Вольтметр из амперметра

Приборы магнитоэлектрической системы

В приборах магнитоэлектрической системы вращающий момент создается за счет взаимодействия поля постоянного магнита с рамкой (катушкой), по которой протекает измеряемый ток. Конструктивно различают магнитоэлектрические механизмы с подвижной рамкой и с подвижным магнитом. Наиболее широко распространен механизм с подвижной рамкой. В свою очередь измерительные механизмы с подвижной рамкой делятся на механизмы с внешним магнитом и с внутренним магнитом. По способу создания противодействующего момента магнитоэлектрические измерительные механизмы подразделяются на измерительные механизмы с механическим противодействующим моментом и с электрическим противодействующим моментом (логометры).

Момент успокоения создается магнитоиндукционным путем (без применения специальных успокоителей) за счет взаимодействия токов, наводимых в дюралюминиевом каркасе подвижной рамки и в цепи самой рамки, с полем постоянного магнита.

По существовавшей до недавнего времени классификации в названии типа приборов используется буква М (например, М4263).

На рис. 3.4 показана конструкция прибора с подвижной рамкой. Постоянный магнит 1, магнитопровод 2 с полюсными наконечниками 3 и неподвижный сердечник 4 составляют магнитную систему механизма. В зазоре 7 между полюсными наконечниками и сердечником создается сильное радиальное магнитное поле, в котором находится подвижная прямоугольная рамка 6, намотанная тонким медным или алюминиевым проводом на алюминиевом каркасе (или без каркаса). Спиральные пружинки 5 создают противодействующий момент и одновременно используются для подачи измеряемого тока в рамку. Рамка жестко соединена со стрелкой 8.

Рис. 3.2. Конструкция магнитоэлектрического механизма

Рис. 3.3. Амперметр (а) и многопредельный вольтметр (б)

магнитоэлектрической системы


Вращающий момент, действующий на рамку

где B – магнитная индукция; S – площадь рамки; w – число витков обмотки рамки; i – измеряемый ток.


Угол поворота подвижной части измерительного механизма

где W – удельный противодействующий момент, зависящий от свойств упругого элемента; SI – чувствительность измерительного механизма по току.

Отсюда следует, что магнитоэлектрический измерительный механизм с механическим противодействующим моментом непосредственно является измерителем тока. Кроме того, поскольку SI, есть величина постоянная, не зависящая от измеряемой величины и угла поворота подвижной части, прибор будет иметь равномерную шкалу.

Если ток синусоидальный (i = Im sin ωt), то мгновенное значение вращающего момента Mвpt = BSwIm sin ωt. Учитывая, что у магнитоэлектрических измерительных механизмов период собственных колебаний подвижной части приблизительно 1 с, на частотах свыше 10 Гц рамка в силу своей инерционности не будет успевать реагировать на изменения тока.

Вследствие этого угол поворота подвижной части будет определяться средним за период Т значением вращающего момента

Таким образом, при синусоидальном токе Мвр и, соответственно, угол поворота подвижной части ∝ равны нулю. Поэтому для измерений на синусоидальном токе магнитоэлектрические измерительные механизмы не применяют.

При протекании по рамке переменного несинусоидального тока магнитоэлектрический прибор будет измерять постоянную составляющую.

Магнитоэлектрические измерительные механизмы с механическим противодействующим моментом применяются в амперметрах и вольтметрах постоянного тока, гальванометрах, а также в некоторых типах омметров.

Магнитоэлектрические амперметры и вольтметры.В амперметрах измерительный механизм включается в цепь непосредственно или с помощью шунта. Непосредственное включение применяется в микро- и миллиамперметрах при измерении токов не более 30 мА. В остальных случаях в амперметрах используют шунты, поскольку высокие значения измеряемого тока недопустимы для токоподводящих пружинок и провода подвижной рамки. В многопредельных амперметрах используют многопредельные шунты.

В вольтметрах последовательно с измерительным механизмом включается добавочный резистор (рис. ). В многопредельных вольтметрах используют цепочку добавочных резисторов.

Магнитоэлектрические амперметры и вольтметры позволяют проводить измерения в широком диапазоне токов и напряжений – от сотых долей микроампера и десятых долей милливольта до десятков килоампер и сотен киловольт. Этот диапазон определяется высокой чувствительностью измерительного механизма (при измерениях малых токов и напряжений) и возможностями применяемых шунтов и добавочных резисторов (при измерении больших токов и напряжений).

Переносные магнитоэлектрические приборы в большинстве случаев делают высокоточными (классов 0,1 – 0,5), многопредельными и часто комбинированными. Щитовые приборы, как правило, являются однопредельными, чаще всего классов точности 1,0, 1,5 и 2,5.

Основными достоинствами магнитоэлектрических приборов являются равномерная шкала, высокая точность и высокая чувствительность.

Равномерность шкалы связана с независимостью чувствительности от угла поворота подвижной части и измеряемой величины. Высокая точность объясняется рядом причин. Равномерная шкала позволяет уменьшить погрешности градуировки и отсчета. Влияние внешних электрических полей отсутствует, а влияние внешних магнитных полей незначительно благодаря сильному собственному магнитному полю в воздушном зазоре (0,2 – 1,2 Тл). По этой же причине приборы имеют малое собственное потребление энергии. В отношении чувствительности магнитоэлектрические приборы не имеют себе равных среди электромеханических приборов. Например, микроамперметр М95 имеет ток полного отклонения 0,1 мкА (при классе точности 1,0). Поэтому гальванометры в большинстве случаев являются магнитоэлектрическими.

К недостаткам магнитоэлектрических приборов следует отнести невозможность их непосредственного применения для измерения в цепях переменного тока, невысокую перегрузочную способность (при перегрузке перегорают токоподводящие пружинки или растяжки), Подверженность влиянию температуры. Наиболее неблагоприятным в отношении влияния температуры является амперметр с шунтом. При неизменном токе с повышением температуры сопротивления измерительного механизма и шунта меняются по-разному, вследствие чего происходит перераспределение токов между шунтом и подвижной катушкой. Для уменьшения возникающей температурной погрешности применяют схемы термокомпенсации.

Магнитоэлектрические гальванометры.Высокочувствительные приборы для измерения очень малых токов и напряжений называются гальванометрами. Гальванометры часто используют в качестве нуль индикаторов, фиксирующих отсутствие тока в цепи. У таких гальванометров нулевая отметка находится посередине шкалы.


Так как чувствительность гальванометров очень высока, их градуировочная характеристика нестабильна и зависит от внешних влияющих факторов. Поэтому чувствительные гальванометры при выпуске из производства не градуируются в единицах измеряемой физической величины и им не присваиваются классы точности. В качестве метрологических характеристик гальванометров обычно указывают их чувствительность к току или напряжению и сопротивление рамки. Чувствительность гальванометров зависит от способа крепления рамки: на кернах (а), на растяжках (б) и на подвесе (в).

Рис. 3.3. Способы крепления рамки гальванометра:

на кернах (а), на растяжках (б), на подвесе (в)

Растяжки и подвесы представляют собой тонкие упругие ленты или нити из специальных сплавов. Они служат для создания противодействующего момента и одновременно для подвода измеряемого тока. В особо чувствительных гальванометрах рамка установлена на подвесе (рис. 3.8, в). В гальванометрах с рамкой на подвесе вторым проводником является тончайшая лента или нить, не создающая противодействующего момента. Современные гальванометры позволяют измерять токи 10-5… 10-12 А и напряжения до 10-4 В.

Магнитоэлектрические логометры. В логометрах противодействующий момент создается электрическим путем. Подвижная часть этих приборов состоит из двух жестко скрепленных между собой рамок, по которым протекают токи I1 и I2. Токи в рамках направлены таким образом, что создаваемые ими моменты действуют навстречу друг другу. Приняв один из моментов вращающим, другой можно считать противодействующим.


Угол поворота подвижной части зависит от отношения токов в его обмотках:

Магнитоэлектрические логометры применяются в мегаометрах – приборах для измерения больших сопротивлений. Схема магнитоэлектрического мегаомметра представлена на рис. 8.5. На этой схеме 1 и 2 – рамки логометра с сопротивлениями R1 и R2; Rн и Rд – добавочные резисторы, постоянно включенные в схему; Rх – измеряемое сопротивление; U – напряжение источника питания, в качестве которого применяется магнитоэлектрический генератор с ручным приводом, встроенный в корпус прибора. Так как


то

ВСТРАИВАЕМЫЙ ЦИФРОВОЙ ВОЛЬТМЕТР-АМПЕРМЕТР

Многие начинающие радиолюбители, собирая себе, сначала, простой регулируемый блок питания, без наворотов, в дальнейшем, думаю, захотят расширения его функциональности. Здесь есть два варианта, можно собрать новый блок питания, идущий сразу с защитой, с регулировкой тока, и возможно какими-либо другими, расширенными возможностями. Либо пойти тем путем, каким пошел я, произведя апгрейд или говоря по другому, усовершенствование существующего, проверенного временем блока питания.

