Základní jednotkou měření elektrického napětí je volt. V závislosti na velikosti lze měřit napětí voltů(V), kilovoltů(1 kV = 1000 V), milivolty(1 mV = 0,001 V), mikrovolty(1 uV = 0,001 mV = 0,000001 V). V praxi se nejčastěji musíte vypořádat s volty a milivolty.
Existují dva hlavní typy stresu - trvalý A variabilní. Baterie a akumulátory slouží jako zdroj konstantního napětí. Zdrojem střídavého napětí může být např. napětí v elektrické síti bytu nebo domu.
Pro měření napětí voltmetr. Jsou tam voltmetry přepínače(analogové) a digitální.
Dnes jsou ukazatelové voltmetry horší než digitální, protože ty jsou pohodlnější k použití. Pokud se při měření ručičkovým voltmetrem musí hodnoty napětí vypočítat na stupnici, pak pomocí digitální se výsledek měření okamžitě zobrazí na indikátoru. A pokud jde o rozměry, ukazovací nástroj je horší než digitální.
To ale neznamená, že se ukazovací nástroje vůbec nepoužívají. Existují některé procesy, které nelze digitálním přístrojem vidět, proto se spínače více používají v průmyslových podnicích, laboratořích, opravnách atd.
Na schématech elektrických obvodů je voltmetr označen kroužkem s velkým latinským písmenem „ PROTI"uvnitř. Vedle symbolu voltmetru je uvedeno jeho písmenné označení „ P.U.“ a sériové číslo ve schématu. Například. Pokud jsou v obvodu dva voltmetry, pak vedle prvního píšou „ PU 1"a o druhém" PU 2».
Při měření stejnosměrného napětí je v diagramu vyznačena polarita připojení voltmetru, ale pokud je měřeno střídavé napětí, polarita připojení není uvedena.
Napětí se měří mezi dva body obvody: v elektronických obvodech mezi pozitivní A mínus póly, v elektrických obvodech mezi fáze A nula. Voltmetr připojen paralelně ke zdroji napětí nebo rovnoběžně s částí řetězu- rezistor, lampa nebo jiná zátěž, na které je třeba měřit napětí:
Zvažme připojení voltmetru: v horním diagramu je napětí měřeno na lampě HL1 a současně na zdroji energie GB1. V níže uvedeném diagramu je napětí měřeno na lampě HL1 a odpor R1.
Před měřením napětí jej zjistěte Pohled a přibližné velikost. Měřící část voltmetrů je totiž navržena pouze pro jeden typ napětí a z toho plynou různé výsledky měření. Voltmetr pro měření stejnosměrného napětí nevidí střídavé napětí, ale voltmetr pro střídavé napětí naopak může měřit stejnosměrné napětí, ale jeho údaje nebudou přesné.
Je také nutné znát přibližnou hodnotu měřeného napětí, jelikož voltmetry pracují v přesně definovaném napěťovém rozsahu a pokud uděláte chybu s výběrem rozsahu nebo hodnoty, může dojít k poškození přístroje. Například. Rozsah měření voltmetru je 0...100 voltů, což znamená, že napětí lze měřit pouze v těchto mezích, protože pokud je naměřeno napětí vyšší než 100 voltů, zařízení selže.
Kromě přístrojů, které měří pouze jeden parametr (napětí, proud, odpor, kapacita, frekvence), existují multifunkční, které měří všechny tyto parametry v jednom přístroji. Takové zařízení se nazývá tester(většinou ukazatelové měřicí přístroje) popř digitální multimetr.
Nebudeme se zdržovat testerem, to je téma jiného článku, ale pojďme rovnou k digitálnímu multimetru. Multimetry mohou většinou měřit dva typy napětí v rozsahu 0...1000 voltů. Pro usnadnění měření jsou obě napětí rozdělena do dvou sektorů a v rámci sektorů do podrozsahů: DC napětí má pět podrozsahů, střídavé napětí má dva.
Každý podrozsah má svůj vlastní maximální limit měření, který je indikován digitální hodnotou: 200 m, 2V, 20V, 200V, 600V. Například. Na hranici „200 V“ je napětí měřeno v rozsahu 0...200 voltů.
Nyní samotný proces měření.
Nejprve se rozhodneme Pohled naměřené napětí (DC nebo AC) a přesuňte přepínač do požadovaného sektoru. Vezměme si například AA baterii, jejíž konstantní napětí je 1,5 V. Vybereme sektor konstantního napětí a v něm je limit měření „2V“, jehož rozsah měření je 0...2 voltů.
Testovací vodiče musí být zasunuty do zásuvek, jak je znázorněno na obrázku níže:
Červené měrka se obvykle nazývá pozitivní, a zasune se do zdířky, naproti které jsou ikony měřených parametrů: „VΩmA“;
Černá měrka se nazývá mínus nebo Všeobecné a zasune se do zásuvky naproti které je ikona „COM“. Všechna měření se provádějí vzhledem k této sondě.
Kladného pólu baterie se dotýkáme kladnou sondou a záporného pólu záporným. Výsledek měření 1,59 V je okamžitě viditelný na indikátoru multimetru. Jak vidíte, vše je velmi jednoduché.
