Измерение высоких импульсных напряжений
12345
6.1. Общие вопросы
Задача измерения высоких импульсных напряжений возникает при многих физических исследованиях. При этом важно знать не только, например, пиковое значение или амплитуду, но и точную форму импульса. Для измерения импульсов напряжения используются делители. Делитель напряжения должен обладать хорошими передаточными характеристиками. Однако и при этом условии нет гарантии, что на экране осциллографа форма импульса в известном масштабе отражает измеряемое высокое напряжение, поскольку наряду с делителем погрешности могут вносить и другие элементы измерительной цепи, включая кабели, идущие от делителя к осциллографу. К делителю предъявляются жесткие требования и в связи с тем, что необходимо исключить его влияние на источник напряжения.
Обычно цепь измерения высоких импульсных напряжений состоит из собственно делителя напряжения, соединительных проводов, осциллографа и кабеля, соединяющего делитель с осциллографом. На концах кабеля, если это возможно и необходимо, включаются согласующие сопротивления. Наличие многих элементов в измерительной цепи может вносить дополнительные погрешности в виде временного сдвига, искажения формы и максимального значения импульса. В целом измерительное устройство представляет собой пассивный, а при наличии электромагнитных наводок – активный, четырехполюсник, на вход которого подается измеряемое напряжение, а с выхода снимается сигнал, подаваемый на осциллограф. Условием неискажающей передачи является точное повторение формы импульса измеряемого напряжения на выходе измерительной схемы. Это возможно лишь при абсолютном подобии части схемы, находящейся под высоким напряжением, и той части, которая находится под низким напряжением и с которой снимается измеряемый сигнал. Однако наличие специфических элементов на стороне высокого напряжения – распределенных емкостей, соединительных проводов, а на стороне низкого напряжения – измерительного кабеля приводит к тому, что параметры обеих частей схемы не подобны. Задача создания измерительного устройства сводится к выбору параметров, при которых отклонения импульса, регистрируемого осциллографом, от импульса измеряемого напряжения находятся в допустимых пределах. Основными причинами отклонений являются разница в переходных процессах в обеих частях схемы, содержащих индуктивности, емкости и сопротивления, а также волновые процессы в измерительном кабеле.
Передаточные свойства измерительной схемы характеризуются коэффициентом передачи – отношением напряжения на выходе U2 к напряжению на входе U1 схемы. Свойства этой схемы полностью определяются двумя частотными характеристиками коэффициента передачи: амплитудной и фазовой. Амплитудная характеристика дает зависимость амплитуды напряжения на выходе схемы от частоты при заданном напряжении на входе, а фазовая характеристика – фазовый угол между напряжениями на входе и выходе в зависимости от частоты. Знания первой из этих характеристик нередко бывает достаточно, чтобы определить искажение импульса. Очень часто делители напряжения характеризуют коэффициентом деления 
– 
величиной, обратной коэффициенту передачи.
Измеряемый импульс напряжения можно представить в виде суммы спектральных составляющих. Определив амплитуду каждой составляющей на входе измерительного устройства и ее фазу, можно, просуммировав все составляющие и получить импульс на выходе. В простейших схемах замещения делителей напряжения фазовая и амплитудная характеристики могут быть рассчитаны. Примерный ход этих характеристик для упрощенных схем замещения омического делителя с учетом емкости относительно земли, емкостного делителя с учетом волнового сопротивления кабеля или входного сопротивления осциллографа, а также емкостного делителя с учетом его индуктивности, сопротивления присоединения и волнового сопротивления кабеля или входного сопротивления осциллографа показан на рис. 6.1. Для уменьшения искажений основная часть спектра сигнала должна лежать в области постоянства амплитудной характеристики и линейного участка фазовой характеристики. Так, делитель, показанный на рис. 6.1, а, будет иметь малые искажения при низких частотах, делитель на рис. 6.1, б – при высоких, а делитель на рис. 6.1, в – в определенном диапазоне частот. Реальные делители напряжения имеют более сложные схемы замещения, расчёт их амплитудных и фазовых характеристик затруднителен. Однако, они во многих случаях могут быть измерены прямо или косвенно. При очень высоких частотах и экспериментальное определение характеристик реальной измерительной схемы становится довольно трудной задачей.
Другой метод определения качества измерительной схемы основан на расчетном или экспериментальном определении реакции на прямоугольный импульс – формы импульса на выходе схемы при скачкообразном изменении напряжения на входе. При таком воздействии напряжения на входе реакция измерительной схемы есть не что иное, как ее переходная характеристика.
