Главная Измерительная установка - комплекс средств измерений




Рис. 2.62. Функциональная схема амплитудного вольтметра с нелинейной отрицательной обратной связью в цепи УПТ

посредственного измерения сигналов от 50 мВ до 300 В в широком частотном диапазоне. К недостаткам следует отнести относительно низкую чувствительность и наличие операции «установка нуля». По схеме <ши-ковый детектор - балансный УПТ» построены вольтметры типов В7-13, В7-15, В7-17, В7-26 и др.

Основная погрешность в номинальном диапазоне частот данной группы вольтметров зависит главным образом от точности элементов схемы стабилизации работы диода и класса измерительной системы. Чувствительность вольтметров может быть повышена при использовании УПТ типа М -ДМ, т. е. за счет использования УПТ с большим коэффициентом усиления. При этом сохраняется основное достоинство вольтметра - широкополость. Для устранения нелинейности шкал используется нелинейная ООС. Схема такого вольтметра, предложенная Андерсоном, приведена на рис. 2.62.

Здесь Ди - разность выходных напряжений детекторов Д, и Дг подается на УПТ, собранный по схеме типа М-ДМ. Напряжение с выхода УПТ подается на модулятор М, на выходе которого имеем синусоидальное напряжение с амплитудой, пропорциональной сигналу разбаланса Д« (Г- - генератор синусоидального напряжения). Сигнал с выхода модулятора через цепь обратной связи подается на вход пикового детектора Дг. Таким образом, система УПТ-М охвачена нелинейной ООС через цепи Р-Дг-При достаточно большом коэффициенте к = = kik2 (где ki - коэффициент усиления УПТ, к - коэффициент передачи модулятора) передаточная характеристика =ф(и) будет линейной при условии, что передаточные характеристики детекторов идентичны.

Действительно и = ккги. Пусть передаточные характеристики детекторов имеют вид

"ml И„2 = а2«р-

Тогда

Дк = Ы„, - «„2 = Oti«" - OtKp = 0(,ы" - 0t2P"«S,

отсюда

Щг \

«2 \ пккау J

Здесь погрешность Ъ =-ujiikka-iu" = - Ux/nkik2Ui

обусловливает нелинейность, которая тем меньше, чем больше коэффициент к = кк2. В данном случае для линеаризации шкалы вольтметра использован метод взаимообразных преобразований, при котором два включенных последовательно нелинейных четырехполюсника со взаимообратными характеристиками корректируют сквозную передаточную функцию системы.

Типовые параметры вольтметра, построенного по схеме «детектор - УПТ» с нелинейной обратной связью следующие: частотный диапазон до нескольких единиц гигагерц, первый предел измерения 1 - 10 мВ, класс точности 2,5 - 10.

К достоинствам этого метода построения вольтметров следует отнести высокую чувствительность при широком частотном диапазоне, свойственном вольтметрам с пиковым детектором на входе, и высокую линейность шкалы. Недостатком является сложность схемы.

Данный метод использован в вольтметре ВЗ-43. Максимальная чувствительность, которую можно получить у данной группы приборов, зависит от чувствительности и входного импеданса УПТ,

Вольтметры среднеквадратических знйче-ний. Вольтметры среднеквадратических значений также строятся по структурной схеме, приведенной на рис. 2.53, а. Одним из основных узлов прибора является преобразователь переменного напряжения в постоянное, пропорциональное среднеквадратическому значению напряжения при любой форме сигнала. Суть работы вольтметра среднеквадратических значений сводится к тому, что при воздействии на детектор, имеющий квадратичную характеристику преобразования, в цепи детектора возникает сложный по форме ток, средняя (или постоянная) составляю-



щая которого пропорциональна среднеква-дратическому значению измеряемого напряжения независимо от формы этого напряжения, поданного на вход преобразователя, т. е. i = аи (f)-

В качестве таких преобразователей могут использоваться преобразователи на основе тепловых методов (с промежуточным преобразованием электрической энергии в тепловую, например термоэлектрические, терморезисторные, термоэмиссионные, фотоэлектрические) прямого преобразования и с коррекцией погрешности, нелинейные преобразователи с квадратичной функцией преобразования (с использованием элементов с естественными нелинейностями вольт-амперных характеристик и синтезированных квадратов, например путем кусочно-линейной аппроксимации и др.), преобразователи на основе аналоговых и аналого-дискретных вычислительных алгоритмов преобразования (аналоговое вычисление СКЗ входного сигнала путем возведения в квадрат, усреднения и нахождения квадратного корня).

В качестве квадратирующих элементов могут быть использованы лампы и полупроводниковые диоды из-за квадратичной формы начального участка вольт-амперной характеристики диода и анодно-сеточной характеристики триода. В режиме анодного детектирования при параболическом виде характеристики обеспечивается квадратичная зависимость показаний вольтметра.

Анодный детектор с квадратичной характеристикой имеет ряд недостатков, препятствующих его широкому применению. К главным из них относятся малый участок характеристики с точной квадратичной зависимостью (1 - 1,5 В), изменение формы характеристики с изменением напряжения питания, необходимость новой градуировки шкалы при смене ламп, необходимость компенсации начального тока диода, чтобы при отсутствии измеряемого напряжения показания прибора были равньг нулю.

