Размещено на http://www.allbest.ru/

Курсовая работа

По дисциплине: «Аналоговые измерительные устройства»

Тема: «Вольтметр переменного тока средних значений»

Томск 2012г.



Содержание

Введение

Глава I. Методы измерения

1. Преобразование переменного напряжения в угол отклонения

1.1 Преобразование переменного напряжения с использованием электростатического механизма

1.2 Измерение переменного напряжения с использованием электромагнитного механизма

1.3 Преобразование переменного напряжения с использованием электродинамического механизма

1.4 Косвенное преобразование переменного напряжения с использованием магнитоэлектрического механизма

2. Преобразование переменного напряжения в постоянное

2.1 Амплитудный детектор (пассивный)

2.2 Детектор среднего значения

2.3 Детектор действующего значения

3. Измерение напряжения переменного тока методом сравнения

3.1 Компенсационный метод (нулевой)

3.2 Дифференциальный метод

Глава II. Выбор метода измерения и структурной схемы

2.1 Принцип работы

2.2 Уравнение преобразования

2.3 Градуировка прибора

2.4 Расчет резистивного делителя

2.5 Схема повторителя

2.6 Расчет усилителя переменного напряжения

2.7 Расчет детектора средних значений

2.8 Расчет усилителя

2.9 Расчет магнитоэлектрического вольтметра

3. Расчет погрешностей

3.1 Расчет блока питания

Вывод

Список литературы

Приложения



Введение

Вольтметры переменного тока

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.

В этих вольтметрах измеряемое напряжение преобразуется в постоянное напряжение, пропорциональное либо среднему, либо амплитудному, либо действующему (эффективному) 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 Um

2. действующее значение напряжения Uд



Uд=

3. среднее значение напряжения

Амплитудное, среднее, действующее значение связаны между собой через коэффициент формы

Kф=Uм/Uд

и коэффициент амплитуды

Ua=Uм/Ka

В зависимости от характеристики преобразования переменного напряжения в постоянное вольтметры можно разделить на измеряющие средневыпрямленные, среднеквадратические и амплитудные значения напряжений, поэтому напомним основные параметры переменных сигналов.

Параметры переменных сигналов. Напряжение переменного тока характеризуется средним, амплитудным, среднеквадратическим (называемым также действующим или эффективным) и средневыпрямленным значениями.

Для напряжения переменного электрического сигнала существуют те же характеризующие значения, что и для тока, - амплитудное Uампл, среднее Uср и эффективное Uэф. Связь между ними такая же. При эффективном напряжении сети 220 В амплитудное напряжение составляет 311 В, средневыпрямленное - 198 В.

Среднее значение переменного тока - это значение такого постоянного тока, который переносит такой же заряд электричества за тот же промежуток времени, что и переменный ток. Для переменного тока, форма которого симметрична относительно оси времени (например, синусоидальный сигнал) среднее значение тока равно нулю. Поэтому обычно под средним значением понимают средневыпрямленное, т. е. среднее значение тока после его выпрямления. Среднее значение тока характеризует его действие, например, при зарядке аккумулятора.

Графически среднее значение переменного тока - это площадь под кривой, характеризующей зависимость тока от времени. Эффективное значение соответствует квадратному корню из площади под кривой, описывающей зависимость квадрата тока от времени.



Глава I. Методы измерения

Метод измерения - это совокупность приемов использования принципов и средств измерений.

Различают следующие разновидности методов:

I. Метод непосредственной оценки, когда значение измеряемой величины определяют непосредственно по отчетному устройству измерительного прибора прямого преобразования, шкала которого градуирована с помощью многозначной меры, воспроизводящей известные значения измеряемой величины.

II. Метод преобразования переменного напряжения в постоянное.

III. Метод сравнения - это метод, при котором измеряемая величина сравнивается с величиной, воспроизводимой мерой. В приборах для измерения напряжения постоянного тока широкое распространение получили следующие методы сравнения: компенсации и дифференциальный.

Измерение напряжения переменного тока методом непосредственной оценки.

При использовании метода непосредственной оценки вольтметр подключается параллельно тому участку цепи, на котором измеряется напряжение. Для уменьшения методической погрешности измерения напряжения мощность потребления вольтметра должна быть мала, а его входное сопротивление велико (Rv>?). Поэтому в радиотехнических схемах при измерении в маломощных цепях предпочтительно использование электронных вольтметров.

