Как померить напряжение вольтметром. Как измерять напряжение вольтметром

Основной единицей измерения электрического напряжения является вольт. В зависимости от величины напряжение может измеряться в вольтах (В), киловольтах (1 кВ = 1000 В), милливольтах (1 мВ = 0,001 В), микровольтах (1 мкВ = 0,001мВ = 0,000001 В). На практике, чаще всего, приходится сталкиваться с вольтами и милливольтами.

Существует два основных вида напряжений – постоянное и переменное . Источником постоянного напряжения служат батареи, аккумуляторы. Источником переменного напряжения может служить, например, напряжение в электрической сети квартиры или дома.

Для измерения напряжения используют вольтметр . Вольтметры бывают стрелочные (аналоговые) и цифровые .

На сегодняшний день стрелочные вольтметры уступают пальму первенства цифровым, так как вторые более удобны в эксплуатации. Если при измерении стрелочным вольтметром показания напряжения приходится вычислять по шкале, то у цифрового результат измерения сразу высвечивается на индикаторе. Да и по габаритам стрелочный прибор проигрывает цифровому.

Но это не значит, что стрелочные приборы совсем не применяются. Есть некоторые процессы, которые цифровым прибором увидеть нельзя, поэтому стрелочные больше применяются на промышленных предприятиях, лабораториях, ремонтных мастерских и т.п.

На электрических принципиальных схемах вольтметр обозначается кружком с заглавной латинской буквой «V » внутри. Рядом с условным обозначением вольтметра указывается его буквенное обозначение «PU » и порядковый номер в схеме. Например. Если вольтметров в схеме будет два, то около первого пишут «PU 1 », а около второго «PU 2 ».

При измерении постоянного напряжения на схеме указывается полярность подключения вольтметра, если же измеряется переменное напряжение, то полярность подключения не указывается.

Напряжение измеряют между двумя точками схемы: в электронных схемах между плюсовым и минусовым полюсами, в электрических схемах между фазой и нулем . Вольтметр подключают параллельно источнику напряжения или параллельно участку цепи — резистору, лампе или другой нагрузке, на которой необходимо измерить напряжение:

Рассмотрим подключение вольтметра: на верхней схеме напряжение измеряется на лампе HL1 и одновременно на источнике питания GB1 . На нижней схеме напряжение измеряется на лампе HL1 и резисторе R1 .

Перед тем, как измерить напряжение, определяют его вид и приблизительную величину . Дело в том, что у вольтметров измерительная часть рассчитана только для одного вида напряжения, и от этого результаты измерений получаются разными. Вольтметр для измерения постоянного напряжения не видит переменное, а вольтметр для переменного напряжения наоборот, постоянное напряжение измерить сможет, но его показания будут не точными.

Знать приблизительную величину измеряемого напряжения также необходимо, так как вольтметры работают в строго определенном диапазоне напряжений, и если ошибиться с выбором диапазона или величиной, прибор можно повредить. Например. Диапазон измерения вольтметра составляет 0…100 Вольт, значит, напряжение можно измерять только в этих пределах, так как при измерении напряжения выше 100 Вольт прибор выйдет из строя.

Помимо приборов, измеряющих только один параметр (напряжение, ток, сопротивление, емкость, частота), существуют многофункциональные, в которых заложено измерение всех этих параметров в одном приборе. Такой прибор называется тестер (в основном это стрелочные измерительные приборы) или цифровой мультиметр .

На тестере останавливаться не будем, это тема другой статьи, а сразу перейдем к цифровому мультиметру. В основной своей массе мультиметры могут измерять два вида напряжения в пределах 0…1000 Вольт. Для удобства измерения оба напряжения разделены на два сектора, а в секторах на поддиапазоны: у постоянного напряжения поддиапазонов пять, у переменного — два.

У каждого поддиапазона есть свой максимальный предел измерения, который обозначен цифровым значением: 200m , 2V , 20V , 200V , 600V . Например. На пределе «200V» измеряется напряжение, находящееся в диапазоне 0…200 Вольт.

Теперь сам процесс измерения .

1. Измерение постоянного напряжения.

Вначале определяемся с видом измеряемого напряжения (постоянное или переменное) и переводим переключатель в нужный сектор. Для примера возьмем пальчиковую батарейку, постоянное напряжение которой составляет 1,5 Вольта. Выбираем сектор постоянного напряжения, а в нем предел измерения «2V», диапазон измерения которого составляет 0…2 Вольта.

