Вольтметр переменного тока

 
 
 
 
 
 

  Рис.7      Принципиальная схема.                  Рис.8  Временные диаграммы.

     В данном примере рассмотрен однополупериодный выпрямитель. В таком выпрямителе ток через нагрузку протекает лишь в течение полупериода т.к ток через диод протекает лишь в одном направлении. (Рис.7).

2.3 Детектор действующего значения

    Действующее значение напряжения определяется как корень квадратный из среднего квадрата мгновенного значения напряжения за время измерения (или за период):

    

 
 
 
 
 
 
 
 

Рис.9 Активный детектор действующего значения. 
 
 
 

Пусть R1=R2

На термопару  ТП1 подаем измеряемое напряжение U_x~  в результате этого возникает ток термопары I₁ :        

 Происходит  выделение тепла Qтп1- это количество тепла, которое выделяется в нагревателе за период T.

Первая термопара  выполняет функции квадратора и интегратора

ЭДС  возникшее  на первом термопреобразователе будет равно:

          - коэффициенты, зависящие от свойств термопреобразователей.

     При поступлении на термопару ТП2 напряжения U_{вых ус} возникает ток термопары I₂ равный:   

     

       Происходит выделение тепла Qтп2

ЭДС  возникшее  на втором термопреобразователе будет равно:

,

Термопара является корнеизвлекающим устройством

Т.к  коэффициент усиления усилителя  стремится к бесконечности, его  входной сигнал  Δℓ = ℓ1 - ℓ2 ≈ 0 ,  следовательно        

III. Измерение напряжения переменного тока методом сравнения 

    В технике точных измерений широкое  распространение получили компенсационные  методы измерения напряжения переменного  тока в широком диапазоне частот. В компенсационных методах измеряемую величину сравнивают с известной величиной, воспроизводимой или измеряемой средствами измерений с высокой точностью, с помощью прибора сравнения. В качестве элементов сравнения могут служить электротепловые, электромеханические и электрические компарирующие преобразователи.

    3.1 Компенсационный метод (нулевой)

    Метод компенсации основан на уравновешивании (компенсации) измеряемого напряжения известным падением напряжения на опорном (измерительном) резисторе. Индикаторный прибор регистрирует равенство измеряемой и компенсирующей величин.

    В основном применяются схемы компенсации  напряжения (рис.10)

    

    Рис10.Схема компенсации постоянного тока.

    В этой схеме измеряемое напряжение U_x уравновешивается известным напряжением компенсации U_к, противоположным ему по знаку. Падение напряжения U_к создается током I_p на изменяемом по величине образцовом резисторе R_k. Изменение сопротивления резистора R_k происходит до тех пор, пока U_к не будет равно U_x. Момент компенсации (уравновешивания) определяется по отсутствию тока в цепи индикатора И. Изменение напряжения компенсации U_к= I_p R_k можно осуществлять изменением сопротивления R_k при неизменном значении рабочего тока.

    U_к= I_p R_k

    Для метода компенсации характерна высокая  точность, определяемая точность меры и чувствительность индикатора.

    Преимуществом компенсационного метода является отсутствие в момент полной компенсации тока от источника измеряемой ЭДС в цепи компенсации. Кроме того, отсутствие тока в цепи индикатора нуля позволяет исключить влияние сопротивления соединительных проводов на результат измерений. Выходное сопротивление компенсатора при этом равно бесконечности, т.е. при полной компенсации мощность от объекта измерения не потребляется.

     3.2 Дифференциальный  метод

    При дифференциальном методе полного уравновешивания  не происходит. Прибор измеряет разность между измеряемой величиной и мерой и отградуирован в единицах измеряемой величины. Измеряемая величина определяется по значению меры и показаниям прибора. Схема метода представлена на рис.11. 

    

Рис 11. Схема дифференциального метода.

      Пусть значение измеряемого напряжения U_x записывается как

    U_x = U_обр+ΔU±α = (U_обр+ ΔU)[1± α/(U_обр+ ΔU)],

    Где U_обр – значение образцового напряжения (меры); ΔU= U_x - U_обр – напряжение некомпенсации, измеряемое измерительным прибором; α – погрешность измерения разности U_x - U_обр.