1. Преобразование переменного напряжения в угол отклонения

Электромеханические измерительные приборы применяют для измерения тока, напряжения, мощности, сопротивлений и других электрических величин на постоянном и переменном токах преимущественно промышленной частоты 50 Гц.

Электромеханические приборы бывают: - магнитоэлектрические

-электродинамические

-электромагнитные

-электростатические

Электродинамические измерительные приборы применяются для измерения переменных токов до 10 А, переменных напряжений до 600 В и мощности от долей вата до нескольких киловатт, как на постоянном так и на переменном токе промышленных частот (50т, 400Гц).

Электромагнитные измерительные приборы применяют как измерители тока в цепях переменного тока промышленной частоты, в качестве щитовых приборов классов 1,0 и 1,5 и лабораторных классов 0,5 и 1,0. использование их в цепях повышенной и высокой частоты недопустимо из-за больших дополнительных частотных погрешностей.

Электростатические измерительные приборы измеряют среднее квадратическое значение напряжения. Эти приборы по принципу действия механизма являются вольтметрами. Достоинства электростатических приборов: широкий частотный диапазон (до 30 МГц) и малая мощность, потребляемая из измерительной цепи. принцип действия электростатического механизма основан на взаимодействии электрически заряженных проводников.

Магнитоэлектрические измерительные приборы применяются для измерения постоянных токов и напряжений.

Для преобразования переменного напряжения в угол отклонения могут использоваться: - электростатические,

-электродинамические,

-электромагнитные механизмы.



1.1 Метод преобразования переменного напряжения с использованием электростатического механизма

Структурная схема реализующая данный метод:

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)

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.

Вращающий момент возникает в результате взаимодействия двух систем заряженных проводников, одна из которых является подвижной. Отклонение подвижной части связано с изменением емкости.

Если к подвижным пластинам (1) жестко укрепленных на оси (3) и неподвижным пластинам (2) подвести измеряемое напряжение, то они окажутся заряженными противоположными по знаку зарядами, в результате чего под действием электростатических сил притяжения подвижные пластины будут стремиться войти внутрь камер. Это вызовет закручивание упругих элементов (4), создающих противодействующий момент. При равенстве вращающего и противодействующего моментов подвижная часть остановится, и по положению указателя на шкале (5) можно будет определить измеряемое напряжение.

Выражение для угла отклонения подвижной части электростатического измерительного механизма может быть получено на основании следующих рассуждений

энергия электрического поля системы заряженных тел.

На основании выражения для вращающего момента получим

Если противодействующий момент создается при помощи упругих элементов, то для режима установившегося равновесия



Откуда

где: W- удельный противодействующий момент;

U - напряжение приложенное к системе;

С - емкость системы заряженных тел.

Достоинства.

Существенными достоинствами электростатических ИМ являются весьма высокое сопротивление и, следовательно, ничтожно малое потребление энергии, данные механизмы используются для измерения напряжений в широком диапазоне частот (20Гц - 30МГц) в маломощных цепях, а также в цепях высокого напряжения для измерения напряжений до десятков и сотен киловольт без применения добавочных сопротивлений, потребляющих большую мощность. По точности эти приборы соответствуют чаще всего классам 1,0-1,5-2,5. Однако они могут быть выполнены и очень точными - класса 0,1 и даже 0,05.

Недостатки.

Недостатком электростатических ИМ является малая чувствительность.

1.2 Метод измерения переменного напряжения с использованием электромагнитного механизма

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.

При этом закручиваются пружинки (9), следовательно, возникает противодействующий момент. Для успокоения движения подвижной части применяют воздушные успокоители, он состоит из камеры (13) и крыла (12)

6 - шкала прибора;

5 - стрелка - указатель;

7 - упор (предназначен, чтобы уберечь стрелку от повреждений);

Выражение для угла отклонения можно записать на следующем основании



электромагнитная энергия катушки, по обмотке которой протекает ток.

Выражение для вращающего момента будет

Если противодействующий момент создается с помощью упругих элементов, то для режима установившегося отклонения

Откуда

где : L-индуктивность катушки;

W-удельный противодействующий момент.