Гораздо устойчивее квадратичный участок вольт-амперной характеристики у полупроводникового диода, но этот участок еще меньше (0,2-0,3 В), чем у характеристики вакуумного триода. Одним из способов получения квадратичного детектора является применение диодной цепочки. Квадратичная характеристика пепочки обеспечивается за счет сложения линейных отрезков вольт-амперных характеристик отдельных диодов (рис. 2.63, о). Каждый диод получает постоянное смещение и, «з от делителя напряжения на резисторах. Если входное напряжение «x не превышает значения и, то ток протекает через диод Г,. Если м, <«х<

< «2, то ток протекает через диоды V и V, в результате чего крутизна зависимости тока от напряжения увеличивается (рис. Z63,e). Ток г„ через прибор равен г, + i. Если >

>«2> то ток протекает через диоды Fj, F3 и равен /„ = ii +г2-1-1з; крутизна зависи-


Рис. 2.63. Преобразователь эффективных значений напряжения по методу кусочно-линейной аппроксимации (с) и квадратичный вольтметр на его основе (б) с графиками зависимости преобразуемого (в) и измеряемого (г) напряжений



мости г„(Кх) увеличивается еще больще. Подобрав параметры цепи, можно осуществить кусочно-линейную аппроксимацию вольт-амперной характеристики диодов и увеличить протяженность квадратичного участка преобразователя.

На рис. 2.63,6 приведена схема квадратичного вольтметра. Измеряемое напряжение подводится к щирокополосному трансформатору. С помощью диодов и F,o, включенных в цепь вторичной обмотки, происходит двухполупериодное выпрямление напряжения Uy. Выпрямленное напряжение и воздействует на цепь, состоящую из магнитоэлектрического прибора, последовательно с которым соединена диодная цепочка (диоды V-Vg и резисторы R, Rj-ss)-Прибор, зашунтированный конденсатором большой емкости, измеряет среднее значение тока диодной цепочки. Диодная цепочка имеет близкую к параболической вольт-амперную характеристику (рис. 2.63, г), поэтому среднее значение тока прибора i пропорционально эффективному значению измеряемого напряжения. Цепочка из диодов работает следующим образом. Делители напряжения, состоящие из резисторов R2, R - Rg, Rg, подключены к общему стабилизированному источнику «ст- Соотношения сопротивлений делителей подобраны так, что щ <U2 < ... ... <щ. в исходном состоянии диоды Fi - Vg заперты напряжением смещения и начальная часть вольт-амперной характеристики является прямой линией с наклоном, зависящим от сопротивления RI (отрезок 0-1 характеристики). Когда напряжение и превысит«1, откроется диод Fi и параллельно резистору i?i подключится делитель R2, R2, при этом возрастает ток в цепи прибора, так как уменьшается сопротивление цепи из-за подключения параллельно сопротивлению RI сопротивлений R2, R. Дальнейшее увеличение напряжения приводит к поочередному подключению остальных делителей, так что крутизна вольт-амперной характеристики будет увеличиваться с ростом и. В действительности за счет плавного изменения токов диодов вблизи напряжения отсечки изломы на вольт-амперной характеристике отсутствуют.

Погрешность преобразования таких устройств зависит главным образом рт нестабильности вольт-амперных характеристик диодов и сопротивлений резисторов и обычно составляет 3 - 5%. Частотный диапазон промышленных образцов вольтметров составляет 30 Гц - 1 МГц.

Термопреобразователи, имеющие квадратичную характеристику преобразования.

также используются в вольтметрах среднеквадратических значений. Однако шкала таких вольтметров носит квадратичный характер, что создает при работе с ними определенные трудности. В этом отношении предпочтительнее преобразователи с линейной шкалой.

В преобразователях среднеквадратических значений с линейной функцией преобразования используются преобразователи с квадратичной характеристикой или элек-тротешювые, которые также имеют существенно нелинейную функцию преобразования. Однако в таких преобразователях применяются специальные методы линеаризации функции преобразования.

Одним из методов линеаризации шкалы является метод взаимообратных преобразований [231, 239]. Схема преобразователя СКЗ на основе метода взаимообратных преобразований, нашедшего широкое применение в вольтметрах, показана на рис. 2.64.

Преобразуемое переменное напряжение Uy поступает на входной термопреобразова- , тель ГП,, на выходе которого образуется напряжение и, =aiUy В обратную цепь УПТ включен второй термопреобразователь ТП2, и под влиянием выходного напряжения усилителя Щъх образуется напряжение «2 = = а2Р«в1к- В результате на вход УПТ с коэффициентом усиления к поступает разностное напряжение ы, -U2, а на его выходе получается

«вых = («1-«2)-

Подставив в эту формулу значения и

«2, получим

,,п,1п1

вых -"

kaUy

где «1, «2 и «1, «2 - соответственно показатели степенной зависимости и коэффициенты чувствительности термопреобразователей ГП, и THj- Для получения строгой линейной зависимости необходимо так подбирать

ay(t) Ri ТП1

Рис. 2.64. Функциональная схема преобразователя СКЗ на основе метода взаимообратных преобразований



0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 [29] 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168


0.0112