТ: ; ;

4. ПСЗ:  ; γпсз =

5.Магнитоэлектрический вольтметр 

; ;

 

 

 

 

 

4.Выбор и расчет элементов принципиальной схемы.

1) Повторитель.

ПОВТОРИТЕЛЬ  - усилитель электрических  колебаний, охваченный т. н. 100%-ной отрицательной обратной связью, в к-ром выходное напряжение полностью подаётся на вход в противофазе со входным напряжением. Обладает усилением по току и мощности. Обратная связь обеспечивает высокое входное и низкое выходное сопротивление , а также снижает искажения сигнала, обусловленные нелинейностью усилительного прибора.

Требования:

Kп=1

Rвх=1Мом

fmin=20Гц

fmax=200кГц

В качестве ОУ возьмем ОУ К140УД17, электрические параметры которого:

К_У=1, R_Н=2 кОм, Е+/- =3÷18 В

Рис.11 ОУ К140УД17

Рис.12 Принципиальная схема повторителя

 

 

2) Резистивный делитель.

Делитель напряжения — устройство для пропорционального уменьшения постоянного или переменного напряжения.

Требования:

;

;

;

;

.

Теоретически определим необходимые  номиналы резисторов для расчета  данной схемы, определим коэффициенты передачи.

Выбираем входное сопротивление  R_вх равное 1 МОм. Рассчитаем резисторы  R₁ и R₂:

 

Дано:

                      Рис.13 Принципиальная схема делителя напряжения

Коэффициент передачи для предела  :

Рассчитаем коэффициент передачи для предела  :

  

, при  ω = 0

  

              

 

 

 

Выберем номинальные сопротивления  из ряда Е192:

           

                                                                                          

                                   

 

                                                

 

 

Рис. 14 Принципиальная схема делителя  напряжения с добавочными емкостями

 

Комплексный коэффициент передачи: 

         

где,        

Коэффициент передачи на переменном токе имеет частотную погрешность, для того, чтобы избавиться от нее  добавим емкость параллельно  резистору R₂ и рассчитаем ее исходя из условия:

Рассчитаем добавочную емкость  :

 

 Частотная погрешность равна  нулю 

 

 

Расчет погрешности  делителя:

 — допуск резистора.

F — функция влияния.

Общая погрешность определяется по геометрической сумме:

[%].

 

3) Выбор и расчет усилителя напряжения.

Требования:

Ку=222

Uп=5-15В

Iп=2мкА

fp=1MГц

f1= МГц

Рис.15 Усилитель переменного напряжения

 

Для усилителей переменного напряжения необходимы следующие условия:

• высокая частота единичного усиления
• большой коэффициент усиления
• малый входной ток
• высокое быстродействие

Из справочника выбираем операционный усилитель, который максимально  удовлетворяет поставленным условиям. Этим условиям удовлетворяет ОУ К154УД4.