Расчет параметров вольтметров
план-конспект занятия

Краткие теоретические сведения

Информация об основных характеристиках электронных вольтметров указывается на их лицевой панели.

Вольтметры классифицируются по различным признакам.

Различают вольтметры электромеханические и электронные.

Электронные вольтметры, в свою очередь, классифицируются по виду индикации, назначению и частотному диапазону.

По виду индикации различают аналоговые и цифровые электронные вольтметры

По частотному диапазону — низкочастотные и высокочастотные.

По назначению (группа В):

1. образцовые (В1)
2. постоянного тока (В2)
3. переменного синусоидального тока (ВЗ)
4. импульсного тока (В4)
5. фазо-чувствительные (В5)
6. селективные (В6)
7. универсальные (В7).

При выполнении измерений важно правильно выбрать тип аналогового вольтметра исходя из следующих основных метрологических характеристик:

• измеряемые параметры;
• диапазон измерения напряжения;
• частотный диапазон;
• приведенная погрешность;
• чувствительность;
• цена деления шкалы в выбранном пределе.

Все электронные аналоговые вольтметры, измеряющие напряжение переменного синусоидального тока, строятся по двум схемам:

1. усилитель—детектор (У—Д)

Вольтметры, построенные по такой схеме обладают высокой чувствительностью, что определяется наличием в ней дополнительного усилителя переменного тока. Поэтому по этой схеме строятся все микро- и милливольтметры. Данные приборы не универсальны (измеряют только напряжение переменного тока) и за редким исключением имеют узкий частотный диапазон. По назначению они относятся к третьей подгруппе — ВЗ.

2. детектор—усилитель (Д—У)

Вольтметры такого типа имеют широкий частотный диапазон (до 1 ГГц), они универсальны (применяются в цепях постоянного и переменного тока) и имеют низкую чувствительность. По назначению их относят к седьмой подгруппе – В7.

Рассмотренные вольтметры содержат входное устройство, детектор, усилитель постоянного тока (УПТ) и индикатор магнитоэлектрической системы (МЭС).

Шкала индикатора аналоговых вольтметров имеет градуировку на два значения напряжения: 10 и 30 и кратна пределам измерения прибора. Кроме того, такие вольтметры дополнительную шкалу в децибелах (dB).

При выполнении измерений в пределах 0,1 мВ; 1 мВ; 10 мВ; 100 мВ и 0,1 В; 1 В; 10 В; 100 В отсчет результата производится по шкале максимальным значением 10, учитывая при этом соответствующий коэффициент шкалы.

Где  – выбранный предел измерения

-номинальное значение шкалы

Таким образом, при нахождении переключателя пределов измерения в позициях 0,1 мВ; 1 мВ; 10 мВ; 100 мВ и 0,1 В; 1 В; 10 В; 100 В номинальное значение шкалы будет равно

При использовании пределов 0,3; 3; 30; 300 мВ и 3; 30; 300 В используют шкалу с максимальным значением 30, также учитывая коэффициент шкалы).

Например, если вольтметром измеряют напряжение при установке переключателя пределов измерения в положение 300 мВ, то показания индикатора на шкале с максимальным значением 30 следует умножить на коэффициент шкалы:

где - показание стрелки (в данном случае по шкале от 0 до 30).

Помимо переключателя пределов на лицевую панель вольтметра для уменьшения погрешности измерения, в  зависимости от его типа и модели могут быть выведены следующие органы регулировки:

• механический корректор (с регулировочным винтом под шлицевую отвертку), обеспечивающий установку стрелки индикатора на нуль (выполняется до включений тумблера «Сеть»);
• электронная установка стрелки индикатора на нуль (выполняется при включенном приборе и закороченном входе). Обозначается на приборе ►О◄ (Уст. 0).
• калибровка вольтметра (выполняется при включенном вольтметре в целях проверки его работоспособности). Обозначается на приборе ▼ (Калибр.).

В ряде случаев для количественной оценки передаваемых принимаемых напряжений (токов, мощностей) используют не абсолютную единицу измерения (В, мВ), а относительную логарифмическую единицу — децибел. Поэтому большинство современных стрелочных вольтметров (как автономных, так и вмонтированных в другие приборы — генераторы сигналов, измерители нелинейных искажений и др.) помимо обычных шкал имеют и шкалу измерения в децибелах, которая отличается четко выраженной неравномерностью и по которой можно получать результат сразу, не прибегая к отсчетам в вольтах.

Чаще всего нуль шкалы в децибелах в этих приборах соответствует входному напряжению 0,775 В. При этом, если напряжение больше условного нулевого уровня, оно положительное, а если меньше этого уровня – отрицательное.

Шкала децибелов короче других шкал, и начинается она на некотором расстоянии от нулевой риски шкалы напряжений, так как нулю вольт соответствует ∞ дБ.

Каждый поддиапазон измерения, указанный на переключателе пределов, отличается от соседнего на 10 дБ, что соответствуй изменению напряжения в 3,16 раз.

