Вольтметр переменного тока

Федеральное агентство  по образованию

Государственное образовательное  учреждение высшего профессионального  образования

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ  ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

 

Факультет – Электрофизический

Направление – Приборостроение

Кафедра - ИИТ

КУРСОВАЯ РАБОТА

 

ВОЛЬТМЕТР ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

 

 

Студент     гр.1Б72                             ___________________                Григорьев М.Г.

               ^{(подпись)}

              ___________________

   ^(дата)

Научный руководитель                     ___________________               Миляев Д.В

                                                                      ^{(подпись)}

             ___________________

^(дата)

Томск – 2010

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

Введение…………………………………………………………………………..…….…..4

 

1. Методы измерения переменного напряжения ………….………………………..…...5

1. 1. Метод непосредственной оценки……………………………………………………5

1.1.1. Метод преобразования переменного напряжения в угол отклонения.…………5

   1.1.2. Метод косвенного преобразования переменного напряжения в угол                         отклонения……………………………..…………………………………….……...6

    1.1.3. Метод косвенного преобразования переменного напряжения в угол

                      отклонения с помощью электромагнитного механизма…………………………..7

 1.1.4. Метод измерения переменного напряжения осциллографическим методом…...8

 1.1.5. Преобразование переменного напряжения в постоянное ……………….……...9

1.2. Метод  сравнения…………………………………………………………………….11

 1.2.1 Компенсационный метод…………………………………………………………..11

1.2.2. Компараторный метод………..…………………………………………………....12

2.1. Выбор метода измерения …………………………………………………………….13

3. Структурная схема вольтметра переменного тока…….………………………...…...13

4. Градуировка…………………. ……………………………………….…………………13

5. Выбор и расчет элементов принципиальной схемы..………………………………..14

6. Принципиальная схема прибора………………………………………….………........21

7. Установим класс точности прибора…….………………………………………….......21

8. Блок питания…………………………………………………………………...………..22

 

Заключение………………………………………………………………………...……….26

Список использованных источников………………………………………………….....27

 

 

 

 

 

 

 

Техническое задание

Разработать и рассчитать аналоговый вольтметр переменного тока. Представить  структурную схему прибора, принципиальную  схему и спецификацию на элементы принципиальной схемы.

Исходные данные:

• Пределы измерений: U=1мВ

          U=100мВ

• Класс точности: 1,0%
• f=20Гц..1МГц
• Входное сопротивление не менее 1Мом

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 Введение

      В настоящее время вольтметры переменного тока выполняются как с непосредственным   сравнением измеряемого напряжения с известным напряжением, так и с промежуточным  преобразованием переменного напряжения  в напряжение постоянного тока.

Вольтметры со сравнением переменного напряжения U_x с известным напряжением постоянного тока U_k дают показания амплитудных значений U_x. В этих приборах напряжение U_k изменяется в соответствии с выбранным кодом до тех пор , пока оно не станет равным амплитудному значению U_х. Процесс сравнения может длиться несколько периодов.

В настоящее время наибольшее применение получили вольтметры с промежуточным преобразованием напряжения переменного тока в постоянное напряжение , измеряемое цифровым вольтметром постоянного тока. В этих вольтметрах измеряемое напряжение преобразуется в пост. напряжение, пропорциональное либо среднему, либо амплитудному, либо действующему значению, в зависимости от типа используемого преобразователя. Основные характеристики таких вольтметров практически определяются свойствами преобразователей. Известны преобразователи с погрешностью не более ±0.01%, а также преобразователи с верхним частотным диапазоном 30 МГц, но с большей погрешностью.

Для измерения амплитуды периодических  импульсов применяют вольтметры, в которых сравнивается амплитуда  импульсов с постоянным известным  напряжением. Применяются также вольтметры  с предварительным преобразованием амплитуды импульсов в напряжение постоянного тока с помощью “пиковых” детекторов .

В качестве примера укажем выпускаемый  промышленностью щитовой вольтметр  переменного тока типа Ф220 с верхними пределами измерения 1-10-100-500-1000В класса точности 1/0.5. Прибор имеет преобразователь переменного тока в постоянный. Имеется выход двоично-десятичного кода.  

      На переменном  токе измеряемый сигнал имеет  следующие характеристики:

1. амплитудное значение  напряжения U_m
2. действующее значение напряжения U_д

                        U_д=

 

3. среднее значение напряжения

 

                    

Амплитудное, среднее, действующее  значение связаны между собой  через коэффициент формы K_ф=U_м/U_д и коэффициент амплитуды U_a=U_м/K_a.

 

 

 

 

 

1 Методы измерения  переменного напряжения

 Рассмотрим 2 метода измерения переменного напряжения: метод непосредственной оценки и метод сравнения.

  1.1 Метод непосредственной оценки

При использовании метода непосредственной оценки вольтметр подключается параллельно тому участку цепи, на котором измеряется напряжение.

 

1.1. 1  Метод преобразования переменного напряжения в угол отклонения с                помощью электростатического измерительного механизма.