На практике применяют амперметры (ЭМС) с пределами измерения от долей ампера до 200 А, и вольтметры - от долей вольта до сотен вольт. Также приборы ЭМС используют в качестве щитовых приборов классов 1,0 и 1,5 и лабораторных классов 0,5 и 1,0. В некоторых случаях они используются для измерений на повышенных частотах: амперметры до 8000 Гц, вольтметры до 400 Гц.

Достоинства.

Простота конструкции, способность выдерживать значительные перегрузки, возможность градуировки приборов, предназначенных для измерений в цепях переменного тока, на постоянном токе.

Недостатки.

К недостаткам приборов данной системы можно отнести большое собственное потребление энергии, невысокую точность , малую чувствительность и сильное влияние внешних магнитных полей.

1.3 Метод преобразования переменного напряжения с использованием электродинамического механизма

Структурная схема реализующая данный метод

Для использования данного метода, для начала нужно преобразовать переменное напряжение в постоянное, а затем постоянное напряжение в ток, что показывает структурная схема.

Данный измерительный механизм содержит две измерительные катушки: неподвижную и подвижную. Принцип действия основан на взаимодействии катушек, электромагнитные поля которых взаимодействуют друг с другом.

В ЭД 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 электродинамическом ИМ, 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.

Определим вращающий момент электродинамического ИМ

- электромагнитная энергия двух контуров с токами;

где: L1 и L2 - индуктивности неподвижных и подвижных катушек;

М 1,2- взаимная индуктивность между ними

Индуктивности катушек не зависят от угла поворота, поэтому



где: Мвр - вращающий момент;

I1 - ток через неподвижную катушку;

I2 - ток через подвижную катушку;

и - фазовый сдвиг между синусоидальными токами;

М - коэффициент взаимной индуктивности катушек.

Если противодействующий момент создается с помощью упругих элементов, то для режима установившегося отклонения

откуда выражение для угла отклонения выглядит

На основе электродинамического механизма в зависимости от схемы соединения обмоток могут выполняться вольтметры, амперметры, ваттметры.

Достоинства

Достоинством электродинамических вольтметров и амперметров является высокая точность на переменном токе. Предел основной приведенной погрешности может быть 0,1…0,2 %, что является наилучшим достижимым показателем для измерительных приборов переменного тока. По другим показателям электродинамические приборы близки к электромагнитным. Электродинамические приборы используются как образцовые лабораторные измерительные приборы.



1.4 Метод косвенного преобразования переменного напряжения с использованием магнитоэлектрического механизма

Для использования данного метода, для начала нужно преобразовать переменное напряжение в постоянное, а затем постоянное напряжение в ток, только после этого можно преобразовывать в б , что показывает структурная схема.

Данный метод реализуется при помощи магнитоэлектрического механизма.

В этой системе измерительный механизм состоит из проволочной рамки с протекающим в ней током, помещенной в поле постоянного магнита (магнитопровода)

Поле в зазоре, где находится рамка, равномерно, за счет особой конфигурации магнитопровода.

Подвижная часть МЭ измерительного механизма укреплена на двух растяжках (3). С подвижной частью жестко связана стрелка (5), которая при повороте подвижной части перемещается над неподвижно укрепленной шкалой(6).

На шкале установлены упоры 7, чтобы уберечь стрелку и подвижную часть от повреждений. При протекании по обмотке рамки тока возникают силы, стремящиеся повернуть рамку так, чтобы магнитные потоки совпадали.

При равенстве вращающего и противодействующего моментов подвижная часть останавливается.

Для получения зависимости между углом отклонения и током в рамке используем уравнение

Где Ф- поток, сцепляющейся с обмоткой рамки;

I- ток в обмотке рамки

Где r- радиус рамки относительно оси вращения;

l- длина рамки;

б- угол отклонения рамки от нейтрального положения;

щ- число витков обмотки;

S- площадь катушки

Т. к.противодействующий момент создается с помощью упругих элементов, то для режима установившегося отклонения



Откуда

где: B - индукция в воздушном зазоре;

S - площадь катушки;

W - удельный противодействующий момент;

UX - измеряемое напряжение;

щ - число витков обмотки рамки;

На основе магнитоэлектрического механизма создаются вольтметры, амперметры, миллиамперметры и другие измерительные приборы, и их структурное построение главным образом определяется измерительной схемой.

