Меню

Измеряет напряжение высокой частоты



Измерение напряжения и тока на низких и высоких частотах

Измерение напряжения и тока на промышленной частоте.Измерение напряжения и тока на промышленной частоте может быть выполнено любыми вольтметрами и амперметрами, работающими на частоте 50 Гц, но только когда объект измерения мощный. Та­кие измерения в основном выполняют электромагнитными и электро­динамическими вольтметрами и амперметрами (см. 2.5; 2.4).

Для измерения напряжения на промышленной частоте приме­няют компенсаторы переменного тока. Чтобы уравновесить изме­ряемое напряжение компенсирующим напряжением необходимо выполнение следующих условий: равен­ство напряжений по модулю; противоположность их фаз ); равенство частот; одинаковая форма изме­ряемого и компенсирующего напряжений. Компенсаторы перемен­ного тока менее точны по сравнению с компенсаторами постоянного тока, так как отсутствует эталон ЭДС переменного тока.

Измерение напряжения на повышенной и высокой частотах.Измерение напряжения на повышенной и высокой частотах осуще­ствляется вольтметрами (выпрямительными, термоэлектрическими, электростатическими, электронными, см. 2.3; 2.6; 5.1), работаю­щими в указанном диапазоне частот, а также электронными осцил­лографами (см. 4.3). Осциллографы — приборы, чувствительные к напряжению, поэтому все измерения, выполняемые ими, сводятся к измерению отклонения электронного луча под действием прило­женного напряжения. Для конкретного исследования сигнала не­обходимо правильно выбрать тип осциллографа, выполнив усло­вия согласования, подключить последний к объекту измерения, заземлить, а затем определить вид синхронизации, ее амплитуду, режим развертки, длительность, коэффициент отклонения.

От правильного учета возможных искажений и погрешностей зависит точность полученных результатов измерения.

Измерение тока в цепях повышенной и высокой частоты.С уве­личением частоты точность измерения переменного тока электро­магнитными иэлектродинамическими амперметрами в обычном ис­полнении падает. Приборы специального изготовления имеют расширенный диапазон частот (примерно до 8—10 кГц) и используются для измерения токов в мощных цепях (см. 2.4; 2.5).

В маломощных цепях повышенной и высоких частот ток изме­ряется выпрямительными, термоэлектрическими, электронными цифровыми амперметрами, аналоговыми и цифровыми электронными вольтметрами на резисторе с известным сопротивлением (см. 2.3; 5.1; 7.7). Амперметр должен обладать минимальными значениями входных сопротивлений, индуктивностей и емкостей. С увеличением частоты в цепи измерения тока влияние паразитных емкостей возрастает, поэтому для уменьшения погрешностей от токов утечки амперметр следует включать на участке с потенциалами, наиболее близкими к потенциалу земли (рис. 7.12, где и — емкости зажимов 1 и 2 амперметра относительно земли). Это особенно важно при измерениях на высокой частоте. При правильном включении амперметра паразитная емкость находится под на­пряжением, равным падению напряжения на амперметре, но по­скольку значение последнего незначительно, то и токи утечки будут малы, при этом емкость закорочена. При неправиль­ном включении амперметра паразитные емкости и нахо­дятся под полным напряжением , поэтому даже при малых значениях и токи утечки будут значительными.

Рисунок 7.12 – Схема правильного включения амперметра

Измерение токов в цепях высокой частоты преимущественно выполняется термоэлектрическими амперметрами.

Термоамперметры — сочетание термопреобразователя и магнитоэлектрического измерительного механизма. Термопреобразователь состоит из одной или нескольких термопар и нагревателя. При протекании тока по нагревателю, выполненному из материала с большим удельным сопротивлением (нихрома, константана и др.), выделяется тепло, под действием которого нагревается горя­чий спай термопары, а на ее холодных концах возникает термо-ЭДС.

Термо-ЭДС зависит от материала проводников термопары и про­порциональна разности температур горячего и холодного ее кон­цов, т. е. пропорциональна температуре перегрева .

В среднем равно 30-40 мкВ на 1 °С перегрева. Вследствие инерции нагревателя температура перегрева не успевает следовать за изменениями подводимого тепла и определяется его средним значением:

(7.13)

Если холодные концы термопары замкнуть на измерительный магнитоэлектрический механизм, то по замкнутой цепи измерителя потечет ток

(7.14)

где среднеквадратичное значение тока; Ra — сопротивление цепи измерителя, включая сопротивление термопары; коэф­фициенты пропорциональности, зависящие соответственно от свойств термопары и данных измерительного механизма.

