Меню

Вспомогательным параметром фв при измерении электрического напряжения переменного тока является

Лекции / Конспект лекций / метр лекц 2

Лекция 2

Продолжение раздела 1 «Основные метрологические понятия и определения»

Определим еще ряд метрологических терминов.

В метрологии принято физические величины характеризовать истинным, действительным и измеренным значениями. Нахождение истинного значения измеряемой физической величины (ФВ) является главной проблемой метрологии. Одним из постулатов метрологии является положение о том, что существует истинное значение ФВ, однако определить его путем измерений невозможно. Это представление удобно для введения понятия погрешности.

Итак, истинным значением ФВ называется значение ФВ, которое идеальным образом отражало бы в качественном и количественном отношениях соответствующее свойство объекта. Определить экспериментально его невозможно вследствие неизвестных погрешностей.

Погрешность – это отклонение результата измерения от истинного значения измеряемой ФВ. В 1986 г. международным комитетом мер и весов понятие «погрешность измерения» заменено понятием «неопределенность измерения».

Положим, что измеряется диаметр круглого диска. Ясно, что измерение диаметра круглого диска можно проводить со все более и более высокой точностью, стоит лишь выбрать средство измерения соответствующей точности. Но когда погрешность средства измерения достигнет размеров молекулы, обнаружится как бы размывание краев диска, обусловленное хаотическим движением молекул. Поэтому за некоторым пределом точности само понятие диаметра диска потеряет первоначальный смысл и дальнейшее повышение точности измерения бесполезно.

Следовательно, понятие «истинного» значения диаметра в данном случае приобретает вероятностный смысл: т.е. можно лишь с определенной вероятностью установить интервал значений, в котором оно находится.

В связи с тем, что истинные значения ФВ установить невозможно, в практике измерений оперируют понятием действительного значения, степень приближения которого к «истинному» зависит от точности измерительного средства и погрешности самих измерений.

Действительным значением ФВ называется значение ФВ, найденное экспериментальным путем и настольно приближающееся к истинному значению, что для данной цели может быть использовано вместо него.

Для действительных значений ФВ всегда можно указать границы более или менее узкой зоны, в пределах которой с заданной вероятностью находится истинное значение ФВ. Действительные значения ФВ определяют по образцовым мерам и приборам, погрешностями которых можно пренебречь по сравнению с погрешностями применяемых средств измерения.

Под измеренным значением понимается значение величены, отсчитанной по отсчетному устройству средства измерения.

Еще ряд терминов, используемых в метрологии относящихся к понятию ФВ.

Влияющая физическая величина – ФВ, непосредственно не измеряемая средством измерения, но оказывающая влияние на него или объект измерения таким образом, что это приводит к искажению результата измерения.

Например, при измерении параметров транзистора влияющей величиной может быть температура, если эти параметры зависят от температуры.

Постоянная физическая величена – ФВ, размер которой по условиям измерительной задачи можно считать не изменяющимся за время, превышающее длительность измерения.

Переменная физическая величена – ФВ, изменяющаяся по размеру в процессе измерения.

Физический параметр – ФВ, характеризующая частную особенность измеряемой величены.

Например, при измерении напряжения переменного тока в качестве параметров напряжения могут выступать его амплитуда, мгновенное, средневыпрямленное (постоянная составляющая) или среднеквадратичное значение и пр.

Единица физической величены – ФВ, которой по определению присвоено стандартное числовое значение, равное единице.

Единицы ФВ подразделяются на основные и производные и объединяются в соответствии с принятыми принципами в системе единиц физических величин. В России действует ГОСТ 8.417-81 «ГСИ. Единицы физических величин» устанавливающий международную систему единиц СИ (SI – от франц. Systeme International). Система измерений СИ утверждена XI Генеральной конференцией по мерами весам в 1960 г. В основу данной системы положены семь основных и две дополнительные единицы.

Основные: длина (метр), масса (кг), время (секунда), сила электрического тока (Ампер), термодинамическая температура (Кельвин), количество вещества (моль), сила света (кандела);

Дополнительные: плоский угол (радиан), телесный угол (стерадиан).

