Измерение тока, напряжения, мощности

1.

Измерение тока, напряжения,
мощности.

2.

Постоянный ток
Постоянный
ток
—
электрический
ток,
не
изменяющийся по времени и по
направлению.
За
направление
тока
принимают
направление
движения
положительно
заряженных частиц.
В том случае, если ток
образован движением отрицательно
заряженных частиц, направление
его
считают
противоположным
направлению движения частиц.

3.

Переменный ток
Переменный
ток,
в
отличие
от
тока
постоянного,
непрерывно изменяется как по
величине, так и по направлению,
причем изменения эти происходят
периодически,
т.
е.
точно
повторяются
через
равные
промежутки времени.
Чтобы вызвать в цепи такой
ток,
используются
источники
переменного тока, создающие
переменную ЭДС, периодически
изменяющуюся по величине и
направлению.
Такие источники называются
генераторами
переменного
тока.
Схема простейшего генератора переменного
тока
Построение графика переменной ЭДС

4.

Мощность в цепи постоянного тока
В электрической цепи постоянного тока
зная напряжение на зажимах потребителя
и протекающий ток можем легко
определить потребляемую мощность,
умножив величину тока на напряжение:

5.

В
сети
переменного
тока
различают полную, активную и
реактивную
мощность.

6.

Полная
мощность
в
цепи
переменного
тока
равна
произведению
действующего
значения тока на действующее
значение напряжения (измеряется в
ВА , кВА)

7.

Полная мощность состоит из двух
составляющих – активной Р, и реактивной Q
мощности.
Активная
мощность
это
часть
электрической
энергии
выработанной
генератором, которая безвозвратно преобразуется
в тепловую или в механическую энергию.
Активная мощность измеряется в Вт, кВт
(ватт, киловатт). Активную мощность можно
определить по следующей формуле:

8.

Реактивная мощность накапливается
индуктивностью при возрастании т ока в
цепи.
Реактивная мощность измеряется в Вар,
кВАр (вольт-амперах реактивных, кило вольтамперах реактивных).

9.

1. Параметры напряжения переменного тока
Переменное напряжение имеет синусоидальную форму.
U (t ) U m Sin( t )
Um
Амплитуда Um – наибольшее
мгновенное значение напряжения
за интервал наблюдения или за
период.
Мгновенные значения
напряжения u(t) наблюдают на
экране осциллографа, дисплее
компьютера и определяют для
каждого момента времени.
Ui

10.

1.2 Среднеквадратическое и средневыпрямленное
значение напряжения
Переменное напряжение характеризуется
несколькими параметрами и его уровень
можно определить по амплитудному,
среднеквадратическому, среднему или средневыпрямленному
значениям. Определим некоторые характеристики и параметры
напряжения переменного тока.
Среднее квадратическое (действующее) значение напряжения
есть корень квадратный из среднего квадрата его мгновенного
значения за время измерения (за период):
T
U ск
1
2
U
(t )dt
T 0
U СК 0.707 U m
Средневыпрямленное напряжение определяется как среднее
арифметическое абсолютных мгновенных значений за период:
T
1
Uсв U (t ) dt
T 0
U СВ 0.636 U m

11.

1.3 Постоянная составляющая переменного
напряжения
Среднее значение (постоянная составляющая) напряжения равно
среднему арифметическому всех мгновенных значений за период.
Численно равно алгебраической сумме площадей, образованных
кривой сигнала и осью абсцисс.
T
1
Ucp
U (t ) dt
T 0
U0
U0

12.

2. Приборы для измерения тока и напряжения
Выбор средства измерений
определяется:
• Пределом измерений;
• Частотным диапазоном;
• Классом точности;
• Типом прибора
Для измерения напряжения
или тока необходимо
выбрать прибор с учетом его
диапазона измерений,
частотного диапазона,
класса точности,
потребления мощности из
измерительной цепи,
влияния формы сигнала на
результат измерения

13.

Приборы для измерения тока и
напряжения

14.

•Электронные ИП - сложные устройства, содержащие электронные
компоненты, как активные (электронные лампы, транзисторы, микросхемы),
так и пассивные (резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности).
В
электронных
приборах
используется
большое
количество
преобразователей, выполняющих функции генерирования, усиления,
выпрямления, сравнения, преобразования электрических сигналов из
аналоговой формы в дискретную форму и наоборот.
По характеру и виду измеряемых величин электронные приборы можно
условно объединить в группы:
1. Измерительные генераторы - маломощные источники сигналов;
2. Специальные элементы
фазовращатели);
измерительные
цепей
(ослабители
сигналов,
3. Приборы для измерения значений физических величин, параметров и
характеристик сигналов (электронные осциллографы, вольтметры, фазометры,
анализаторы спектров и др.)
4. Приборы для измерения характеристик и параметров компонент, входящих
в
радиоэлектронные
цепи
(измерители
емкостей
конденсаторов,
индуктивностей катушек, сопротивлений резисторов, добротности контуров и
резонаторов, параметров электронных ламп, полупроводниковых приборов,
интегральных
схем,
амплитудно-частотных
характеристик,
переходных
характеристик).