Измерительные щупы должны быть вставлены в гнезда, как показано на нижнем рисунке:

красный щуп принято называть плюсовым , и вставляется он в гнездо, напротив которого изображены значки измеряемых параметров: «VΩmA»;
черный щуп называют минусовым или общим и вставляется он в гнездо, напротив которого стоит значок «СОМ». Относительно этого щупа производятся все измерения.

Плюсовым щупом касаемся положительного полюса батарейки, а минусовым — отрицательного. Результат измерения 1,59 Вольта сразу виден на индикаторе мультиметра. Как видите, все очень просто.

Теперь еще нюанс. Если на батарейке щупы поменять местами, то перед единицей появится знак минуса, сигнализирующий, что перепутана полярность подключения мультиметра. Знак минуса бывает очень удобен в процессе наладке электронных схем, когда на плате нужно определить плюсовую или минусовую шины.

Ну а теперь рассмотрим вариант, когда величина напряжения неизвестна. В качестве источника напряжения оставим пальчиковую батарейку.

Допустим, мы не знаем напряжение батарейки, и чтобы не сжечь прибор измерение начинаем с самого максимального предела «600V», что соответствует диапазону измерения 0…600 Вольт. Щупами мультиметра касаемся полюсов батарейки и на индикаторе видим результат измерения, равный «001 ». Эти цифры говорят о том, что напряжения нет или его величина слишком мала, или выбран слишком большой диапазон измерения.

Опускаемся ниже. Переключатель переводим в положение «200V», что соответствует диапазону 0…200 Вольт, и щупами касаемся полюсов батарейки. На индикаторе появились показания равные «01,5 ». В принципе этих показаний уже достаточно, чтобы сказать, что напряжение пальчиковой батарейки составляет 1,5 Вольта.

Однако нолик, стоящий впереди, предлагает снизиться еще на предел ниже и точнее измерить напряжение. Снижаемся на предел «20V», что соответствует диапазону 0…20 Вольт, и снова производим измерение. На индикаторе высветились показания «1,58 ». Теперь можно с точностью сказать, что напряжение пальчиковой батарейки составляет 1,58 Вольта.

Вот таким образом, не зная величину напряжения, находят ее, постепенно снижаясь от высокого предела измерения к низкому.

Также бывают ситуации, когда при измерении в левом углу индикатора высвечивается единица «1 ». Единица сигнализирует о том, что измеряемое напряжение или ток выше выбранного предела измерения. Например. Если на пределе «2V» измерить напряжение равное 3 Вольта, то на индикаторе появится единица, так как диапазон измерения этого предела всего 0…2 Вольта.

Остался еще один предел «200m» с диапазоном измерения 0…200 mV. Этот предел предназначен для измерения совсем маленьких напряжений (милливольт), с которыми иногда приходится сталкиваться при наладке какой-нибудь радиолюбительской конструкции.

2. Измерение переменного напряжения.

Процесс измерения переменного напряжения ни чем не отличается от измерения постоянного. Отличие состоит лишь в том, что для переменного напряжения соблюдать полярность щупов не требуется.

Сектор переменного напряжения разбит на два поддиапазона 200V и 600V .
На пределе «200V» можно измерять, например, выходное напряжение вторичных обмоток понижающих трансформаторов, либо любое другое находящееся в диапазоне 0…200 Вольт. На пределе «600V» можно измерять напряжения 220 В, 380 В, 440 В или любое другое находящееся в диапазоне 0…600 Вольт.

В качестве примера измерим напряжение домашней сети 220 Вольт.
Переводим переключатель в положение «600V» и щупы мультиметра вставляем в розетку. На индикаторе сразу появился результат измерения 229 Вольт. Как видите, все очень просто.

И еще один момент.
Перед измерением высоких напряжений ВСЕГДА лишний раз убеждайтесь в исправности изоляции щупов и проводов вольтметра или мультиметра , а также дополнительно проверяйте выбранный предел измерения . И только после всех этих операций производите измерения . Этим Вы убережете себя и прибор от неожиданных сюрпризов.

А если что осталось не понятно, то посмотрите видеоролик, где показано измерение напряжения и силы тока с помощью мультиметра.