Реакцию на прямоугольный импульс экспериментально можно определить двумя способами. В первом способе, представленном на рис. 6.2, в качестве генератора прямоугольных импульсов используется заряженный кабель, разряжаемый на нагрузку, равную его волновому сопротивлению. Для разрядки кабеля можно использовать ртутное реле. Амплитуда формируемых таким способом импульсов может быть порядка 102 В, фронт импульса – менее 10–9 с, а длительность импульса равна двойному времени пробега электрического импульса по кабелю.
Рис. 6.1. Упрощенные схемы замещения делителей и зависимости модуля |U2/U1| и фазы φ их коэффициентов передачи от частоты: а – омический делитель; б – емкостный делитель с учетом входного импеданса кабеля
или осциллографа Rвх; в – емкостный делитель с учетом Rвх, индуктивности L
и сопротивления присоединения R
При менее жестких требованиях к фронту импульса напряжения можно использовать полевые транзисторы вместо ртутных коммутаторов. Сформированные импульсы подаются с частотой, например, 50–100 Гц на вход измерительной схемы. На выходе схемы осциллографом с широкополосным усилителем (например, с рабочей полосой до 109 Гц) измеряют ее реакцию на входной импульс. При втором способе, который схематически представлен на рис. 6.3, в схеме осуществляют крутой срез напряжения. На выходе схемы осциллографом фиксируют реакцию на срез. Более широкое распространение на практике получил первый способ. Генераторы импульсов могут быть разработаны и на более высокое напряжение – порядка 104 В. В этом случае в качестве коммутирующего устройства можно использовать газовый разрядник, работающий при высоком давлении.
Рис. 6.2. Генератор прямоугольных импульсов напряжения амплитудой
до 250 В и с временем нарастания τф < 1 нс: 1 – потенциометр для регулировки выходного напряжения; 2 – зарядное сопротивление; 3 – заряжаемый кабель;
r и Cк – волновое сопротивление и емкость кабеля, соответственно;
Zн – сопротивление нагрузки; Р – коммутатор; r = Zн
Рис. 6.3. Схема для измерения реакции на прямоугольный импульс
с использованием среза напряжения
Все многообразие форм реакции на прямоугольный импульс можно свести к двум следующим характерным для делителей экстраполяциям:
(6.1)
(6.2)
Для первой характерным искажением является сглаживание фронта, а для второй – выбросы и затухающие колебания (рис. 6.4).
Рис. 6.4. Типичные реакции измерительных схем на прямоугольный импульс:
а – сглаживание фронта; б – возникновение затухающих колебаний
Параметры τ и ω для простейших схем удается рассчитать, но чаще они определяются графически из снятой осциллограммы реакции на прямоугольный импульс. Коэффициент передачи U2/U1определяется параметрами схемы без учета переходных процессов с учетом времени установления сигнала. Знание формы реакции на прямоугольный импульс и параметров τ и ω позволяет определить характеристики импульсов напряжения, измеряемых без искажений или с заданной погрешностью. И, наоборот, зная форму импульса измеряемого напряжения, можно при заданной погрешности определить допустимые τ и ω, а также выбрать параметры делителя напряжения, воспользовавшись упрощенными схемами замещения и приближенными выражениями для τ и ω.
Если, например, известно τ для зависимости, представленной на рис. 6.4, а, то из измеренных максимального напряжения Uиз и времени достижения максимума tиз для измеряемого импульса можно определить погрешности измерения его амплитуды U0 и фронта τф и ввести соответствующие поправки, в результаты измерений.
Выбор типа делителя и его параметров, в первую очередь плеча высокого напряжения, должен производиться с учетом возможного его влияния на источник напряжения и на искажение самого измеряемого напряжения. Например, для обычных генераторов импульсного напряжения (ГИН) пригодны емкостные, омические и смешанные делители, если емкость плеча высокого напряжения много меньше емкости нагрузки, а сопротивление много больше разрядного сопротивления ГИН и сопротивления нагрузки. При использовании в качестве плеча высокого напряжения емкости или сопротивления нагрузки или разрядного резистора ГИН остается лишь учесть возможные искажения импульса вдоль этого плеча, а также в схеме низковольтного плеча.
Рассмотрим основные особенности различных делителей напряжения, применяемых в импульсной технике высоких напряжений.