Для получения результата измерения показания, снятые со шкалы децибелов, алгебраически складываются с значением, установленным на переключателе пределов измерения (а не перемножаются, как в случае отсчета напряжений). Например, если ручка переключателя пределов установлена на значении -20 дБ, а стрелка прибора находится на отметке -1,5 дБ, результат измерения составит -20 + (-1,5) = -21,5 дБ.

Шкала децибелов в электронных вольтметрах проградуирована в значениях абсолютных уровней напряжения и предназначена для измерения отношения напряжений на входе и выходе фильтров, усилителей, аттенюаторов и определения ослабления.

Формула для расчёта абсолютного уровня напряжения:

где U – измеренное значение напряжения,  [В]

U0= 0,775 В.

Единица измерения уровней — Бел — слишком крупная единица, поэтому на практике пользуют десятую часть бела — децибел.

Примеры решения задач

Пример 1. Требуется определить полное название прибора, представленного на рисунке 1.

Рисунок 1. Лицевая панель (а) и шкала индикатора (б) прибора В3-38.

Решение. В соответствии с приведенной ранее классификацией вольтметров маркировка B3 означает, что это вольтметр электронный переменного тока, а 38 — номер модели.

По виду лицевой панели устанавливаем, что прибор аналоговый.

Полное название: Вольтметр переменного тока, электронный аналоговый, 38-ой модели.

Пример 2. Требуется определить диапазон измеряемых напряжений () вольтметром B3-38 по его шкале, показанной на рис. 1 б.

Решение. Минимальное напряжение, измеряемое прибором, рассчитывается при установке переключателя пределов в наложение 1 mV.

Расчет выполняем по верхней шкале, кратной 1 мВ (с цифрой 10).

Коэффициент шкалы: 

Минимальное напряжение, которое вольтметр измерит с допустимой (оговоренной в паспорте) погрешностью, будет равно:

Максимальное значение измеряемого напряжения совпадает с значением т.е. равно 300 В.

Следовательно, диапазон измеряемых напряжений вольтметром B3-38 .

Пример 3. Требуется определить параметры, измеряемые прибором B3-38.

Решение. В соответствии с маркировкой B3 этот вольтметр предназначен для измерения напряжения переменного тока.

Пример 4. Требуется определить чувствительность вольтметра B3-38.

Решение. Чувствительность многопредельного прибора определяется в самом малом пределе измерения прибора — 1 мВ, и её значение обратно пропорционально цене деления в этом пределе.

Цена деления вольтметра с учетом коэффициента шкалы:

Тогда его чувствительность

Пример 5. Требуется определить частотный диапазон ()  вольтметра B3-38.

Решение. Под шкалами прибора находим граничные частоты прибора:

минимальная — 20 Гц и максимальная — 5 МГц.

Следовательно, диапазон частот измеряемых напряжений вольтметра B3-38 .

Пример 6. Требуется определить погрешность измерения напряжения 1,5В с частотой 100 кГц прибором B3-38.

Решение. Так как частота измеряемого напряжения входит в частотный диапазон прибора, его относительная действительная погрешность рассчитывается по формуле 2.4:

Относительная приведенная погрешность прибора указана под его шкалой и имеет два значения, из которых необходимо выбрать одно, соответствующее данному измерению (напряжение 1,5В с частотой 100 кГц):

равна ±2,5 %.

Предел измерения выбираем равным 3В, так как в больших пределах погрешность возрастет, а в меньших — стрелка индикатора «зашкалит».

Тогда

Пример 7. Требуется определить, скольким децибелам соответствует значение напряжения 5 В).

Решение. Решим данную задачу двумя способами:

1. Для измерения напряжения 5В выбираем предел в 10 В, что соответствует положению переключателя пределов +20 dB.

Так как выбран предел 10В, отсчёт измеренного значения ведется по шкале от  0 до 10. Взяв линейку и установив один ее конец в механический корректор, а второй — на цифру 5 верхней шкалы вольтметра увидим, что линейка на шкале децибел лежит после шестого деления слева от 0 децибел:

Рассчитаем цену деления шкалы на участке от 0 до -5 дБ:

Следовательно, .

Подставим измеренное значение напряжения 5В в формулу

Рассчитаем погрешности полученного измерения:

по формуле 2.1        

по формуле 2.2      

Пример 5.8. Требуется определить, скольким вольтам соответствует -12 дБ.

Решение. Для решения этой задачи необходимо найти также положения переключателя пределов и стрелки индикатора по децибелам, при сложении которых в результате получится -12 дБ.

Выбираем положение -10 dB переключателя пределов, что соответствует пределу измерения 300 мВ.

Соответственно, для отсчёта измеренного значения напряжения используется шкала от 0 до 30.  Стрелку индикатора (линейку) устанавливаем по шкале децибел на отметку -2. При этом, о шкале сот 0 до 30 стрелка индикатора (линейка) покажет 18,5:

тогда с учетом коэффициента шкалы: