4.5. Залежність показань приладів різних систем від форми кривої вимірюваної напруги

Як правило, вольтметри і вимірювачі рівня градуюють по середнім квадратичним (діючим) значенням синусоїдальної напруги . Це означає, що піковий вольтметр, показання якого визначаються амплітудним значенням хвилі вимірюваної напруги, показує _, оскільки співвідношення між амплітудним і діючим значеннями для синусоїдальної форми кривій (коефіцієнт амплітуди) дорівнює .

Вольтметри з лінійним детектування, показання яких залежать від середнє випрямленого значення вимірюваної напруги ( і ), при тому ж градуюванні показують

для двох напівперіодного випрямлення і для одно напівперіодного, тому що співвідношення між діючим і середнє випрямленими значеннями для синусоїди (коефіцієнт форми) відповідно рівні: і . І тільки квадратичний вольтметр, що реагує на середнє квадратичне значення синусоїдальної і всякої іншої напруги, у цих значеннях і градуюється.

Таким чином, усі вольтметри (проградуйовані по синусоїди) покажуть однакові значення (зневажаючи класом точності) тільки для напруги, форма кривої якого досить близька до синусоїди. Якщо цього немає, то кожний з них покаже величину, обумовлену його градуюванням: піковий 0,707 _, лінійний 1,11 або 2,22 і тільки квадратичний покаже значення незалежне від форми кривої.

Звідси випливає, що якщо для синусоїдальної напруги показання вольтметра будь-якої системи дають можливість визначити , , і , то для іншої форми кривої за показниками приладів різних систем можна знайти одну з величин: для пікового приладу; або для лінійного і для квадратичного. Інші величини можуть бути знайдені правильно тільки у тому випадку, якщо відомі і для кривої вимірюваної напруги.

Величини і можуть бути визначені по відомій кривій; шляхом графічних і аналітичних розрахунків, а можуть бути знайдені й експериментально, якщо досліджувана напруга вимірити приладами різних систем і за результатами вимірювань визначити _, й або .

Варто мати на увазі, що показання вольтметрів залежать і від схеми їхнього входу. Якщо вхід відкритий, то показання приладу залежать (з урахуванням коефіцієнтів амплітуди і форми) і від постійної складової вимірюваної напруги; якщо вхід закритий, то показання приладу (теж з урахуванням коефіцієнта амплітуди і форми) визначаються тільки перемінної складової. При цьому в залежності від полярності включення прилад може реагувати або на позитивну, або на негативну півхвилю вимірюваної напруги.

4.6. Цифрові вольтметри

Розвиток автоматизації вимірювальних процесів і упровадження в усі області людської діяльності електронно-обчислювальних машин привели до усе більш широкого використання цифрових вимірювальних приладів, у тому числі і цифрових вольтметрів.

Цифрові вольтметри дозволяють вимірювати постійні напруги від мілівольтів до тисяч вольтів з похибкою (0,5—0,01) % при високій швидкодії і, що досить важливо, при можливості безпосереднього введення результатів вимірювань в електронно-обчислювальну машину.

При вимірах змінної напруги вони попередньо у вхідному пристрої випрямляються; похибка при цьому зростає приблизно на десяті частки відсотка.

Цифрові вольтметри з електромеханічними елементами (контактними реле, кроковими шукачами і т.п.) мають невелику швидкість дії (порядку секунд на один вимір), а з різного роду електронними елементами (тригерами й ін.) дозволяють робити до тисячі відліків у секунду.

Принцип дії цифрових вольтметрів складається в зіставленні вимірюваної напруги з деяким зразковим (опорним) напругою таким чином, щоб результат зіставлення давав можливість одержати цифрове зображення контрольованої напруги на екрані приладу. Таке зіставлення можливе різними способами.

При найпростішому часоімпульсному перетворенні напруга, що відповідає вимірюваному, перетвориться в деякий відрізок часу, пропорційний величині напруги, після чого величина цього відрізка контролюється підрахунком імпульсів, що розміщаються в ньому, строго визначеної частоти. Можливо також зіставлення по методу порозрядного зважування (порозрядного кодування), коли вимірюване напруга, аналогічно зважуванню, зіставляється спочатку з великою величиною опорної напруги, що відповідає вищому для даного приладу розрядові, далі враховуються більш дрібні, потім ще більш дрібні значення зразкових мір доти, поки; не буде досягнуто досить точне (до одиниці останнього, нижчого розряду) збіг опорної напруги з вимірюваним.