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

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

Синусоидальное переменное напряжение может быть представлено в виде следующих соотношений:

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Рис. 23.3. Схема расширения пределов измерения электростатических

вольтметров:

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

Решая уравнение (23.27) относительно U, получим:

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

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

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

Для схемы с двумя добавочными емкостями правомерно соотношение

где U a - падение напряжения на емкости С у

Учитывая, что можно записать

Решая уравнение (23.30) относительно U, получим:

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

Таблица 23.3

Пределы и погрешности измерения переменных напряжений

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

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

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

В заключение следует отметить следующее.

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

Более подробную информацию по затронутым вопросам можно получить в .

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

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

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

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

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

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

Основной единицей измерения напряжения является вольт (В).

В практике электротехнических измерений широко используются дольные и кратные единицы:

Киловольт (1 кВ - В);

Милливольт (1мВ - В);

Микровольт (1 мкВ - В).

Международные обозначения единиц измерения напряжения приведены в Приложении 1.

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

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

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

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

Возможность работы без подключения к источнику питания;

Малые габаритные размеры;

Меньшая цена (по сравнению с электронными);

Простота конструкции и удобство эксплуатации.

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

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

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

Значение сопротивления добавочного резистора определяется по формуле:

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

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

где — исходный предел измерения;

— новый предел измерения.

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

Электромеханические вольтметры имеют следующие недостатки:

Ограниченный диапазон измерения напряжений (даже в многопредельных вольтметрах);

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

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

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

Преимущества электронных аналоговых вольтметров по сравнению с аналоговыми очевидны:

Рис. 3.7. Структурная схема электронного аналогового вольтметра постоянного тока

Широкий диапазон измерения напряжений;

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

Высокая чувствительность благодаря наличию усилителя на входе прибора;

Невозможность перегрузок.

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

Наличие источников питания, большей частью стабилизирован-ных;

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

Большие массогабаритные размеры, более высокая цена.

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

Измерение напряжения переменного тока.

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

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

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

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

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

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

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

Мультиметры выпускаются с аналоговым и цифровым отсчетом.

Широкое использование мультиметров объясняется следующими ихпреимуществами:

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

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

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

Небольшие массогабаритные размеры;

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

Мультиметры имеют также ряд недостатков:

Узкий частотный диапазон применимости;

Большое собственное потребление мощности из исследуемой 1 цепи;

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

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

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

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

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

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

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

где - выбранный предел измерения;

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

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

Где — выбранный предел измерения;

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Или , (3.12)

где — емкость выходного фильтра;

— сопротивление нагрузки детектора.

Второе условие хорошей работы детектора:

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

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

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

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

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

Это подтверждается следующими математическими выкладками:

при , , при , при .

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

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

где — коэффициент амплитуды.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

где — период повторения сигнала;

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

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

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

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

Среднее значение (постоянная составляющая) за период переменного напряжения:

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

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

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

(коэффициент амплитуды), (3.18)

(коэффициент формы). (3.19)

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

Таблица 3.1

Значения и для напряжений разной формы

Примечание , - скважность: .

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

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

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

Где = 0,775В.

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

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

Рис. 3.11.т Структурная схема импульсного вольтметра

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

Электронные цифровые вольтметры имеют существенные преиму-щества перед аналоговыми:

Высокая скорость измерений;

Исключение возможности возникновения субъективной ошибки оператора;

Малая приведенная погрешность.

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

Рис. 3.12. Упрощенная структурная схема цифрового вольтметра

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

; ; (3.25)

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

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

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

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

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

Рис. 3.15. Структурная схема цифрового вольтметра со встроенным микропроцессором

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

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

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

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

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

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

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

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

знаков) или ( знаков), (3.27)

где — действительная относительная погрешность измерения;

— значение измеряемого напряжения;

— конечное значение на выбранном пределе измерения;

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

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

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

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

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

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

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

Параметр измеряемого напряжения (среднеквадратичное, ампли-тудное);

Диапазон измерения напряжения;

Частотный диапазон;

Допустимая погрешность измерений;

Входной импеданс ().

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

Приборы для измерения силы тока образуют подгруппу А-амперметры. Внутри этой подгруппы выделяют амперметры постоянного тока(А2), переменного тока А3),универсальные(А7) и преобразователи тока (А9).

Амперметры строятся на базе электромеханических приборов (см. раздел 2.1), которые по принципу своей работы позволяют измерять постоянные и переменные токи низкой частоты. На них распространяются требования ГОСТ, который устанавливает следующие классы точности: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0; 5,0.Дополение электромеханических приборов преобразователями переменного тока в постоянный позволяет значительно расширить их возможности и использовать для измерения на радиочастотах.