Nyní je tu další nuance. Pokud jsou sondy na baterii prohozeny, objeví se před nimi znaménko mínus, což znamená, že polarita připojení multimetru je obrácená. Znaménko mínus může být velmi výhodné v procesu nastavování elektronických obvodů, když potřebujete určit kladné nebo záporné sběrnice na desce.
Nyní se podívejme na možnost, když je hodnota napětí neznámá. Jako zdroj napětí použijeme AA baterii.
Řekněme, že neznáme napětí baterie, a abychom zařízení nespálili, začneme měřit od maximální hranice „600V“, což odpovídá rozsahu měření 0...600 Voltů. Pomocí multimetrových sond se dotkneme pólů baterie a na indikátoru vidíme výsledek měření rovný „ 001 " Tato čísla indikují, že není k dispozici žádné napětí nebo je jeho hodnota příliš malá nebo je rozsah měření příliš velký.
Pojďme níž. Přepínač přesuneme do polohy „200V“, což odpovídá rozsahu 0...200 Voltů a dotkneme se sondami pólů baterie. Indikátor ukazoval hodnoty rovné „ 01,5 " V zásadě tyto údaje již stačí na to, aby bylo řečeno, že napětí AA baterie je 1,5 V.
Nula vepředu však naznačuje jít ještě níž a změřit napětí přesněji. Sjedeme na hranici „20 V“, která odpovídá rozsahu 0...20 voltů, a provedeme měření znovu. Ukazatel ukazoval „ 1,58 " Nyní můžeme s jistotou říci, že napětí AA baterie je 1,58 V.
Tímto způsobem, aniž by znali hodnotu napětí, ji najdou a postupně klesají z horní meze měření na nízkou.
Existují také situace, kdy se při měření zobrazí jednotka "" v levém rohu indikátoru. 1 " Jednotka označuje, že naměřené napětí nebo proud je vyšší než zvolený limit měření. Například. Pokud naměříte napětí 3 volty na hranici „2 V“, objeví se na indikátoru jednotka, protože rozsah měření této hranice je pouze 0…2 volty.
Zbývá ještě jeden limit „200m“ s rozsahem měření 0...200 mV. Tento limit je určen pro měření velmi malých napětí (milivoltů), s nimiž se občas setkáme při nastavování nějakého amatérského rádiového designu.
Proces měření střídavého napětí se neliší od měření stejnosměrného napětí. Jediný rozdíl je v tom, že pro střídavé napětí není vyžadována polarita sond.
Sektor střídavého napětí je rozdělen do dvou podrozsahů 200V A 600V.
Na hranici „200V“ můžete měřit např. výstupní napětí sekundárních vinutí snižovacích transformátorů nebo jakékoliv jiné napětí v rozsahu 0...200 Voltů. Na hranici „600 V“ můžete měřit napětí 220 V, 380 V, 440 V nebo jakékoli jiné napětí v rozsahu 0...600 V.
Jako příklad změřme napětí 220V domácí sítě.
Přepínač přesuneme do polohy „600V“ a zasuneme sondy multimetru do zásuvky. Na indikátoru se okamžitě objevil výsledek měření 229 Voltů. Jak vidíte, vše je velmi jednoduché.
A jeden moment.
Před měřením vysokého napětí VŽDY dvakrát zkontrolujte, zda je izolace sond a vodičů voltmetru nebo multimetru v dobrém stavu. a také dodatečně zkontrolovat zvolený limit měření. A teprve poté, co všechny tyto operace provedou měření. Ochráníte tak sebe i zařízení před nečekanými překvapeními.
A pokud něco zůstane nejasné, podívejte se na video, které ukazuje, jak měřit napětí a proud pomocí multimetru.
Střídavým napětím se rozumí periodicky se měnící napětí, jeho hlavními parametry jsou perioda (nebo frekvence jako převrácená perioda), amplituda U m a okamžitou hodnotu signálu U(t).
Kromě amplitudy a okamžitých hodnot periodického signálu se často používají následující:
1. Průměr (7,1)
2. Průměrná rektifikovaná hodnota 
(7.2)
3. Efektivní hodnota 
(7.3)
Při znalosti tvaru signálu je možné vypočítat vztah mezi amplitudou, efektivní a průměrnou rektifikovanou hodnotou:
– tvarový faktor;
– faktor amplitudy.
Tabulka 7.1
Kombinované voltmetry zobrazují efektivní hodnotu měřené veličiny. Přechod z okamžité hodnoty na skutečnou hodnotu lze realizovat třemi způsoby: určením průměrné rektifikované hodnoty a jejím vynásobením tvarovým faktorem; určení hodnoty amplitudy a její dělení faktorem amplitudy; výpočet efektivní hodnoty pomocí vzorce (7.2). V souladu s tím existují tři typy vstupních detektorů pro měřicí přístroje střídavého proudu: detektory usměrněné hodnoty, detektory amplitudových hodnot a detektory efektivních hodnot.