15.

Электронные ИП по характеру измерения и виду измеряемой величины
делятся на 20 подгрупп:
А – приборы для измерения силы тока;
В – приборы для измерения напряжения;
Е-
параметров и компонентов цепей с сосредоточенными постоянными;
М-
мощности;
Р-
параметров элементов и трактов с распределенными постоянными;
Ч-
частоты и времени;
Ф-
разности фаз и ГВЗ;
С–
формы сигнала и спектра;
Х-
для наблюдения и исследования характеристик радиоустройств;
И-
для импульсных измерений;
П-
напряженности поля и радиопомех;
У – усилители измерительные;
Г – генераторы;
Д – аттенюаторы и приборы для измерения ослаблений;
К – комплексные измерительные установки
Л – для измерения параметров электронных ламп и п/п приборов;
Ш-
электрических и магнитных свойств материалов;
Э – измерительные устройства коаксиальных и волновых трактов;
Я – блоки радиоизмерительных трактов;
Б – источники питания для измерений и радиоизмерительных приборов.

16.

В подгруппах приборы по признакам основной выполняемой
функции разделяются на виды.
СИ, предназначенных для измерения данной ФВ.
Вид СИ – совокупность В 7
В2 – вольтметры постоянного тока
В3 – вольтметры переменного тока
В7 – вольтметры универсальные
Приборы
каждого
вида
по
совокупности
технических
характеристик и очередности разработок разделяются на типы,
которым присваивается порядковый номер модели:
В7 - 27
Тип СИ – совокупность СИ одного и того же назначения,
основанных на одном и том же принципе действия, имеющих
одинаковую конструкцию и изготовленных по одной и той же
технической документации.

17.

Для
модернизированных
приборов
после
цифры,
обозначающей тип, ставятся в алфавитном порядке буквы,
соответствующие очередной модернизации:
В7- 27А
Конструктивная,
но
не
электрическая
модернизация
обозначается цифрой после косой черты:
В7- 27А / 1
Комбинированные приборы: после буквы, обозначающей
подгруппу, стоит буква К.
ФК2 – 18
измерение фазовых сдвигов и параметров
ЧП.
Тропический климат: после обозначения типа ставится
буква Т.

18.

Включение амперметра и вольтметра
в электрическую цепь
Вольтметр подключается
параллельно нагрузке
Амперметр подключается
последовательно с нагрузкой
Шкалы приборов со стрелкой
градуируют
в
значениях
измеряемой
величины
(в
вольтах или амперах).
Сопротивление Вольтметра должно быть большим
Сопротивление Амперметра должно быть малым

19.

Включение амперметра и вольтметра
в электрическую цепь
Сопротивление
вольтметра
RV должно быть большим, чтобы не
искажался
режим
работы
электрической цепи.
Сопротивление
амперметра
RA должно быть очень малым по
сравнению с полным сопротивлением
измеряемой
цепи.
Включение
амперметра не должно искажать режим
работы электрической цепи.
В
качестве
вольтметров
и
амперметров чаще всего применяются
приборы
магнитоэлектрической
системы, работа которых основана на
взаимодействии
поля
постоянного
магнита и поля, создаваемого током в
подвижной рамке, вращающейся в
магнитном поле.

20.

Классификация приборов для измерения тока
Приборы для измерения
силы
тока
образуют
подгруппу
А
—
амперметры.
Внутри этой подгруппы
выделяют:
• амперметры постоянного
тока (А2),
• переменного тока (A3),
• универсальные (А7),
• преобразователи
тока
(А9).
классы точности:
0,05; 0,1; 0,2;
0,5; 1; 1,5; 2,5; 4
и 5

21.

Типовая структурная схема Амперметра постоянного
тока
Состав схемы:
•электромеханический преобразователь
(ЭЛМП);
•измерительный механизм (ИМ);
•стрелочный прибор (СП)

22.