Более обширна классификация приборов для измерения напряжения – вольтметры, образующие группу В. Среди приборов этой подгруппы выделяют вольтметры постоянного тока (В2), переменного (В3), импульсного тока (В4), фазочувствительные (В5), селективные (В6), универсальные (В7),измеритель отношения, разности и нестабильности напряжений (В8), преобразователь напряжений (В9).

Вольтметры постоянного и переменного тока низкой частоты могут строится на базе электромеханических приборов (см.раздел 2.1) согласно ГОСТ. Однако, как правило, вольтметры – это представители электронных измерительных приборов в аналоговом или цифровом вариантах. На электронные аналоговые вольтметры также распространяются требования ГОСТ, в частности вольтметры видов В3…В7 дополнительно классифицируются по измеряемому параметру напряжения на вольтметры амплитудного (блокового), среднеквадратического и средневыпрямленного напряжения. Они могут иметь классы точности 0,1; 0,2; 0,5;1,0; 1,5;2,5;4,0;5,0; 15; 25.

4.3 Измерение тока

Для измерения тока амперметр включают последовательно в разрыв измеряемой цепи. Амперметр любой системы можно представить в виде следующей эквивалентной схемы (рис. 4.1а), где LА,CА,RА, - индуктивность, емкость, сопротивление внутренней цепи амперметра. Очевидно, что включение амперметра в измеряемую цепь окажет на нее параметрическое и энергетическое влияние. Параметрическое влияние тем значительнее, чем выше частота и большеLАиCА, энергетическое – чем большеRА, так как при этом возрастет потребление мощности от измеряемой цепи.

Рисунок 4.1- Измерение тока высокой частоты:

а) эквивалентная схема амперметра;

б) включение амперметра;

в) структурная схема амперметра с преобразованием.

Для измерения тока высокой частоты следует использовать схему с преобразованием (рис 4.1 в), где сначала ток высокой частоты преобразуется в постоянный, который измеряют магнитоэлектрическим индикатором – микро или миллиамперметром. Преобразование осуществляют либо за счет теплового действия тока, либо путем его выпрямления. Поэтому высокочастотные амперметры представляют собой совокупность индикатора и преобразователя (рис. 4.1в), и называется термоамперметрами или выпрямителями.

Термоамперметр состоит из термоэлектрического преобразователя и магнитоэлектрического индикатора, шкалу которого градуируют в значениях измеряемого тока. Термоэлектрический преобразователь представляет собой тонкую проволоку из тугоплавкого металла, называемую нагревателем, и одну или несколько термопар, приваренных к его середине. Такой термопреобразователь называется контактным (рис.4.2.а). При прохождении измеряемого тока через нагреватель, место контакта нагревается и термопары нагреваются до температуры tº1, а холодный слойbостается при температуре окружающей средыtº0 . В результате, в термопаре возникает термоЭДС Ет, пропорциональная разности температур в месте контакта с нагревателем и внешних концов термопары. Индикатор присоединен к этим концам термопары и по нему протекает ток, пропорциональный квадрату среднеквадратического значения измеряемого тока:

Iи =Eт/(Rт +Rн), (4.7)

где Rт,Rн – сопротивления термопары и индикатора, т.о. , шкала термоэлектрического прибора близка к квадратичной.

На рис.4.2.б приведена схема бесконтактного термоэлектрического преобразователя. В контактном преобразователе имеется гальваническая связь между нагревателем и термопарой, т.е., между входной и выходной цепями, что не всегда допустимо. В бесконтактном преобразователе, преобразователь отделен от термопары из стекла или керамики, либо воздушной прослойкой.

Рисунок 4.2.- Термоэлектрический преобразователь

Термоэлектрические измерительные приборы получили распространение преимущественно для измерения токов. В качестве вольтметров они практически не применяются, так как их входное сопротивление мало. К достоинствам приборов термоэлектрической системы можно отвести высокую чувствительность к измеряемому току, широкий диапазон частот, а также возможность измерения средних квадратических значений токов произвольной формы. Недостатком термоэлектрических приборов является неравномерность шкалы, зависимость показаний от температуры окружающей среды и большая инерционность термопреобразований. Термоэлектрические приборы очень чувствительны к перегрузкам. В зависимости от назначения они имеют различные пределы измерения *(от 1 мА до 50 А), классы точности (от 0,1 до 2,5) и частный диапазон (от 45 Гц до сотен мегагерц). Термоамперметры обозначаются буквой «Т» и номером модели: Т20, Т29…