V praxi se nejčastěji používají sinusové signály, proto se u zařízení s detektory průměrné rektifikované hodnoty a hodnoty amplitudy provádí násobení a dělení tvarovými a amplitudovými koeficienty pro sinusový signál, resp. Při měření signálů jiného než sinusového tvaru tedy dojde k metodické chybě.
2. Princip činnosti voltmetrů s detektorem
průměrná rektifikovaná hodnota
Střídavé napětí lze měřit elektromagnetickými, elektro- a ferodynamickými nebo elektrostatickými voltmetry. Ale nejpoužívanější v měřicí praxi jsou voltmetry, které mají měřicí mechanismus magnetoelektrického systému a převodník měřeného parametru střídavého napětí na stejnosměrný proud. Měřicí mechanismy magnetoelektrického systému reagují na průměrnou hodnotu proudu protékajícího rámem. Pokud tedy rámem prochází proud s nulovou průměrnou hodnotou (například sinusoida, meandr atd.), pak se pohybující systém nevychýlí. Pro měření střídavých proudů a napětí je nutné signál nejprve převést na stejnosměrný proud nebo napětí. Hlavní typy takových převodníků jsou uvedeny v.
Rýže. 7.1. Usměrňovací voltmetry
Usměrňovací voltmetry obvykle používají jedno- nebo celovlnné usměrňovací obvody (viz obr. 7.1).
Nevýhodou nejjednoduššího zapojení (obr. 7.1a) je nízká citlivost, vysoké zpětné napětí na diodě a navíc asymetrie zátěže pro zdroj signálu v různých půlvlnách signálu. Ve schématu na Obr. 7.1b jsou použity dvě diody, což umožňuje vyrovnání ( R=R p) půlvlnné proudy a chrání diodu D1 před průrazem. Často se používají celovlnné usměrňovací obvody (obr. 7.1c).
Ve všech těchto schématech měřící mechanismus reaguje na průměrný usměrněný proud, tzn. výchylka šipky je úměrná průměrnému usměrněnému napětí U SV měřeného signálu
.
Ve většině technických aplikací je nutné znát efektivní (efektivní) hodnotu U. Samozřejmě, pokud se měří U pak sv U lze nalézt pomocí faktoru tvaru. Například pro sinusový signál U= 1,11× U Svatý. Pro usnadnění použití zařízení se toto násobení faktorem 1,11 provádí během kalibrace:
;
;
.
Výsledkem je, že takový voltmetr je vhodné použít při měření sinusových signálů. Pokud se tvarový faktor měřeného signálu liší od 1,11, pak nastává tzv. chyba tvaru křivky.
(7.4)
Například pro meandr ( NA f = 1,00):
,
těch. metodická chyba v důsledku odchylky tvaru křivky od sinusoidy může výrazně (několikrát) překročit instrumentální chybu určenou třídou přesnosti přístroje. Pokud je znám tvarový faktor měřeného signálu, lze vypočítat naměřenou efektivní hodnotu U x podle vzorce
(7.5)
Kde U n - odečet voltmetru usměrňovací soustavy.
Při měření střídavého napětí usměrňovacím voltmetrem je tedy třeba vzít v úvahu dvě metodické chyby (vzhledem k vstupnímu odporu a vzhledem k tvaru křivky) a přístrojovou chybu samotného voltmetru.
3. Princip činnosti voltmetrů s detektorem
hodnota amplitudy
Proudově napěťové charakteristiky skutečných diod mají nulovou zónu (žádný proud v propustném směru) do 0,3-0,7 V. Při měření nízkých napětí proto nelze použít usměrňovací voltmetry. Je nutné předzesílit vstupní signál, což se provádí v elektronických voltmetrech. Na Obr. Obrázek 7.2 ukazuje obvody elektronických voltmetrů s lineárními detektory na operačních zesilovačích.
a b
Rýže. 7.2. Obvody elektronických voltmetrů.
Při měření vysokofrekvenčních napětí se často používají elektronické voltmetry s amplitudovými detektory. Na Obr. 7.3 ukazuje schéma voltmetru sestávajícího z:
Měřicí mechanismus magnetoelektrického systému (MI);
Zesilovač stejnosměrného proudu (DCA);
Děliče ve vstupních obvodech;
Sonda, což je amplitudový detektor s uzavřeným vstupem.
Jeho výstupní signál je určen amplitudou proměnné složky vstupního signálu.
U kombinovaných voltmetrů je stupnice kalibrována tak, aby byla okamžitě určena střední kvadratická hodnota (rms).
; 
; 
,
Kde Do UPT– koeficient v závislosti na vlastnostech stejnosměrného zesilovače.
Rýže. 7.3. Funkční schéma voltmetru V7-15
Kalibrace kombinovaných elektronických voltmetrů se provádí pro sinusový vstupní signál
Pokud se faktor výkyvu liší od K A=1,41, pak vznikne metodická chyba:
Například, pokud má vstupní signál tvar obdélníkové vlny ( K A=1,00), pak relativní metodologická chyba:
Znaménko mínus znamená, že údaj voltmetru je nižší než efektivní hodnota vstupního signálu. Pokud je znám koeficient amplitudy vstupního signálu, pak je efektivní hodnota rovna:
Kde U n - odečet elektronického voltmetru.