Измерительные приборы магнитоэлектрической системы имеют достаточно высокую точность, сравнительно малое потребление энергии из измерительной цепи, высокую чувствительность, но работают лишь на постоянном токе. Класс точности 0,05…0,5.

2. Преобразование переменного напряжения в постоянное

Преобразователи переменного напряжения в постоянное (детекторы) можно классифицировать по функции преобразования входного напряжения в выходное:

-амплитудные (пиковые)

-среднего квадратического

-средневыпрямленного значения.



Тип преобразователя - детектора во многом определяет свойства прибора: вольтметры с амплитудными детекторами являются самыми высокочастотными; вольтметры с детекторами среднего квадратического значения позволяют измерять напряжение любой формы; вольтметры средневыпрямленного значения измеряют только гармонические сигналы, но являются самыми простыми и надежными.

2.1 Амплитудный детектор (пассивный)

Амплитудный детектор - устройство, напряжение на выходе которого, т.е. на нагрузке, соответствует максимальному (амплитудному) значению измеряемого напряжения.

Рассмотрим работу детектора при подаче на его вход гармонического напряжения

На интервалах времени, когда на вход детектора поступает положительная полуволна, конденсатор С заряжается через диод, сопротивление R0 которого в открытом состоянии мало.

Постоянная времени заряда

фз =RoC

невелика и заряд конденсатора до максимального значения Um происходит быстро. На интервале действия отрицательной полуволны диод закрыт и конденсатор С медленно разряжается на сопротивлении нагрузки Rн так как оно выбирается достаточно большим (50... 100 МОм).

фр = RнC

оказывается значительно больше периода Т = 2р/щ входного переменного напряжения. В результате конденсатор останется заряженным до напряжения, близкого к

UC = Um = Uвых

Чем меньше период исследуемого сигнала (чем выше частота), тем точнее выполняется равенство

UC = Um

2.2 Детектор среднего значения

Среднее значение (постоянная составляющая) напряжения равно среднему арифметическому всех мгновенных значений за период



T-период напряжения сети

В данном примере рассмотрен однополупериодный выпрямитель. В таком выпрямителе ток через нагрузку протекает лишь в течение полупериода т.к ток через диод протекает лишь в одном направлении.

2.3 Детектор действующего значения

Действующее значение напряжения определяется как корень квадратный из среднего квадрата мгновенного значения напряжения за время измерения (или за период)



Пусть R1=R2

На термопару ТП1 подаем измеряемое напряжение Ux~ в результате этого возникает ток термопары I1

Происходит выделение тепла Qтп1- это количество тепла, которое выделяется в нагревателе за период T

Первая термопара выполняет функции квадратора и интегратора

ЭДС возникшее на первом термопреобразователе будет равно

- коэффициенты, зависящие от свойств термопреобразователей.

При поступлении на термопару ТП2 напряжения Uвых ус возникает ток термопары I2 равный

Происходит выделение тепла Qтп2



ЭДС возникшее на втором термопреобразователе будет равно

Термопара является корнеизвлекающим устройством

Т.к коэффициент усиления усилителя стремится к бесконечности, его входной сигнал

Д? = ?1 - ?2 ? 0

Следовательно

3. Измерение напряжения переменного тока методом сравнения

В технике точных измерений широкое распространение получили компенсационные методы измерения напряжения переменного тока в широком диапазоне частот. В компенсационных методах измеряемую величину сравнивают с известной величиной, воспроизводимой или измеряемой средствами измерений с высокой точностью, с помощью прибора сравнения. В качестве элементов сравнения могут служить электротепловые, электромеханические и электрические компарирующие преобразователи.

3.1 Компенсационный метод (нулевой)

Метод компенсации основан на уравновешивании (компенсации) измеряемого напряжения известным падением напряжения на опорном (измерительном) резисторе. Индикаторный прибор регистрирует равенство измеряемой и компенсирующей величин.