Так как в (7.14) значение измеряемого тока входит в квадрате, то прибор пригоден для измерений в цепях как постоянного, так и переменного токов. Шкала прибора градуируется в среднеквадра­тичных значениях тока.

Рисунок 7.13 Схемы включения термопреобразователей

По способу нагрева горячего спая термо­пары термопарообразователи делят на контактные и бесконтактные. В контактных термопреобразователях (рис. 7.13, а) горячий спай термопары приварен непосредственно к нагревателю, при этом имеется гальваническая связь между измеряемой и измерительной цепями. В бесконтактных термопреобразователях (рис. 7.13, б) горячий спай термопары отделен от нагревателя изоляционным материалом (каплей стекла), что ухудшает условия теплопередачи, увеличивает тепловую инерцию, уменьшает чувствительность, но позволяет последовательно соединять несколько термопар, уменьшать влияние паразитных емкостей (между измеряемой и измерительной цепями). В некоторых бес­контактных преобразователях термопару протягивают внутри тон­кой стеклянной трубочки, на которую намотан нагреватель. Для увеличения чувствительности и более эффективного использова­ния преобразователи соединяют в мостовую схему.

В зависимости от типа преобразователя эти приборы исполь­зуют для измерения как постоянного, так и переменного тока в диа­пазоне частот 50 Гц 200 МГц. Но основное назначение термо­амперметров — измерение тока в цепях высокой частоты. На высо­ких частотах проявляются паразитные параметры термопреобразо­вателя и поверхностный эффект в нагревателе. Поэтому каждый прибор рассчитывают на работу до определенной частоты измеряе­мого тока.

Читайте также:  Как посчитать линейное напряжение зная фазное

При измерениях несинусоидального тока показания термоампер­метра будут приближенно соответствовать среднеквадратичному значению тока, т. е.

Термоэлектрические амперметры выпускают для измерения токов от 100 мкА до десятков ампер.

Для измерения малых токов до 1 А применяют вакуумные тер­мопреобразователи. Их помещают в специальные стеклянные бал­лоны, из которых выкачан воздух, при этом благодаря уменьшению потерь на излучение тепла в окружающую среду чувствительность вакуумных преобразователей повышается. Вакуумные термопре­образователи бывают контактные и бесконтактные.

Для измерения токов от 1 А до 50 А используют воздушные термопреобразователи.

К достоинствам термоамперметров относят то, что их показания не зависят от частоты и формы переменного тока, к недостаткам — малую перегрузочную способность (допускаются перегрузки не бо­лее чем на 50 %), значительную мощность потребления (на 5 А при­мерно 1 Вт), ограниченный срок службы, невысокую точность (с изменением температуры изменяется сопротивление нагревателя, с увеличением частоты — паразитные параметры). Классы точ­ности термоэлектрических амперметров -1,5; 2,5; 4. В термоэлек­трических амперметрах, предназначенных для больших токов, в результате выделения значительного количества тепла подводя­щие колодки сильно разогреваются. Чтобы устранить влияние перегрева, применяют кроме основной еще и компенсационную термопару, горячий спай которой укреплен на одной из колодок, а термо-ЭДС направлена навстречу термо-ЭДС основной термопары. Расширение пределов измерения осуществляют с помощью транс­форматора тока с ферритовым тороидальным сердечником. Термо­амперметры бывают щитовые и переносные.

Для усиления постоянного тока термопары в термоамперметрах применяют фотоусилители. Термопары с фотоусилителем много­предельны, имеют повышенную способность к перегрузкам, высо­кую чувствительность и частотный диапазон до 1 МГц.

Дата добавления: 2018-02-28 ; просмотров: 1834 ; Мы поможем в написании вашей работы!

Источник

Измеряет напряжение высокой частоты

ВЧ вольтметр на диоде Шотки

При налаживании любительской связной аппаратуры, ее ремонте или проверке часто требуется измерение напряжения высокой частоты в полосе до 30 МГц (КВ аппараты) и даже до сотен мегагерц (УКВ аппараты).

