Електронні аналогові та цифрові вольтметри та амперметри

Засоби вимірювання, вихідний сигнал яких є неперервною функцією вимірюваної величини, а перетворення сигналу вимірювальної інформації здійснюється електронними пристроями, належать до електронних аналогових засобів вимірювання. Застосування електронних пристроїв у вимірювальних приладах збільшило функціональні можливості і значно поліпшило метрологічні характеристики: точність, чутливість, діапазон вимірювання електронних засобів вимірювання порівняно з електромеханічними. У цих приладах вимірювана напруга підсилюється і перетворюється за допомогою вимірювальних аналогових перетворювачів у постійний струм, який вимірюється приладом магнітоелектричної системи.

Електронні вольтметри мають високу чутливість, широкий діапазон (від нано V до kіло V), великий вхідний опір (понад 1МОм), широкий частотний діапазон. Вони можуть бути з прямим або із врівноваженим перетворенням. За родом струму поділяються на вольтметри постійного та змінного струмів.

Вольтметри постійного струму складаються з таких основних частин (рис. 2, а); вхідного багатоступеневого подільника напруги, за допомогою якого можна змінювати діапазон вимірювальної напруги; підсилювача постійного струму, коефіцієнт підсилення якого можна змінювати ступенями; магнітоелектричного вимірювального механізму, призначеного для вимірювання постійного струму.

Послідовне з'єднання подільника напруги дає можливість зробити вольтметр високочутливим і багато діапазонним.

Характеристики вольтметра обмежуються такими недоліками, як нестабільність коефіцієнта підсилення і так званий «дрейф нуля».

Рис. 2 – Блок-схема вольтметрів постійного струму

Для усунення цих недоліків і підвищення чутливості вольтметрів застосовують підсилювач постійного струму, побудований за структурою МДМ (модуляція-демодуляція).

Електронні вольтметри змінного струму складаються з таких частин (рис.3): вимірювального перетворювача змінного струму в постійний; підсилювача; магнітоелектричного вимірювального механізму.

Рис. 3 – Блок-схема вольтметрів змінного струму

Вольтметри змінного струму можуть мати дві структури. У вольтметрах першої структури (рис. 3, а) вимірювальний сигнал надходить на вимірювальний перетворю­вач, потім підсилюється підсилювачем постійного струму і вимірюється магнітоелектричним приладом. Завдяки малій інерційності перетворювачів вольтметри з такою структурою мають широкий частотний діапазон. Однак зазначені вище недоліки підсилювача постійного струму обмежують чутливість таких вольтметрів.

У вольтметрах другої структури (рис. 2, б) вимірюваний сигнал спочатку підсилюється підсилювачем змінного струму, а потім перетворюється в сигнал постійного струму. Такі вольтметри мають високу чутливість, але частотний діапазон обмежується інерційністю підсилювача змінного струму.

Цифровими називаються прилади, у яких вимірювальні величини перетворюються на код, покази яких подані у цифровій формі.

Цифрові вольтметри та амперметри мають велику швидкодію (до десятків і навіть сотень мільйонів вимірювань за секунду); високу точність; можливість легко автоматизувати процес вимірювання. До того ж, результати вимірювання формуються у вигляді коду, який безпосередньо можна подавати для обробки у мікропроцесор.

Цифрові вольтметри і амперметри мають такі самі скла­дові частини, як і аналогові електронні вольтметри і ам­перметри, але на відміну від аналогових до складу цифро­вого приладу обов'язково має входити аналого-цифровий перетворювач. Крім того, для індикації результату вимірювання та іншої вимірювальної інформації до складу цифрових приладів має входити дисплей (рис. 4).

Рис. 4 – Блок-схема цифрових вольтметрів та амперметрів

У зв’язку з бурхливим розвитком мікроелектроніки і мікропроцесорної техніки різко зростає точність, чутливість приладів, значно зменшуються габарити і спожива­на потужність, розширюються функціональні можливості цифрових вимірювальних приладів. Крім суто вимірювальних операцій, у цифрових приладах реалізуються і такі, як автоматичний вибір діапазону вимірювання, обробка результатів вимірювання з метою зменшення похибки вимірювання, вибір моделі об'єкта вимірювання, подання результатів вимірювання у зручній для оператора формі (графіки, діаграми), визначення та індикація похибки вимірювання тощо.

5. Вимірювання струмів і напруг компенсаторами (потенціометрами) постійного та змінного струмів

Для проведення вимірювань з високими вимогами щодо точності і чутливості застосовують компенсатори (потенціометри) постійного струму. Компенсатори постійного струму реалізують метод порівняння з мірою.

Структура компенсатора постійного струму наведена на рисунку 5, де:

E_N – нормальний елемент, ЕРС якого стабільна і відома з високою точністю. Нормальний елемент є мірою ЕРС у складі даного засобу вимірювання;

R_N – зразковий резистор, значення опору якого вибирається залежно від робочого струму компенсатора і температури;

R_X – резистор, значення опору якого відомо з великою точністю і може змінюватися ступенями відповідно до де­сяткової системи числення;

Рис. 5. – Структура компенсатора постійного струму

GB — робоче джерело, призначене для створення робо­чого струму в резисторах R_X, R_N;

R₁ — резистор, за допомогою якого встановлюють не­обхідний робочий струм.

Вимірювання невідомої напруги U_X здійснюється за два етапи. На першому етапі встановлюється значення робочо­го струму за допомогою резистора R₁. Для цього переми­кач SW необхідно поставити в позицію 1. Опір R₁ плавно змінюють доти, поки гальванометр не покаже нуль, тобто ЕРС (Е_N) врівноважується напругою U_N=IR_N. У такому разі виконується рівність Е_N=ІR_N, з якої випливає, що

І=Е_N/R_N. (1.5)

На другому етапі вимірювання перемикач переводять у позицію 2 і вимірювану напругу U_X. зрівноважують напру­гою на резисторі R_X, змінюючи ступенями опір R_X Зрівно­важування здійснюється послідовно, крок за кроком, по­чинаючи від найстаршої декади і закінчуючи наймолод­шою, коли гальванометр покаже нуль. Тоді

U_X=IR_X=E_NR_X/R_N (1.6)

Таким чином, вимірювана напруга визначається через ЕРС нормального елемента Е_N і співвідношення опорів R_X і R_N які також мають велику стабільність і відомі з великою точністю. ЕРС робочого джерела і R₁ мають бути стабільними короткотерміново — тільки впродовж вимірювання.