Методическая погрешность при измерении напряжения вольтметром Эквивалентная схема

Zi – внутреннее сопротивление источника сигнала;

Zv – входное сопротивление вольтметра.

У идеального вольтметра Zv  . В этом случае показание вольтметра равно ЭДС источника.

Реальный вольтметр показывает падение напряжения на сопротивлении Zv

отсюда можно найти методическую погрешность измерения напряжения:

_E = U_v  E

методическая погрешность может быть как положительной так и отрицательной, т.к. Zi может носить индуктивный характер, а Zv – емкостной, то на высокой частоте возможен резонанс и тогда Uv > Е.

относительная погрешность:

Входные параметры вольтметра.

Рассмотрим эквивалентную схему входной цепи вольтметра:

Свх – емкость входной цепи;

R_v – резистивная составляющая входного сопротивления;

L_вх – индуктивность входной цепи.

Входное сопротивление вольтметра указывают без учета емкости проводников.

Цель пробника на вольтметре: уменьшение Свх

У рядовых вольтметров Свх=20-100пФ, с пробником- единицы пФ

При Свх=20 пФ на частоте 50 МГц емкостная составляющая входного сопротивления вольтметра составит

.

Отсюда видно, что реактивные элементы входной цепи могут вносить очень большую методическую погрешность измерения.

Классификация вольтметров.

1. по виду измеряемого параметра:

а) среднеквадратического значения;

б) пикового значения;

в) средневыпрямленного значения;

г) для измерения среднего значения;

д) мгновенных значений;

е) универсальные;

2. по виду входа:

а) с открытым входом;

б) с закрытым входом;

в) универсальные;

3. по целевому назначению(ГОСТ 15094-69):

В1 – установки для поверки;

В2 – вольтметры постоянного тока;

В3 – вольтметры для измерения гармонических сигналов (градуируют в среднеквадратических значениях гармонического сигнала независимо от типа преобразователя);

В4 – импульсные вольтметры (градуируют в пиковых значения сигнала);

В5 – фазочувствительные вольтметры (показания зависят от фазового сдвига измеряемого сигнала относительно опорного сигнала);

В6 – селективные или избирательные вольтметры;

В7 – универсальные (постоянного и переменного тока);

В8 – измерители отношения напряжений;

В9 – аналогово-цифровые преобразователи напряжения в код;

4. по рабочему диапазону частот:

а) НЧ (от 10 Гц до 1 МГц);

б) ВЧ (до 100 МГц);

в) СВЧ (свыше 100 МГц);

5. по методу измерения:

а) приборы непосредственной оценки;

б) приборы, использующие метод сравнения;

6. по точности:

а) прецизионные;

б) общего применения;

7. по конструкции:

а) стационарные;

б) лабораторные;

в) переносные;

8. по питанию:

а) автономные;

б) сетевые;

в) универсальные;

9. по виду элементов:

а) электромеханические (без активных элементов);

б) электронные;

10. по способу градуировки:

а) мВ, мкВ …;

б) измерители уровня сигнала ( );

11. по виду устройства отображения измерительной информации:

а) цифровые;

б) аналоговые.

Аналоговые вольтметры

1. Электромеханические.

Рис. 1. Структурная схема электромеханического аналогового вольтметра.

Разновидности измерительных механизмов:

1. М агнитоэлектрический (МЭИМ, постоянный ток);

2. Электромагнитный(ЭМИМ);

3. Электродинамический(ЭДИМ); (постоянный и переменный ток)

4. Электростатический(ЭСИМ);

Наибольшее распространение в технике связи находят МЭИМ благодаря высокой чувствительности и малому потреблению энергии (энергия отнимается у исследуемого объекта)

Термоэлектрический преобразователь:

Рис. 2. Схема термоэлектрического преобразователя.

Исследуемый сигнал поступает на нагреватель (1-2), тот нагревает термопару (3-4), которая вырабатывает термо-эдс Ет (её размер пропорционален мощности Р, выделяемой на нагревателе, которая пропорциональна квадрату входного напряжения), поэтому прибор реагирует на среднеквадратическое значение напряжения сигнала.

Достоинства: работает в широком диапазоне частот (до десятков МГц);

Недостатки: - малая перегрузочная способность;

- низкая чувствительность;

• зависимость от параметров окружающей среды.

Выпрямительный преобразователь:

Рис. 3. Выпрямительный преобразователь.

Мост выполняет функцию взятия по модулю. Прибор с таким преобразователем измеряет средневыпрямленное значение напряжения (если сигнал достаточно большой). При малом сигнале – диод не работает как ключ и процедура взятия модуля сигнала осуществляется с большими искажениями.

Недостатки: необходимость в большом входном сигнале;

Большое потребление энергии от исследуемого объекта;

низкая чувствительность;

низкая точность, связанная с большой погрешностью преобразований сигналов.

2. Электронные.

Структурные схемы ЭВ:

а)

б)

Рис. 4. Структурные схемы электронных вольтметров

ВУ – входное устройство, которое обеспечивает необходимое значение входных параметров вольтметра, калиброванное ослабление входных сигналов с целью расширения диапазонов измерения, согласование ослабителя сигналов с усилителем.

Усилитель переменного тока – обеспечивает калиброванное усиление сигнала в рабочей полосе частот.

Главное требование – высокая стабильность коэффициента усиления, малые нелинейные и линейные искажения.

Усилитель постоянного тока обеспечивает калиброванное усиление постоянного напряжения вырабатываемого преобразователем.

Преобразователь – преобразует переменное напряжение в постоянное, пропорционально какому-либо параметру измеряемого сигнала.

ИМ – измерительный механизм (обычно магнитоэлектрической системы, обладающий высокой чувствительностью). На переменном токе отклонение стрелки  такого прибора будет пропорционально среднему значению тока I_ср, т.е. ИМ выполняет функцию интгратора:

Схема а) обладает большей чувствительностью, которая ограничивается собственными шумами усилителя, а они в современных усилителях достаточно малы. В схеме б) чувствительность ограничивается параметрами нелинейных элементов, для работы которых нужен большой сигнал. Схема б) более широкополосная, так как в ней меньше источников частотных погрешностей (отсутствует усилитель переменного тока).