Автокомпенсационные вольтметры

Дальнейшее повышение чувствительности и снижение погрешности измерения постоянного напряжения могут быть осуществлены применением метода автоматического уравновешивания в приборах непосредственной оценки. Структурные схемы приборов, использующих метод автоматического уравновешивания, приведены на рис. 7.4. Это автокомпенсационные приборы, или автоматические компенсаторы с неполной компенсацией. По роду компенсируемой на входе величины приборы разделяют на приборы с компенсацией напряжения (рис. 7.4, а, б) и с компенсацией тока (рис. 7.4, в, г), а по схеме построения цепи обратной связи — на приборы последовательного и параллельного типов. Схема автокомпенсационного прибора состоит из двух цепей: прямой и обратной. Во входной цепи устройства, или в измерительном устройстве сравнения, действуют измеряемая величина u_x(I_x) и ком­пенсирующая величина u_k(I_k), направленные навстречу друг другу. В результате на входе прямой цепи действует разностный сигнал некомпенсации или .

Сигнал компенсации вырабатывается в цепи обратной связи путем преобразования выходного сигнала прямой цепи. Сигнал некомпенсации усиливается в прямой цепи, при этом выходная величина цепи u_вых(I_вых) увеличивается до тех пор, пока пропорциональная ей компенсирующая величина u_k(I_k) не станет примерно измеряемой величине u_x (I_x):

.

Если u_вых(I_вых) является выходной величиной прибора, то уравнение обратной цепи u_k = u_вых = u_вх.

Рис. 7.4. Структурные схемы автокомпенсационных приборов с компенсацией напряжения (а, б) и тока (в, г)

Таким образом, устанавливается пропорциональность между u_вх и u_вых, т.е. точность приборов уравновешивания в идеальном случае определяется только стабильностью коэффициента обратной связи .

При построении автокомпенсационных микро- и нановольтметров наибольшее распространение получили схемы с последовательной обратной связью и измерением выходного напряжения или тока. Схемы с параллельной обратной связью получили преимущественное распространение при построении приборов для измерения тока.

Структурная схема автокомпенсанционного микровольтметра с последовательной обратной связью и измерением выходного напряжения аналоговым или цифровым вольтметром приведена на рис. 7.4, а. Рассмотрим коэффициент передачи схемы. Выходное напряжение автокомпенсатора u_вых = -k u_x, где к — коэффициент передачи прямой цепи; u_x = u_x – u_k — напряжение компенсации.

Напряжение обратной связи определяется коэффициентом передачи цепи обратной связи: или .

Коэффициент передачи автокомпенсатоpa определяется выражением: .

При изменении k и изменяется и коэффициент передачи k_a, т. е. в показаниях автокомпенсатора появится погрешность, определяемая как где

Рис.7.5. Структурная схема автокомпенсационного микровольтметра постоянного тока

Относительная погрешность измерения определяется по формуле: откуда следует, что при большом значении погрешность вольтметра определяется только элементами прямой цепи.

Достоинством автокомпенсационных схем является их способность в раз уменьшать погрешность от изменения коэффициента усиления k. Так, при погрешности коэффициента усиления = 100 % и k = 1000 погрешность автокомпенсационной схемы будет равна 0,1%.

Автокомпенсационные приборы постоянного тока по типу используемых в них усилителей некомпенсации бывают следующие: электронные, гальванометрические или электрометрические.

Структурная схема электронного автокомпенсационного микровольтметра приведена на рис.7.6. Прибор состоит из УПТ, аналого-цифрового преобразователя АЦП₁, АЦП₂, блока развязки БР, блока управления поддиапазонами измерений БУПИ и блока питания БП. Прибор построен на основе УПТ с преобразованием напряжения, охваченного глубокой отрицательной обратной связью. Выходное напряжение устройства измеряется цифровым вольтметром.

Схема работает следующим образом (рис. 7. 6). Измеряемое напряжение поступает на модулятор М, выполненный на вибропреобразователе или на бесконтактных ключевых элементах — МДП-транзисторах, что обеспечивает низкий уровень шумов и дрейфа нуля всего УПТ. Модуляция входного напряжения осуществляется с частотой сигнала f_осн генератора. Выходной сигнал модулятора в виде последовательности прямоугольных импульсов поступает на вход предварительного усилителя УНЧ. Усиленный сигнал поступает на коммутационный фильтр Ф, в котором подавляются боковые паразитные частотные составляющие сигнала, вызванные наложением на по­лезный сигнал помехи от питающей сети (f_осн ± 50 Гц). Отфильтрованный и усиленный усилителем У сигнал поступает на демодулятор ДМ, управляемый внутренним генератором. В демодуляторе в качестве бесконтактных ключей могут использоваться МДП-транзисторы. Выходным сигналом демодулятора является постоянное напряжение, значение которого пропорционально амплитуде выходного сигнала промежуточного усилителя частотой f_осн модулирующего генератора. Затем это напряжение поступает на вход интегратора И, где оно сглаживается и усиливается; с выхода интегратора напряжение поступает на измерительное устройство и через преобразователь в цепи обратной связи ОС на дополнительный вход модулятора. Таким образом, в модуляторе М происходит модуляция разности напряжений на входе прибора и на выходе цепи обратной связи, т. е. напряжения некомпенсации . Достоинствами приборов, основанных на автокомпенсационном методе, являются их высокая чувствительность, равная примерно (1 - 10)∙10^-9 В, широкий динамический диапазон (от единиц нановольт до 1 В), достаточно высокая точность измерения (0,5 — 1 %).

Рис. 7.6. Структурная схема базового усилителя автокомпенсационного микровольтметра

Гальванометрические автокомпенсационные приборы с фотоэлектрическим усилителем. Очень часто при измерении малых напряжений постоянного тока используются гальванометрические компенсаторы, где в качестве УПТ применяются различные варианты гальванометрических усилителей, обладающих очень высокой чувствительностью. Наибольшее распространение получили фотоэлектрические усилители. Упрощенная структурная схема гальванометрического автокомпенсатора представлена на рис.7.7. В схему прибора входят измерительный механизм зеркального гальванометра G магнитоэлектрической системы, образцовый резистор обратной связи R_обр, фото­резисторы ФР1 и ФР2, источники постоянного напряжения Е1 = Е2, магнитоэлектрический микроамперметр. На зеркальце гальванометра G направлен луч света от источника Л. При отсутствии напряжения на входе измерителя луч света, отраженный от зеркала, одинаково освещает оба фоторезистора и ток через микроамперметр I_к =0 . При подаче на вход измерителя напряжения их в цепи гальванометра появляется ток I_г, подвижная часть гальванометра поворачивается на некоторый угол и происходит перераспределение освещенности фоторезисторов, вследствие чего сопротивление одного резистор, уменьшается, второго увеличивается. В результате равновесие мостовой схемы (ФР1 ФР2, Е1, Е2) нарушается и в диагонали моста потечет ток I_к создавая на сопротивлении R_обр напряжение компенсации u_k, почти равное измеряемому напряжению u_x. Значение тока I_к автоматически изменяется в зависимости от изменения измеряемого напряже­ния u_x, но так, что выполняется условие u_x ≈ u_k. Почти полная компенсация этого напряжения обусловливает большое входное сопротивление. Благодаря компенсационной схеме результаты измерения мало зависят от колебаний напряжения питания, изменения характеристик элементов схемы и сопротивления источника измеряемого напряжения. Чувствительность фотокомпенсационных приборов определяется чувствительностью гальванометра.

Рис. 7.7. Структурная схема гальванометрического автокомпенсационного микровольтметра

Недостатками гальванометрических приборов являются их малое быстродействие, низкое входное сопротивление и чувствительность к механическим вибрациям.

На этом принципе основаны фотогальванометрические компенсационные нановольтметры типов Ф118, Ф128 и др. Наилучшие модели приборов (например, 147 и 148 фирмы Keithley Instruments) питаются от встроенного аккумулятора с подзарядным устройством. Они малочувствительны к вибрациям и ударам, имеют собственные шумы 2 ∙ 10^-10 В, а также высокое подавление наводок с частотой сети.

Электромеханические компенсаторы. Электромеханические компенсаторы - это измерители напряжения, использующие электрический электрометр и имеющие благодаря этому весьма высокое входное сопротивление. Они применяются для измерения малых напряжений в высокоомных цепях, при измерении потенциала сетки электрон­ных ламп, для измерения электростатического напряжения и пр.

Электрометр представляет собой чувствительный электростатический измерительный механизм, легкая подвижная часть которого подвешивается на тонкой упругой нити. В механизме применяется световой указатель положения подвижной части. На рис. 7.8 представлена схема электрометрического компенсатора постоянного напряжения, которая отличается от схемы гальванометрического компенсатора тем, что вместо магнитоэлектрического гальванометра включен электрометр Э, состоящий из двух неподвижных обкладок 1, 2 и подвижной обкладки 3, к которой прикреплено миниатюрное зеркальце. Подвижная обкладка укрепляется симметрично относительно неподвижных. На неподвижные обкладки подается напряжение возбуждения u_в. Такое включение электрометра позволяет повысить его чувствительность и установить нуль показаний электрическим путем (перемещением движка потенциометра R_o при замкнутых входных зажимах). При подаче измеряемого напряжения их подвижная часть электрометра Э поворачивается на некоторый угол, что приводит к перераспределению световых потоков, освещающих фоторезисторы ФР₁ и ФР₂, и появлению тока компенсации I_k. На­пряжение u_k, возникающее при этом на резисторе R_обр, уравновешивает измеряемое напряжение u_x. Подвижная часть электрометра отклоняется до тех пор, пока не наступит равенство этих напряжений.

Рис. 7.8. Структурная схема электрометрического автокомпенсационного вольтметра

Так как сопротивление резистора R_обр может быть незначительным, то ток I_k может быть сравнительно большим и измеряться микроамперметром. На базе электрометра строятся и высокочувствительные измерители тока.