Прибор для измерения напряжения. Как измерить напряжение мультиметром
03 Ноя 2016г | Раздел: Электрика
Здравствуйте, уважаемые читатели сайта sesaga.ru. Основной единицей измерения электрического напряжения является вольт. В зависимости от величины напряжение может измеряться в вольтах (В), киловольтах (1 кВ = 1000 В), милливольтах (1 мВ = 0,001 В), микровольтах (1 мкВ = 0,001мВ = 0,000001 В). На практике, чаще всего, приходится сталкиваться с вольтами и милливольтами.
Существует два основных вида напряжений – постоянное и переменное. Источником постоянного напряжения служат батареи, аккумуляторы. Источником переменного напряжения может служить, например, напряжение в электрической сети квартиры или дома.
Для измерения напряжения используют вольтметр. Вольтметры бывают стрелочные (аналоговые) и цифровые.
На сегодняшний день стрелочные вольтметры уступают пальму первенства цифровым, так как вторые более удобны в эксплуатации. Если при измерении стрелочным вольтметром показания напряжения приходится вычислять по шкале, то у цифрового результат измерения сразу высвечивается на индикаторе. Да и по габаритам стрелочный прибор проигрывает цифровому.
Но это не значит, что стрелочные приборы совсем не применяются. Есть некоторые процессы, которые цифровым прибором увидеть нельзя, поэтому стрелочные больше применяются на промышленных предприятиях, лабораториях, ремонтных мастерских и т.п.
На электрических принципиальных схемах вольтметр обозначается кружком с заглавной латинской буквой «V» внутри. Рядом с условным обозначением вольтметра указывается его буквенное обозначение «PU» и порядковый номер в схеме. Например. Если вольтметров в схеме будет два, то около первого пишут «PU 1», а около второго «PU 2».
При измерении постоянного напряжения на схеме указывается полярность подключения вольтметра, если же измеряется переменное напряжение, то полярность подключения не указывается.
Напряжение измеряют между двумя точками схемы: в электронных схемах между плюсовым и минусовым полюсами, в электрических схемах между фазой и нулем. Вольтметр подключают параллельно источнику напряжения или параллельно участку цепи — резистору, лампе или другой нагрузке, на которой необходимо измерить напряжение:
Рассмотрим подключение вольтметра: на верхней схеме напряжение измеряется на лампе HL1 и одновременно на источнике питания GB1. На нижней схеме напряжение измеряется на лампе HL1 и резисторе R1.
Перед тем, как измерить напряжение, определяют его вид и приблизительную величину. Дело в том, что у вольтметров измерительная часть рассчитана только для одного вида напряжения, и от этого результаты измерений получаются разными. Вольтметр для измерения постоянного напряжения не видит переменное, а вольтметр для переменного напряжения наоборот, постоянное напряжение измерить сможет, но его показания будут не точными.
Знать приблизительную величину измеряемого напряжения также необходимо, так как вольтметры работают в строго определенном диапазоне напряжений, и если ошибиться с выбором диапазона или величиной, прибор можно повредить. Например. Диапазон измерения вольтметра составляет 0…100 Вольт, значит, напряжение можно измерять только в этих пределах, так как при измерении напряжения выше 100 Вольт прибор выйдет из строя.
Помимо приборов, измеряющих только один параметр (напряжение, ток, сопротивление, емкость, частота), существуют многофункциональные, в которых заложено измерение всех этих параметров в одном приборе. Такой прибор называется тестер (в основном это стрелочные измерительные приборы) или цифровой мультиметр.
На тестере останавливаться не будем, это тема другой статьи, а сразу перейдем к цифровому мультиметру. В основной своей массе мультиметры могут измерять два вида напряжения в пределах 0…1000 Вольт. Для удобства измерения оба напряжения разделены на два сектора, а в секторах на поддиапазоны: у постоянного напряжения поддиапазонов пять, у переменного — два.
У каждого поддиапазона есть свой максимальный предел измерения, который обозначен цифровым значением: 200m, 2V, 20V, 200V, 600V. Например. На пределе «200V» измеряется напряжение, находящееся в диапазоне 0…200 Вольт.
Теперь сам процесс измерения.
1. Измерение постоянного напряжения.
Вначале определяемся с видом измеряемого напряжения (постоянное или переменное) и переводим переключатель в нужный сектор. Для примера возьмем пальчиковую батарейку, постоянное напряжение которой составляет 1,5 Вольта. Выбираем сектор постоянного напряжения, а в нем предел измерения «2V», диапазон измерения которого составляет 0…2 Вольта.