Pouze pokud se kalibrace váhy shoduje s typem detektoru, zobrazí přístroje parametr signálu, pro který byla kalibrace váhy provedena.
Vzhledem k velkému vstupnímu činnému odporu elektronických voltmetrů na průmyslových frekvencích (až 1 kHz) lze metodickou chybu způsobenou spotřebou energie ze vstupního signálu často zanedbat a celková chyba měření napětí má dvě složky: metodickou chybu tvar křivky a přístrojová chyba samotného elektronického voltmetru.
Charakteristickým znakem vakuových diod, často používaných v amplitudových detektorech elektronických voltmetrů (viz obr. 7.3), je absence nulové zóny a dokonce i přítomnost malého proudu procházejícího diodou při nulovém vstupním signálu. Nestabilita tohoto nulového proudu diody vyžaduje před měřením elektronickým voltmetrem dodatečnou operaci „nastavování střídavého napětí na nulu“, při které se upravuje hodnota speciálního kompenzačního signálu. Při měření střídavého napětí elektronickým voltmetrem je tedy nutné provést dvě úpravy: vyvážení UPT a kompenzaci nulového proudu vakuové diody.
Moderní elektronické a digitální voltmetry jsou obvykle stavěny podle schématu širokopásmový zesilovač - převodník průměrné rektifikované hodnoty - měřicí mechanismus. Navíc jako samostatný konstrukční prvek je zde amplitudový detektor s uzavřeným vstupem (sonda). Při měření vysokofrekvenčních signálů je sonda připojena na vstup voltmetru, který v tomto případě pracuje v režimu měření stejnosměrného napětí přicházejícího z výstupu sondy. Pro zachování kalibrace stupnice je sonda vybavena přepážkou ( NA=1), takže výstupní signál sondy je roven efektivní hodnotě při sinusovém měřeném napětí.
Digitální voltmetry také poskytují dvě možnosti měření střídavého napětí: pro připojení signálu na svorky se používá lineární detektor (viz obrázek 7.2) a sonda (detektor amplitudy) je připojena k zařízením pro měření vysokofrekvenčních signálů. Některé voltmetry používají kvadratické detektory, jejichž výstupní signál je úměrný efektivní hodnotě měřeného napětí a ve tvaru křivky není žádná chyba.
V praxi se musí měření napětí provádět poměrně často. Napětí se měří v radiotechnice, elektrických zařízeních a obvodech atd. Typ střídavého proudu může být pulzní nebo sinusový. Zdroje napětí jsou buď generátory proudu.
Pulzní proudové napětí má parametry amplitudy a průměrného napětí. Zdrojem takového napětí mohou být pulzní generátory. Napětí se měří ve voltech a označuje se „V“ nebo „V“. Pokud je napětí střídavé, pak symbol „ ~ ", pro konstantní napětí je uveden symbol "-". Střídavé napětí v domácí domácí síti je označeno ~220 V.
Jedná se o přístroje určené k měření a řízení charakteristik elektrických signálů. Osciloskopy pracují na principu vychylování elektronového paprsku, který vytváří obraz hodnot proměnných veličin na displeji.
Podle regulačních dokumentů se napětí v domácí síti musí rovnat 220 voltům s přesností odchylky 10%, to znamená, že napětí se může měnit v rozmezí 198-242 voltů. Pokud se osvětlení ve vašem domě ztlumilo, lampy začaly často selhávat nebo se domácí zařízení stala nestabilní, pak k identifikaci a odstranění těchto problémů musíte nejprve změřit napětí v síti.
Obrázek ukazuje, že na testeru je zvolen limit měření 300 voltů a na multimetru 700 voltů. Některá zařízení vyžadují, aby bylo pro měření napětí nastaveno několik různých přepínačů do požadované polohy: typ proudu, typ měření a také vložení hrotů vodičů do určitých zásuvek. Konec černého hrotu v multimetru se zasune do zdířky COM (společná zdířka), červený hrot se zasune do zdířky označené „V“. Tato zásuvka je společná pro měření jakéhokoli druhu napětí. Zásuvka označená „ma“ se používá pro měření malých proudů. Zásuvka označená „10 A“ se používá k měření značného množství proudu, který může dosáhnout 10 ampér.
Pokud změříte napětí s vodičem zasunutým do zásuvky „10 A“, zařízení selže nebo se přepálí pojistka. Při provádění měřicích prací byste proto měli být opatrní. Nejčastěji se chyby vyskytují v případech, kdy byl nejprve změřen odpor, a poté, když zapomněli přepnout do jiného režimu, začnou měřit napětí. V tomto případě uvnitř zařízení shoří odpor zodpovědný za měření odporu.
Po přípravě zařízení můžete zahájit měření. Pokud se po zapnutí multimetru na indikátoru nic nezobrazí, znamená to, že baterie umístěná uvnitř zařízení vypršela a vyžaduje výměnu. Multimetry nejčastěji obsahují „Krona“, která produkuje napětí 9 voltů. Jeho životnost je zhruba rok, záleží na výrobci. Pokud nebyl multimetr delší dobu používán, může být korunka stále vadná. Pokud je baterie dobrá, multimetr by ji měl ukázat.
