Измерение напряжений

федеральный университет
Красноярск, 2008
Кафедра «Радиотехника»

210200.62 Радиотехника
К.т.н., доцент Алешечкин Андрей Михайлович
Метрология и радиоизмерения
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО

ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Федеральное государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования

Сибирский федеральный университет

Кафедра «Радиотехника»

Значения измеряемых напряжений

относятся к группе «В» и содержат в себе следующие виды

приборов

В1-установки или приборы для проверки вольтметров
В2-вольтметры постоянного тока;
В3-вольтметры переменного тока;
В4-вольтметры импульсного тока;
В5-вольтметры фазочувствительные (векторометры);
В6-вольтметры селективные;
В7-вольтметры универсальные;
В8-измерители отношения напряжений и (или) разности напряжений.
В9-преобразователи напряжений.

ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЙ

т.е. энергией источника питания вольтметра .

ИЗМЕРЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЙ
ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЙ

(хотя бы ориентировочные) о его:
МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЙ
Частоте

Форме

Ожидаемом значении

Требуемой точности измерения

(если это невозможно, то обязательно надо составить модель сигнала)

и вольтметров со шкалами, градуированными в единицах измеряемой величины.
Амперметры включаются

последовательно с нагрузкой (в разрыв цепи)
Вольтметры параллельно нагрузке (то есть участку цепи, падение напряжения на котором надо измерить)
При измерении I сопротивление амперметра должно быть много меньше Rн
При измерении U сопротивление вольтметра должно быть много больше Rн.
При увеличении частоты измеряемого напряжения погрешность увеличивается

МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЙ

напряжений, чем в методе непосредственной оценки
При использовании аналоговых приборов его

осуществляют с помощью компенсаторов
Компенсатор – это прибор который в момент измерения мощность от измеряемой цепи не потребляет.

наибольшее мгновенное значение напряжения за время измерения (или за период).
При

разнополярных несимметричных кривых напряжения различают положительное и отрицательное пиковое назначение (рис. 5.1.);
О пиковом значении напряжения случайного сигнала можно говорить только в вероятностном смысле.

ЗНАЧЕНИЯ ИЗМЕРЯЕМЫХ НАПРЯЖЕНИЙ

Рис. 5.1. Иллюстрации к понятию амплитуды переменного напряжения

преобразователя соответствует пиковому значению входного напряжения.
ЗНАЧЕНИЯ ИЗМЕРЯЕМЫХ НАПРЯЖЕНИЙ

Такой преобразователь

должен содержать элемент, запоминающий пиковое значение напряжения. Обычно, это интегрирующий конденсатор С, заряжаемый через диод D до пикового значения.
Пиковый преобразователь является самым высокочастотным
(точнее самым широкополосным) преобразователем переменного входного напряжения в постоянное. Он имеет как открытый, так и закрытый входы.

Для обеих схем должно выполняться условие
τз = RiC << τр = RC

Кроме того, необходимо, чтобы постоянная времени заряда τз была меньше самого высокочастотного периода измеряемого напряжения, а постоянная времени разряда τр значительно больше самого низкочастотного периода измеряемого напряжения.

входом
За несколько полупериодов конденсатор зарядится почти до амплитудного значения

напряжения, так как τз << τр. По мере повышения напряжения на обкладках конденсатора С разность потенциалов между анодом и катодом диода (Uа = Ux − Uc) уменьшается − преобразователь представляет собой схему с автоматическим смещением.

В начальный момент напряжение к диоду приложено почти целиком, поскольку С >> Сд (обычно от сотен пФ до десятков нФ).
За несколько полупериодов конденсатор зарядится почти до амплитудного значения напряжения, так как τз << τр.

входом
В установившемся режиме напряжение на катоде диода Uc ≈

Um, но из-за небольшого разряда конденсатора это напряжение немного уменьшается, и через диод проходят импульсы тока малой амплитуды, пополняя заряд конденсатора. Ток через диод течёт лишь в течение части периода, который характеризуется углом отсечки Θ

входом
Напряжение на выходе измеряется стрелочным вольтметром. Оно тем ближе

к амплитудному значению, чем меньше угол отсечки Θ

Uс = UmSin(90°− Θ) = UmCos Θ.

При наличии постоянной составляющей U0 во входном напряжении (Uх = U0 + U′m Sin ωt), напряжение, измеряемое вольтметром, зависит не только от амплитуды переменной, но и от постоянной составляющей.

Конденсатор С заряжается до напряжения, определяемого суммарным воздействием постоянной и переменной составляющих напряжения, которое подводится к преобразователю, то есть до пикового значения Um = U′m + U0.

входом
В пиковом преобразователе с закрытым входом (считаем, что к

нему подведено измеряемое напряжение uх = U0 + U′m Sin ωt) в течение нескольких полупериодов конденсатор заряжается через диод D почти до суммы напряжений U0 + U′m. Так как сопротивление резистора R велико (следовательно, велико и значение постоянной времени разряда), то напряжение Uс меняется весьма незначительно и, следовательно, его можно считать, с некоторым приближением, постоянным. Поэтому можно рассматривать конденсатор С как источник постоянного напряжения, в котором Uc ≈ U0 + U′m

входом

период) − это постоянная составляющая измеряемого напряжения



3.Средневыпрямленное значение − это

среднее значение абсолютных мгновенных значений напряжения

Если Т = 1, то Uср. в равно площади под кривой напряжения

Рис. 5.2. Иллюстрация к понятию средневыпрямленного значения
переменного напряжения

(за период)




Квадрат среднеквадратического значения напряжения периодического сигнала несинусоидальной формы равен

сумме квадратов значений постоянной составляющей и всех гармонических составляющих этого напряжения



где 1, 2, ... , k − номер гармоники

Среднеквадратическое значение периодического напряжения сложной формы не зависит от фазовых соотношений между его гармоническими составляющими.

значением напряжения:



где ka - коэффициент амплитуды

Связь между среднеквадратическим U

и средневыпрямленным:




где kф - коэффициент формы


Например:

для синусоидального напряжения: ka = 1,41; kф = 1,1.
для пилообразного напряжения: ka =1,73; kф =1,16.
для прямоугольного симметричного (меандра): ka = kф = 1.