Выпрямительные приборы (амперметры) применяются для измерения силы тока и напряжения в частотном диапазоне от звуковых частот до высоких и сверхвысоких частот. Принцип работы таких приборов заключается в выпрямлении выпрямления переменного тока с помощью полупроводниковых диодов (рис.4.3). Постоянная составляющая выпрямленного тока измеряется прибором магнитоэлектрической системы (микроамперметром, миллиамперметром). В схеме прибора используют однополупериодные и двухполупериодные выпрямители. В однополупериодных схемах (рис.4.3.а). Ток iчерез магнитоэлектрический прибор, включенный последовательно с диодом Д1, пропускается только в положительный полупериод. В отрицательный полупериод, для которого сопротивление диода Д1 велико, ток протекает через диод Д2, включенный параллельно прибору. Для уравнивания сопротивления параллельных ветвей последовательно со вторым диодом включен резисторR, сопротивление которого равно измерительной цепи прибора. Подвижная часть магнитоэлектрического прибора обладает механической инерцией и на частотах выше 10…20 Гц не успевает следить за

Рисунок 4.3 Выпрямительные приборы

Мгновенными значениями вращающегося момента, реагируя только на среднее значение момента. Для однополупериодного выпрямителя измеряемого тока синусоидальной формы:

а показания прибора

α = Si* Iср (4.9)

где Si– чувствительность магнитоэлектрического прибора по току; В двух полупериодных схемах выпрямителя (рис. 4.3.б) токi, протекающий через прибор, увеличиваются вдвое по сравнению с током, протекающим в схеме (рис 4.3 а).

Для синусоидального тока

Iср.в = 0,636 *Im(4.10)

Из (4.9) видно, что шкала выпрямительного прибора и при любой форме кривой измеряемого тока отклонение стрелки прибора пропорционально среднему за период значению. Однако, на практике, шкалу выпрямительных приборов всегда градуируют в среднеквадратичных значениях напряжения (тока) синусоидальной формы. Следовательно, в приборах с двухполупериодным выпрямлением все значения оцифрованных делений как бы умножены на коэффициент формы Кф = 1,11. Отсюда следует, что при измерении тока или напряжения несинусоидальной формы, полученный тосчет по шкале такого выпрямительного прибора сначала нужно разделить на 1,11 (получить выпрямленное значение измереяемой величины), а затем умножить на коэффициент формы, соответствующий форме реального сигнала. В приборах с однополупериодным выпрямлением вместо 1,11 подставляют 2,22.

Выпрямительные приборы получили широкое распространение в качестве комбинированных измерителей постоянного и переменного тока и напряжения классов мощности 1,5 и 2,5; с пределами измерения по току от 2 мА до 600 А; по напряжению от 0,3 до 600 В.

Достоинствами выпрямительных приборов являются высокая чувствительность, малое собственное потребление энергии и измерения в широком диапазоне частот. Частотный диапазон выпрямительных приборов определяется возможностями применяемых диодов. Применение точечных диодов обеспечивает изменение переменных токов и напряжений до частот порядка 10 4 …10 6 Гц. Основными источниками погрешностей этих приборов являются изменения параметров диодов с течением времени, влияние окружающей температуры, а также отклонение формы кривой измеряемого тока или напряжения от той, при которой произведена градуировка прибора.

Гальванометры.

Высокочувствительные магнитоэлектрические приборы для измерения очень маленьких токов и напряжений называются гальванометрами. Гальванометры часто используются в качестве нуль – индикаторов, фиксирующих отсутствие тока в цепи. У таких гальванометров нулевая отметка находится в середине шкалы.

Так как чувствительность гальванометров очень высока, их градуировочная характеристика нестабильна и зависит от совокупности внешних влияющих факторов. Поэтому, чувствительные гальванометры при выпуске из производства градуируются в единицах измеряемой физической величины и им не присваиваются классы точности. В качестве же метрологических характеристик гальванометров обычно указывают их чувствительность к току или напряжению и сопротивлению рамки. Чувствительность гальванометров зависит от способов применения (рамки внутри зазора постоянного магнита. Различают гальванометры с подвижной частью (рамкой) на кернах, на растяжках, на подвесе. Современные гальванометры позволяют измерять токи в пределах от 10 -5 …10 -12 А и напряжения до 10 -4 В.