В свое время собрал, для своего простого регулируемого блока питания, плату регулировки тока и плату защиты от КЗ, дополнив, таким образом, его схему. Но при пользовании этим блоком питания, напряжение на выходе, по прежнему, приходилось выставлять ориентируясь по показаниям мультиметра, включенным как вольтметр. Также и ток, при включенной регулировке выходного тока, приходилось выставлять по показаниям миллиамперметра тестера. Это показалось мне неудобным, хотелось, чтобы была цифровая индикация тока и напряжения, и тогда начал уже было подыскивать схему ампер-вольтметра на микроконтроллере AVR Меге 8 и подобную. Как при просмотре одного из видео на Ю–тубе, увидел в блоке питания такой встраиваемый в различные электронные приборы ампер – вольтметр, как на фото ниже:

Под видео была приведена ссылка на китайский интернет магазин Али – экспресс. У меня уже имелся опыт заказа с Али, для тех, кто еще не пользовался их услугами, скажу, что если в лоте указана бесплатная доставка, то доставка действительно бесплатная, без подвоха. Товар приходит в Россию в течении 45 дней.

Причем в случае недоставки или подобных неприятностей, покупатель получает всю уплаченную сумму целиком, возвращают оперативно, был опыт. Стоимость такого ампер–вольт метра всего 3,6 доллара, что составляет даже с учетом роста долларов, небольшую сумму. Поэтому колебался я недолго, и подыскав наиболее выгодное предложение, заказал. Проводки с разъемами для подключения, идут в комплекте с прибором.

Подключается к измеряемому устройству ампер-вольт метр с помощью трех-пинового разъема. С помощью второго двух пинового разъема на ампер – вольтметр подается питание, которое может быть в диапазоне от 4.5 до 30 вольт. Более подробно со всеми характеристиками можно ознакомиться, посмотрев рисунок, находящийся выше. Поначалу вызвало затруднение подключение разъема 3 Pin, на странице заказа была лишь путаная схема. Впоследствии, на странице другого продавца, аналогичного товара, нашел следующий рисунок — схему подключения:

На практике все выглядит проще, плюс питания у нас идет на красный провод и на нагрузку. Минус питания идет на черный провод, а оставшийся синий провод (на рисунке желтый) идет на минус нагрузки. Таким образом, у нас амперметр включается в разрыв цепи минуса. Если нам амперметр не нужен при пользовании, мы подключаем только черный и красный провода, синий (желтый) провод просто никуда не подключаем, возможно, это не совсем правильно, но все работает. Мой ампер-вольт метр работал немного неточно, как по току, так и по напряжению, и был мной откалиброван сверяясь с показаниями двух мультиметров, на случай если на одном из них подсела батарея, и он начал врать.

В устройстве предусмотрена калибровка по току и напряжению, путем вращения двух головок под крестовую отвертку. Крепится ампер – вольтметр с помощью четырех пластмассовых распорок находящихся попарно сверху и снизу. Аналогично крепятся малогабаритные клавишные выключатели. Единственный недостаток, выявленный при пользовании ампер–вольт метром это то, что он, несмотря на заявленное разрешение 0.01 А. показывает ток не от нуля, а примерно от 30 — 50 миллиампер, поэтому выставлять по нему небольшие токи может быть проблематично.

В целом прибором остался доволен, если бы стал собирать ампер-вольт метр сам, на МК, наверняка и размеры были бы больше, и по стоимости выше. Разумеется, сфера применения этого прибора не ограничивается одними регулируемыми блоками питания, его можно встроить в любое устройство, где важен контроль тока и напряжения. А/В-метр идет со встроенным шунтом и позволяет измерять токи до 10 Ампер, при напряжении до 100 Вольт. Если необходимо самому собрать подобное устройство — принципиальная схема и прошивка есть в этой статье.