Na displeji multimetru se okamžitě zobrazí síťové napětí v digitální podobě. Na číselníku se ručička vychýlí o určitý úhel. Ukazatel tester má několik odstupňovaných stupnic. Pokud se na ně podíváte pozorně, vše bude jasné. Každá váha je určena pro konkrétní měření: proudu, napětí nebo odporu.
Limit měření na přístroji byl nastaven na 300 voltů, takže je potřeba počítat s druhou stupnicí, která má limit 3 a naměřené hodnoty přístroje je nutné vynásobit 100. Na stupnici je hodnota dílku rovna 0,1 voltů, takže dostaneme výsledek znázorněný na obrázku, asi 235 voltů. Tento výsledek je v přijatelných mezích. Pokud se údaje měřiče během měření neustále mění, může být špatný kontakt v elektrickém zapojení, což může vést k jiskření a poruchám sítě.
Zdroje konstantního napětí jsou baterie, nízkonapěťové nebo baterie, jejichž napětí nepřesahuje 24 voltů. Dotýkat se pólů baterie proto není nebezpečné a není potřeba zvláštních bezpečnostních opatření.
Pro posouzení výkonu baterie nebo jiného zdroje je nutné změřit napětí na jeho pólech. U AA baterií jsou napájecí póly umístěny na koncích pouzdra. Kladný pól je označen „+“.
Stejnosměrný proud se měří stejným způsobem jako střídavý proud. Jediný rozdíl je v nastavení zařízení do příslušného režimu a dodržení polarity svorek.
Napětí baterie je obvykle vyznačeno na pouzdru. Výsledek měření však ještě neukazuje stav baterie, protože se měří elektromotorická síla baterie. Doba provozu zařízení, ve kterém bude baterie instalována, závisí na jeho kapacitě.
Pro přesné posouzení výkonu baterie je nutné změřit napětí s připojenou zátěží. Pro AA baterii se jako zátěž hodí běžná 1,5voltová žárovka na baterku. Pokud se při rozsvícení kontrolky mírně sníží napětí, to znamená ne více než o 15 %, je baterie vhodná k provozu. Pokud napětí klesne výrazně více, pak může taková baterie sloužit pouze v nástěnných hodinách, které spotřebují velmi málo energie.
Cíl práce- studium metrologických charakteristik elektronických voltmetrů
Seznamte se s používaným vybavením a návodem k jeho použití. Dostaňte od učitele konkrétní zadání k dokončení práce.
Určete hlavní chybu elektronického voltmetru v rozsahu měření určeném učitelem. Vyneste do jednoho grafu závislost relativní a redukované chyby na údajích elektronického voltmetru. Udělejte závěr o shodě ověřovaného voltmetru s jeho třídou přesnosti.
Určete amplitudově-frekvenční charakteristiku elektronického voltmetru. Vyneste graf frekvenční odezvy a určete pracovní frekvenční pásmo voltmetru na úrovni útlumu frekvenční odezvy stanovené regulační a technickou dokumentací ověřovaného voltmetru.
Experimentálně vyhodnoťte frekvenční charakteristiku digitálního voltmetru. Proveďte srovnávací analýzu amplitudově-frekvenčních charakteristik elektronických, digitálních a elektromechanických 11 Poznámka 1. Vezměte si výsledky výzkumu elektromechanických voltmetrů z laboratorní práce č. 1, pokud byla dříve provedena. voltmetry. Sestrojte grafy frekvenční odezvy studovaných zařízení.
Pomocí elektronického voltmetru změřte napětí různých tvarů (sinusové, obdélníkové a trojúhelníkové) se stejnou amplitudou na frekvencích ležících v pracovním frekvenčním pásmu tohoto zařízení. Získané výsledky vysvětlete a potvrďte výpočty. Udělejte závěr o vlivu tvaru měřeného napětí na odečty elektronického voltmetru.
Popis a pořadí prací
Používaná zařízení
Elektronický voltmetr s analogovým výstupem - GVT-417V
Univerzální měřicí přístroj s digitálním displejem - GDM-8135
Generátor harmonického signálu - SFG-2120
Elektronický osciloskop - GOS-620
Popisy zařízení jsou přiloženy na stánku.
K provedení práce použijte schéma uvedené na obr. 2.1, kde GS je generátor (syntetizér) sinusových, obdélníkových a trojúhelníkových signálů, CV je digitální voltmetr, EV je elektronický voltmetr, ELO je katodový osciloskop.
1. Hlavní chyba elektronického voltmetru stanoveno srovnávací metodou, tzn. porovnáním jeho naměřených hodnot s hodnotami standardního, v tomto případě digitálního voltmetru, při sinusovém napětí. Hodnoty referenčního voltmetru jsou brány jako skutečné hodnoty napětí.
Elektronický voltmetr GVT-417B je kontrolován při frekvenci 1 kHz na vahách s horní hranicí 1V nebo 3V, což je dáno regulačním rozsahem výstupního napětí použitého generátoru.