аналоговые электромеханические приборы магнитоэлектрической системы относятся к числу наиболее точных и чувствительных. Так как рамка таких приборов намотана тонким проводом, это не позволяет пропускать через нее токи, превышающие десятки миллиампер. Превышение указанных значений может привести к повреждению провода рамки или спиральной пружинки. Т.О., возникает задача расширения пределов расширения пределов измерения магнитоэлектрических амперметров и вольтметров.

Расширение пределов измерения амперметров достигается включением шунта, параллельного прибору (рис.4.4).Сопротивление шунта Rш должно быть меньше сопротивления рамки прибораRр и подбирается так, чтобы при измерении основная часть измеряемого тока, проходящая через шунт, а ток, протекающий через рамку прибора, не превышал допустимого значения. Если необходимо иметь верхний предел измерения амперметраI, а верхний предел измерения без шунтаIа, то сопротивление шунта

Rш = Rр/ n-1 (4.11)

где n = I/Iа

Рисунок 4.4 Расширение пределов измерения диапазонов амперметра

Амперметры для измерения сравнительно небольших токов (до нескольких десятков ампер) имеют внутренние шунты, вмонтированные в корпус прибора. Для измерения больших токов (до нескольких тысяч ампер) изменяются наружные шунты.

Для расширения пределов измерения вольтметра последовательно с сопротивлением рамки включается добавочное сопротивление Rд (рис.4.5), которое ограничивает

Рисунок 4.5 Расширение пределов измерения вольтметра

падение напряжения на рамке прибора до допустимых пределов. Если необходимо измерять напряжение Uв, то величина добавочного сопротивления должна быть

Rд =Rр *(n- 1) (4.12)

Добавочные сопротивления внутренними, встроенными в корпус вольтметра (при напряжении до 600 В) или наружными (при напряжении 600…1500 В). Наружные добавочные сопротивления выпускаются на определенные номинальные токи (от 0,5 до 30 мА) и имеют классы точности от 0,02 до 1. Шунты и добавочные сопротивления изготавливаются из материалов с высоким удельным сопротивлением, имеющих температурный коэффициент, близкий к нулю.

При ремонте электронного устройства или при эксплуатации электрических цепей приходится сталкиваться с необходимостью провести измерение напряжения и тока какой-либо цепи. Для этого существуют как специальные приборы, так и универсальные. Использовать их совсем несложно, но для этого следует иметь хотя бы простейшее представление, как ими пользоваться.

Физическое определение величин

Взаимодействие и движение электрических зарядов было описано в 1600 году учёным из Англии Уильямом Гильбертом, который ввёл в обиход понятие электричества. Им было обнаружено, что в различных физических телах существуют заряды, способные образовывать электрическое поле и тем самым оказывать воздействие на другие заряженные тела.

Впоследствии было установлено, что заряженные частички разделяются на положительные и отрицательные заряды , при этом с одинаковым знаком друг от друга отталкиваются, а с противоположным - притягиваются. Кроме этого, физики Эрстед, Фарадей, Максвелл, экспериментировавшие с телами, открыли электромагнетизм, который заключается в появлении магнитного поля при перемещении заряженных частиц.

Таким образом, было введено два понятия - ток и напряжение. Первое обозначает упорядоченное движение зарядов, а второе - силу, которую необходимо затратить для переноса единичного заряда без влияния на остальные заряженные частицы, находящиеся в теле. Так как при этом изменяется энергия заряда, то напряжение характеризуется разностью потенциала энергий до и после перемещения заряда.

Изучавший в 1826 году электрические свойства материалов немецкий учёный Георг Симон Ом провёл серию экспериментов, в результате чего им был сформулирован закон для участка цепи. Он установил, что величина тока прямо пропорциональна разности потенциалов и обратно пропорциональна сопротивлению, тем самым обнаружив связь электрических величин между собой. Так появились понятия: электродвижущая сила, падение напряжения, проводимость.

Электрическое напряжение

Обозначая количественно работу по перемещению заряда из одной точки в другую, выделяют различные виды напряжения. Зависят они от протекающих токов. Для их обозначения используются различные термины и способы вычисления. Разность потенциалов может быть:

1. Постоянной, возникающей в электростатических цепях и контурах постоянного электротока.
2. Переменной, проявляющейся при возникновении переменного тока.