Электромеханический преобразователь предназначен для
преобразования
энергии
электромагнитного
поля
в
механическую энергию.
Измерительный
механизм
неподвижной частей.
состоит
из
подвижной
и
Под
действием
тока,
протекающего
через
обмотку
измерительного механизма за счет взаимодействия магнитных
полей постоянного магнита и тока в рамке создается
вращающий момент, который действует на подвижную часть
ИМ. Под действием механических сил, пропорциональных
значению измеряемой электрической величины, подвижная
часть ИМ отклоняется на некоторый угол.
Стрелочный прибор (указатель) показывает значение
измеряемой величины.

23.

Включение амперметра в электрическую цепь
Стандартное
подключение
амперметра
для измерения
силы тока в
цепи
Измерение силы
тока в цепи с
помощью шунта
Создание
гальванической
развязки с
помощью
измерительного
трансформатора

24.

Расширение пределов измерений амперметров
На постоянном токе – шунты.
Iа
I=
A
Rш
Iш
I ш Rш I а Rа
I Ia Iш
Ra
Rш
n 1
I
n
Ia
Погрешность амперметра с шунтом возрастает из-за неточности
изготовления шунтов и различных ТКС катушки амперметра и
шунта.

25.

При использовании шунтов на переменном токе возникают
дополнительные частотные погрешности ( Rим и Rш по-разному зависят
от частоты ).
На переменном токе - измерительные трансформаторы тока
(особенно для больших токов).
I1
Rн
U~
I2
A
I1н w2
K Iн
I 2 н w1
I1н K Iн I 2 н
I1н; I2н – номинальные токи в первичной и вторичной обмотке
w1; w2 – число витков в первичной и вторичной обмотках

26.

Бесконтактное измерение тока
Для осуществления измерения силы тока без разрыва
схемы существует специальный вид электрических
амперметров под названием токовые клещи. Принцип
действия основан на измерении магнитного поля,
образующегося вокруг проводника с током. Данный
эффект проявляется на переменном напряжении.

27.

Термоэлектрические амперметры
В
термоэлектрических
амперметрах
переменный
ток
преобразуется в постоянный и измеряется с помощью
магнитоэлектрического прибора высокой чувствительности.
А
А
Ia
Ia
Ix ~
Ix ~
A
C
B
A
B
Контактный ТЭ преобразователь Бесконтактный ТЭ преобразователь

28.

Разность температур спая и свободных концов термопары
EТ KТ I
вызывает термо-ЭДС (эффект Зеебека).
2
xCK
Термо-ЭДС пропорциональна количеству теплоты, выделенному
протекающим током, т.е. пропорциональна
квадрату среднеквадратического значения - Iск.
Ток, протекающий через прибор, равен:
S IТ I
SI T
2
xCK
ET
Iа
Ra RT
- чувствительность термоэлектрического амперметра
Источники погрешностей:
• изменение окружающей температуры;
• частотная зависимость сопротивления нагревателя.

29.

Достоинство:
• возможность измерения тока в широком
частотном диапазоне (более 100 МГц) при
погрешности от 2 до 5 %.
Недостатки:
• малая чувствительность;
• неравномерность шкалы;
• зависимость показаний от температуры
окружающей среды;
• недопустимость перегрузок;
• значительная тепловая инерционность

30.

Фотоэлектрические амперметры
Под
действием
измеряемого
тока
Ix
нагревается
нить
измерительной лампы .
Световой
фотоэлементе
поток,
излучаемый
в электрический
магнитоэлектрическим
лампой,
преобразуется
в
ток, усиливается и регистрируется
амперметром,
проградуированным
в
среднеквадратических значениях Iск.
На основе фотоэлектрических амперметров создаются
поверочные установки; создан
гос. специальный
эталон
единицы силы переменного тока.

31.

Достоинства:
• высокая точность благодаря возможности их
градуировки на постоянном токе или токе низкой
частоты
(а применяют на высоких частотах).
Недостатки:
• большие размеры;
• частая градуировка из-за изменения
чувствительности фотоэлемента со временем.

32.

Классификация приборов для измерения напряжения
Приборы для измерения напряжения образуют
подгруппу В – вольтметры.
Среди приборов этой подгруппы выделяют:
• вольтметры постоянного тока (В2),
• переменного тока (ВЗ),
классы точности
• импульсного тока (В4),
0,1; 0,2; 0,5; 1; 1,5;
• фазочувствительные (В5),
2,5; 4; 5; 6; 10; 15
• селективные (В6),
и 25
• универсальные (В7),
• измерители
отношения,
разности
и
нестабильности напряжений (В8),
• преобразователи напряжений (В9).

33.