В основном применяются схемы компенсации напряжения

Рис. Схема компенсации постоянного тока

В этой схеме измеряемое напряжение Ux уравновешивается известным напряжением компенсации Uк, противоположным ему по знаку. Падение напряжения Uк создается током Ip на изменяемом по величине образцовом резисторе Rk. Изменение сопротивления резистора Rk происходит до тех пор, пока Uк не будет равно Ux. Момент компенсации (уравновешивания) определяется по отсутствию тока в цепи индикатора.

Uк= Ip Rk

Преимуществом компенсационного метода является отсутствие в момент полной компенсации тока от источника измеряемой ЭДС в цепи компенсации. Кроме того, отсутствие тока в цепи индикатора нуля позволяет исключить влияние сопротивления соединительных проводов на результат измерений. Выходное сопротивление компенсатора при этом равно бесконечности, т.е. при полной компенсации мощность от объекта измерения не потребляется.

3.2 Дифференциальный метод

При дифференциальном методе полного уравновешивания не происходит. Прибор измеряет разность между измеряемой величиной и мерой и отградуирован в единицах измеряемой величины. Измеряемая величина определяется по значению меры и показаниям прибора.

Рис . Схема дифференциального метода

Пусть значение измеряемого напряжения Ux записывается как

Ux = Uобр+ДU±б = (Uобр+ ДU)[1± б/(Uобр+ ДU)]

где: Uобр - значение образцового напряжения (меры)

ДU= Ux - Uобр

напряжение некомпенсации, измеряемое измерительным прибором; б - погрешность измерения разности Ux - Uобр.

Так как Uобр значительно больше ДU, то относительная погрешность измерения Ux значительно меньше относительной погрешности измерения ДU. Если Uобр = 9,9 В, ДU = 0,1 В, б/ДU = 0,01 (1%), то б/(Uобр+ ДU) ДU = 0,01·0,1/10 = 10-4 (0,01%). Таким образом, для достижения такой высокой точности можно принять сравнительно грубый прибор. Однако при этом измерении необходимо применять весьма точную меру Uобр, значение которой определено еще с меньшей (чем 0,01%) погрешностью.

Этот метод позволяет получить результаты с высокой точностью даже при применении относительно грубых средств измерения разности. Однако осуществление этого метода возможно только при условии воспроизведения с большой точностью меры, значение которой выбирается близким значению измеряемой величины.



Глава II. Выбор метода измерения и структурной схемы

Рассмотрим метод измерения для пределов измерения в данном курсовом проекте. В данном случае пригодны следующие методы: метод преобразования напряжения в угол отклонения с использованием электростатического, электродинамического, электромагнитного механизмов.

Выбираем метод преобразования переменного напряжения в постоянное с последующим измерением постоянного тока с помощью магнитоэлектрического механизма. Возможная структурная схема изображена на рисунке. Достоинством этого метода является простота конструкции, способность выдерживать значительные перегрузки, возможность градуировки приборов, и т.д.

где: ВД - входной делитель;

П - повторитель;

У1 - усилитель (140УД11);

Д- детектор (КД104А);

У2- усилитель (140УД4);

МЭВ - магнитоэлектрический вольтметр.

2.1 Принцип работы

На вход подаётся переменное напряжение от сети. Т.к. входное напряжение 10В, его не возможно подать на повторитель, следовательно, требуется поставить делитель, которое снизит напряжение до 10 мВ. Входное напряжение поступает на делитель - высокоомный. Далее выходное напряжение поступает на повторитель.

Напряжение уменьшено, теперь его следует немного повысить, делаем это с помощью усилителей. Напряжение с повторителя поступает на вход усилителя, с помощью которого усиливается в несколько раз.

На выходе переменное напряжение, усиленное с помощью усилителя. Далее следует преобразовать переменное напряжение в постоянное. В много предельных вольтметрах верхние пределы преобразовываются к младшему. Преобразование измеряемой величины проводятся на младших пределах. Выбираем детектор среднеквадратичного значения, он предназначен для измерения напряжения любой формы. На выходе детектора постоянное напряжение средних значений.

Далее напряжение поступает на вход усилителя, на выходе - усиленное постоянное напряжение средних значений. Далее следует преобразовать постоянный ток средних значений в угол отклонения. Делаем это с помощью магнитоэлектрического механизма. На выходе будет б.