Единицей измерения физической величины любого вида был принят вольт в честь выдающегося учёного Алессандро Вольта, сконструировавшего первый источник тока. А графическим обозначением стал знак U. Математически напряжение описывается следующей формулой:

U = A/q, где U - разность потенциалов, A - совершаемая электрическим полем работа, q - заряд.

Специализированный прибор, предназначенный для измерения напряжения, называется вольтметром. Для того чтобы измерить разность потенциала, он подключается параллельно источнику энергии или элементу, на котором измеряется падение напряжения.

Так как при параллельном соединении элементов сила электротока распределяется между ними, идеальный измерительный прибор должен иметь бесконечно большое внутреннее сопротивление. Но на практике такого не может быть, поэтому чем выше сопротивление прибора, тем точнее его результат измерения.

Вольтметры выпускаются как для измерения только постоянного или переменного напряжения, так и универсальные. При этом по принципу работы они могут быть:

1. Цифровые. Их работа основана на использовании аналого-цифрового преобразователя (АЦП) и жидкокристаллического дисплея.
2. Аналоговые. Главным элементом такого типа прибора является электродинамическая головка, отклонения стрелки которой по проградуированной шкале позволяет измерить напряжение.

Для измерения постоянного сигнала измеряемое напряжение преобразуется в сигнал прямоугольной формы методом широтно-импульсной модуляции. Затем усиливается и выпрямляется детектором, работающим по принципу удвоения напряжения. Далее, сигнал обрабатывается микроконтроллером, который визуализирует полученные данные на экране в виде цифр. Работа вольтметра переменного напряжения основана на преобразовании переменного сигнала в постоянный, прямо пропорциональный измеряемому значению переменного напряжения.

Для того чтобы появился электрический ток, необходимо выполнение двух условий: физическое тело должно обладать свободными частицами, и на них должна воздействовать сила, двигающая их в одном направлении. Наиболее подходящими телами являются металлы - проводники. Если такой проводник поместить в электрическое поле, то под его действием в металле начнётся направленное перемещение зарядов, то есть образуется ток.

Как и в случае с разностью потенциалов, ток может быть двух видов:

1. Постоянный. Характеризуется упорядоченным движением зарядов, направление которых не изменяется продолжительное время.
2. Переменный. Это такой электроток, который может изменять во времени как свою величину, так и направление движения.

Единицей измерения тока любого вида принят ампер. На схемах и в литературе электроток обозначается символом I. Вычислить его можно по формуле:

I = ΔQ / Δt, где I - сила тока, ΔQ - количество заряда, Δt - промежуток времени.

Сила тока измеряется с помощью специального прибора - амперметра. Включается он последовательно в цепь на том участке, на котором проводятся измерения.

Идеальным считается прибор с нулевым значением внутреннего сопротивления. Поэтому чем меньше его сопротивление, тем точнее будут измерения.

По своей конструкции приборы могут быть:

1. Стрелочными. Основу их конструкции составляет электроизмерительная головка разной системы: магнитоэлектрической, электромагнитной, электродинамической.
2. Дискретными. Такой прибор состоит из АЦП и преобразует измеренную силу тока в цифровой сигнал, который потом отображается на экране.

А также все амперметры разделяют на устройства измерения силы тока постоянного и переменного напряжения. При измерении величины постоянного тока используют шунтирование измерительной головки. Это делается, чтобы не спалить катушку, располагающуюся на ней. Тогда при прохождении постоянного электротока через прибор он будет разделяться на ток шунта и головки.

Шунт кратен 10, то есть 1 к 10, 1 к 100 и т. д. , а после отклонения стрелки результат просто умножается на это число. Для измерения переменного тока в прибор добавляется измерительный трансформатор тока, вторичная обмотка которого подключается к амперметру. Шкала прибора размечается исходя из наибольшего тока, текущего через первичную обмотку трансформатора.

Амперметр и вольтметр

Перед началом работы с приборами их необходимо настроить и выполнить калибровку. При этом измерения должны проводиться при температуре около двадцати градусов по Цельсию. Связанно это с тем, что физические свойства материалов зависят от температуры. Особенно это касается проводимости. Самые простые устройства, аналоговые, представляют собой выполненный из пластмассы корпус, в котором располагается:

• электроизмерительная головка;
• резистор (шунт);
• проградуированная на заводе шкала;
• контактные выводы.