Аналоговый Вольтметр
Аналоговый электронный вольтметр
— измерительный прибор, представляющий
собой
сочетание
электронного
преобразователя, выполненного на лампах,
полупроводниковых элементах, интегральных микросхемах, и магнитоэлектрического
измерителя.
По
назначению
аналоговые
электронные
вольтметры
различают:
постоянного
тока,
переменного
тока,
импульсного
тока,
фазочувствительные,
селективные, универсальные.
Основное назначение аналоговых
вольтметров — измерение напряжения в
радиоэлектронных цепях.
Электронные
вольтметры
постоянного тока по сравнению с магнитоэлектрическими вольтметрами имеют
очень большое входное сопротивление
(порядка
5—10
МОм)
и
высокую
чувствительность.
Значение
входного
сопротивления
неизменно
при
переключении пределов измерения.

34.

Аналоговые вольтметры постоянного тока
К
аналоговым
вольтметрам
относятся
электромеханические
и
электронные вольтметры, в которых измеряемое напряжение преобразуется в
пропорциональное значение постоянного тока, измеряемое МЭ приборами.
Обобщенная структурная схема аналогового вольтметра
прямого преобразования:
Ux
ВУ
ИП
ВУ - входное устройство (в простейшем случае
аттенюатор);
ИП - измерительный преобразователь
ИУ – индикаторное устройство
ИУ

35.

Для вольтметра постоянного тока :
Ux=
ВУ
ИП = УПТ.
УПТ
МЭИМ
Угол отклонения указателя измерительного механизма:
K ВУ KУПТ SU U x
KV U x
KВУ ; KУПТ - коэффициенты преобразования входного устройства и
УПТ,
SU
–
чувствительность по напряжению измерительного
механизма;
Kv – коэффициент преобразования электронного вольтметра.
Ux – измеряемое напряжение.
Шкала вольтметра постоянного тока - равномерная

36.

В
высокочувствительных
вольтметрах
постоянного
тока
(микровольтметрах) применяют усилители, построенные по схеме
модулятор – демодулятор (М – ДМ).
Структурная схема:
Ux=
Модулятор
УПТ
Демодулятор
МЭИМ
МЭИМ
Генератор
Uвых = Uср =k·Ux
Такая схема позволяет практически полностью убрать
дрейф
нуля
и
имеет
стабильный
высокий
коэффициент
усиления.
Верхний предел измерений у микровольтметров при
наибольшей чувствительности единицы микровольт при
основной приведенной погрешности γ= 0,5 – 6 %.

37.

Аналоговые электронные вольтметры переменного тока
Аналоговые вольтметры переменного тока могут строиться по схеме
детектор усилитель рисунок 1 либо по схеме усилитель детектор
рисунок 2.
UВх
Входное
устройство
УПТ
=
Измерительный
механизм
α
Рисунок 1
Вольтметры, собранные по схеме детектор усилитель (1),
характеризуются более широким частотным диапазоном 20Гц700МГц, но недостаточной чувствительностью
UВх
Входное
устройство
Измерительный
механизм
α
Рисунок 2
Вольтметры, собранные по схеме усилитель-детектор (2), имеют
более высокую чувствительность но менее широкий частотный
диапазон (1 -10 МГц).

38.

Микровольтметры и милливольтметры
Милливольтметр В3-36
Милливольтметр В4-12 предназначен
для измерения амплитудных значений
напряжений видеоимпульсов и
амплитудных значений напряжений
переменного тока
Микровольтметр селективный
В6-9 предназначен для
измерения среднеквадратических значений малых
синусоидальных напряжений.

39.

5.2. Схемы вольтметров
UВх
UВх
Входное
устройство
Входное
устройство
УПТ
=
Измерительный
механизм
Измерительный
механизм
α
α

40.

Схема транзисторного вольтметра типа «усилитель - детектор».

41.

Обобщенная структурная схема вольтметра переменного
тока
Входное
устройство
Делитель
напряжения
Усилитель
детектор
Измерительный
механизм
• Входное устройство – обеспечивает
большое входное сопротивление прибора,
чтобы включение вольтметра не изменяло
режим работы цепи. Обычно входное
устройство содержит входной делитель и
преобразователь импеданса.
• Делитель напряжения – Служит для
расширения пределов измерения, что
позволяет уменьшить погрешность
измерения.
• Усилитель переменного тока – Служит
для увеличения чувствительности прибора.
• Детектор – Преобразует переменное
напряжение в постоянное. Название
вольтметра определяется типом
используемого преобразователя.
• Измеритель – Измерительный механизм
магнитоэлектрической системы.

42.

Структурная схема вольтметра переменного тока
К=1
u
U/n
Структурная схема
вольтметра В3-38
Структурная схема
вольтметра В3-57

43.