Определения этих величин будут даны ниже.

Кратные дольные единицы ФВ

Т.к. диапазон реальных значений большинства измеряемых ФВ чрезвычайно велик, применение целых единиц СИ иногда не удобно, поскольку в результате измерений получаются большие или малые их значения. Поэтому в СИ были установлены десятичные кратные и дольные единицы системы измерения СИ, которые образуются с помощью множителей.

Кратная единица ФВ – большая в целое число раз системной единицы.

Например, килогерц (10 3 Гц), мегаватт (10 6 ватт).

Дольная единица ФВ – определяется как единица, меньшая в целое число раз системной единицы.

Например, микрогенри (10 -6 Гн), пикофарад (10 -12 Ф).

Рассмотрим общепринятые в метрологии определения понятиям: измерение, средство, принципы, методы и объекты измерения, алгоритмы измерений и шкалы измерений и ряд др. характеристик.

В соответствии с упомянутым ГОСТ 16263-70 понятие «измерение» дается как:

«Измерением называется процесс нахождения значения ФВ опытным путем с помощью специальных технических средств». Полученная при этом информация, называется измерительной.

Часто информация об объекте измерений известна до проведения исследований, что является важнейшим фактором, обуславливающим эффективность измерения. Такую информацию называют априорной информацией. При полном отсутствии этой информации измерение в принципе невозможно, т.к. неизвестно что же необходимо измерить, а, следовательно, нельзя выбрать нужные средства измерения. Априорная информация определяет достижимую точность измерений и их эффективность.

Пассивная и активная информация

Информация, получаемая в результате измерения может содержаться в объекте измерения в двух формах: пассивной и активной.

Пассивная информация – это совокупность сведений о том, как устроен объект.

Например, информация о величине напряжения источника питания.

С другой стороны информация является активной, если она имеет форму энергетической характеристики какого либо явления. Подобные энергетические явления называются сигналами. Их критериями являются электрические, оптические и акустические сигналы, используемые для передачи информации.

Имеются и другие определения измерения, которые рассматривают его как процесс получения информации, заключающийся в сравнении опытным путем измеряемых и известных величин или сигналов и представлении ее в числовой форме.

Итак, измерение представляет собой специфически информационный процесс, результатом которого является получение количественной информации об измеряемых величинах, и называется измерительной информацией. При определении значения интересующей нас ФВ, результат измерения может быть представлен в виде аналитического соотношения, известного как основное уравнение метрологии:

где А – значение измеряемой ФВ; А – значение величины, принятой за образец; k – отношение значения измеряемой величины к образцовой величине.

Наиболее удобен вид основного уравнения метрологии (1.1), если выбранная за образец величина равна единице. При этом, параметр k представляет собой численное значение измеренной величины, зависящее от принятого метода измерения и величины единицы измерения.

Принцип измерения – совокупность физических принципов, на которых основаны измерения.

Например, применение эффекта Холла для измерения мощности, или эффекта Джозефсона для измерения электрического напряжения.

Метод измерений – совокупность приемов использования принципов и средств измерений.

Методика измерений – общий или поэтапный план проведения измерений.

Объект измерения – это реальный физический объект, свойства которого характеризуются одной или несколькими измеряемыми физическими величинами. Он обладает многими свойствами и находитсч в сложных и многосторонних связях с другими объектами. Поэтому в теоретической метрологии введено понятие математической модели объекта.

Математическая модель объекта — совокупность математических символов (образов) и отношений между ними, которая более или менее адекватно описывает свойства объекта измерений.

В технической литературе и нормативных документах часто встречается термин алгоритм измерения. Под ним следует понимать точное предписание о порядке выполнения операций, обеспечивающих измерение искомого значения ФВ.

Источник

Лекция №1

date image2015-07-14
views image1540

Читайте также:  Германиевый полупроводниковый диод имеющий обратный ток насыщения i0 25 мка

facebook icon vkontakte icon twitter icon odnoklasniki icon

Тема 1 Теория и средства измерений. Разделы метрологии. Понятия о физических величинах (ФВ), размерностях, измерительных шкалах и их типах. Количественные и качественные характеристики ФВ. Основное уравнение измерений. Международная система единиц СИ.