Ověření se provádí pro n= (610) značky stupnice, rovnoměrně rozmístěné podél stupnice přístroje, s plynulým nárůstem a snížením jejích hodnot
Ověřené napěťové body U p jsou instalovány na ověřovaném elektronickém voltmetru a skutečné hodnoty napětí U oh uv, UÓ hodnota je převzata ze standardního digitálního voltmetru při přiblížení k ověřované značce U n se mění podle toho, jak se hodnoty zvyšují a snižují.
Výsledky měření a výpočtů jsou prezentovány ve formě tabulky.
Absolutní, relativní, redukované chyby a odchylky odečtů se stanoví pomocí vzorců uvedených v laboratorní práci 1 nebo v; také určit maximální redukovanou chybu max = Max(| i|) a maximální variace H max = Max ( H i) získaný jako výsledek experimentu.
Na základě výsledků testů a výpočtů vyneste do jednoho grafu závislost relativní a redukované chyby na údajích elektronického voltmetru, = F (U P), = F (U P); Graf obsahuje také čáry definující hranice maximální dovolené redukované chyby odpovídající třídě přesnosti testovaného zařízení.
Na základě analýzy údajů o hlavní chybě a kolísání odečtů je učiněn závěr o shodě specifikovaných charakteristik s požadavky stanovenými třídou přesnosti testovaného zařízení.
2. Amplitudo-frekvenční charakteristika elektronického voltmetru je definována jako závislost odečtů voltmetru na frekvenci vstupního sinusového signálu při konstantní hodnotě jeho napětí.
V praxi je široce používán koncept pracovního frekvenčního pásma měřicího přístroje. Pracovní frekvenční pásmo voltmetru se vztahuje k frekvenčnímu rozsahu F, u nichž nerovnoměrnost frekvenční charakteristiky voltmetru nepřekročí určitou předem stanovenou přípustnou hodnotu. U elektronického voltmetru GVT-417B tedy v rámci provozního pásma není povolena více než 10procentní změna odečtů přístroje od odečtů při frekvenci. F 0 = 1 kHz.
Krajní hodnoty frekvenčního rozsahu, které splňují zadaný požadavek, se nazývají nižší F H a nahoře F V mezních frekvencích pracovního pásma elektronického voltmetru.
Frekvenční odezva se také určuje podle schématu na Obr. 2.1. Jako zdroj signálu je použit generátor SFG-2120, který zajišťuje konstantní amplitudu výstupního signálu při změně frekvence v jeho pracovním rozsahu.
Frekvence je předběžně nastavena na generátoru GS F 0 = 1 kHz se sinusovým průběhem. Pomocí regulátoru výstupního napětí generátoru GS nastavte odečet elektronického voltmetru na značku stupnice v rozsahu (0,7-0,9) od horní meze měření a zaznamenejte nastavenou hodnotu napětí U P ( F 0 = 1 kHz) = … .
V budoucnu se při určování frekvenční charakteristiky mění pouze frekvence generátoru signálu GS a napětí odebrané z generátoru se nemění.
Pro sledování úrovně signálu a jeho tvaru se používá katodový osciloskop. Na obrazovce osciloskopu se volbou koeficientů odchylky (VOLTS/DIV) a koeficientů rozmítání (TIME/DIV) získá oscilogram vhodný pro pozorování a měření - obraz několika period sinusoidy s dostatečně velkou amplitudou; zaznamenejte amplitudu l A (nebo l 2A - dvojitá amplituda) obraz signálu pro následné sledování úrovně signálu.
Je vhodné určit frekvenční odezvu odděleně pro vysokofrekvenční a nízkofrekvenční oblasti.
Ve vysokofrekvenční oblasti se frekvenční odezva začíná odehrávat v krocích po 100 kHz: 1 kHz (počáteční frekvence), 100 kHz, 200 kHz, ... dokud frekvence, při které hodnoty elektronického voltmetru neklesnou na hodnotu v řádu 0,8-0,9 z původně nastaveného čtení U P ( F 0 = 1 kHz). Pro upřesnění horní frekvence F v provozním frekvenčním pásmu F elektronického voltmetru v oblasti 10procentního poklesu frekvenční charakteristiky je nutné dodatečně odstranit několik bodů frekvenční charakteristiky s menším krokem ve změně frekvence vstupního signálu.
Při testování je konstantní úroveň výstupního signálu GS sledována elektronickým osciloskopem.
Výsledky testů a výpočtů zapište do tabulky:
Pro EV F B = ... pro CV F B =...
Kde U P ( F) - odečty voltmetru při frekvenci F; K(F) = U P ( F) /U P ( F o = 1 kHz) - frekvenční odezva voltmetru uváděná v relativních jednotkách pro odpovídající frekvence, F c je horní mezní frekvence pracovního pásma voltmetru zjištěná v experimentu.