    Так как U_обр значительно больше ΔU, то относительная погрешность измерения U_x значительно меньше относительной погрешности измерения ΔU. Если U_обр = 9,9 В, ΔU = 0,1 В, α/ΔU = 0,01 (1%), то α/(U_обр+ ΔU) ΔU = 0,01·0,1/10 = 10^-4 (0,01%). Таким образом, для достижения такой высокой точности можно принять сравнительно грубый прибор. Однако при этом измерении необходимо применять весьма точную меру U_обр, значение которой определено еще с меньшей (чем 0,01%) погрешностью.

    Этот  метод позволяет получить результаты с высокой точностью даже при применении относительно грубых средств измерения разности. Однако осуществление этого метода возможно только при условии воспроизведения с большой точностью меры, значение которой выбирается близким значению измеряемой величины. 

Глава II

Расчеты: Структурная схема вольтметра переменного напряжения.

1.1 Расчет схемы.

 
 
 
 
 

     Запишем уравнение преобразования

α =K_ВД1 K_ВД2 K_П K_У1 K_У2 K_Д

U_x

 где     ВД1 - входной делитель 1

     ВД2 - входной делитель 2

     П - повторитель

     У1 – усилитель (140УД11)

     Д- детектор (КД104А)

     У2- усилитель (140УД11)

     МЭВ – магнита - электрический вольтметр. 

1.2 Градуировка прибора 

      Составим  уравнение преобразования:

α =K_ВД1 K_ВД2 K_П K_У1 K_У2 K_Д U_x

Где K_ВД1 = 0,005;   K_У2 = ;

      K_ВД2 = 0,05;   K_Д =1;

      K_П = 1;     ;

  K_У1 = 4;   

U_x =

α =  

Отградуируем  шкалу для предела измерения 10В, при  (В) с шагом -1В:

 

     1.3 Расчет входного резистивного делителя

     1.Теоретически  определим необходимые номиналы  резисторов для расчета данной  схемы, определим коэффициенты  передачи.

    Дано:   

Принципиальная схема делителя

Рисунок 12. Принципиальная схема делителя. 
 

а) Расчет делителя ВД1:

     Для пределов     коэффициент деления = 0,005. Рассчитаем коэффициент деления для предела  .

            

          ,при ω = 0    

            

      Коэффициент передачи на переменном токе имеет частотную погрешность, для того, чтобы избавиться от нее добавим емкость параллельно резистору R₂ и рассчитаем ее исходя из условия

       

                                                        
 
 

Комплексный коэффициент передачи 

      где,         

     

Рассчитаем  добавочную емкость 

Рассчитаем  с учетом

     

Частотная погрешность равна нулю

б)   Проведем расчет делителя ВД2

     Для пределов   Приводим    к младшему пределу. Рассчитаем коэффициент деления для предела  .

     Теоретически:

      ,при  ω = 0

         

                         

                 

1.4 Расчет усилителя переменного напряжения 

     Принципиальная  схема усилителя

     Рис. 13 Принципиальная схема усилителя.

     Минимальное напряжение, подаваемое на вход усилителя

     Напряжение  на выходе не должно превышать 2 В.            

     Коэффициент усиления на переменном токе имеет  частотную погрешность 

 

     Для того чтобы избавиться от частотной  погрешности введем дополнительную емкость  С     

       

     Рассчитаем  коэффициент передачи учитывая емкость  С

                             

Следовательно, частотная погрешность γ(ω)=0

        
 
 
 

1.5 Расчет преобразователя средних значений

Рис. 14 Принципиальная схема преобразователя средних  значений. 

Выберем диод:  KD104A

Uпр = 1 B    Uобр = 300 B

Iпр = 1мA   Iобр = 1,5 мкA

     Найдем  прямое и обратное сопротивления  диода:

     

     Рассчитаем  сопротивление нагрузки

K_д =

 

1.6 Расчет усилителя 

Технические характеристики ОУ К154УД4 (Таблица №1)

     Таблица №1