Главная Измерительная установка - комплекс средств измерений



ствующее балансу УПТ. Балансировка входной схемы УПТ осуществляется выравниванием потенциалов на базе и колдекторе 2 при коротко замкнутом входе УПТ путем изменения сопротивления потенциометра R. Для стабилизации УПТ используется параллельная отрицательная обратная связь через резистор R-,. Рассмотренная схема УПТ использована в универсальном вольтметре В7-13. Недостатками схем с прямым УПТ являются их низкая чувствительность и невысокая точность измерения (погрещность измерения постоянного напряжения составляет 1,5-2,5%).

2.4.3. АВТОКОМПЕНСАЦИОННЫЕ ВОЛЬТМЕТРЫ

Дальнейшее повышение чувствительности и снижение погрешности измерения постоянного напряжения могут быть осуществлены применением метода автоматического уравновешивания в приборах непосредственной оценки. Структурные схемы приборов, использующих метод автоматического уравновешивания, приведены на рис. 2.12. Это автокомпенсационные приборы, или автоматические компенсаторы с неполной компенсацией. По роду компенсируемой на входе величины приборы разделяют на приборы с компенсацией напряжения (рис. 2,12,й,б) и с компенсацией тока (рис. 2.12, в, г), а по схеме построения цепи обратной связи - на приборы последовательного и параллельного типов. Схема автокомпенсационного прибора состоит из двух цепей: прямой и обратной. Во входной цеци устройства, или в измерительном устройстве сравнения, действуют измеряемая величина «(/х) и компенсирующая величина ИкЦк). направленные навстречу друг другу. В результате на входе прямой цепи действует разностный сигнал некомпенсации Аы = - Ык или А/ = /х -

Сигнал компенсации вырабатывается в цепи обратной связи путем преобразования выходного сигнала прямой цепи. Сигнал некомпенсации Аых(А/х) усиливается в прямой

цепи, при этом выходная величина прямой цепи ИвыхУвых) увеличивается до тех пор, пока пропорциональная ей компенсирующая величина и(1 не станет примерно равной измеряемой величине "xW:

"х « и (/х и

Если ИвыхУвых) является выходной величиной прибора, то уравнение обратной цепи и =

= Р"вых=Ивх-

Таким образом, устанавливается прямая пропорциональность между и Ызьм. т. е. точность приборов уравновешивания в идеальном случае определяется только стабильностью коэффициента обратной связи р.

При построении автокомпенсационных микро- и нановольтмегров наибольшее распространение получили схемы с последовательной обратной связью и измерением выходного напряжения или тока. Схемы с параллельной обратной связью получили преимущественное распространение при построении приборов для измерения тока.

Структурная схема автокомпенсационного микровольтмегра с последовательной обратной связью и измерением выходного напряжения аналоговым или цифровым вольтметром приведена на рис. 2.12, а. Рассмотрим коэффициент передачи схемы. Выходное напряжение автокомпенсатора и = = -кАи, где к - коэффициент передачи прямой цепи; Аых = Их - - напряжение некомпенсации.

Напряжение обратной связи определяется коэффициентом передачи цепи обратной связи:

"к = Р"вых = fcPAux; Aux = Их - = = Их - Auxfcp, или Их = Аых(1 + р/с).

Коэффициент передачи автокомпенсатора определяется выражением

fca = "вых/"х = kAuJ [Aux(l + pfc)] = fc/(l -t- pfc).

При изменении /сир изменяется и коэффициент передачи /са, т. е. в показаниях авто-


1вых=1к

Рис. 2.12. Структурные схемы автокомпенсационных приборов с компенсацией напряжения

{а, б) и тока (в, г)



п Аналоговая часть ~! Us

АЦЛ,

АЦЛг

Рис. 2.13. Структурная схема автокомпенсационного микровольтметра постоянного тока

компенсатора появится погрешность, определяемая как

Ма = I skjdk \ы<. + \ dkjdp I др,

где 18kJBk I = 1/(1 + кРГ; \ Bk/df,\ = Относительная погрешность измерения

l-l-pfc

1 -l-pfc

И-Р/с

откуда следует, что при большом значении р/с погрешность вольтметра определяется только элементами прямой цепи.

Достоинством автокомпенсационных схем является их способность в 1 -I- pfc раз уменьшать погрешность от изменения коэффициента усиления к. Так, при погрешности коэффициента усиления 5к = 1(Ю%и/с = 10(Ю погрешность автокомпенсационной схемы будет равна 0,1%.

Автокомпенсационные приборы постоянного тока по типу используемых в них усилителей некомпенсации бьшают следующие: электронные, гальванометрические или электрометрические.

Структурная схема электронного автокомпенсационного микровольтметра приведена на рис. 2.13. Прибор состоит из УПТ, аналого-цифрового преобразователя АЦП, АЦП2, блока развязки БР, блока управления поддиапазонами измерений БУПИ и блока питания БП. Прибор построен на основе УПТ с преобразованием напряжения, охваченного глубокой отрицательной обратной связью. Выходное напряжение устройства измеряется цифровым вольтметром.