Схемы на микроконтроллерах

Микросхема СА3162Е для цифровых вольтметра и амперметра

Существуют и другие микросхемы аналогичного действия. Например, микросхема СА3162Е предназначена для создания измерителя аналоговой величины с отображением результата на трехразрядном цифровом индикаторе.
Микросхема СА3162Е представляет собой АЦП с максимальным входным напряжением 999 mV (при этом показания «999») и логической схемой, которая выдает сведения о результате измерения в виде трех поочередно меняющихся двоично-десятичных четырехразрядных кодов на параллельном выходе и трех выходах для опроса разрядов схемы динамической индикации.
Чтобы получить законченный прибор, нужно добавить дешифратор для работы на семисегментный индикатор и сборку из трех семисегментных индикаторов, включенных в матрицу для динамической индикации, а также, трех управляющих ключей.
Тип индикаторов может быть любым — светодиодные, люминесцентные, газоразрядные, жидкокристаллические, все зависит от схемы выходного узла на дешифраторе и ключах. Здесь используется светодиодная индикация на табло из трех семисегментных индикаторов с общими анодами.
Индикаторые включены по схеме динамической матрицы, то есть, все их сегментные (катодные) выводы включены параллельно. А для опроса, то есть, последовательного переключения, используются общие анодные выводы.

Принципиальная схема вольтметра


Принципиальная схема цифрового вольтметра до 100В на микросхемах СА3162, КР514ИД2
Выше можно увидеть электрическую схему вольтметра, измеряющего напряжение от 0 до 100V (0…99,9V). Измеряемое напряжение поступает на выводы 11–10 (вход) микросхемы D1 через делитель на резисторах R1–R3.
Конденсатор СЗ исключает влияние помех на результат измерения. Резистором R4 устанавливают показания прибора на ноль, при отсутствии входного напряжения А резистором R5 выставляют предел измерения так, чтобы результат измерения соответствовал реальному, то есть, можно сказать, им калибруют прибор.
Теперь о выходах микросхемы. Логическая часть СА3162Е построена по логике ТТЛ, а выходы еще и с открытыми коллекторами. На выходах «1-2-4-8» формируется двоичнодесятичный код, который периодически сменяется, обеспечивая последовательную передачу данных о трех разрядах результата измерения.
Если используется дешифратор ТТЛ, как, например, КР514ИД2, то его входы непосредственно подключаются к данным входам D1. Если же будет применен дешифратор логики КМОП или МОП, то его входы будет необходимо подтянуть к плюсу при помощи резисторов. Это нужно будет сделать, например, если вместо КР514ИД2 будет использован дешифратор К176ИД2 или CD4056.

Выходы дешифратора D2 через токоограничивающие резисторы R7–R13 подключены к сегментным выводам светодиодных индикаторов Н1–НЗ. Одноименные сегментные выводы всех трех индикаторов соединены вместе. Для опроса индикаторов используются транзисторные ключи VT1–VT3, на базы которых подаются команды с выходов Н1–НЗ микросхемы D1.
Эти выводы тоже сделаны по схеме с открытым коллектором. Активный ноль, поэтому используются транзисторы структуры р-п-р.

Принципиальная схема амперметра


Принципиальная схема цифрового амперметра до 10А и более на микросхемах СА3162, КР514ИД2
Схема практически такая же, за исключением входа. Здесь вместо делителя стоит шунт на пятиваттном резисторе R2 сопротивлением 0,1 От. При таком шунте прибор измеряет ток до 10А (0…9.99А). Установка на ноль и калибровка, как и в первой схеме, осуществляется резисторами R4 и R5.
Выбрав другие делители и шунты, можно задать другие пределы измерения, например, 0…9.99V, 0…999mA, 0…999V, 0…99.9А. Это зависит от выходных параметров того лабораторного блока питания, в который будут установлены эти индикаторы. Также, на основе данных схем можно сделать и самостоятельный прибор для измерения напряжения и тока (настольный мультиметр).
При этом нужно учесть, что даже используя жидкокристаллические индикаторы прибор будет потреблять существенный ток, так как логическая часть СА3162Е построена по ТТЛ-логике. Поэтому, хороший прибор с автономным питанием вряд ли получится. А вот автомобильный вольтметр (рис.4) выйдет неплохой.
Питаются приборы постоянным стабилизированным напряжением 5V. В источнике питания, в который будут они установлены, необходимо предусмотреть наличие такого напряжения при токе не ниже 150 mA.
Подключение прибора
На рисунке 3 показана схема подключения измерителей в лабораторном источнике.