Входное устройство
Входное
устройство
Делитель
напряжения
К=1
Усилитель
детектор
Измерительный
механизм
•Входное устройство – обеспечивает
большое входное сопротивление
прибора, для того чтобы включение
вольтметра не изменяло режим работы
цепи. Обычно входное устройство
содержит входной делитель и
преобразователь импеданса.

44.

Делитель напряжения
Входное
устройство
Делитель
напряжения
Усилитель
U
U/n
детектор
Измерительный
механизм
Делитель напряжения – Служит
для расширения пределов
измерения, что позволяет
уменьшить погрешность
измерения.
R1
R2
N
R1 R2
UВх
R2
UВых

45.

Схемы делителей напряжения
а) Резистивный
делитель
б) Емкостной
делитель
г) Делитель
ступенчатого типа
в) Делитель с корректирующими элементами

46.

Структурная схема вольтметра В3-38

47.

Изменение пределов измерения
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9 10
0
1
2
3
4
5
6
7
8
1В
10 В
9 10

48.

Усилитель переменного тока
Входное
устройство
Делитель
напряжения
Усилитель
детектор
Измерительный
механизм
Усилитель переменного тока – Служит для
увеличения чувствительности прибора.

49.

Детектор
Входное
устройство
Делитель
напряжения
Усилитель
детектор
Измерительный
механизм
•Детектор – Преобразует переменное
напряжение в постоянное. Название
вольтметра определяется типом используемого
преобразователя.

50.

Измерительный механизм
Входное
устройство
Делитель
напряжения
Усилитель
детектор
Измерительный
механизм
Измеритель – Измерительный механизм
различных систем. Самый распространённыйМагнитоэлектрический механизм
Измерительный механизм магнитоэлектрической
системы обеспечивает более высокую точность
измерений, но позволяет измерять только
напряжение постоянного тока.

51.

52.

Аналоговые вольтметры сравнения
Электронные аналоговые вольтметры сравнения в основном
реализуют нулевой метод (компенсационные вольтметры).
В момент компенсации они не потребляют мощности от
источника питания
, т.е. с их помощью можно измерять э.д.с.
маломощных источников питания.
В компенсационных вольтметрах измеряемое напряжение
(постоянное, переменное или импульсное) сравнивается с постоянным
компенсирующим напряжением, которое является мерой.
VD
ВУ
Типовая структурная схема
аналогового вольтметра сравнения:
У
И
R
Eк
V=

53.

Селективные вольтметры
Селективные вольтметры находят широкое применение для
исследования спектра периодических сигналов, определения спектральной
плотности шумов, коэффициентов нелинейных искажений и т.п.
Они
представляют
собой
высокочувствительные
приёмники
гетеродинного типа с возможностью настройки на определённую частоту
исследуемого сигнала. Способность измерительных приборов выделять,
селектировать
подлежащую
измерению
частотную
составляющую
исследуемого сигнала легла в основу их названия.
Измерительный
прибор
состоит
из
входного
устройства,
осуществляющего согласование исследуемых цепей с цепями устройства,
генератора синусоидальных колебаний с регулируемой частотой –
гетеродина, смесителя, усилителя промежуточной частоты – УПЧ,
измерительного
преобразователя
–
выходного
вольтметра
V,
и
калибровочного генератора.

54.

Принцип
работы
прибора.
На
частотной диаграмме а изображены огибающая
частотного
спектра
исследуемого
входного
сигнала Uсигн и выбранная частота гетеродина
прибора fгет.
Оба этих сигнала поступают на входы
смесителя прибора. Напомним, что являясь
нелинейным устройством, смеситель преобразует
поступающие сигналы в сигналы, так называемой, промежуточной частоты fпр=fгет±fс (см.
рис. б; на рисунке изображена только одна
составляющая
выходного
сигнала
смесителя: fпр=fгет-fс).
Другими
словами,
смеситель
«переносит» спектр входного сигнала в диапазон
промежуточной частоты fпр (см. рис. б). При этом
в зависимости от установленного значения
частоты гетеродина fгет огибающая спектра
входного сигнала занимает то или иное
положение на оси частот относительно fпр
С выхода смесителя сигнал поступает на усилитель промежуточной частоты УПЧ.
Амплитудно-частотная характеристика усилителя промежуточной частоты изображена на
рисунке г. Как видно из рисунков а, б и в, УПЧ «вырезает» из спектра входного сигнала
составляющие, попавшие в полосу его пропускания ∆fУПЧ, усиливает соответствующие
сигналы и подаёт их на вход измерительного преобразователя.
Градуировка выходного вольтметра производится в действующих значениях
напряжения синусоидальной формы. Вследствие узкой полосы пропускания УПЧ (в
реальных приборах она обычно составляет единицы кГц), иные гармонические
составляющие исследуемого сигнала, нежели выделенная, не оказывают влияния на отсчёт
по основной шкале. Для измерения уровня различных гармонических составляющих
частотного спектра исследуемого сигнала частота гетеродина прибора изменяется
оператором вручную.

