Вольтметр переменного тока. 2

Технические характеристики прибора 

1. Диапазон  измеряемых напряжений от 500мВ до 100В, перекрывается пределом 10В;
2. Диапазон частот, измеряемых прибором переменных напряжений от 20 Гц до 1 МГц;
3. Нормальные условия эксплуатации прибора являются:
1. температура окружающего воздуха 293±5К (+20±5^оС);
2. Относительная влажность 65±15% при температуре воздуха 293±5К (+20±5^оС);
3. Атмосферное давление 10⁶ ±4*10³Н/м² (750±30мм.рт.ст.).
4. Рабочие условия эксплуатации:
1. Температура окружающего воздуха от 283 до 308К (от +10 до +35^оС);
2. Относительная влажность воздуха до 80% при температуре 293К (+20^оС);
3. Атмосферное давление 10⁶±4*10³Н/м² (750±30мм.рт.ст.);
4. Питание прибора от сети переменного тока напряжения 220В±10% частотой 50Гц±1%.

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение

Вольтметры  переменного тока 

  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.

     В этих вольтметрах измеряемое напряжение преобразуется в постоянное напряжение, пропорциональное либо среднему, либо амплитудному, либо действующему (эффективному) 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.

      В зависимости от характеристики преобразования переменного напряжения в постоянное вольтметры можно разделить на измеряющие средневыпрямленные, среднеквадратические и амплитудные значения напряжений, поэтому напомним основные параметры переменных сигналов.

      Параметры переменных сигналов. Напряжение переменного  тока характеризуется средним, амплитудным, среднеквадратическим (называемым также действующим или эффективным) и   средневыпрямленным значениями.

      Для напряжения переменного электрического сигнала существуют те же характеризующие  значения, что и для тока, - амплитудное  Uампл , среднее Uср и эффективное Uэф. Связь между ними такая же. При эффективном напряжении сети 220 В амплитудное напряжение составляет 311 В, средневыпрямленное - 198 В.

     Среднее значение переменного тока - это  значение такого постоянного тока, который переносит такой же заряд  электричества за тот же промежуток времени, что и переменный ток. Для переменного тока, форма которого симметрична относительно оси времени (например, синусоидальный сигнал) среднее значение тока равно нулю. Поэтому обычно под средним значением понимают средневыпрямленное, т. е. среднее значение тока после его выпрямления. Среднее значение тока характеризует его действие, например, при зарядке аккумулятора.

     Графически  среднее значение переменного тока - это площадь под кривой, характеризующей  зависимость тока от времени. Эффективное значение соответствует квадратному корню из площади под кривой, описывающей зависимость квадрата тока от времени.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Глава I

Методы  измерения

    Метод измерения – это совокупность приемов использования принципов  и средств измерений.

    Различают следующие разновидности методов:

    I. Метод непосредственной оценки, когда значение измеряемой величины определяют непосредственно по отчетному устройству измерительного прибора прямого преобразования, шкала которого градуирована с помощью многозначной меры, воспроизводящей известные значения измеряемой величины.

    II. Метод преобразования переменного напряжения в постоянное.

    III. Метод сравнения – это метод, при котором измеряемая величина сравнивается с величиной, воспроизводимой мерой. В приборах для измерения напряжения постоянного тока широкое распространение получили следующие методы сравнения: компенсации и дифференциальный. 

    I. Измерение напряжения  переменного тока  методом непосредственной оценки

    При использовании метода непосредственной оценки вольтметр подключается параллельно тому участку цепи, на котором измеряется напряжение. Для уменьшения методической погрешности измерения напряжения мощность потребления вольтметра должна быть мала, а его входное сопротивление велико (Rv→∞). Поэтому в радиотехнических схемах при измерении в маломощных цепях предпочтительно использование электронных вольтметров.

1.Метод преобразования напряжения в угол отклонения:

           Электромеханические измерительные приборы применяют для измерения тока, напряжения, мощности, сопротивлений и других электрических величин на постоянном и переменном токах преимущественно промышленной частоты 50 Гц.

    Электромеханические приборы бывают: - магнитоэлектрические

                                                                              -электродинамические

                                                                              -электромагнитные

                                                                              -электростатические

    Электродинамические измерительные приборы применяются для измерения переменных токов до 10 А, переменных напряжений до 600 В и мощности  от долей вата до нескольких киловатт, как на постоянном  так и на переменном токе промышленных частот (50т, 400Гц).