Налаживание цифрового вольтметра и амперметра

В общем-то оно совсем несложное. Начнем с вольтметра. Сначала замкнем между собой выводы 10 и 11 D1, а подстройкой R4 выставим нулевые показания. Затем, убираем перемычку, замыкающую выводы 11–10 и подключаем к клеммам «нагрузка» образцовый прибор, например, мультиметр.
Регулируя напряжение на выходе источника, резистором R5 настраиваем калибровку прибора так, чтобы его показания совпадали с показаниями мультиметра. Далее налаживаем амперметр. Сначала, не подключая нагрузку, регулировкой резистора R5 устанавливаем его показания на ноль. Теперь потребуется постоянный резистор сопротивлением 20 От и мощностью не ниже 5W.
Устанавливаем на блоке питания напряжение 10V и подключаем этот резистор в качестве нагрузки. Подстраиваем R5 так чтобы амперметр показал 0,50 А.
Можно выполнить калибровку и по образцовому амперметру, но нам показалось удобнее с резистором, хотя конечно на качество калибровки очень влияет погрешность сопротивления резистора.
Таким же образом можно сделать и автомобильный вольтметр:

Самодельный автомобильный вольтметр на микросхемах
От первой схемы эта отличается только входом и схемой питания. Такой прибор теперь питается от измеряемого напряжения, то есть измеряет напряжение, поступающее на него как питающее.
Напряжение от бортовой сети автомобиля через делитель R1-R2-R3 поступает на вход микросхемы D1. Параметры этого делителя такие же как в первой схеме, то есть для измерения в пределах 0…99.9V.
Но в автомобиле напряжение редко бывает более 18V (больше 14,5V уже неисправность). И редко опускается ниже 6V, разве только падает до нуля при полном отключении. Поэтому прибор реально работает в интервале 7…16V. Питание 5V формируется из того же источника, с помощью стабилизатора А1.
Видео о создании цифрового вольтметра своими руками:

2.3.14 Измерение постоянного напряжения цифровыми вольтметрами

Цифровой вольтметр – прибор, автоматически вырабатывающий дискретные сигналы измерительной информации; его показания представлены в цифровой форме.

Обобщенная структурная схема цифрового вольтметра представлена на рисунке 2.15.

Рисунок 2.15 – 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.

2.3.14.1 Вольтметры с прямым преобразованием. Цифровые вольтметры с время-импульсным преобразованием

Принцип работы вольтметров с время-импульсным преобразованием заключается в преобразовании измеряемого напряжения Uх в пропорциональ-ный 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 2.16.

Рисунок 2.16 – Структурная схема цифрового вольтметра с время-импульсным преобразованием.

На рисунке 2.17 представлены эпюры напряжения, иллюстрирующие работу вольтметра.

Рисунок 2.17 – Эпюры напряжения, 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 Тсч). В начале цикла измерения импульс управляющего устройства сбрасывает предыдущие значения, отсчитанные счетчиком, и запускает генератор линейно изменяющегося напряжения ГЛИН. Напряжение Uх и образцовое напряжение U0 поступают на входы компаратора 1, и в момент времени их равенства t1 на выходе компаратора 1 возникает импульс Uс1, открывающий селектор. В момент времени t2, когда U0 = 0, компаратор 2 вырабатывает импульс Uс2, закрывающий селектор. Счетчик считает количество импульсов N с генератора счетных импульсов ГСчИ, прошедших через селектор. Измеряемое напряжение будет равно

Ux = kt, (2.36)

где — скорость изменения напряжения ГЛИН.

В свою очередь, t = NTсч, откуда следует Ux = kNTсч = kvN; kv = kTсч = const.

Kv выбирается из условия kv = 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 помехо-устойчивы.

2.3.14.2 Вольтметры с прямым преобразованием. Цифровые вольтметры с частотно-импульсным преобразованием

Принцип работы цифровых вольтметров с частотно-импульсным преобразованием основан на преобразовании измеряемого напряжения в пропорциональную ему частоту следования импульсов, а затем в цифровой код. Структурная схема вольтметра с частотно-импульсным преобразованием представлена на рисунке 2.18.

Рисунок 2.18 – Структурная схема вольтметра с частотно-импульсным преобразованием.

Частота на выходе преобразователя «напряжение-частота» равна

fx = kUx=, (2.37)

где k – коэффициент преобразования.

