3.6.6 Зависимость показаний вольтметров от формы кривой измеряемого напряжения

Важной характеристикой вольтметра является его градуировочная характеристика, устанавливающая соотношение между показанием прибора U_п и значением определяемого параметра U_x: U_x = cU_п, где с – градуировочный коэффициент, зависящий от типа детектора и вида измеряемого параметра.

Шкалы подавляющего большинства вольтметров градуируют в среднеквадратических значениях синусоидального напряжения, так как при измерении гармонического напряжения преимущественно интересуются его среднеквадратическим значением.

Если детектор квадратичный, то с =1 и показание прибора непосредственно дает значение U_ск, т.е. U_п = U_ск. При детекторах других типов с  1.

Чтобы правильно определить искомый параметр напряжения по показаниям прибора, необходимо знать тип детектора и градуировочную характеристику.

Когда измеряется напряжение несинусоидальной формы вольтметрами, предназначенными для измерения гармонических напряжений, шкалы которых проградуированы в среднеквадратических значениях синусоидального напряжения, то в случае открытых входов вольтметров поступают следующим образом:

- показание вольтметра с пиковым детектором умножают на 1,41: U_m = 1,41U_п;

- при квадратичном детекторе U_ск = U_п;

- для детектора средневыпрямленного значения U_св = 0,9U_п.

3.7 Измерение постоянного напряжения цифровыми вольтметрами

Цифровой вольтметр – прибора, автоматически вырабатывающий дискретные сигналы измерительной информации, показания которого представлены в цифровой форме.

Обобщенная структурная схема цифрового вольтметра представлена на рисунке 3.5.8.

Рисунок 3.5.8 – Обобщенная структурная схема цифрового вольтметра

Входное устройство изменяет масштаб измеряемого напряжения, при необходимости отфильтровывает помехи и изменяет полярность напряжения.

Основным классификационным признаком является вид аналого-цифрового преобразователя (АЦП), применяемого в вольтметре.

В зависимости от структурной схемы АЦП различают

- вольтметры с прямым преобразованием без обратной связи;

- вольтметры с уравновешивающий (компенсационным) преобразованием с общей отрицательной обратной связью.

3.7.1 Вольтметры с прямым преобразованием

3.7.1.1 Цифровые вольтметры с время-импульсным преобразованием

Принцип работы заключается в преобразовании измеряемого напряжения U_х в пропорциональный интервал времени t, длительность которого определяется путем заполнения импульсами опорной частоты и подсчета числа этих импульсов N с помощью счетчика.

Структурная схема представлена на рисунке 3.5.9.

Рисунок 3.5.9 – Структурная схема цифрового вольтметра с время-импульсным преобразованием.

На рисунке 3.5.10 представлены эпюры напряжения, иллюстрирующие работу вольтметра.

Рисунок 3.5.10 – Эпюры напряжений, иллюстрирующие работу вольтметра с время-импульсным преобразованием.

Измеряемое напряжение через входное устройство подается на компаратор 1. Управляющее устройство задает циклы измерения в автоматическом режиме (длительностью Т_сч). В начале цикла измерения импульс управляющего устройства сбрасывает предыдущие значения, отсчитанные счетчиком, и запускает генератор линейно изменяющегося напряжения ГЛИН. Напряжение U_х и образцовое напряжение U₀ поступают на входы компаратора 1, и в момент времени их равенства t₁ на выходе компаратора 1 возникает импульс U_к1, открывающий селектор. В момент времени t₂, когда U₀ = 0, компаратор 2 вырабатывает импульс U_с2, закрывающий селектор. Счетчик считает количество импульсов N с генератора счетных импульсов ГСчИ, прошедших через селектор. Измеряемое напряжение будет равно

U_x = kt, где - скорость изменения напряжения ГЛИН.

В свою очередь, t = NT_сч, откуда следует U_x = kNT_сч = k_vN; k_v = kT_сч = const.

K_v выбирается из условия k_v = 10^-m, где m = 0, 1, 2, … Показатель m изменяется при переключении пределов измерения.

Источниками погрешностей являются

- погрешность, обусловленная нелинейностью образцового напряжения U₀ и нестабильностью скорости его нарастания _U0;

- погрешность из-за нестабильности частоты ГСчИ _ГСчИ;

- погрешность дискретности, равная единице младшего разряда 1/N;

- погрешность из-за входной гармонической помехи.

Рассмотренный вольтметр является неинтегрирующим. В интегрирующих вольтметрах время-импульсного преобразования подсчет импульсов ведется за время Т₁ + Т₂. Такие вольтметры более помехоустойчивы.