Při provádění úlohy podobným způsobem na stejných frekvencích se vyhodnocuje frekvenční charakteristika digitálního voltmetru. Výsledky testu se zapisují do stejné tabulky. Protože tato práce vyžaduje srovnání pracovních frekvenčních pásem elektronických a digitálních voltmetrů v kvalitativním smyslu, není nutné objasňovat frekvenční charakteristiku digitálního voltmetru v dalších frekvenčních bodech. V tomto případě budou hodnoty mezních frekvencí digitálního voltmetru určeny s menší přesností.
Nižší mezní frekvence F n pracovní pás F u elektronických střídavých voltmetrů bývá v rozsahu jednotek a prvních desítek Hz. Proto může být postup stanovení frekvenční odezvy v nízkofrekvenční oblasti následující: nejprve snižte frekvenci z původní F 0 = 1000 Hz až 200 Hz a poté od 50 Hz do 10 Hz. V případě potřeby upřesněte nižší frekvenci F n pracovního pásma, při kterém frekvenční charakteristika klesá na úroveň 0,9 z jeho hodnoty at F 0 = 1000 Hz, odstranění dalších bodů v krocích po 1 Hz.
Frekvenční odezva digitálního voltmetru se posuzuje při stejných frekvencích.
Výsledky zkoušek a výpočtů jsou uvedeny ve formě tabulky:
Pro EV F n = …Hz, pro CV F n = ...Hz.
Na základě výsledků výzkumu jsou sestrojeny grafy frekvenční odezvy pro vysoké a nízké frekvence. Je vhodné vytvářet grafy podél frekvenční osy na logaritmickém měřítku.
3. Určení vlivu tvaru vstupního signálu na hodnoty AC voltmetrů.
V elektronických střídavých voltmetrech se používají měniče AC na DC napětí, jak je například znázorněno na Obr. 2.2, kde: u v( t) - vstupní napětí, U - zesilovač střídavého proudu, IM - magnetoelektrický měřicí mechanismus, - úhel výchylky měřicího mechanismu.
Používají se převodníky amplitudy, středních usměrněných nebo efektivních hodnot střídavého napětí na stejnosměrné napětí. Zároveň jsou všechny elektronické AC voltmetry bez ohledu na typ převodníku kalibrovány v efektivní hodnoty sinusového napětí. To může vést k dalším chybám při měření nesinusových napětí.
Elektronický voltmetr GVT-417B má převodník průměrné hodnoty. U takových voltmetrů je úhel vychýlení ručičky úměrný průměrné rektifikované hodnotě U cf vstupní napětí
Kde: k PROTI- převodní koeficient voltmetru, u v( t) - vstupní střídavé napětí s periodou T.
Indikace U p voltmetr jsou kalibrovány v proudu U sinusové hodnoty napětí
Kde: k F = U/U CP - koeficient průběhu napětí, pro sinusové napětí kФ = 1,11. Proto pro jinou formu napětí ( k F? 1.11) hodnoty voltmetru se mohou výrazně lišit od skutečné hodnoty, což vede k další chybě ve výsledku měření.
V takových případech lze požadovaná napětí se známým tvarem signálu zjistit výpočtem.
Na základě principu činnosti voltmetru a přijaté kalibrace je to možné podle odečtů U P přístroje k určení průměrné rektifikované hodnoty libovolného (v rámci frekvenční charakteristiky voltmetru) naměřeného napětí
U SR = U P/1.11.
Efektivní hodnota U nesinusové napětí lze určit pouze tehdy, je-li znám koeficient k průběh napětí F, k F = U U CP (nebo je znám tvar signálu, ze kterého lze tento koeficient určit)
U=k F U SR.
Číselné hodnoty tvarových faktorů pro některé signály jsou uvedeny v tabulce.
Pro experimentální vyhodnocení vlivu tvaru napětí na odečty elektronického voltmetru jsou postupně měřeny signály sinusového, obdélníkového a trojúhelníkového tvaru se stejnou amplitudou.
Dříve byly hodnoty voltmetru nastaveny na sinusový signál v rozsahu 0,5 - 0,6 od horní meze měření zvolené stupnice při jmenovité frekvenci F n =1 kHz a poté se při stejné amplitudě vstupních signálů měří napětí voltmetrem pro jiné formy signálu. Tvary signálu (sinusový, trojúhelníkový, obdélníkový) se nastavují stisknutím klávesy “ Mávat“ na generátoru.
Podle indicií U Voltmetr určuje průměr U SR a proud U hodnoty napětí pro všechny průběhy.
Pro posouzení vlivu formy napětí na odečty elektronického voltmetru se středně usměrněným měničem napětí určete další relativní chybu (v procentech)
100(U P - U)/U.
Výsledky měření a výpočtů jsou zaznamenány do tabulky.
Je třeba poznamenat, že do výsledku měření bude zahrnuta další chyba, pokud jsou efektivní hodnoty nesinusových napětí určeny přímo z odečtů voltmetru bez zohlednění tvaru signálu a provedení odpovídajících výpočtů.
Na základě výsledků výzkumu vyvodit závěr o vlivu tvaru křivky napětí na výsledky jejího měření elektronickým voltmetrem.
Literatura
Metrologie, normalizace a certifikace: učebnice pro studenty. vyšší učebnice instituce/[B.Ya.Avdeev, V.V.Alekseev, E.M.Antonyuk, atd.]; editoval V.V. Alekseev. - M.: Ediční středisko "Akademie", 2007. s. 136-140.