В зависимости от метода преобразования «напряжение – частота» все схемы преобразователей подразделяются на 2 группы:

— преобразователи с непосредственным преобразованием;

— преобразователи с косвенным преобразованием.

Структурная схема и эпюры напряжения преобразователя с непосредственным преобразованием представлены на рисунке 2.19.

Рисунок 2.19 – Структурная схема преобразователя с непосредственным преобразованием.

В интеграторе напряжение Ux интегрируется с постоянной времени 1:

. (2.38)

Напряжение возрастает и сравнивается в компараторе с образцовым напряжением U0 в течение времени t1. Сигнал после компаратора воздействует на формирователь импульсов обратной связи, и на входе интегратора действуют одновременно два сигнала: Ux и Uос отрицательной полярности. Частота импульсов обратной связи пропорциональна измеряемому напряжению:

fx = kUx=. (2.39)

При изменении Uх изменяется крутизна Uи на выходе интегратора, а следовательно, изменяется и частота fх.

В преобразователе с косвенным преобразованием измеряемое напряжение влияет на параметр, определяющий частоту генератора с самовоз-буждением (гармонического или релаксационного), однако такие вольтметры имеют невысокие метрологические характеристики.

Источники погрешности вольтметров с частотно-импульсным преобра-зованием:

— погрешности, свойственные цифровому частотомеру (относительная нестабильность частоты генератора и погрешность дискретности);

— погрешности, вносимые преобразователем «напряжение-частота» из-за неточности установки и нестабильности значений U0, .

2.3.14.3 Вольтметры с прямым преобразованием. Цифровые вольтметры с кодо-импульсным преобразованием

Принцип работы заключается в преобразовании измеряемого напряжения в цифровой код путем последовательного сравнения с рядом дискретных значений известной величины, изменяющейся по определенному закону.

Операция преобразования может осуществляться по алгоритму развертывающего и следящего уравновешивания.

Структурная схема вольтметра с развертывающим уравновешиванием представлена на рисунке 2.20.

Рисунок 2.20 – Структурная схема цифрового вольтметра с развертывающим уравновешиванием

С блока генератора линейно-ступенчатого напряжения (ГЛСН) сигнал в виде набора образцовых напряжений в течение цикла измерения поступает на сравнивающее устройство (компаратор). Длительность ступеньки определяется периодом следования импульсов с генератора счетных импульсов (ГСчИ), а величина ступеньки определяет шаг квантования (младший разряд счета). Управляющее устройство вырабатывает тактовые импульсы. С поступлением их с ГЛСН последовательно снимаются образцовые напряжения в двоично-десятичном коде. На второй вод компаратора со входного устройства поступает измеряемое напряжение Ux. При равенстве Ux = UГЛСН компаратор срабатывает и стоп-импульсом закрывает селектор. Поскольку UГЛСН = const, показание счетчика прямо пропорционально измеряемому напряжению Uх, и мы получаем прямоотсчетный цифровой вольтметр.

Вольтметры с развертывающим уравновешиванием имеют малое быстродействие и невысокие метрологические характеристики.

Структурная схема вольтметра со следящим (поразрядным уравновешиванием представлена на рисунке 2.21 .

Рисунок 2.21 – Структурная схема цифрового вольтметра с поразрядным уравновешиванием

Блок опорного напряжения состоит из источника и нагрузок, скомпонованных по двоично-десятичным разрядам, в которых имеются 4 резистора с «весами» 8, 4, 2, 1. Управляющее устройство вырабатывает тактовые импульсы. С помощью цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) реализуется отрицательная обратная связь путем преобразования кода (например, 8421) в аналоговое напряжение Uк, которое затем сравнивается с измеряемым напряжением Ux= в компараторе. Это сравнение всегда начинается со старшего разряда (например, 8 В). Если при этом Uк  Uх=, то компаратор не оказывает воздействия на управляющее устройство, и оно тактовым импульсом подключает к ЦАП очередной разряд Uк (1). Если Uк  Uх=, то разряд пропускается (0). Процесс сравнения заканчивается после полного перебора всех разрядов Uк. Одновременно с переключением разрядов управляющее устройство формирует код для отсчетного устройства, где после перехода к десятичной системе счисления воспроизводится результат измерения. В данной схеме есть опасность возникновения автоколебаний в системе, хотя она лучше схемы со следящим уравновешиванием.

Источниками погрешностей являются неточная установка и нестабильность параметров компаратора, ЦАП, ГЛСН и ГСчИ.