55.

Селективный вольтметр
Микровольтметр селективный В6-9 предназначен для измерения
среднеквадратических значений малых синусоидальных
напряжений.

56.

Структурная схема вольтметра с условными
обозначениями
Вольтметр В3-38
Вольтметр В3-40
Вольтметры В3-38 и В3-40 имеют разные типы детекторов.
Вольтметр В3-38 имеет детектор средневыпрямленных значений;
Вольтметр В3-40 имеет детектор среднеквадратичных значений.

57.

4. Детектор средневыпрямленных значений
R
U(t)
U(t)
VD1
VD2
ФНЧ
R2
t
t
V
Схема
однополупериодного
выпрямителя
В некоторых простых приборах
применяется однополупериодное
выпрямление
U 0.318 U
СВ
U(t)
U(t)
t
t
Схема двухполупериодного
выпрямителя
m
В двухполупериодной схеме
выпрямителя ток проходит через
измерительный механизм в обе
половины периода. U
0.636 U
СВ
m

58.

Вольтметры средневыпрямленного напряжения
Выполняются по выпрямительной схеме с двухполупериодным
выпрямлением (как и амперметры).
Шкала
вольтметра
градуируется
в
СК
значениях
синусоидального напряжения. При измерениях напряжения
несинусоидальной формы пользуются соотношением:
UV
UV
U СВ
K ф sin 1,11
UV
U СК K U СВ K
1,11
'
ф
'
ф
Достоинства:
1. Высокая чувствительность (за счет усиления U ~ )
2. Полоса пропускания до 10 МГц;
3. При измерении напряжений с малым уровнем гармонических
составляющих – сравнительно небольшие погрешности.

59.

Вольтметр В3-38

60.

Детектор среднего квадратичного значения
Детектор среднеквадратического значения (СКЗ) – это
измерительный
преобразователь
переменного
напряжения
в
постоянное, пропорциональное квадрату СКЗ переменного напряжения.
Измерение СКЗ напряжения связано с выполнением квадрирования,
усреднения и извлечением квадратного корня.
Первые операции осуществляются детектором, а операция
извлечения корня должна осуществляться градуировкой аналогового
измерительного прибора, подключаемого к выходу детектора СКЗ.
Таким образом, детектор СКЗ должен иметь квадратичную функцию
преобразования,
а
сам
нелинейный
элемент
квадратичную
вольтамперную характеристику.
Коэффициент
преобразования
детектора по
току Кд=I/U2, где I–
среднее значение
тока на выходе
преобразователя; U–
СКЗ входного
напряжения.

61.

Детектор среднего квадратического значения
В
качестве
детектора,
нелинейного
элемента
имеющего
квадратичную
вольтамперную
характеристику (ΒΑΧ), можно, например,
использовать начальный участок ΒΑΧ
полупроводникового
диода.
Полупроводниковые
диоды
имеют
большой разброс параметров на этом
участке характеристики. Поэтому большее
распространение получили детекторы на
основе диодной цепочки. Такая цепочка
позволяет получить квадратичную ΒΑΧ в
результате
кусочно-линейной
аппроксимации параболической кривой
Реальная характеристика

62.

5. Термопреобразователь
Тн1
Uиз
УПТ
Тп1
+Е
- 1
Е2
- +
Тп2
Тн2
И
Термоэлектрический
преобразователь
среднеквадратичных
значений содержит два
термонагревателя и две
термопары выполняемых в
микромодульном
исполнении.
На подогреватель первого термопреобразователя Тн1
подается измеряемое напряжение UИз, а на подогреватель второго
термопреобразователя Тн2 подается напряжение постоянного тока
обратной связи. Термопары включены встречно на входе
дифференциального усилителя.
Постоянное выходное напряжение прямо пропорционально
среднемуквадратическому значению напряжения, которое показывает
вольтметр

63.

Основная погрешность вольтметра СК значения напряжения
зависит от неидентичности параметров ТП и увеличивается с их
старением до 2,5 – 6 %.
Достоинство:
Такие вольтметры обеспечивают измерение сигналов, имеющих
большое количество гармонических составляющих.
Недостаток:
Сравнительно большое время измерения (1 - 3 с), определяемое
инерционностью термопреобразователей.
Показания вольтметров среднеквадратического значения не
зависят от формы измеряемого напряжения. Соответствуют
значению Uск при всех формах сигнала.