      Электромагнитные измерительные приборы применяют как измерители тока в цепях переменного тока промышленной частоты, в качестве щитовых приборов классов 1,0 и 1,5 и лабораторных классов 0,5 и 1,0. использование их в цепях повышенной и высокой частоты недопустимо из-за больших дополнительных частотных погрешностей.

    Электростатические измерительные приборы измеряют среднее квадратическое значение напряжения. Эти приборы по принципу действия механизма являются вольтметрами. Достоинства электростатических приборов: широкий частотный диапазон (до 30 МГц) и малая мощность, потребляемая из измерительной цепи. принцип действия электростатического механизма основан на взаимодействии электрически заряженных проводников.

.Магнитоэлектрические измерительные приборы применяются для измерения постоянных токов и напряжений

        Для преобразования переменного напряжения в угол отклонения могут использоваться: - электростатические,

                           -электродинамические,

                            -электромагнитные   механизмы.

     1.1  Метод преобразования  переменного напряжения с

     использованием  электростатического  механизма

 Структурная  схема реализующая данный метод:

 
 

     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.

 
 

      Вращающий момент возникает в результате взаимодействия двух систем заряженных проводников, одна из которых является подвижной. Отклонение подвижной части связано с изменением емкости.

      Если  к подвижным пластинам (1) жестко укрепленных на оси (3) и неподвижным  пластинам (2) подвести измеряемое напряжение, то они окажутся заряженными противоположными по знаку зарядами, в результате чего под действием электростатических сил притяжения подвижные пластины будут стремиться войти внутрь камер. Это вызовет закручивание упругих элементов (4), создающих противодействующий момент. При равенстве  вращающего и противодействующего  моментов подвижная часть остановится, и по положению указателя на шкале (5) можно будет определить измеряемое напряжение.

      Выражение для угла отклонения  подвижной части электростатического  измерительного механизма может быть получено на основании следующих рассуждений.

     - энергия электрического поля  системы заряженных тел.

    На  основании выражения для вращающего момента получим:

    

    Если  противодействующий момент создается  при помощи упругих элементов, то для режима установившегося равновесия

    

, откуда

    

 

Где:  W- удельный противодействующий момент

    U - напряжение приложенное к системе

    С - емкость системы заряженных тел

Достоинства.

    Существенными достоинствами электростатических ИМ являются весьма высокое сопротивление и, следовательно, ничтожно малое потребление энергии, данные механизмы используются для измерения напряжений в широком диапазоне частот (20Гц – 30МГц) в маломощных цепях, а также в цепях высокого напряжения для измерения напряжений до десятков и сотен киловольт без применения добавочных сопротивлений, потребляющих большую мощность. По точности эти приборы соответствуют чаще всего классам 1,0-1,5-2,5. Однако они могут быть выполнены и очень точными - класса 0,1 и даже 0,05.

Недостатки.

Недостатком электростатических ИМ является малая  чувствительность.  

1.2 Метод измерения  переменного напряжения  с использованием  электромагнитного механизма

    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. (Рис.2)

    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.

При этом закручиваются пружинки (9), следовательно, возникает противодействующий момент. Для успокоения движения подвижной части применяют воздушные успокоители, он состоит из камеры (13) и крыла (12) . 
 
 
 
 

6 - шкала прибора;

5 – стрелка - указатель;

7 - упор (предназначен, чтобы уберечь истрелку от повреждений);

Выражение для угла отклонения можно записать на следующем основании: 
 
 

Рис.2 Электромагнитный  ИМ

      - электромагнитная энергия катушки,  по обмотке которой  протекает ток.

     Выражение для вращающего момента будет:

     

     Если  противодействующий момент создается с помощью упругих элементов, то для режима установившегося отклонения

, откуда  

где , L-индуктивность катушки;   

         W-удельный противодействующий момент.

     На  практике применяют амперметры (ЭМС) с пределами измерения от долей ампера до 200 А, и вольтметры - от долей вольта до сотен вольт. Также приборы ЭМС используют в качестве щитовых приборов классов 1,0 и 1,5 и лабораторных классов 0,5 и 1,0. В некоторых случаях они  используются для измерений на повышенных частотах: амперметры до 8000 Гц, вольтметры до 400 Гц.

Достоинства

     Простота конструкции, способность  выдерживать значительные перегрузки, возможность градуировки приборов, предназначенных для измерений  в цепях переменного тока, на постоянном токе. 
 

Недостатки

    К недостаткам приборов данной системы  можно отнести большое собственное  потребление энергии, невысокую  точность , малую чувствительность и сильное влияние внешних  магнитных полей. 