В современном понимании метрология — наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности. Слово метрология образованно из двух греческих слов: метрон — мера и логос — учение, и в буквальности перевода означает — учение о мерах.

Выделяют следующие разделы метрологии

Теоретическая метрология — раздел метрологии, предметом которого является разработка фундаментальных основ метрологии. Примечание — Иногда применяют термин фундаментальная метрология.

Законодательная метрология -раздел метрологии, предметом которого является установление обязательных технических и юридических требований по применению единиц физических величин, эталонов, методов и средств измерений, направленных на обеспечение единства и необходимости точности измерений в интересах общества

Практическая (прикладная) метрология — раздел метрологии, предметом которого являются вопросы практического применения разработок теоретической метрологии и положений законодательной метрологии

Измерение — единственный способ получения количественной информации о величинах, характеризующих те или иные явления и процессы. Большинство показателей, характеризующих качество изделий и различных видов продукции, устанавливаются путем соответствующих измерений. Очевиден тот факт, что измерения параметров одного и того же объекта или явления проведенные в разных местах, в разное время и разными людьми должны быть сопоставимы. Последнее возможно, если при проведении измерений повсеместно будут выполняться определенные условия. Эти условия предполагают единообразие единиц измерения физических величин, единообразие методов измерений и средств, с помощью которых они осуществляются и единообразие способов представления результатов.

Все эти условия обеспечиваются действием в стране Государственной системы обеспечения единства измерений (ГСИ). Метрология, как наука об измерениях, является научной основой действия этой системы.

К основным направлениям метрологии относятся: общая теория измерений; единицы физических величин (ФВ) и их системы; методы и средства измерений (СИ); методы определения точности результатов измерений; основы обеспечения единства измерений и единообразия СИ; эталоны, поверочные схемы, СИ; методы передачи размеров единиц от эталонов к рабочим СИ [1, 2].

Физическая величина (ФВ) – характеристика одного из свойств физического объекта (физической системы, явления или процесса), общая в качественном отношении многим физическим объектам, но в количественном отношении индивидуальная для каждого объекта.

Истинное значение ФВ – значение физической величины, которое идеальным образом отражает в качественном и количественном отношениях соответствующую физическую величину. Это понятие соотносимо с понятием абсолютной истины в философии.

Действительное значение ФВ – значение ФВ, найденное экспериментальным путем и настолько близкое к истинному значению, что для поставленной измерительной задачи может его заменить.

При калибровке и поверке СИ действительным значением является значение меры или показание эталонного средства измерений.

При измерении физической величины Х ее числовое значение свидетельствует о том, сколько раз в Х содержится некоторая единица измерения [х]:

(1)

На практике применяется следующий принцип построения единиц ФВ. По соглашению некоторые ФВ принимаются за базисные (основные), а другие ФВ (производные) единицы устанавливаются на основе формул, служащих их определением. Например, в механике за базисные величины принимаются длина L, масса M и время T. Тогда размерность произвольной ФВ у будет: dimy = L p M q T r , (2)

где p, q, r — постоянные числа. Формула (2) показывает, что если единицы длины, массы и времени уменьшить в α, β, γ раз соответственно, то единица производной величины y уменьшится в α p β q γ r раз и, следовательно, её числовое значение увеличится в такое же число раз. В этом и состоит смысл понятия размерности. Часто размерность физической величины отождествляют с её единицей в соответствующей системе единиц. Так, например, говорят, что скорость — размерность м/с, давление — H/м 2 . В этом нет грубой ошибки, хотя, строго говоря, это неверно: размерность скорости — LT -1 , а давления — ML -1 T -2 .

Размерность измеряемой величины является качественной ее характеристикой и обозначается символом dim, происходящим от слова dimension. Размерность основных физических величин обозначается соответствующими заглавными буквами. Например, для длины, массы и времени dim l = L; dim m = М; dim t = T.

