Рис.24
первый диод квадратирующей цепи открывается, и к току i добавляется ток i . При Е
< Uо < Ез открывается второй диод квадратирующей цепи, к току через отсчетный прибор добавляется i и так далее. Выбор параметров цепи обеспечивает линейность и требуемую крутизну каждого участка детекторной характеристики. Тем самым осуществляется кусочно-линейная аппроксимация квадратичной характеристики с погрешностью 2-3%. Недостатками данного квадратичного детектора являются большое число входящих в него элементов, сложность его регулировки, большая зависимость от уровня входного напряжения и напряжения питания, квадратичная шкала отсчетного прибора. Детектор использован в квадратичных вольтметрах старых типов, имеющих погрешность порядка 6%.
В последние годы для измерения среднеквадратичного значения напряжения и тока широко используются термоэлектрические преобразователи. Они содержат нагреватель - проволочный (на СВЧ - пленочный) резистор R, в котором электрическая энергия преобразуется в тепловую. При этом осуществляется идеальное квадратирование, поскольку тепловая мощность Q , выделяемая, например, за период T,
Q =P = R 
.
Тепловая энергия передается собственно термопаре-спаю разнородных металлов. За счет разности температур 
t нагреваемого спая и холодных концов металлов между последними возникает термо-ЭДС Ео, линейно связанная с 
t :
Ео =К
t = К Q= К
J
= К
U2скз,
которую можно измерить, например, прибором магнитоэлектрической системы. Термин термопара обычно относят к термопреобразователям в целом. К их недостаткам относятся малая чувствительность, большая инерционность, влияние окружающей температуры и, применительно к вольтметрам, квадратичная шкала.
Последние недостатки устранены в квадратичном вольтметре с уравно-вешивающим преобразованием, т. е. с отрицательной обратной связью, упрощенная схема которого приведена на рис. 25. В нем используются две идентичных термопары с квадра-тичными характеристиками, усилитель постоянного тока (УПТ) с большим коэффициентом усиления К и измери-тель постоянного напряжения на его выходе – прибор магнитоэлектрической системы. На выходе первой термопары имеем постоянное напряжение
U
=
Uскз
,
где - параметр термопары, Uскз - среднеквадратичное значение измеряемого входного чисто переменного напряжения U~ (t) произвольной формы.
Аналогично на выходе второй термопары U
=Uз, где Uз - постоянное выходное напряжение УПТ, поступающее в качестве напряжения обратной связи на вход этой термопары. Выходные напряжения термопар включены встречно, на входе УПТ действует их разность, поэтому
K(U- U ) =KUскз- KUз= Uз .
Выбор большого коэффициента усиления К позволяет с заданной погрешностью иметь Uз<< KUз. Отсюда KUскз= KUз, т. е. независимо от параметров термопар и УПТ и К Uскз = Uз. Постоянное выходное напряжение УПТ Uз, равное Uскз измеряемого напряжения произвольной формы, измеряется прибором магнитоэлектрической системы с линейной шкалой. Физически работу вольтметра можно пояснить так. Тепловая энергия, выделяемая в первой термопаре измеряемым переменным напряжением с заданной погрешностью, уравновешивается тепловой энергией, выделяемой во второй идентичной термопаре постоянным напряжением обратной связи, примерно равным среднеквадратичному значению измеряемого напряжения в соответствии с энергетическим содержанием определения среднеквад-ратического значения переменного напряжения. Напряжения U3 и Uскз отличаются на указанную выше погрешность, поэтому разность выходных напряжений термопар 
U= U1 – U2 в нуль не обращается, после ее усиления устанавливается напряжение U3KU
Uскз. За счет идентичности термопар резко снижается влияние на результат измерения всех воздействий на них, в первую очередь изменений окружающей температуры. Например, при неидентичности термопар в диапазоне температур 3%, т. е. таком отличии их коэффициентов передачи , влияние температуры по сравнению с одной термопарой уменьшается примерно в 30 раз. Квадратичные вольтметры с двумя термопреобразователями, как и рассмотренные выше вольтметры средне-выпрямленных значений, содержат разделительные емкости, входные устройства с делителями напряжения, широкополосные усилители. Они имеют пределы измерения от долей, единиц милливольт до сотен вольт, полосу частот от 20 Гц до 50-100 МГц и погрешность измерения порядка 2%.
Важным назначением квадратичных вольтметров является измерение напряжений сложной формы, в том числе импульсных последовательностей и шумов. Такие напряжения имеют кратковременные выбросы с большими амплитудами. Для обеспечения требуемой погрешности измерения необходимо, чтобы и во время выбросов мгновенные значения измеряемого напряжения находились в пределах рабочей квадратичной части амплитудной характеристики вольтметра, не перегружали его. Поэтому одной из характеристик квадратичного вольтметра является допустимый коэффициент амплитуды Ка измеряемого напряжения, у лучших современных вольтметров Ка ≤ 10. Напомним, что у гармонического напряжения Ка = 1,41, у пилообразного - 1,7.
Квадратичные вольтметры градуируются в среднеквадратических значениях (СКЗ) при гармоническом входном напряжении. Поскольку они измеряют СКЗ и градуируются в них, их градуировка сохраняется при любой форме входного напряжения, т. е. их показание есть СКЗ входного напряжения любой формы, Uпок= Uскз. Если форма напряжения, т.е. коэффициенты Кф, Ка и Ку = КфКа известна, то можно рассчитать остальные значения напряжения.
1.8. Пиковые (амплитудные) детекторы и вольтметры
Эти детекторы и вольтметры служат для измерения амплитудных значений напряжения. Термин «амплитудный детектор» иногда используется и в широком смысле в одном ряду с частотным и фазовым детектором, тогда он включает в себя линейный, квадратичный и пиковый детекторы. Амплитудные значения напряжения являются по существу мгновенными, поэтому для их измерения нужны элементы с памятью, в качестве таковых в пиковых детекторах используются конденсаторы. В электронике широко применяются последовательный и параллельный пиковые детекторы. Более простой последо-вательный пиковый детектор имеет схему, приведенную на рис. 26. Отличие от линейного и квадратичного детекторов состоит в использовании в нагрузке конденсатора с большой емкостью С, именно на нем создается постоянное выходное напряжение детектора U0.
|
Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 |
Основные порталы (построено редакторами)