Знаходить застосування і перетворення напруги в частоту, коли контрольована напруга, впливаючи, наприклад, на сітку лампи мультивібратора, змінює частоту його вихідної напруги, що і підраховується.

На мал. 4.12а представлена структурна схема, а на мал. 4.126 часова діаграма роботи електронного цифрового вольтметра з часоімпульсним перетворенням.

Мал. 4.12. Цифровий вольтметр із часоімпульсним перетворенням: а) схема; б) часова діаграма

Вимірювання проводиться під впливом деякої запускаючої напруги, що запуск, поданої на вхід керуючого пристрою УУ. Запуск може бути ручним або автоматичним. В останньому випадку вольтметр стежить за вимірюваною напругою , подається на вхідний пристрій (де воно в необхідних межах підсилюється або послабляється) через визначені, звичайно досить малі, інтервали часу. Керуючий пристрій (УУ) впливає на лічильник імпульсів СИ, скидаючи попередній результат, і на генератор лінійно мінливої опорної напруги ГЛН, включаючи його. Від ГЛН напруга надходить на входи пристроїв, що порівнюють, СУ-1 і СУ-2.

У деякий момент, що відповідає початкові відліку, що порівнює пристрій СУ-1 видає імпульс, під впливом якого спрацьовує електронний ключ. Тригер Т перекидається у стан 1, видаючи деякий стробуючий імпульс (мал. 4.126), а відкритий завдяки цьому тимчасовій (амплітудний) селектор ВР починає пропускати в лічильник імпульсів СИ імпульси, що надходять від безупинно діючого генератора імпульсів зразкової частоти ГІЗЧ. Лічильник рахує доти, доки вимірювана напруга не зрівняється по величині (і знакові) з лінійно мінливою опорною напругою. Коли різниця стане рівної нулеві, спрацьовує пристрій, що порівнює, СУ-2 і видає імпульс, що закриває електронний ключ, переводячи тригер у стан 0 і знімаючи з тимчасового селектора стробуючий імпульс.

Відлік імпульсів припиняється на деякому їхньому числі , що уміщається в проміжку часу _. При строго визначеному значенні періоду зразкових імпульсів і відомому значенні зміни _{; .}Таким чином,

. (4.2)

На встановленій межі вимірювань величина постійна. Звичайно , де _{і т. д.} Тоді _, і переключення меж виміру рівнозначно переносові коми в цифровому зображенні, отриманому на табло пристрою цифрового відліку УЦО.

Пристрій цифрового відліку складається з дешифратора і цифрового індикатора. У дешифраторі кодова комбінація, отримана на виході лічильника або в блоці зразкової напруги подавана у формі напруги на виходи дешифратора, перетвориться в напругу на відповідному його виході. Щоб одержати, наприклад, перетворення з двійкового коду в десятковий, у дешифраторі передбачається десять виходів. Число, виражене в двійковій системі і зафіксоване положеннями тригерів, перетвориться в напругу тільки на тім виході дешифратора, номер якого в десятковій системі відповідає числу, поданому в двійковій системі на вхід дешифратора [6].

Цифрові індикатори, що спрацьовують під впливом напруги, що надходить з визначеного виходу дешифратора, різноманітні. Найбільш поширені індикаторні газорозрядні лампи, у яких катоди зроблені у виді арабських цифр. Катоди, що відповідають роботі дешифратора, світяться.

Похибка проведеного виміру складається з похибки зразкової напруги (порядку сотих часток відсотка), похибка дискретності і похибка порівняння порівняння. Похибка дискретності приймається рівної плюс (мінус) одиниці молодшого розряду рахунка, тому що в залежності від настання моментів ; і можливо, що або перший, або останній імпульс зразкової частоти не буде врахований.

Похибка порівняння залежить від порога, чутливості застосованої схеми порівняння. Для її зменшення СУ-1 і СУ-2 робляться однаковими.

Показаний на мал. 4.12 пунктиром калібратор — джерело зразкової напруги — використовується для перевірки справності вольтметра і його регулювання. За подібною схемою побудовані ЕЦВ ВК7-10А, ВК7-10А/1.