При определении размерности производных величин руководствуются следующими правилами [47]:

1. Размерности левой и правой частей уравнений не могут не совпадать, так как сравниваться между собой могут только одинаковые свойства. Объединяя левые и правые части уравнений, можно прийти к выводу, что алгебраически суммироваться могут только величины, имеющие одинаковые размерности.

2. Алгебра размерностей мультипликативна, то есть состоит из одного единственного действия — умножения.

  • Размерность произведения нескольких величин равна произведению их размерностей. Так, если зависимость между значениями величин Q, A, B, C имеет вид Q = А ? В ? С, то dim Q = dim А ? dim В ? dim С.
  • Размерность частного при делении одной величины на другую равна отношению их размерностей, то есть если Q = A/B, то dim Q = dim A/dim B.
  • Размерность любой величины, возведенной в некоторую степень, равна такой же степени ее размерности. Так, если Q = A”, то

Например, если скорость определять по формуле V = l/t, то dim V — dim l/dim t = L/T = LТ -1 .Если сила no второму закону Ньютона F = та, где а = V/t — ускорение тела, то dim F = dim m dim a = ML/Т 2 = MLT -2

Таким образом, всегда можно выразить размерность производной физической величины через размерности основных физических величин с помощью степенного одночлена: dim Q = L α M β …, где L, M, T, … — размерности соответствующих основных физических величин; α β λ … — показатели размерности. Каждый из показателей размерности может быть положительным или отрицательным, целым или дробным числом, нулем. Если все показатели размерности равны нулю, то такая величина называется безразмерной. Она может быть относительной, определяемой как отношение одноименных величин (например, относительная диэлектрическая проницаемость), и логарифмической, определяемой как логарифм относительной величины (например, логарифм отношения мощностей или напряжений). В гуманитарных науках, искусстве, спорте, квалиметрии, где номенклатура основных величин не определена, теория размерностей не находит пока эффективного применения.

Размер измеряемой величиныявляется количественной ее характеристикой. Получение информации о размере физической величины является содержанием любого измерения.

В теории измерений принято, в основном, различать пять типов шкал: наименований, порядка, разностей (интервалов), отношений и абсолютные.

Шкалы наименованийхарактеризуются только отношением эквивалентности (равенства). Примером такой шкалы является распространенная классификация (оценка) цвета по наименованиям (атласы цветов до 1000 наименований).

Шкалы порядка— это расположенные в порядке возрастания или убывания размеры измеряемой величины. Расстановка размеров в порядке их возрастания или убывания с целью получения измерительной информации по шкале порядка называется ранжированием. Для облегчения измерений по шкале порядка некоторые точки на ней можно зафиксировать в качестве опорных (реперных). Недостатком реперных шкал является неопределенность интервалов между реперными точками. Поэтому баллы нельзя складывать, вычислять, перемножать, делить и т. п. Примерами таких шкал являются: знания студентов по баллам, землетрясения по 12-балльной системе, сила ветра по шкале Бофорта, чувствительность пленок, твердость по шкале Мооса и т. д.

Шкалы разностей (интервалов) отличаются от шкал порядка тем, что по шкале интервалов можно уже судить не только о том, что размер больше другого, но и на сколько больше. По шкале интервалов возможны такие математические действия, как сложение и вычитание. Характерным примером является шкала интервалов времени, поскольку интервалы времени можно суммировать или вычитать, но складывать, например, даты каких-либо событий не имеет смысла.

Читайте также:  От локтя до пальцев ток

Шкалы отношений описывают свойства, к множеству самих количественных проявлений которых применимы отношения эквивалентности, порядка и суммирования, а следовательно, вычитания и умножения. В шкале отношений существует нулевое значение показателя свойства. Примером является шкала длин. Любое измерение по шкале отношений заключается в сравнении неизвестного размера с известным и выражении первого через второй в кратном или дольном отношении.

Абсолютные шкалы обладают всеми признаками шкал отношений, по в них дополнительно существует естественное однозначное определение единицы измерения. Такие шкалы соответствуют относительным величинам (отношения одноименных физических величин, описываемых шкалами отношений). К таким величинам относятся коэффициент усиления, ослабления и т. п. Среди этих шкал существуют шкалы, значения которых находятся в пределах от 0 до 1 (коэффициент полезного действия, отражения и т. п.).

Основной постулат метрологии — отсчет — является случайным числом.

Значение измеряемой величины Q, как говорилось выше, – это выражение ее размера в определенных единицах измерения [Q]. Входящее в это значение отвлеченное число q (числовое значение) показывает, на сколько единиц измеряемый размер больше нуля или во сколько раз он больше единицы измерения:

Q = q[Q] (2)

Это уравнение называется основным уравнением измерения.

Например, при [Q] =1метр и q = 7,5 размер длины характеризуется значением Q = 7,5метра (кратко: длина равна 7,5метра). Более полные термины “значение размера длины” или “размер длины” не используют в метрологии. Не говорят также “величина длины” или “величина освещенности”, так как длина и освещенность сами являются величинами.

Если для измерения величины Q взять разные единицы [Q1] и [Q2], тогда:

Приравняв правые части этих уравнений, можно получить числовое значение q2 величины Q по известному q1

где kпереводной множитель, числовое значение первой единицы физической величины, выраженной через вторую. Таким образом, чтобы получить числовое значение q2 физической величины Q в новых единицах [Q]2, надо ее числовое значение q1, полученное при измерении в старых единицах [Q]1, умножить на k. Например, если известно значение внутреннего диаметра трубы в дюймах (3/4″), то в миллиметрах это будет q2 = kq1 = 25,4⋅3 /4 = 19,05, т.к. 1дюйм = 25,4мм (переводной множитель k = 25,4).

Источник: Кузнецов В. А., Исаев Л. К., Шайко И. А. Метрология. – М.: ФГУП «Стандартинформ», 2005. – 300 с.

Под единицей физической величиныпонимается физическая величина

фиксированного размера, которой условно присвоено числовое значение, равное единице, и применяемая для количественного выражения однородных ФВ. Различают основные, производные, кратные, дольные, системные и внесистемные единицы.

Физический параметрФВ, рассматриваемая при измерении данной ФВ как вспомогательная характеристика. Например, частота при измерении напряжения переменного тока.

Источник

Параметры переменного напряжения

Как вы помните из предыдущей статьи, переменное напряжение – это напряжение, которое меняется со временем. Оно может меняться с каким-то периодом, а может быть хаотичным. Но не стоит также забывать, что и переменное напряжение обладает своими особенными параметрами.

Среднее значение напряжения

Среднее значение переменного напряжения Uср – это, грубо говоря, площадь под осциллограммой относительно нуля за какой-то промежуток времени. Чтобы это понять, давайте рассмотрим вот такую осциллограмму.

среднее значение напряжения

среднее значение напряжения за период

Например,чему равняется среднее значение напряжения за эти два полупериода? В данном случае ноль вольт. Почему так? Площади S1 и S2 равны. Но все дело в том, что площадь S2 берется со знаком “минус”. А так как площади равны, то в сумме они дают ноль: S1+(-S2)=S1-S2=0. Для бесконечного по времени синусоидального сигнала среднее значение напряжения также равняется нулю.

То же самое касается и других сигналов, например, двухполярного меандра. Меандр – это прямоугольный сигнал, у которого длительности паузы и импульса равны. В этом случае его среднее напряжение также будет равняться нулю.

меандр

меандр

Средневыпрямленное значение напряжения

Чаще всего используют средневыпрямленное значение напряжения Uср. выпр. То есть площадь сигнала, которая “пробивает пол” берут не с отрицательным знаком, а с положительным.

площадь под кривой

средневыпрямленное значение напряжения будет уже равняться не нулю, а S1+S2=2S1=2S2. Здесь мы суммируем площади, независимо от того, с каким они знаком.

На практике средневыпрямленное значение напряжения получить легко, использовав диодный мост. После выпрямления синусоидального сигнала, график будет выглядеть вот так:

напряжение после диодного моста

выпрямленное переменное напряжение после диодного моста

Для того, чтобы примерно узнать, чему равняется средневыпрямленное напряжение, достаточно узнать максимальную амплитуду синусоидального сигнала Umax и сосчитать ее по формуле:

Среднеквадратичное значение напряжения

Чаще всего используют среднеквадратичное значение напряжения или его еще по-другому называют действующим. В литературе обозначается просто буквой U. Чтобы его вычислить, тут уже простым графиком не отделаешься. Среднеквадратичное значение – это значение постоянного напряжения, который, проходя через нагрузку (скажем, лампу накаливания), выделяет за тот же промежуток времени такое же количество мощности, какое выделит в этой нагрузке переменное напряжение. В английском языке среднеквадратичное напряжение обозначается так: RMS (rms) – root mean square.

Связь между амплитудным и среднеквадратическим значением устанавливается через коэффициент амплитуды Ka:

Вот некоторые значения коэффициента амплитуды Ka для некоторых сигналов переменного напряжения:

Более точные значения 1,41 и 1,73 – это √2 и √3 соответственно.

Как измерить среднеквадратичное значение напряжения

Для правильного замера среднеквадратического значения напряжения у нас должен быть мультиметр с логотипом T-RMS. RMS – как вы уже знаете – это среднеквадратическое значение. А что за буква “T” впереди? Думаю, вы помните, как раньше была мода на одно словечко: “тру”. “Она вся такая тру…”, “Ты тру или не тру?” и тд. Тру (true) – с англ. правильный, верный.

Так вот, T-RMS расшифровывается как True RMS – “правильное среднеквадратическое значение”. Мои токоизмерительные клещи могут замерять этот параметр без труда, так как на них есть логотип “T-RMS”.

true rms

мультиметр с True RMS

Проведем небольшой опыт. Давайте соберем вот такую схемку:

Выставим на моем китайском генераторе частоты треугольный сигнал с частотой, ну скажем, 100 Герц

А вот осциллограмма этого сигнала. Внизу, в красной рамке, можно посмотреть его параметры

И теперь вопрос: чему будет равно среднеквадратическое напряжение этого сигнала?

Так как один квадратик у нас равняется 1 Вольт (мы это видим внизу осциллограммы в красной рамке), то получается, что амплитуда Umax этого треугольного сигнала равняется 4 Вольта. Для того, чтобы рассчитать среднеквадратическое напряжение, мы воспользуемся формулой:

Итак, смотрим нашу табличку и находим интересующий нас сигнал:

Для нас не важно, пробивает ли сигнал “пол” или нет, главное, чтобы сохранялась форма сигнала. Видим, что наш коэффициент амплитуды Ka= 1,73.

Подставляем его в формулу и вычисляем среднеквадратическое значение нашего треугольного сигнала

Проверяем нашим прибором, так ли оно на самом деле?

Супер! И в правду Тrue RMS.

Замеряем это же самое напряжение с помощью моего китайского мультиметра

Он меня обманул :-(. Он умеет измерять только среднеквадратическое значение синусоидального сигнала, а у нас сигнал треугольный.

Самый интересный сигнал в плане расчетов – это двуполярный меандр, ну тот есть тот, который “пробивает пол”.

Параметры переменного напряжения

Его амплитудное Umax, средневыпрямленное Uср.выпр. и среднеквадратичное напряжение U равняется одному и тому же значению. В данном случае это 1 Вольт.

Вот вам небольшая картинка, чтобы не путаться

среднее, среднеквадратичное и пиковое значения напряжения

среднее, среднеквадратичное и пиковое значения напряжения

  • Сред. – средневыпрямленное значение сигнала. Это и есть площадь под кривой
  • СКЗ – среднеквадратичное напряжение. Как мы видим, для синусоидальных сигналов, оно будет больше, чем средневыпрямленное.
  • Пик. – амплитудное значение сигнала
  • Пик-пик. – размах или двойная амплитаду. Или иначе, амплитуда от пика до пика.
Читайте также:  Паронит проводит электрический ток или нет

Так что же все-таки показывает мультиметр при измерении переменного напряжения? Показывает он НЕ амплитудное, НЕ среднее и НЕ среднее выпрямленное напряжение, а среднее квадратическое, то есть действующее напряжение! Об этом всегда помним.