64.

Вольтметр В3-40

65.

6. Детекторы амплитудных значений
Высокочастотный вольтметр В3-52/1М

66.

Детекторы амплитудных значений
VD
Uвх
C
R
Rф
C
Cф
Uвых Uвх VD
Детектор амплитудных
значений
с открытым входом
Rф
R
Cф
Детектор амплитудных
значений
с закрытым входом
Uвых

67.

Амплитудный детектор с открытым входом
VD
Uвх
Rф
C
R
Cф
В моменты когда диод VD
закрыт конденсатор
разряжается через
сопротивление нагрузки R
Принцип работы пикового детектора
заключается в заряде конденсатора
UвыхС через диод VD до максимального
(пикового) значения Ux~, которое
затем запоминается, если постоянная
времени разряда С (через R)
значительно превышает постоянную
времени заряда.

68.

Амплитудный детектор с закрытым входом
Uвx
Uвых
Uвых =Um
Ud
UcP = Um
В схеме с закрытым входом
заряд конденсатора происходит
через малое сопротивление
диода
и
внутреннее
сопротивление
источника
напряжения.
Разряд
конденсатора происходит через
большое сопротивление R и
внутреннее
сопротивление
источника напряжения.
U вх U m sin t , U вых U m
U d U вх U вых U m sin t U m .
Устройства, включенные за сопротивлением R, выделяют постоянную
составляющую напряжения, равную Umax

69.

За
счет пикового
детектора
вольтметр
измеряет
пиковое (амплитудное) значение при любой форме сигнала.
Шкалы
преобразователями
вольтметров
с
градуируются
амплитудными
в
СК
значениях
напряжения синусоидальной формы.
Амплитудное значение измеряемого напряжения
несинусоидальной формы равно:
Um = Kasin · UV = 1,41 ·UV
UСК = Um / Ka’ = 1,41 ·UV / Ka’

70.

Достоинства вольтметров амплитудного значения :
Широкий частотный диапазон, который может быть
расширен до 1 ГГц;
Недостатки:
1. Сравнительно невысокая чувствительность ( ≈ 0,01
дел / мВ)
2.
Увеличение
напряжений
с
составляющих
погрешностей
большим
при
уровнем
измерениях
гармонических

71.

Ваттметр
Электрическую мощность измеряют ваттметрами
электродинамической или ферродинамической системы.
В ваттметре две цепи измерения: тока (неподвижная
катушка) и напряжения (подвижная катушка) с добавочным
сопротивлением.
Стрелка прибора поворачивается пропорционально
произведению токов I * Iu и косинуса угла сдвига фаз между
ними. Для правильного подключения выводы обмоток помечают
звездочками. Эти выводы подключают к источнику энергии.

72.

Градуировка вольтметров
Одним из важных практических аспектов использования
вольтметров является их градуировка. Градуировка – установление
зависимости отклонения стрелки индикатора от напряжения, поданного
на вход прибора.
Все вольтметры переменного тока не зависимо от типа
детектора
градуируются
в
среднеквадратических
значениях
синусоидального напряжения.
Для градуировки шкалы вольтметра средневыпрямленных
значений используют коэффициент формы. Для нанесения делений на
шкалу вольтметра амплитудных значений используют коэффициент
амплитуды.
Коэффициент формы
определяется:
Коэффициент амплитуды
определяется:
U Ск U m 0.707
KФ
1.11
U Св U m 0.637
Um
Um
KA
1.41
U Ск U m 0.707

73.

Градуировкой называется процесс нанесения отметок на шкалы
средств измерений, а также определение значений измеряемой
величины, соответствующих уже нанесенным отметкам для составления
градуировочных кривых или таблиц.
Различают следующие способы градуировки:
1. Использование типовых шкал. Для подавляющего большинства
рабочих и многих образцовых приборов используют типовые шкалы,
которые изготовляются заранее в соответствии с уравнением статической
характеристики идеального прибора. При регулировке параметрам
элементов прибора экспериментально придают такие значения, при
которых погрешность в точках регулировки становится равной нулю.
2. Индивидуальная градуировка шкал. Индивидуальную градуировку
шкал осуществляют в тех случаях, когда статическая характеристика
прибора нелинейная или близка к линейной, но характер изменения
систематической погрешности в диапазоне измерения случайным
образом меняется от прибора к прибору данного типа так, что
регулировка не позволяет уменьшить основную погрешность до пределов
ее допускаемых значений.
3. Градуировка условной шкалы. Условной называется шкала,
снабженная
некоторыми
условными
равномерно
нанесенными
делениями, например через миллиметр или угловой градус. В результате
определяют зависимость числа делений шкалы, пройденных указателем
от значений измеряемой величины. Эту зависимость представляют в виде
таблицы или графика.