                                                                     

                                                                             

 

 

 

Уравнение преобразование:

                                                                                                                      

 

Переменное напряжение  преобразуется  непосредственно в угол отклонения.

Данный метод можно реализовать  при помощи электростатического механизма.

Рассмотрим механизм с изменением емкости вследствие изменения активной площади пластин. Он используется главным образом для создания вольтметров на низкие напряжения (в десятки и сотни вольт). (Рис.1)

                                                               

 

                                                                1- алюминиевые пластины подвижной

                                                                части;

                                                                2 - неподвижная часть состоит из одной

                                                                или  нескольких камер,  (чем больше

                                                                камер тем выше чувствительность 

                                                               прибора);                                                      

                                                                          3 - ось, на которой крепится подвижная часть;

                                                                4 - упругий элемент.

 

 

Рис.1 Электростатический ИМ с изменяющейся активной площадью электродов                 

                                                  

Рассмотрим объемный электростатический механизм. Между неподвижными пластинами 2 может перемещаться подвижная пластина 1, укрепленная на оси 3. При подключении напряжения подвижная и неподвижная пластины получают противоположные заряды и между ними возникает электрическое поле. В результате подвижная пластина втягивается в зазор между неподвижными, создавая вращающий момент, под действием которого перемещается укрепленная на оси указательная стрелка. Противодействующий момент создается спиральной пружиной 4.

 

Уравнение преобразования электростатического прибора имеет вид

                                                                                                            (2)

Характеристики электростатического измерительного механизма:

• Измеряемое напряжение может составлять от 10В до 500 кВ;
• Небольшая предельная погрешность измерений
• Широкий частотный диапазон до 500 МГц;
• Может применятся для измерения в цепях постоянного и переменного тока;
• Малое потребление энергии;
• Независимость показаний от температуры окружающей среды, внешних магнитных полей, частоты измеряемого напряжения;
• Неравномерная шкала ;
• Влияние внешних электрических полей

 

 

1.1.2 Метод косвенного преобразования переменного напряжения в угол

 отклонения с помощью   электродинамического измерительного механизма.

 

 

Уравнение преобразование:

 

                                   

 

В электродинамических измерительных  механизмах элементом подвижной части, участвующим в создании вращающего момента МВР, является рамка (2), намотанная тонким проводом. На осях (3) укреплены подвижные части механизмов. Ось (3) снабжена на концах кернами и может поворачиваться в подпятниках (4). Чтобы увеличить затухание и уменьшить время установления показаний в механизмах применяются специальные устройства - успокоители. В качестве успокоителя применено крыло (12), которое при повороте подвижной части, расходует энергию, перегоняя воздух в камере (13) из одной части в другую. Для включения обмотки подвижной катушки в цепь измеряемого тока используются пружинки или растяжки (9). При наличии тока в обмотках катушек ИМ возникают силы, стремящиеся повернуть подвижную часть так, чтобы магнитные потоки подвижных и неподвижных катушек совпадали.

 

 

Рис.2. Устройство электродинамического механизма.

 

Характеристики электродинамического измерительного механизма:

• высокая точность на переменном токе (класс точности до 0,05).
• Предел основной приведенной погрешности может быть 0,1…0,2 %
• возможность использования в цепях постоянного и переменного тока.
• Частотный диапазон до 20 кГц.
• большое потребление мощности.
• ощутимое влияние внешних магнитных полей.

 

1.1.3 Метод косвенного преобразования переменного напряжения в угол

         отклонения с помощью электромагнитного механизма

Уравнение преобразование:

Данный метод можно реализовать  при помощи электромагнитного механизма. Принцип действия данной системы основан на взаимодействии катушки с ферромагнитным сердечником. Сердечник втягивается в

катушку при любой полярности протекающего по ней тока. Это обусловлено тем, что ферромагнетик располагается в магнитном поле катушки так, что поле усиливается. Следовательно, прибор

электромагнитной системы  может работать на переменном токе. Принцип работы: Катушка (1) на нее наматывается медный провод в ней воздушный зазор, в который входит укрепленный на оси (3) сердечник (2).

При наличии тока в катушке (1) сердечник стремится расположиться в месте с наибольшей концентрацией поля, т.е. втягивается в зазор катушки.

Рис.3. Устройство электромагнитного механизма

 

Характеристики электромагнитного измерительного механизма:

• Простота конструкции
• выдерживает значительные перегрузки
• большое собственное потребление энергии
• низкая точность
• малая чувствительность

 

1.1.4 Метод измерения переменного напряжения осциллографическим методом.

 

Осциллограф является прибором, реагирующим  на изменение напряжения.При использовании осциллографа в качестве амплитудного вольтметра измеряемое переменное напряжение подается на вход Y,

обычно при отключенном генераторе развертки. Электронный луч при  этом будет прочерчивать на экране вертикальную прямую линию, длина которой, при синусоидальном измеряемом сигнале напряжения будет

пропорциональна его удвоенной  амплитуде:

Рис.4 Экран осциллографа

 

Зная чувствительность S_U или коэффициент отклонения луча K₀ можно

определить:

Значения величин S_U и K₀ может быть определено по положению рукоятки