Значения напряжения исследуемых сигналов обычно лежат в пределах от десятков милливольт до десятков вольт. Наиболее простой вариант выполнения ВЧ вольтметра для таких измерений — выносная головка с полупроводниковым диодом к вольтметру постоянного тока (например, к цифровому мультиметру). Недостаток такого решения в том, что при измерении напряжения менее 1 В (действующее значение) эффективность детектирования снижается и для отсчета уже нельзя пользоваться шкалами мультиметра без предварительной его калибровки вместе с ВЧ головкой.

Именно поэтому в измерительных головках таких приборов рекомендуют использовать германиевые диоды, поскольку у них заметные значения токов наблюдаются при меньших значениях напряжения чем у кремниевых На рис. 1 показаны участки прямых ветвей вольт-амперных характеристик германиевого ВЧ диода (ГД507А), диода Шотки (ВАТ41) и обычного кремниевого (КД503А). Как видно, изменение тока через диод КД503А на два порядка (от 1 мА до 10 мкА) происходит в очень узкой зоне напряжений (0,5. 0,75 В). Иными словами, вольтметр с измерительной головкой на обычном кремниевом диоде регистрировать ВЧ напряжение меньше 0, 5 В уже не будет.

У германиевого диода изменение тока в тех же пределах происходит при более низких значениях напряжения (0, 1.. .0,3 В) и более плавно. Именно это и позволяет создавать с такими диодами вольтметры способные измерять ВЧ напряжения 0, 1 В и менее. Правда при таких значениях напряжения вольтметр уже не будет линеен. Подробно вольтметр на германиевом диоде рассмотрен в [1 ].

Необходимо отметить два его недостатка (помимо уже отмеченной нелинейности при малых напряжениях). Во-первых у полупроводниковых приборов на основе германия характеристики заметно зависят от температуры. В результате калибровочная кривая несколько смещается при изменении температуры, и это смещение особо заметно при ВЧ напряжении менее 0,1 В. Во-вторых, у высокочастотных германиевых диодов, как правило, невелико максимальное обратное напряжение, что не позволяет измерять большие (десятки вольт) значения ВЧ напряжения Напомним, что при однополупериодном выпрямлении ВЧ напряжение не должно превышать примерно одной трети от максимально допустимого обратного напряжения диода.

Решение задачи — применить в измерительной головке диод Шотки. У него прямая ветвь вольт-амперной характеристики не такая крутая как у обычного кремниевого диода, и лежит заметно «левее». Как видно из рис. 1, изменение прямого тока через диод Шотки от 10 мкА до 1 мА происходит при изменении напряжения в пределах 0, 2 ..0,4 В. Можно ожидать, что ВЧ вольтметр на основе такого диода также позволит измерять малое ВЧ напряжение хотя эффективность его выпрямления будет несколько хуже, чем у вольтметра с германиевым диодом.

Схема выносной измерительной головки с диодом Шотки к распространенному мультиметру М832 (или другому аналогичному с входным сопротивлением не менее 1 МОм) изображена на рис. 2. Как и в аналогичном устройстве с германиевым диодом [1], калибруют ВЧ вольтметр подбором резистора R1 — при подаче на вход ВЧ напряжения 2 В (действующее значение) показания мультиметра должны быть также 2 В.

Читайте также:  Электромагниты переменного напряжения назначение

ВЧ вольтметр

Зависимость показаний мультиметра от уровня ВЧ напряжения на входе головки дана на рис. 3 (кривая 1). Здесь же для сравнения приведена и аналогичная зависимость для головки с германиевым диодом (кривая 2) Участки кривых 1 и 2 в интервале 0, 2. 2 В практически идентичны. Как и следовало ожидать, при ВЧ напряжении, меньшем 0, 2 В эффективность головки с диодом Шотки хуже, но все же достаточна для измерения напряжения примерно до 50 мВ.

Незначительное усложнение детекторной головки с диодом Шотки позволяет сдвинуть нижнюю границу измерений до значений в несколько милливольт. Способ этот не нов — его применяли еще на заре полупроводниковой