Схема работает следующим образом (рис. 2.14). Измеряемое напряжение поступает на модулятор М, выполненный на вибропреобразователе или на бесконтактных ключевых элементах - МДП-транзисторах, что обеспечивает низкий уровень шумов и дрейфа нуля всего УПТ. Модуляция входного напряжения осуществляется с частотой сигнала /ош генератора. Выходной сигнал модулятора в виде последовательности прямоугольных импульсов поступает на вход предварительного усилителя УНЧ. Усиленный сигнал поступает на коммутационный фильтр Ф, в котором подавляются боковые паразитные частотные составляющие сигнала, вызванные наложением на полезный сигнал помехи от питающей сети (/осн. + 50 Гц). Отфильтрованный и усиленный усилителем У сигнал поступает на демодулятор ДМ, управляемый внутренним генератором. В демодуляторе в качестве бесконтактных ключей могут использоваться МДП-транзисторы. Выходным сигналом де-


Генератор (мультивибратор)

Рис. 2.14. Структурная схема базового усилителя автокомпенсационного микровольтметра



модулятора является постоянное напряжение, значение которого пропорционально амплитуде выходного сигнала промежуточного уоиителя частотой /осн модулирующего генератора. Затем это напряжение поступает на вход интегратора И, где оно сглаживается и усиливается; с выхода интегратора напряжение поступает на измерительное устройство и через преобразователь в цепи обратной связи ОС на дополнительный вход модулятора. Таким образом, в модуляторе М происходит модуляция разности напряжений на входе прибора и на выходе цепи обратной связи, т. е. напряжения некомпенсации Д«х = «х-«к- Достоинствами приборов, основанных на автокомпенсационном методе, являются их высокая чувствительность, равная примерно (1 -10)-Ш" В, широкий динамический диапазон (от единиц на-новольт до 1 В), достаточно высокая точность измерения (0,5-1%).

Гальваномещтческие автокомпенсационные приборы с фотоэлектрическим усилителем. Очень часто при измерении малых напряжений постоянного тока используются гальванометрические компенсаторы, где в качестве УПТ применяются различные варианты гальванометрических усилителей, обладающих очень высокой чувствительностью. Наибольшее распространение получили фотоэлектрические усилители. Упрощенная структурная схема гальванометрического автокомпенсатора представлена на рис. 2.15. В схему прибора входят измерительный механизм зеркального гальванометра G магнитоэлектрической системы, образцовый резистор обратной связи i?o6p. фоторезисторы ФР, и ФР2, источники постоянного напряжения £, = £2. магнитоэлектрический микроамперметр. На зеркальце гальванометра G направлен луч света от источника Л. При отсутствии напряжения на входе измерителя луч света, отраженный от зеркала, одинаково освещает оба фоторезистора и ток через микроамперметр 1 - 0. При подаче на вход измерителя напряжения и в це-

Рис. 2.15. Структурная схема гальванометрического автокомпенсационного микровольтмегра

пи гальванометра появляется ток 1г. подвижная часть гальванометра поворачивается на некоторый угол и происходит перераспределение освещенности фоторезисторов, вследствие чего сопротивление одного резистора уменьшается, второго увеличивается. В результате равновесие мостовой схемы (ФР ФР2, £i, £2) нарушается и в диагонали моста потечет ток 1 создавая на сопротивлении Лобр напряжение компенсации щ, почти равное измеряемому напряжению и. Значение тока /к автоматически изменяется в зависимости от изменения измеряемого напряжения Uy, но так, что выполняется условие «х « «к- Почти полная компенсация этого напряжения обусловливает большое входное сопротивление. Благодаря компенсационной схеме результаты измерения мало зависят от колебаний напряжения питания, изменения характеристик элементов схемы и сопротивления источника измеряемого напряжения. Чувствительность фотокомпенсационных приборов определяется чувствительностью гальванометра.

Недостатками гальванометрических приборов являются их малое быстродействие, низкое входное сопротивление и чувствительность к механическим вибрациям.

На этом принципе основаны фотогаль-ваномегрические компенсационные нано-вольтметры типов-Ф118, Ф128 и др. Наилучшие модели приборов (например, 147 и 148 фирмы КекЫеу Instruments) питаются от встроенного аккумулятора с подзарядным устройством. Они малочувствительны к вибрациям и ударам, имеют собственные шумы 2-10~° В, а также высокое подавление наводок с частотой сети.

Электромеханические компенсаторы. Электромеханические компенсаторы - это измерители напряжения, использующие электрический электрометр и имеющие благодаря этому весьма высокое входное сопротивление. Они применяются для измерения малых напряжений в высокоомных цепях, при измерении потенциала сетки электронных ламп, для измерения электростатического напряжения и пр.

Электрометр представляет собой чувствительный электростатический измерительный механизм, легкая подвижная часть которого подвешивается на тонкой упругой нити. В механизме применяется световой указатель положения подвижной части. На рис. 2.16 представлена схема электрометрического компенсатора постоянного напряжения, которая отличается от схемы гальванометрического компенсатора тем, что вместо магнитоэлектрического гальванометра



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


0.0154