Источник



Измерение напряжения переменного тока

Под переменным напряжением понимается периодически изменяющееся напряжение, основными параметрами его являются период (или частота как величина, обратная периоду), амплитуда Um и мгновенное значение сигнала U(t).

Кроме амплитудного и мгновенного значений периодического сигнала часто используют:

1. Среднее значение (7.1)

2. Средневыпрямленное значение (7.2)

3. Действующее значение (7.3)

Зная форму сигнала, можно вычислить соотношения между амплитудным, действующим и средневыпрямленным значениями:

– коэффициент формы;

– коэффициент амплитуды.

Сигнал Вид сигнала Коэффициент формы Коэффициент амплитуды
синус 1,11 1,42
меандр 1,00 1,00
треугольный 1,154 1,73

Комбинированные вольтметры отображают действующее значение измеряемой величины. Переход от мгновенного значения к действующему может быть реализован тремя способами: определение средневыпрямленного значения и умножение его на коэффициент формы; определение амплитудного значения и деление его на коэффициент амплитуды; расчет действующего значения по формуле (7.2). Соответственно, существуют три типа входных детекторов измерительных приборов переменного тока: детекторы средневыпрямленного значения, амплитудного значения, действующего (среднеквадратичного) значения.

Наиболее часто на практике используют синусоидальные сигналы, поэтому в приборах с детекторами средневыпрямленного значения и амплитудного значения производится соответственно умножение и деление на коэффициенты формы и амплитуды для синусоидального сигнала. Таким образом, при измерении сигналов формы, отличной от синусоидальной, будет возникать методическая погрешность.

2. Принцип действия вольтметров с детектором
средневыпрямленного значения

Напряжение переменного тока может быть измерено вольтметрами электромагнитной, электро- и ферродинамической или электростатической систем. Но наиболее широко в измерительной практике используются вольтметры, имеющие измерительный механизм магнитоэлектрической системы и преобразователь измеряемого параметра переменного напряжения в постоянный ток. Измерительные механизмы магнитоэлектрической системы реагируют на среднее значение тока, протекающего по рамке. Поэтому, если пропускать через рамку ток с нулевым средним значением (например, синусоиду, меандр и т.п.), то подвижная система отклоняться не будет. Для измерения переменных токов и напряжений необходимо сигнал предварительно преобразовать в постоянный ток или напряжение. Основные типы таких преобразователей приведены в [2].

Рис. 7.1. Выпрямительные вольтметры

В выпрямительных вольтметрах обычно применяют схемы одно- или двухполупериодного выпрямления (см. рис. 7.1).

Недостатком простейшей схемы (рис. 7.1а) является малая чувствительность, большое обратное напряжение, приложенное к диоду, и, кроме того, несимметричность нагрузки для источника сигнала в разные полуволны сигнала. В схеме на рис. 7.1б использованы два диода, что позволяет выровнять (R=Rр) токи полуволн и защитить диод Д1 от пробоя. Часто используют схемы двухполупериодного выпрямления (рис. 7.1в).

Во всех этих схемах измерительный механизм реагирует на средневыпрямленный ток, т.е. отклонение стрелки пропорционально средневыпрямленному напряжению Uсв измеряемого сигнала

.

В большинстве же технических приложений необходимо знать действующее (среднеквадратическое) значение U. Конечно, если измерено Uсв, то U можно найти, используя коэффициент формы. Например, для синусоидального сигнала U=1,11×Uсв. Для удобства применения прибора это домножение на коэффициент 1,11 производится при градуировке:

;

;

.

В результате таким вольтметром удобно пользоваться при измерении синусоидальных сигналов. Если же коэффициент формы измеряемого сигнала отличается от 1,11, то возникает так называемая погрешность формы кривой.

(7.4)

Например, для меандра (Кф= 1,00):

,

т.е. методическая погрешность за счет отклонения формы кривой от синусоиды может существенно (в несколько раз) превышать инструментальную, определяемую классом точности прибора. Если известен коэффициент формы измеряемого сигнала, то можно вычислить измеряемое действующее значение Uх по формуле

(7.5)

где Uп — показание вольтметра выпрямительной системы.