ВЧ вольтметр своими руками

электроники. Речь идет о пропускании через диод небольшого постоянного тока в прямом направлении. Схема детекторной головки такого типа показана на рис. 4 . Значение тока через измерительный диод VD1 определяется сопротивлением резистора R1 и в данном случае примерно равно 20 мкА. При этом падение напряжения на диоде будет около 0, 2В. Для того чтобы исключить его влияние на результаты измерении, на второй вход мультиметра надо подать точно такое же напряжение. Его можно получить с помощью обычного резистивного делителя, но лучше это сделать введением второго диода Шотки (VD2 на рис 4). Одинаковые напряжения на обоих диодах устанавливают переменным резистором R2 по нулевым показаниям мультиметра в отсутствие напряжения на входе головки. Этот диод не используется для измерения напряжения, но если его поместить рядом с диодом VD1 (в тепловом контакте с ним), повысится температурная стабильность работы измерительной головки. Это особенно важно при измерении самых малых ВЧ напря жений. Дело в том, что при изменении окружающей температуры изменения падения напряжения на обоих диодах будут примерно одинаковыми и балансировка головки не будет нарушаться. Испытания головки показали, что ее чувствительность при малых напряжениях заметно повысилась (по сравнению с вариантом на рис. 2) а зависимость показаний мультиметра от ВЧ напряжения на входе головки у нее практически совпадает с аналогичном зависимостью для головки с германие вым диодом (кривая 2 на рис. 3).

Максимально допустимое обратное напряжение диодов Шотки ВАT41 — 100 В. Следовательно, максимальное ВЧ напряжение, которое можно изме рять головкой с таким диодом — примерно 35 В (действующее значение). Емкость перехода диода при обратном смещении 1 В не превышает 2 пФ Измерения показали что у головки с диодом ВАТ41 нет частотной зависимости показаний, по крайней мере до 30 МГц на более высокой частоте проверка не производилась) Этот диод выпускается з миниатюрном стеклянном корпусе без маркировки на нем Вывод катода помечен на корпусе темной полоской.

Диод ВАТ41 — один из наиболее распpocтраненных высокочастотных диодов Шотки в стеклянном корпусе с проволочными выводами. Автор приобрел его в московском магазине фирмы «Чип-и Дип». В октябре прошлого года розничная цена была всего 7 руб 60 коп за штуку. В измерительной головке можно применить и другие импортные диоды, например BAR28, 1N5711 или 1N6263. Все три диода имеют близкие характеристики. Они немного уступают BAR41 по максимально допустимому обратному напряжению (70 В), но имеют заметно меньшую емкость — около 2 пФ при нулевом напряжении на диоде (!) и должны работать на частотах несколько сотен мегагерц.

Из отечественных диодов Шотки в головке можно применить КД922А, КД922В и КД923А. Однако у них заметно более низкие значения максимального допустимого обратного напряжения — у лучшего из них по этому параметру диода КД922Б оно всего 21 В.

Наличие у мультиметра М832 в розетке для измерений параметров транзисторов стабилизированного напряжения — около 3 В, и то, что для головки требуется ток всего несколько десятков микроампер, наводит на мысль использовать его для питания головки. Однако поскольку мультиметр при измерениях ВЧ напряжения не соединяется с общим проводом (он фактически включен в диа гональ моста), невозможно это сделать напрямую. Использовать в этом случае какие-либо электронные устройства (например как это сделано в [2]) нецелесообразно. Два дополнительных гальванических элемента типа АА обеспечат работу измерительной головки на протяжении очень длительного време ни, даже без отключения питания, поскольку потребляемый ею ток сопоставим с током саморазрядки элементов. При питании головки от двух эле ментов АА сопротивление резисторов R1 и R3 (рис 4) следует уменьшить до 300 кОм. Уменьшение тока через диод до 10 мкА не сказывается на характе ристиках измерительной головки.

Поскольку нагрузка головки высо коомная и ток через диод ограничен, превышение максимально допустимого входного напряжения не приводит к немедленному выходу диода из строя. Но при этом вольтметр также перестает быть линейным (занижает результаты измерений). Это явление иной раз приводит к курьезам вроде «КСВ зависит от уровня мощности передатчика», хотя КСВ конечно не изменяется. Просто в этом случае диодный вольтметр в измерительном узле КСВ метра при повышении мощности выходит за пре делы линейного выпрямления ВЧ напряжения.

Читайте также:  Защита транзистора от высокого напряжения

1. Степанов Б. ВЧ головка к цифровому

мультиметру. — Радио, 2006, № 8, с. 58, 59.

2 Бирюков С. Приставка к мультиметру для измерения температуры. — Радио, 2001, № 1, с. 54, 55.