Погрешность измерения цифровыми вольтметрами с кодо-импульсным преобразованием составляет (0,05 … 0,1)%.

Принцип работы вольтметра

Его работа основана на принципе закона Ома. Закон Ома гласит: «Напряжение на сопротивлении прямо пропорционально току, проходящему через него». Любой базовый счетчик имеет разность потенциалов на своих клеммах, когда через него протекает полномасштабный ток. Символом для обозначения вольтметра является круг с вложенной буквой V.

Вольтметр всегда подключается параллельно к нагрузке в цепи, для которой должно измеряться напряжение. Вольтметр постоянного тока имеет знаки полярности. Поэтому необходимо подключить клемму плюса (+) вольтметра к верхней точке потенциала, а клемму минуса (-) к нижней точке потенциала, чтобы получить отклонение вольтметра.

В вольтметре переменного тока нет знаков полярности, и его можно подключить в любом случае. Однако в этом случае также вольтметр все еще подключен параллельно к нагрузке, для которого измеряется напряжение. Вольтметр с диапазоном высокого напряжения создается путем последовательного соединения сопротивления с измерительным механизмом, который имеет полную шкалу напряжения, как показано на рисунке ниже.

Рис. 3 — Полная шкала напряжения

Типы вольтметров

Аналоговые вольтметры

Включает отклоняющий тип индикаторных измерителей напряжения. Аналоговый вольтметр можно разделить на три категории.

  • Инструменты с подвижной катушкой
  • Движущиеся железно
  • Электростатический вольтметр

Инструменты с подвижной катушкой

Тип измерительных приборов с подвижной катушкой Аналоговые вольтметры доступны в двух типах. Они есть:

  • Инструменты с подвижной катушкой с постоянным магнитом
  • Инструменты с подвижной катушкой

Инструменты с подвижной катушкой с постоянным магнитом

Инструменты с постоянными магнитами с подвижной катушкой реагируют только на постоянный ток. Эти инструменты имеют постоянный магнит для создания магнитного поля. Катушка намотана на кусок мягкого железа и вращается вокруг собственной вертикальной оси. Когда ток течет через катушку, отклоняющий крутящий момент генерируется в соответствии с уравнением силы Лоренца.

Приборы с подвижной катушкой типа «Динамо» состоят из двух катушек. Одна катушка зафиксирована, а другая катушка вращается вокруг нее. Взаимодействие двух полей создает отклоняющий момент.

Инструменты с подвижным железом

Инструменты с подвижным железом используются в цепях переменного тока и подразделяются на инструменты с простым подвижным железом, типом динамометра и индукционным. Он состоит из мягкого железа, содержащего подвижные и неподвижные катушки.

Взаимодействие потоков, создаваемых этими элементами, создает отклоняющий момент. Диапазоны расширены за счет удержания резисторов последовательно с катушкой.

Электростатический вольтметр

Он работает по электростатическому принципу, когда отталкивание между двумя зарядовыми пластинами отклоняется от указателя, прикрепленного к пружине.

Эти приборы используются для измерений переменного и постоянного тока высокого напряжения. Это высокочувствительные приборы, способные измерять минимальное напряжение заряда, а также напряжение высокого диапазона почти 200 кВ.

Вакуумный ламповый вольтметр

Эти типы инструментов могут работать как с переменным / постоянным напряжением, так и с измерениями сопротивления. Эти устройства используют электронный усилитель между входом и счетчиком.

Если это устройство использует вакуумную лампу в усилителе, то это называется вакуумным ламповым вольтметром (VTVM). VTVM используются в измерениях переменного тока высокой мощности.

Полевой транзистор (FET) — это транзистор, который использует электрическое поле для управления электрическим поведением устройства. Они также известны как униполярные транзисторы. Вольтметр на основе полевых транзисторов использует это свойство полевых транзисторов при измерении напряжения.

Цифровой вольтметр (DVM)

DVM отображает напряжение с помощью светодиодов или ЖК-дисплеев для отображения результата. Прибор должен содержать аналого-цифровой преобразователь. Устройство содержит запрограммированный микроконтроллер, АЦП и ЖК-дисплей для обеспечения точного цифрового отображения аналоговых значений от 0 до 15 вольт постоянного тока.

Они используются из-за таких свойств, как точность, долговечность и уменьшают ошибки параллакса.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *