9zip.ru Катушки Теслы Измерение напряжений высокой частоты

Продолжение, начало - здесь.

Влияние, оказываемое вольтметром на измеряемую цепь, тем меньше, чем больше его входное сопротивление Zвх, т.е. чем больше Rвх и чем меньше Cвх. Невыполнение этого основного требования может повести к большим ошибкам измерения, в особенности, если последнее производится в условиях резонанса. Так, например, присоединение вольтметра к параллельному контуру, настроенному в резонанс с частотой питающего тока, резко изменит напряжение на контуре, так как: во-первых, емкость Cвх изменит настройку контура и тем больше, чем меньше ёмкость самого контура; во-вторых, сопротивление Rвх, шунтируя контур, также будет изменять режим его и тем сильнее, чем меньше Rвх.

Как и в случае амперметра, принцип работы широкополосного вольтметра должен обеспечивать независимость показаний прибора от частоты. Затруднения, здесь возникающие, в значительной мере аналогичны тем, которые встречаются при измерении тока; однако измерение напряжения можно производить с приемлемой погрешностью в значительно более широкой полосе частот, чем измерение тока (примерно до 3000 Мгц).

Как и при измерении тока, очень существенную роль играет длина соединительных проводов, под которыми следует понимать не только наружные провода, соединяющие зажимы вольтметра с измеряемой цепью, но и провода, подводящие измеряемое напряжение внутри корпуса прибора непосредственно к рабочей части его. Индуктивность и ёмкость внутренних соединительных проводов вместе с собственной ёмкостью Cвх определяют собственную частоту вольтметра, которая во избежание частотных ошибок должна лежать возможно выше.

Рассмотрение вопроса о влиянии длины соединительных проводов приводит к следующим выводам: погрешность не превышает 1%, если длина внешних соединительных проводов l<0,01λ. При l=0,05λ ошибка может доходить до 20%, а при l=0,1λ — до 60%. Кроме того, соединительные провода должны быть экранированы, чтобы исключить воздействие на вольтметр внешних электрических и магнитных полей. Что касается длины внутренних соединительных проводов, нужно стремиться к тому, чтобы она оставалась меньше 0,01λмин, где λмин — самая короткая длина рабочей волны.

На очень высоких частотах выполнение соединительных проводов указанных выше размеров может оказаться практически неосуществимым. В этом случае соединение вольтметра с измеряемым объектом можно производить линией длиной nλ/2, где n — любое целое число. Напряжения на входе и на выходе такой линии будут одинаковыми. На сверхвысоких частотах вольтметр жёстко соединяют с исследуемым объектом, образуя из них конструктивно единое целое.

Для измерения напряжений звуковой и высокой частот используют. 1) электростатические вольтметры; 2) приборы, основанные на преобразовании переменного тока в постоянный. К числу последних относятся а) термоэлектрические вольтметры и б) вольтметры, использующие принцип выпрямления, — ламповые и полупроводниковые, наиболее широко используемые на практике.

Измерение указанных напряжений может производиться также при помощи электронного осциллографа.

Термоэлектрический вольтметр состоит из вакуумного термоэлемента на малый ток (максимум до 10 ма), с подогревателем которого последовательно соединено добавочное сопротивление, и чувствительного магнитоэлектрического прибора.

Вместо добавочного сопротивления можно использовать ёмкость C, выбранную так, что во всём диапазоне рабочих частот выполняется условие 1/ωС>>Rпод (где Rпод — сопротивление подогревателя). Зная ω, C и ток в подогревателе, нетрудно определить подводимое напряжение.

Входное сопротивление подобных вольтметров невелико (100— 200 ом/в) Для увеличения этого сопротивления можно включать термоприбор через катодный повторитель.
Указанные схемы термовольтметров используются в области сравнительно невысоких частот. Достоинство их в том, что при квадратичной термопаре градуировка их не зависит от формы кривой измеряемого напряжения. Поэтому подобные вольтметры успешно используются для измерения флуктуационных напряжений.

Класс точности термовольтметров — порядка 1-1,5, что дает возможность использовать эти приборы для градуировки вольтметров других систем на звуковых и высоких частотах.

С помощью термоприборов можно измерять напряжения и на очень высоких частотах (главным образом, в области метровых волн). Термоэлемент присоединяется к измеряемой цепи (например, к линии) посредством линии длиной в четверть волны.