Таким образом, при измерении напряжения переменного тока выпрямительным вольтметром следует учитывать две методические погрешности (за счет входного сопротивления и за счет формы кривой) и инструментальную погрешность самого вольтметра.

3. Принцип действия вольтметров с детектором
амплитудного значения

Вольтамперные характеристики реальных диодов имеют нулевую зону (отсутствие тока в прямом направлении) до 0,3-0,7 В. Поэтому выпрямительные вольтметры нельзя использовать при измерении малых напряжений. Необходимо предварительное усиление входного сигнала, что осуществляется в электронных вольтметрах. На рис. 7.2 приведены схемы электронных вольтметров с линейными детекторами на операционных усилителях.

а б

Рис. 7.2. Схемы электронных вольтметров.

При измерении высокочастотных напряжений часто используются электронные вольтметры с амплитудными детекторами. На рис. 7.3 приведена схема вольтметра, состоящего из:

— измерительного механизма магнитоэлектрической системы (ИМ);

— усилителя постоянного тока (УПТ);

— делителей во входных цепях;

— пробника, представляющего собой амплитудный детектор с закрытым входом.

Его выходной сигнал определяется амплитудой переменной составляющей входного сигнала.

В комбинированных вольтметрах шкала градуируется так, чтобы сразу определить среднеквадратическое (действующее) значение.

; ; ,

где КУПТ – коэффициент, зависящий от характеристик усилителя постоянного тока.

Рис. 7.3. Функциональная схема вольтметра В7-15

Градуировку комбинированных электронных вольтметров осуществляют для синусоидального входного сигнала

Если коэффициент амплитуды отличается от КА=1,41, то возникает методическая погрешность:

(7.6)

Например, если входной сигнал имеет форму меандра (КА=1,00), то относительная методическая погрешность:

Знак минус свидетельствует о том, что показания вольтметра меньше, чем действующее значение входного сигнала. Если известен коэффициент амплитуды входного сигнала, то действующее значение равно:

, (7.7)

где Uп — показание электронного вольтметра.

Только в случае, если градуировка шкалы совпадает с типом детектора, приборы показывают тот параметр сигнала, для которого проведена градуировка шкалы.

Учитывая большое входное активное сопротивление электронных вольтметров на промышленных частотах (до 1 кГц), часто можно пренебречь методической погрешностью за счет потребления энергии от входного сигнала и общая погрешность измерения напряжения имеет две составляющие: методическую погрешность формы кривой и инструментальную погрешность самого электронного вольтметра.

Отличительной характеристикой вакуумных диодов, часто используемых в амплитудных детекторах электронных вольтметров (см. рис. 7.3), является отсутствие нулевой зоны, и даже наличие небольшого тока через диод при нулевом входном сигнале. Нестабильность этого нулевого тока диода требует проведения перед измерением электронным вольтметром дополнительной операции «установки нуля переменного напряжения», во время которой подстраивается величина специального компенсирующего сигнала. Таким образом, при измерении электронным вольтметром напряжения переменного тока необходимо произвести две регулировки: балансировку УПТ и компенсацию нулевого тока вакуумного диода.

Современные электронные и цифровые вольтметры обычно построены по схеме широкополосный усилитель — преобразователь средневыпрямленного значения — измерительный механизм. Кроме того, как отдельный конструктивный элемент имеется амплитудный детектор с закрытым входом (пробник). Пробник подключается в случае измерения высокочастотных сигналов к входу вольтметра, работающего в этом случае в режиме измерения постоянного напряжения, поступающего с выхода пробника. Для сохранения градуировки шкалы в пробнике предусмотрен делитель (К=1), так что выходной сигнал пробника равен действующему значению при синусоидальном измеряемом напряжении.

В цифровых вольтметрах также предусматривается два варианта измерения напряжения переменного тока: при подключения сигнала к клеммам используется линейный детектор (см. рис. 7.2), а для измерения высокочастотных сигналов к приборам прилагается пробник (амплитудный детектор). В некоторых вольтметрах применяются квадратичные детекторы, выходной сигнал которых пропорционален действующему значению измеряемого напряжения и погрешность формы кривой отсутствует.

Источник