В амперметре резистор располагается параллельно электродинамической головке, а в вольтметре - последовательно. На шкалу наносятся номиналы значений от нуля до предельной величины, а также обязательно указывается единица измерения и форма сигнала, например, А - ампер, mA - миллиампер, V - вольт, mV - милливольт.

При измерении прибор должен быть установлен на ровную горизонтальную поверхность. С помощью регулятора, часто сделанного под шлицевую отвёртку, устанавливается положение стрелки, соответствующее цифре ноль. Как только калибровка выполнена, можно приступать непосредственно к измерениям:

1. К контактам тестера подключаются два провода: один - к положительной клемме, другой - к отрицательной.
2. При работе с вольтметром обратными концами проводов (щупами) дотрагиваются до точек, между которыми необходимо измерить напряжение. Таким образом, его подключение окажется параллельным. Для измерения амперметром необходимо разорвать электролинию, в которой проводится замер, и к разорванным концам подключить щупы. При этом и в том, и другом случае важно соблюдать полярность. Это значит, что положительный полюс прибора должен совпадать с плюсом на схеме. Хотя для переменной формы сигнала это неважно.
3. По отклонению стрелки определяется измеряемая величина.

Если при измерении стрелка отклоняется в левую сторону от нуля, это значит, что неправильно подключена полярность. Долго в неправильном подключении оставлять прибор нельзя, так как электроизмерительная головка выйдет из строя.

Работа с цифровым тестером при измерении аналогична использованию аналогового прибора, но предварительная калибровка в них не выполняется. Для работы дискретных тестеров необходим источник питания, поэтому перед измерением нужно убедиться в его исправности.

Универсальный прибор

В быту специализированными приборами почти не пользуются, так как для этого существуют комбинированные приборы - мультиметры. По принципу работы они разделяются на цифровые и аналоговые устройства. Универсальные приборы могут измерять электрические величины различного рода и форм. Для этого тестер оснащается галетным переключателем, которым выбирается измеряемая величина и диапазон её значений. Но встречаются приборы и с автоматическим подбором этого диапазона.

Цифровой использует в своей работе сравнение эталонного и входного сигнала. Разность потенциалов измеряется прямым подключением прибора, а замер тока основан на определении падения напряжения на внутренней резистивной нагрузке тестера. Аналоговый вид использует в конструкции электромеханическую головку, помещённую в рамку, создающую магнитное поле. В зависимости от входного сигнала стрелка в рамке отклоняется. В зависимости от силы этого отклонения и вычисляется измеряемая величина.

Перед тем как приступить к работе, мультиметр нужно проверить на исправность его источника питания. В случае его негодности на цифровом приборе при включении загорается индикация с мигающей батарейкой. Для стрелочного же прибора показанием к замене батареек будет невозможность выставить стрелку в нулевое положение.

На лицевой панели мультиметров располагаются переключатели, позволяющие выбрать тот или иной режим работы тестера. Кнопка ON/OFF включает или выключает устройство. Кроме этого, в тестере могут быть следующие разъёмы:

• 10А - измерения силы тока c пределом до десяти ампер;
• mA - измерение тока в миллиамперах;
• СОМ - гнездо для подключения щупа отрицательного полюса;
• V/Ω - для присоединения щупа положительного полюса.

Перед проведением измерений нужно подключить к тестеру пару проводов. Один провод (минусовой) вставляется в гнездо COM, а другой (плюсовой) - V/Ω. На одном конце каждого из проводов находится штекер, предназначенный для установки в гнездо измерителя, а на другом - контактный щуп. Для того чтобы померить напряжение, следует выполнить следующие действия:

1. Нажатием кнопки ON/OFF включить мультиметр.
2. Для измерения постоянного напряжения переключатель установить в зону тестера, обозначенную DCV или V-, а переменного - ACV или V ~.
3. Перемещением этого же переключателя установить максимально возможное напряжение.
4. Касанием щупов, соблюдая полярность, стать в точках измерения.

Через одну секунду на экране высветится число, обозначающее измеряемое напряжение.

Как и при измерении напряжения, перед началом замера к тестеру подключается измерительная пара проводов. В разъём COM вставляется общий провод, а плюсовой - в mA или A. Далее измерения проводятся в следующем порядке:

Таким же образом проводятся измерения и с использованием аналогового устройства. Но результат измерения определяется не по дисплею, а по отклонению стрелки.