2.2 Уравнение преобразования

где: ВД - входной делитель;

П - повторитель;

У1 - усилитель (140УД11);

Д- детектор (КД104А);

У2- усилитель (140УД4);

МЭВ - магнита - электрический вольтметр.



2.3 Структурная схема вольтметра переменного тока

П-повторитель

Д-делитель

У-усилитель

ПСЗ-преобразователь средних значений

МЭВ-магнито-электрический вольтметр

2.4 Градуировка

2.5 Резистивный делитель

Делитель напряжения -- устройство для пропорционального уменьшения постоянного или переменного напряжения.

Теоретически определим необходимые номиналы резисторов для расчета данной схемы, определим коэффициенты передачи.

Выбираем входное сопротивление Rвх равное 1 МОм. Рассчитаем резисторы R1 и R2

Рис. Принципиальная схема делителя напряжения

Коэффициент передачи для предела

Рассчитаем коэффициент передачи для предела

при щ = 0

Коэффициент передачи на переменном токе имеет частотную погрешность, для того, чтобы избавиться от нее добавим емкость параллельно резистору R2 и рассчитаем ее исходя из условия

Принципиальная схема делителя напряжения с добавочными емкостями

Комплексный коэффициент передачи

Рассчитаем добавочную емкость



Рассчитаем с учетом

Частотная погрешность равна нулю

Расчет погрешности делителя

Схема повторителя

Uвх=2В, 20В

Ку=1

Rвх=1 Мом



2.6 Расчет усилителя переменного напряжения

Из справочника выбираем операционный усилитель, который максимально удовлетворяет поставленным условиям, т.е. обладает высоким быстродействием, большим коэффициентом усиления и большим входным сопротивлением, а так же имеет автоматическую коррекцию дрейфа нуля. Этим условиям удовлетворяет ОУ К1407УД2. Технические характеристики которого приведены в таблице №1:

Принципиальная схема усилителя на основе КР1407УД2

Рисунок. Схема усилителя



Таблица

Uп, В	Uсм, мВ	Kу	Rвхдиф,МОм	f, МГц
±5--±17	0,03	8*103	10	30

Минимальное напряжение, подаваемое на вход усилителя

Напряжение на выходе не должно превышать 2 В.

Коэффициент усиления на переменном токе имеет частотную погрешность

Для того чтобы избавиться от частотной погрешности введем дополнительную емкость С



Рассчитаем коэффициент передачи учитывая емкость С

Следовательно, частотная погрешность г(щ)=0

2.7 Расчет преобразователя средних значений

Рисунок. Принципиальная схема ПСЗ

Выберем диод: KD104A

Uпр = 1 B Uобр = 300 B

Iпр = 1мA Iобр = 1,5 мкA

Найдем прямое и обратное сопротивления диода

Рассчитаем сопротивление нагрузки

Kд =

Теперь рассчитаем погрешность ПCЗ

2.8 Расчет усилителя

Технические характеристики ОУ К154УД4

Таблица

Uп, В	Uсм, мВ	Kу	Rвхдиф, МОм	f1, МГц
±5--±17	0,03		10	40



Коэффициент усиления

Следовательно

2.9 Расчет магнитоэлектрического механизма

Выбрали милливольтметр М2027 - измерительный механизм

Рисунок. Принципиальная схема магнитоэлектрического механизма

Его характеристики:

Таким образом, напряжение на выходе определяется с помощью формулы



Теперь выберем резистор Rд из ряда Е24:

3. Расчет погрешностей

Округляем, получаем

3.1 Расчет блока питания

Дано:

Сетевое напряжение: 220В, 50Гц, нелинейность ±10%.

