Вольтметр переменного тока

Технические характеристики прибора 

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

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение

Вольтметры  переменного тока 

  В настоящее время вольтметры переменного тока выполняются как с непосредственным сравнением измеряемого напряжения с известным напряжением, так и с промежуточным  преобразованием переменного напряжения  в напряжение постоянного тока.

     В этих вольтметрах измеряемое напряжение преобразуется в постоянное напряжение, пропорциональное либо среднему, либо амплитудному, либо действующему (эффективному) значению, в зависимости от типа используемого преобразователя. Основные характеристики таких вольтметров практически определяются свойствами преобразователей. Известны преобразователи с погрешностью не более ±0.01%, а также преобразователи с верхним частотным диапазоном 30 МГц, но с большей погрешностью.

     Для измерения амплитуды периодических  импульсов применяют вольтметры, в которых сравнивается амплитуда импульсов с постоянным известным напряжением. Применяются также вольтметры с предварительным преобразованием амплитуды импульсов в напряжение постоянного тока с помощью “пиковых” детекторов.

В качестве примера укажем выпускаемый промышленностью щитовой вольтметр переменного тока типа Ф220 с верхними пределами измерения 1-10-100-500-1000В класса точности 1/0.5. Прибор имеет преобразователь переменного тока в постоянный. Имеется выход двоично-десятичного кода.  

      На переменном токе измеряемый  сигнал имеет следующие характеристики:

1. амплитудное значение  напряжения U_m

2. действующее значение напряжения U_д

U_д=

3. среднее значение напряжения

      Амплитудное, среднее, действующее значение связаны  между собой  через коэффициент  формы K_ф=U_м/U_д и коэффициент амплитуды U_a=U_м/K_a.

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

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

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

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

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

Глава I

Методы  измерения

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

    Различают следующие разновидности методов:

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

    II. Метод преобразования переменного напряжения в постоянное.

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

    I. Измерение напряжения  переменного тока  методом непосредственной оценки

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

1.Метод преобразования напряжения в угол отклонения:

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

    Электромеханические приборы бывают: - магнитоэлектрические

                                                                              -электродинамические

                                                                              -электромагнитные

                                                                              -электростатические

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

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

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

.Магнитоэлектрические измерительные приборы применяются для измерения постоянных токов и напряжений

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

                           -электродинамические,

                            -электромагнитные   механизмы.

     1.1  Метод преобразования  переменного напряжения с

     использованием  электростатического  механизма

 Структурная  схема реализующая данный метод:

 
 

     Переменное  напряжение  преобразуется непосредственно  в угол отклонения.

Данный  метод можно реализовать при  помощи электростатического механизма.

Рассмотрим механизм с изменением емкости вследствие изменения активной площади пластин. Он используется главным образом для создания вольтметров на низкие напряжения (в десятки и сотни вольт). (Рис.1). 
 
 
 
 
 

1. алюминиевые пластины подвижной части;

2. Неподвижная часть состоит из одной или нескольких камер, (чем больше камер тем выше чувствительность прибора);

3. ось, на которой крепится подвижная часть;

4 - упругий элемент.

 
 

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

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

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

     - энергия электрического поля  системы заряженных тел.

    На  основании выражения для вращающего момента получим:

    

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

    

, откуда

    

 

Где:  W- удельный противодействующий момент

    U - напряжение приложенное к системе

    С - емкость системы заряженных тел

Достоинства.

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

Недостатки.

Недостатком электростатических ИМ является малая  чувствительность.  

1.2 Метод измерения  переменного напряжения  с использованием  электромагнитного механизма

    Данный  метод можно реализовать при  помощи электромагнитного механизма. Принцип действия данной системы  основан на взаимодействии катушки с ферромагнитным сердечником. Сердечник втягивается  в катушку при любой полярности протекающего по ней тока. Это обусловлено тем, что ферромагнетик располагается в магнитном поле катушки так, что поле усиливается. Следовательно, прибор электромагнитной системы может работать на переменном токе. (Рис.2)