Источник

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Измерение — напряжение — высокая частота

Измерение напряжения высокой частоты имеет ряд особенностей, которые надо учитывать при выборе прибора и его использовании. Это объясняется влиянием прибора на электрический режим исследуемой цепи за счет реактивной составляющей входного сопротивления вольтметра, подключаемой параллельно исследуемому объекту. В большинстве случаев при измерении напряжения высокой частоты входное реактивное сопротивление носит емкостный характер. Для уменьшения влияния вольтметра на результат измерения необходимо, чтобы входное активное сопротивление прибора было как можно больше, а входная емкость как можно меньше. [2]

К особенностям измерения напряжений высокой частоты относится все то, что сказано в § 2.1 в отношении особенностей измерения токов высокой частоты. [3]

Для обеспечения измерения напряжения высокой частоты порядка 500 мггц межэлектродная емкость должна быть небольшой, поэтому для максимального частотного диапазона тр ебуется применение малогабаритных диодов с близким расположением электродов. Частотный диапазон при применении обычных диодов будет значительно ниже. Минимальный частотный диапазон определяется величиной используемой емкости, но в общем случае градуировка прибора для 50 гц остается правильной для высокой частоты, что позволяет применять для градуировки электромагнитные приборы сетевого напряжения. Сама лампа часто монтируется в пробнике, который может быть приведен в непосредственное соприкосновение с источником измеряемого напряжения. В этом случае уменьшается длина высокочастотного ввода прибора, так как большая его длина может привести к погрешностям измерения. [4]

Теория и методика измерения напряжений высокой частоты с помощью разрядников разработаны недостаточно, имеющиеся данные часто противоречивы. Необходимы дополнительные исследования и систематизация имеющихся данных с целью установления стандарта на измерение напряжений высокой частоты, особенно при больших межэлектродных расстояниях. [5]

Этот вольтметр используется для измерения напряжения высокой частоты и напряжения гетеродина, а также для измерения напряжений на электродах ламп. [6]

С другой стороны, при измерении напряжений высоких частот уменьшается промежуток времени 2 — з, в течение которого конденсатор С не успевает зарядиться до значения Um. А так как время заряда конденсатора зависит от его емкости, то требования измерения напряжений низкой и высокой частоты вступают в противоречие. Поэтому некоторые электронные вольтметры имеют два пиковых детектора: высокочастотный с емкостью конденсатора С 30 — — ЮО пФ и низкочастотный с конденсатором большой емкости. Впрочем, это неудобно, и большинство приборов имеет один пиковый детектор с нагрузкой R большого сопротивления. [7]

Как и при измерениях тока, измерения напряжения высокой частоты связаны с влиянием прибора на электрический режим цепи. Хв сопротивления, включенные параллельно испытуемому объекту. Это приводит к изменению тока в испытуемом объекте, а следовательно, и падению напряжения на нем. [8]

Емкостный делитель напряжения ( рис. 18 — 19 6) дает лучшие результаты при измерении напряжений высоких частот . [10]

Вольтметры, построенные по первой функциональной схеме, отличаются широким частотным диапазоном и применяются для измерения напряжений высоких частот вплоть до нескольких сотен мегагерц. Приборы же, выполненные по второй схеме, имеют значительно более узкую полосу, ограниченную полосой пропускания усилителя переменного напряжения. Зато схема, показанная на рис. 5 — 5 в, позволяет получить более высокую чувствительность, чем предыдущая, благодаря включению перед детектором усилителя. Такие схемы используются в милливольтметрах, причем основным фактором, ограничивающим нижний предел измеряемого напряжения, являются собственные шумы усилителя. [11]

Амперметры тепловой системы могут быть применены для измерения токов высокой частоты, а электростатические вольтметры для измерения напряжений высокой частоты , однако в настоящее время эти приборы применяются в радиоизмерительной технике сравнительно редко, так как обладают малой чувствительностью и могут быть использованы главным образом в длинноволновом диапазоне. [12]

Примером измерительного прибора, в котором используется выпрямительное свойство диода, является диодный-вольтметр, применяемый для измерения напряжения высокой частоты . Измеряемое напряжение высокой частоты выпрямляется диодом и измеряется прибором. Обладая малой входной емкостью, диодный вольтметр позволяет измерять напряжения в широком диапазоне частот. [14]

Электрическая схема прибора позволяет использовать его в качестве индикатора при измерении постоянного напряжения на пределе 10 мВ и при измерении напряжения высокой частоты на пределах 0 3 — 3 В в диапазоне частот до 1000 — 1500 МГц. Погрешность измерения при этом не гарантируется. [15]

Источник