74.

Калибровка – это способ поверки измерительных средств,
заключающийся в сравнении различных мер, их сочетаний или отметок
шкал в различных комбинациях и вычислении по результатам сравнений
значений отдельных мер или отметок шкалы исходя из известного
значения одной из них.
Следует отметить, что в ряде методик поверки предусматривается
получение данных о действительных значениях метрологических
характеристик СИ, а далее – сопоставление этих данных с
установленными техническими требованиями, т. е. в поверке на
определенном этапе проводится калибровка; такая методика поверки
приемлема для использования в калибровке. В ряде методик
подтверждение соответствия требованиям осуществляется без фиксации
действительных
значений
метрологических
характеристик,
такие
методики нуждаются в некоторых дополнениях. Естественно, что
используемые для калибровки эталоны должны иметь подтверждение
соответствия
своих
метрологических
характеристик
в
четком
соответствии с государственным регламентом.
Результаты калибровки средств измерений удостоверяются
калибровочным знаком, наносимым на средства измерений, или
сертификатом о калибровке, в котором в обязательном порядке
указываются действительные значения метрологических характеристик,
а также записью в эксплуатационных документах.

75.

Показания вольтметров в зависимости от типа
1. Определим показания вольтметра среднеквадратичных значений
Показания вольтметра среднеквадратичных значений равны
AСк U Ск
2. Определим показания вольтметра средневыпрямленных значений
Показания вольтметра средневыпрямленных значений равны
AСв U Св К ф
3. Определим показания вольтметра амплитудных значений
Показания вольтметра амплитудных значений равны
Um
Am
KA

76.

Синусоидальное напряжение (рис. 2,а),
при двухполупериодном выпрямлении
(рис. 2,б)
однополупериодном выпрямлении (рис.
2,в)
Меандр (рис. 2,г), двуполярный меандр
(рис. 2,д)
Последовательность прямоугольных
импульсов (рис. 2,е)
Пилообразный сигнал (рис. 2,ж,з)
Треугольная форма (рис. 2,и), в том
числе и двухполярная треугольная (рис.
2,к).
Q-скважность
Q
T
В таблице приведены
коэффициенты формы и
амплитуды для рассмотренных
сигналов.

77.

Зависимость показаний вольтметра от типа детектора
T
1
Uсв
U (t ) dt
T 0
T
Uск
1
2
U
(t ) dt
T 0

78.

Определим показания вольтметров имеющих разные типы детекторов
при измерении синусоидального напряжения с амплитудой Um = 10 В
Дано:
Um = 10 В Найти: AСк, AСв, Am
Решение:
1. Определим показания вольтметра среднеквадратических значений.
AСк U Ск U m 0.707 10 0.707 7.07( В )
2. Определим показания вольтметра средневыпрямленных значений.
AСв U Св KФ U m 0.637 KФ
AСв 10 0.637 1.11 7.07( В)
3. Определим показания вольтметра амплитудных значений.
Am
Um
10
7.07( В )
K A 1.41
При измерении синусоидального напряжения все вольтметры не
зависимо от типа детектора покажут одно и тоже напряжение.

79.

Определим показания вольтметров, имеющих разные типы детекторов при
измерении пилообразного напряжения с амплитудой Um = 1 В.
Дано: Um = 1 В
Найти Аск, Асв, Аm
Решение:
•Определим показания вольтметра среднеквадратических значений.
AСк U Ск
Um
1
0.5847
3 1.71
•Определим показания вольтметра средневыпрямленных значений.
U
AСв U Св KФ m KФ
2
AСв
1
1.11 0.555
2
•Определим показания вольтметра амплитудных значений.
Um
10
Am
5.78( В)
K A 1.73
При измерении импульсных напряжений вольтметры, имеющие разные типы
детекторов покажут разные значения напряжения, что будет являться погрешностью
формы. Для устранения такой погрешности необходимо для проведения измерений
использовать вольтметр среднеквадратических значений либо осциллограф, позволяющий
определить амплитуду сигнала.

80.

Погрешности при измерении не синусоидальных
напряжений

81.

Задача
Какие значения напряжения покажут вольтметры среднего
квадратического, средневыпрямленного и амплитудных значений
при измерении синусоидального, пилообразного и импульсного
сигнала(последовательности импульсов).