Již jsme uvažovali, že střídavé napětí je charakterizováno okamžitými, průměrnými, průměrně usměrněnými a efektivními hodnotami.
Většina stupnic voltmetrů, kromě pulzních, je kalibrována v efektivních (rms) hodnotách, které se rovnají 0,707 hodnoty amplitudy. Pokud jsou známy tvarové koeficienty, pak lze jeden z parametrů použít k určení ostatních. Při měření sinusových napětí je okamžitá hodnota (amplituda) určena jako U=Umeas*1,41, kde Umeas je efektivní hodnota nebo U=1,1*Usv (pokud je měřena průměrná rektifikovaná hodnota). Při měření nesinusových signálů musí být provedeny také korekce odečtů.
K měření střídavého napětí se používají elektromechanické, termoelektrické a elektronické přístroje. Volba zařízení je určena napěťovými limity, podmínkami měření a požadovanou přesností.
Z elektromechanických zařízení se používají především zařízení elektromagnetických, elektrodynamických a elektrostatických systémů.
Střídavé voltmetry jsou klasifikovány podle různých kritérií:
podle účelu: pulzní, střídavý, fázově citlivý, selektivní, univerzální;
metodou měření: přímé posouzení a porovnání s mírou;
podle měřeného parametru napětí: amplituda, střední kvadratická a střední hodnota;
podle typu indikátoru: ukazatel a digitální.
Většina voltmetrů elektromagnetického systému se používá při frekvencích 50 Hz. Třída přesnosti – 2,5 – 0,5 Elektrodynamické voltmetry mají stejný frekvenční rozsah, ale vyšší třídu přesnosti (0,1). Rovnice měřítka má kvadratický charakter. Výhody: jednoduchost konstrukce, možnost přímého použití v obvodech střídavého napětí, spolehlivost. Nevýhody - malá citlivost, velký odběr z měřicího obvodu, nerovnoměrné měřítko.
Elektrostatické voltmetry se používají k měření vysokých (až 100 kV) napětí. Třída přesnosti 1.
Měření vysokofrekvenčního napětí má své vlastní charakteristiky. Aby zařízení neovlivňovalo měřicí obvod, je nutné, aby jeho vstupní odpor byl velký a vstupní kapacita co nejmenší.
V praxi radioelektronických měření se nejvíce používají elektronické a usměrňovací voltmetry. Vysvětluje se to tím, že elektronické voltmetry mají vysokou vstupní impedanci na vysokých i nízkých frekvencích, vysokou citlivost při použití zesilovače a nízký odběr z měřicího obvodu.
Měření střídavého napětí metodou přímého odhadu.
Elektronické voltmetry.
Bloková schémata elektronických voltmetrů jsou stavěna především podle dvou schémat: milivoltmetry a voltmetry pro měření vysokých napětí. Jsou znázorněny na obrázku M2-8.
Obrázek M2-8. Elektronické voltmetry pro měření střídavých napětí.
Voltmetry pro měření vysokých napětí se skládají ze vstupního zařízení, měniče (detektoru) střídavého na stejnosměrné napětí, stejnosměrného zesilovače a měřiče magnetoelektrického systému. Milivoltmetry se vyznačují přítomností zesilovače střídavého napětí před detektorem, který slouží ke zvýšení citlivosti.
Voltmetry s průměrnou hodnotou jsou sestaveny podle blokového schématu prvního typu s měniči AC na DC napětí na základě průměrné hodnoty. Nejjednodušší průměrné voltmetry jsou usměrňovací voltmetry s převodníky vyrobenými na diodách.
Selektivní voltmetry.
Selektivní, tzn. Selektivní mikrovoltmetry jsou široce používány ke studiu spektra neperiodických signálů. Jedná se o vysoce citlivé heterodynové přijímače naladěné na konkrétní frekvenci nebo úzký frekvenční rozsah. Zjednodušené schéma selektivního voltmetru je na obrázku M2-9.
Obrázek M2-9. Selektivní obvod voltmetru
Měřený frekvenční signál Fc je přiváděn přes vstupní zařízení do směšovače, kam také přichází signál z lokálního oscilátoru. Ve směšovači je měřený signál převeden na mezifrekvenční a zesilovačem zesílen. Na výstupu zesilovače je voltmetr s digitálním nebo číselníkovým ukazatelem.
Pulzní voltmetry. Pulzní napětí se měří pomocí pulzních voltmetrů, které jsou sestaveny podle obvodu analogového elektronického voltmetru s amplitudovým detektorem. V těchto obvodech se pulzní napětí převádí na stejnosměrné napětí a měří se jeho hodnota. V tomto zapojení je možné měřit amplitudu pouze kladných impulsů, u záporných musí být dioda rozsvícena obráceně. Speciální pulzní voltmetry jsou kalibrovány v amplitudových hodnotách. Velmi často se používají oscilografické metody měření, které umožňují nejen měřit amplitudu pulzů, ale také sledovat jejich tvar.