1.3  Метод преобразования  переменного напряжения с

     использованием электродинамического механизма

Структурная схема реализующая данный метод

       
 

     Для использования данного метода, для  начала нужно преобразовать переменное напряжение в постоянное, а затем  постоянное напряжение  в ток, что  показывает структурная схема.

    Данный измерительный механизм  содержит две измерительные катушки:  неподвижную и подвижную.(Рис.3) Принцип  действия основан на взаимодействии  катушек, электромагнитные поля  которых взаимодействуют друг  с другом.

 В ЭД  измерительных механизмах элементом подвижной части, участвующим в создании вращающего момента М_вр, 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. 

Рис.3 Электродинамический  ИМ 

      В электродинамическом ИМ, 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.

   Определим вращающий момент  электродинамического ИМ.

   

- электромагнитная          энергия двух контуров с токами, где L1 и L2 – индуктивности неподвижных и подвижных катушек;  М 1,2- взаимная индуктивность между ними

   Индуктивности катушек не зависят от угла поворота, поэтому

Мвр-  вращающий  момент;

I1 - ток через  неподвижную катушку; 

I2 - ток через подвижную катушку;

 θ - фазовый  сдвиг между синусоидальными  токами.                    

 М - коэффициент  взаимной индуктивности катушек. 

Если противодействующий момент создается с помощью упругих  элементов, то для режима установившегося  отклонения

,

   откуда  выражение для угла отклонения  выглядит:

             На основе электродинамического  механизма в зависимости от  схемы соединения обмоток могут  выполняться вольтметры, амперметры, ваттметры. 

     Достоинства

     Достоинством  электродинамических вольтметров  и амперметров является высокая  точность на переменном токе. Предел основной приведенной погрешности может  быть 0,1…0,2 %, что является наилучшим  достижимым показателем для измерительных  приборов переменного тока. По другим показателям электродинамические приборы близки к электромагнитным. Электродинамические приборы используются как образцовые лабораторные измерительные приборы.  
 
 

1.4 Метод косвенного  преобразования переменного  напряжения с    использованием магнитоэлектрического механизма

      Для использования данного метода, для  начала нужно преобразовать переменное напряжение в постоянное, а затем  постоянное напряжение  в ток, только после этого можно преобразовывать  в α , что показывает структурная  схема.

 
 

      Данный  метод реализуется при помощи магнитоэлектрического механизма.

 В этой системе измерительный  механизм состоит из проволочной  рамки с протекающим в ней  током, помещенной в поле постоянного  магнита (магнитопровода). (Рис.4)  

Поле  в зазоре, где находится рамка, равномерно, за счет особой конфигурации магнитопровода.

Подвижная часть МЭ измерительного механизма укреплена на двух растяжках (3). С подвижной частью жестко связана стрелка (5), которая при повороте подвижной части перемещается над неподвижно укрепленной шкалой(6).

       

     На  шкале установлены упоры 7, чтобы уберечь стрелку и подвижную часть от повреждений. При протекании по обмотке рамки тока возникают силы, стремящиеся повернуть рамку так, чтобы магнитные потоки совпадали.

     При равенстве вращающего и противодействующего  моментов подвижная часть останавливается.

   Для получения зависимости между углом отклонения и током в рамке используем уравнение:

                                                 (1),

Где   Ф- поток, сцепляющейся с обмоткой рамки;

    I- ток в обмотке рамки

    

, где

    r- радиус рамки относительно оси вращения;

    l- длина рамки

    α- угол отклонения рамки от нейтрального положения

    ω- число витков обмотки

    S- площадь катушки.

    Подставив Ф в формулу (1), и дифференцируя его, получим

    

   Т. к.противодействующий  момент создается с помощью  упругих элементов, то для режима  установившегося отклонения:

          , откуда                 

Где: B – индукция в воздушном зазоре.

    S – площадь катушки.

    W – удельный противодействующий момент.

      U_X  – измеряемое напряжение.

    ω – число витков обмотки рамки.

    На  основе магнитоэлектрического механизма  создаются вольтметры, амперметры, миллиамперметры и другие измерительные приборы, и их структурное построение главным образом определяется измерительной схемой.

Достоинства

     Измерительные приборы магнитоэлектрической системы  имеют достаточно высокую точность, сравнительно малое потребление  энергии из измерительной цепи, высокую чувствительность, но работают лишь на постоянном токе. Класс точности 0,05…0,5. 

II. Преобразование переменного напряжения в постоянное. 

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

-амплитудные (пиковые)

     -среднего квадратического

     -средневыпрямленного значения.

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

2.1 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.6)

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

2.2 Детектор среднего значения

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

             T-период напряжения сети