Напряжение па входе Uх и ток Iп на конце четвертьволновой линии без потерь (т. е. в подогревателе термоэлемента) связаны соотношением: Ux=IпW. Волновое сопротивление W линии (четвертьволновой) рассчитывается по её геометрическим размерам. Входное сопротивление четвертьволновой линии без потерь, нагруженной на сопротивление Rпод подогревателя, равно Rвх =W^2/Rпод. Чем меньше сопротивление подогревателя, тем больше входное сопротивление такого вольтметра.

Описываемое устройство используется для измерения напряжений от долей вольта до 50—100 в с погрешностью 5—10% на волнах до 1 м. Конструктивно вольтметр представляет собой отрезок линии, по которому можно перемещать перемычку а-б с термоамперметром ап. Положение перемычки, при котором следует производить отсчёт, соответствует минимальному показанию термоамперметра.

Принцип действия электростатического вольтметра основан на механическом взаимодействии между двумя заряженными проводниками (или группами проводников), из которых один закреплён, а другой может перемещаться. Неподвижная часть прибора образована пластинами а, а подвижная — пластинами б. Система подвижных пластин укреплена на оси в; с этой же осью скреплены стрелка г и один конец спиральной пружины к. При подведении напряжения к системам пластин подвижные пластины стремятся войти в промежутки между неподвижными пластинами. Магнит играет роль успокоителя колебаний подвижной части прибора.

В зависимости от конструкции прибора противодействующий момент создаётся одним из следующих способов: силой упругости спиральной пружины к, закручиванием нити, на которой подвешена подвижная часть прибора, или весом подвижных пластин. Шкала электростатического вольтметра неравномерная. В первом приближении можно считать, что отклонения стрелки прибора пропорциональны квадрату действующего значения напряжения. Однако, придавая пластинам соответствующие очертания и размеры, можно получить шкалу, близкую к равномерной на значительном её протяжении.

Наша промышленность выпускает электростатические вольтметры на пределы измерения от 10 в до 30 кв. Для повышения чувствительности их применяются системы со световым отсчётом.

Электростатические приборы пригодны для измерения как постоянных, так и переменных напряжений. Их показания не зависят от формы кривой напряжения, от влияния внешних магнитных полей и температуры. Однако они чувствительны к воздействию внешних электрических полей. Недостатками электростатических вольтметров являются сравнительно большая емкость (в некоторых конструкциях - до нескольких десятков пикофарад), которая к тому же переменна, неравномерность шкалы, опасность пробоя из-за попадания внутрь прибора пыли, влаги и пр., чувствительность к сотрясениям.

Погрешность показаний этих приборов примерно 1,5—2,5%. Измерение переменных напряжений может быть выполнено электростатическими вольтметрами весьма точно в том диапазоне частот, в котором собственная ёмкость прибора не препятствует этому. Например, при измерении напряжения на настроенном колебательном контуре длинных или средних волн можно воспользоваться электростатическим вольтметром. Изменение емкости контура, получающееся вследствие присоединения вольтметра, может быть компенсировано переменной ёмкостью настройки контура. Однако на коротких, а тем более - на ультракоротких волнах не удается скомпенсировать ёмкость электростатического прибора; таким прибором нельзя снять резонансную кривую контура даже на длинных волнах. Кроме того, на очень высоких частотах входное полное сопротивление электростатического вольтметра резко уменьшается, а индуктивность относительно длинных соединительных проводов вместе с ёмкостью вольтметра приводит к возникновению погрешностей резонансного характера. Собственная частота подобных вольтметров — порядка 200 Мгц. Поэтому предельная рабочая частота их лежит примерно около 10 Мгц.

Электростатические вольтметры иногда применяют в схемах амплитудных ламповых вольтметров в качестве индикаторов измеряемого напряжения.

Применение электронной лампы или полупроводниковых выпрямителей для измерения переменных напряжений основано на использовании детекторных свойств этих устройств. На схеме, поясняющей принцип работы подобных вольтметров, Д — детектор (ламповый или полупроводниковый), Г — магнитоэлектрический прибор, С — конденсатор, сопротивление которого при самой низкой рабочей частоте значительно меньше сопротивления прибора Г, а также сопротивления детектора Д. В таком случае работа детектора происходит по статической вольтамперной характеристике i=f(u). При подведении к зажимам А—В переменного напряжения U~ в цепи протекает пульсирующий ток, переменные составляющие которого ответвляются через конденсатор С, а постоянная составляющая Iо проходит через гальванометр Г. При работе подобной схемы в качестве вольтметра нас интересует только постоянная составляющая Iо, величина которой зависит от величины подводимого переменного напряжения. Если зависимость Iо=f(U~) выявлена (экспериментальным или расчётным путём), то подобное устройство можно использовать в качестве простейшего детекторного или лампового вольтметра переменного напряжения.

Схемы реальных вольтметров, работающих на принципе детектирования, много сложнее. Однако в основе такие вольтметры представляют собой всегда соединение детектора с прибором магнитоэлектрической системы.

Режимы детектирования, используемые в подобных вольтметрах, можно разбить на три типа. Если начальное положение рабочей точки на характеристике детектора выбрано так, что полностью выпрямляются обе полуволны переменного напряжения (т.е. при детектировании синусоидального напряжения угол отсечки равен 180°), то подобное детектирование называют детектированием режима А. Такой детектор используют иногда в вольтметрах с ламповыми (триодными) и очень редко - в вольтметрах с полупроводниковыми выпрямителями.

Так как криволинейная часть вольтамперной характеристики, используемая при работе детектора режима А, изображается в общем случае полиномом высокой степени, то постоянная составляющая выпрямленного тока сложным образом связана с детектируемым переменным напряжением. Если подобный детектор проградуировать, как это обычно делают в действующих значениях синусоидального напряжения, то эта градуировка в общем случае будет несправедлива для напряжений несинусоидальной формы.

При малых напряжениях используемую часть характеристики детектора режима А можно аппроксимировать полиномом второй степени. В этом случае постоянная составляющая выпрямленного тока пропорциональна квадрату действующего значения детектируемого напряжения независимо от формы кривой последнего. Вольтметр, выполненный на подобном детекторе, называют квадратичным вольтметром режима А.

Если рабочая точка выбрана в самом начале характеристики детектора и в образовании импульса выпрямленного тока участвует только одна полуволна измеряемого напряжения (т.е. при детектировании синусоидального напряжения угол отсечки равен 90°), то имеет место детектирование режима В. Такое детектирование широко используется в вольтметрах с полупроводниковыми и редко в вольтметрах с ламповыми детекторами.

При подаче на такой детектор малых напряжений используемую часть характеристики детектора можно аппроксимировать в виде кривой, близкой к параболе второго порядка. В этом случае получим квадратичный вольтметр режима В, и постоянная составляющая выпрямленного тока будет пропорциональна квадрату действующего значения положительной полуволны измеряемого напряжения. Если же детектор режима В соединить последовательно с дополнительным активным сопротивлением, то при достаточной величине последнего вольтамперную характеристику всего соединения можно аппроксимировать в виде линейно-ломаной кривой. Такой вольтметр называют линейным вольтметром режима В. Постоянная составляющая выпрямленного тока будет пропорциональна среднему значению выпрямленной полуволны напряжения.

Третий режим детектирования, так называемый режим С, характеризуется тем, что импульс выпрямленного тока получается только в течение части (обычно небольшой) периода измеряемого напряжения, иначе говоря, выпрямление синусоидального напряжения происходит с малым углом отсечки. Для осуществления этого режима детектирования рабочая точка должна смещаться в область запирания детектора.

Детектирование режима С широко применяется в вольтметрах как с ламповыми, так и с полупроводниковыми детекторами для измерения пиковых значений выпрямляемых напряжений. В этом случае используется начальная часть характеристики детектора, аналитически изображаемая экспоненциальным законом. Однако на практике эту часть характеристики весьма часто аппроксимируют в виде прямой. Вольтметры, выполненные на подобном детекторе, называют вольтметрами режима С.

С помощью электронной лампы можно измерять как переменное, так и постоянное напряжения. Для решения последней задачи лампа ставится в усилительный режим. При подаче на управляющий электрод лампы постоянного напряжения изменяется постоянный ток в цепи её анода, по которому можно судить о величине измеряемого напряжения. Такой способ измерения постоянного напряжения мало целесообразен в большинстве случаев обычной практики. Однако в связи с развитием ядерной физики, электрохимии и ряда других отраслей науки возникла необходимость измерять весьма слабые постоянные напряжения при большом сопротивлении источника напряжения. Основные требования, предъявляемые при таких измерениях к вольтметру, — это высокая чувствительность при исключительно большом входном сопротивлении. Для этой цели используются специальные электрометрические лампы, входное сопротивление которых достигает 10^16 ом.

Современные ламповые вольтметры широкого применения промышленного производства часто выполняются так, что дают возможность измерять как переменные, так и постоянные напряжения. Нередко схема вольтметра предусматривает возможность измерения омических сопротивлений (а иногда и емкостей и индуктивностей), в результате чего ламповый вольтметр становится довольно универсальным прибором. Всё же основной областью применения ламповых вольтметров является измерение переменных напряжений высокой частоты от 0,1 в до десятков вольт. Эти пределы можно расширить, введя дополнительные усилительные ступени и делитель напряжения.

Питание ламповых вольтметров обычно производится от сети переменного тока через выпрямитель. Для уменьшения влияния колебаний напряжения сети на постоянство режима работы вольтметра напряжение питания стабилизируют феррорезонансными, электронными или неоновыми стабилизаторами и бареттерами. Часто также эта задача решается применением в схеме вольтметра сильной отрицательной обратной связи.

Широкое применение ламповых вольтметров для измерения напряжений высокой частоты объясняется тем, что ламповые вольтметры отличаются: 1) высокой чувствительностью; 2) широким диапазоном частот; 3) высоким входным активным сопротивлением, шунтированным малой ёмкостью (несколько пикофарад); 4) способностью выдерживать большие перегрузки

Наряду с этим ламповым вольтметрам свойственны и недостатки: 1) сравнительно большая погрешность — не ниже 2— 2,5%; 2) необходимость источников питания; 3) влияние старения ламп на градуировку и необходимость переградуировки при смене ламп.

В детекторных каскадах ламповых вольтметров можно использовать лампы с любым числом электродов. Однако история развития ламповых вольтметров характеризуется вполне определёнными тенденциями в отношении типов используемых для детектирования ламп. При своём возникновении (примерно в конце 20-х годов) ламповые вольтметры выполнялись в виде одного детекторного каскада на триоде, причём использовались режимы детектирования А, В и С В последующем десятилетии ламповые вольтметры развивались также в виде однокаскадного устройства, но уже на диоде с использованием детектирования режима С. В 40 и 50-х годах появляются и усовершенствуются схемы вольтметров, содержащих, кроме диодного детектора, каскады предварительного или последующего усиления. Подобные вольтметры почти полностью вытеснили в производстве вольтметры с триодными детекторами.

За последние годы отмечаются новые тенденции, а именно диоды вытесняются германиевыми детекторами, а вместо усилительных триодов начинают ставиться транзисторы.

Входная цепь однокаскадного лампового вольтметра. Её влияние на погрешности измерения. Различают схемы открытого и закрытого входа ламповых вольтметров переменного тока. Различие между открытой и закрытой схемами состоит в том, что в случае открытого входа вольтметр реагирует как на переменную, так и на постоянную составляющие измеряемого напряжения, причём постоянная составляющая тока в цепи выпрямляющего электрода замыкается через внешнюю цепь, что не всегда допустимо; при закрытой же схеме входа измеряется только переменная составляющая подводимого напряжения, а постоянная составляющая выпрямленного тока не проходит через внешнюю цепь. Кроме того, схема с закрытым входом даёт возможность присоединять катод лампы непосредственно к земле. Но, с другой стороны, разделительный конденсатор С в схеме с закрытым входом может явиться источником дополнительных частотных погрешностей на низких частотах и, следовательно, может ограничивать частотный диапазон вольтметра.

О влиянии внешних соединительных проводов говорилось выше. Для устранения этого влияния входную лампу вольтметра монтируют в специальном выносном «пробнике» небольших размеров, который можно подносить непосредственно к источнику измеряемого напряжения. Тем самым индуктивность и ёмкость внешних соединительных проводов резко уменьшаются. С остальной частью вольтметра пробник связан гибким кабелем, в котором течёт только постоянный ток.

Вторым источником погрешностей на очень высоких частотах (дециметровых и более коротких волнах) является инерция электронов, начинающая проявляться в том случае, когда время пролёта электронов между электродами лампы становится сравнимым с периодом измеряемого напряжения. Это приводит к тому, что часть электронов не достигает анода, в результате чего выпрямленный ток уменьшается, и возрастают потери во входной цепи лампы.

Понравилась статья? Екатерина говорит: поделись с друзьями!