Выходное напряжение нагрузки: Uн = ±15В, Iн = 12.4мА, нелинейность ± 0,1%

Рисунок. Принципиальная схема блока питания

Диодный мост состоит из диодов Д220 с параметрами (Таблица ) в качестве фильтра используем конденсаторы К50-6 1000мкФx25В

Таблица

Iпр.maх.А	Iобр.maх.А	Uпр.maх.B	T єC
0.25	2	50	-60, +85



1. Рассчитываем потребляемую мощность всего прибора:

Мощность по каждому источнику суммируется и получается PНАГРУЗКИ стабилизатора

Выбираем мощность в нагрузке

Pг = 1.6Pн=10.2976 Вт

2. Выбираем стабилизатор К142ЕН6 с параметрами:

Uвых = ±15±0.3 В

Uвх max = ±30 В

Iн max = 0.2 А

Iпотр = ±7.5 мА

Кст = 0.002 % /B,

Кус= 1:0.002=500

TKUвых= 0.02 % /К

Выше приведенный стабилизатор необходим для питания микросхем ±15 В

Pг = Q0Qc

Q0 ?Qс=

Где Q0=1.3 см2

По габаритной мощности выбираем Ш-образный сердечник

Qс=

Если с=11мм и d=12 мм, то Qс=1.3 см2



Q0 = =1.3 см2

Рассчитаем токи первичной и вторичной обмоток

Рассчитаем количество витков для первичной и вторичной обмоток

Рассчитаем диаметры проводов первичной и вторичной обмоток



Вывод

вольтметр ток напряжение электростатический

В ходе работы был разработан вольтметр переменного тока на средних значениях для пределов измерения: 10мВ, 10В.

Рассчитаны все параметры: преобразования переменного напряжения в постоянное, с помощью детектора средних значений, резистивный делитель, блок питания, усилитель переменного напряжения, также рассчитан магнито-эллектрический вольтметр, погрешности. Также была отградуирована шкала для двух пределов.

В данной работе был использован магнитоэлектрический прибор с преобразованием переменного напряжения в постоянное. Магнитоэлектрический прибор с таким преобразованием отличается от других электромеханических приборов тем, что они обладают высокой чувствительностью, точностью и малым потреблением мощности. Эта задача решена путём преобразования переменного напряжения в постоянное с последующим его измерением магнитоэлектрическим прибором. Этот прибор относится к числу наиболее точных. Шкала прибора отградуирована в среднеквадратических значениях синусоидального напряжения. В качестве преобразователя переменного напряжения в постоянное детектор средневыпрямленных значений.

Все технические характеристики учтены при разработке милливольтметра переменного тока средневыпрямленных значений.



Литература

1. Арутюнов В.О. Электрические измерительные приборы и измерения. - М.: Энергоатомиздат., 1958. - 631 с.

2. Атамян Э.Г. Приборы и методы измерения электрических величин: Учебное пособие для студ. вузов. - М.: Высш. Шк., 1989. - 384с.

3. Гутников В.С. Применение ОУ в измерительных устройствах. - Л.: Энергия, 1975-120 с.

4. Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. - Л.: Энергоатомиздат., 1988. - 304 с.

5. Евтихиев Н.Н. Измерение электрических и неэлектрических величин: Учебное пособие для вузов. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - 357 с.

6. Илюкович А.М. Измерение больших сопротивлений. М.: «Энергия», 1971-128c.

7. Рождественская Т.Б. Аппаратура для измерения больших сопротивлений, малых постоянных токов, и методы её поверки. М.: Издательство стандартов, 1973-146c.

8. Резисторы, конденсаторы, трансформаторы, дроссели, коммутационные устройства РЭА: Справочник./Под ред. Акимова Н.Н. - Минск: «Беларусь», 1994- 591c.

9. Электрические измерения: Учебник для вузов; Под редакцией А.В.Фремке и Е.М. Душина. - Л.: Энергия, 1980. - 392 с.

10 . Полулях К.С. Электронные измерительные приборы - М.: Высш. шк., 1966. - 400с.

11. Резисторы, трансформаторы: Справочник. / Под ред. И.И. Четвертак. - М.: Энергоатомиздат, 1989.

12. Резисторы, конденсаторы, трансформаторы, дроссели, коммутационные устройства РЭА: Справочник./Под ред. Акимова Н.Н. - Минск: «Беларусь», 1994- 591c.

13. Справочник по электроизмерительным приборам/Под ред. К.К. Илюнина - Ленинград: «Энергоатомиздат», 1983-784с.

14. Полупроводниковые приборы, диоды выпрямительные, стабилитроны, тиристоры: Справочник/Под ред. А.В.Голомедова - Москва: «КУБК-а», 1996 -528с.



Приложения



Размещено на Allbest.ru

...