Измерительные щупы должны быть вставлены в гнезда, как показано на нижнем рисунке:
красный щуп принято называть плюсовым, и вставляется он в гнездо, напротив которого изображены значки измеряемых параметров: «VΩmA»;
черный щуп называют минусовым или общим и вставляется он в гнездо, напротив которого стоит значок «СОМ». Относительно этого щупа производятся все измерения.
Плюсовым щупом касаемся положительного полюса батарейки, а минусовым — отрицательного. Результат измерения 1,59 Вольта сразу виден на индикаторе мультиметра. Как видите, все очень просто.
Теперь еще нюанс. Если на батарейке щупы поменять местами, то перед единицей появится знак минуса, сигнализирующий, что перепутана полярность подключения мультиметра. Знак минуса бывает очень удобен в процессе наладке электронных схем, когда на плате нужно определить плюсовую или минусовую шины.
Ну а теперь рассмотрим вариант, когда величина напряжения неизвестна. В качестве источника напряжения оставим пальчиковую батарейку.
Допустим, мы не знаем напряжение батарейки, и чтобы не сжечь прибор измерение начинаем с самого максимального предела «600V», что соответствует диапазону измерения 0…600 Вольт. Щупами мультиметра касаемся полюсов батарейки и на индикаторе видим результат измерения, равный «001». Эти цифры говорят о том, что напряжения нет или его величина слишком мала, или выбран слишком большой диапазон измерения.
Опускаемся ниже. Переключатель переводим в положение «200V», что соответствует диапазону 0…200 Вольт, и щупами касаемся полюсов батарейки. На индикаторе появились показания равные «01,5». В принципе этих показаний уже достаточно, чтобы сказать, что напряжение пальчиковой батарейки составляет 1,5 Вольта.
Однако нолик, стоящий впереди, предлагает снизиться еще на предел ниже и точнее измерить напряжение. Снижаемся на предел «20V», что соответствует диапазону 0…20 Вольт, и снова производим измерение. На индикаторе высветились показания «1,58». Теперь можно с точностью сказать, что напряжение пальчиковой батарейки составляет 1,58 Вольта.
Вот таким образом, не зная величину напряжения, находят ее, постепенно снижаясь от высокого предела измерения к низкому.
Также бывают ситуации, когда при измерении в левом углу индикатора высвечивается единица «1». Единица сигнализирует о том, что измеряемое напряжение или ток выше выбранного предела измерения. Например. Если на пределе «2V» измерить напряжение равное 3 Вольта, то на индикаторе появится единица, так как диапазон измерения этого предела всего 0…2 Вольта.
Остался еще один предел «200m» с диапазоном измерения 0…200 mV. Этот предел предназначен для измерения совсем маленьких напряжений (милливольт), с которыми иногда приходится сталкиваться при наладке какой-нибудь радиолюбительской конструкции.
2. Измерение переменного напряжения.
Процесс измерения переменного напряжения ни чем не отличается от измерения постоянного. Отличие состоит лишь в том, что для переменного напряжения соблюдать полярность щупов не требуется.
Сектор переменного напряжения разбит на два поддиапазона 200V и 600V.
На пределе «200V» можно измерять, например, выходное напряжение вторичных обмоток понижающих трансформаторов, либо любое другое находящееся в диапазоне 0…200 Вольт. На пределе «600V» можно измерять напряжения 220 В, 380 В, 440 В или любое другое находящееся в диапазоне 0…600 Вольт.
В качестве примера измерим напряжение домашней сети 220 Вольт.
Переводим переключатель в положение «600V» и щупы мультиметра вставляем в розетку. На индикаторе сразу появился результат измерения 229 Вольт. Как видите, все очень просто.
И еще один момент.
Перед измерением высоких напряжений ВСЕГДА лишний раз убеждайтесь в исправности изоляции щупов и проводов вольтметра или мультиметра, а также дополнительно проверяйте выбранный предел измерения. И только после всех этих операций производите измерения. Этим Вы убережете себя и прибор от неожиданных сюрпризов.
А если что осталось не понятно, то посмотрите видеоролик, где показано измерение напряжения и силы тока с помощью мультиметра.
Как Вы убедились, измерить напряжение мультиметром не так уж и сложно. Главное понимать что, где и как. И в заключении хочу предложить Вам прочитать статью прибор для измерения силы тока, как измерить силу тока мультиметром.
Удачи!
Понравилась статья — поделитесь с друзьями:
Измерение постоянного и переменного напряжения (режим вольтметра)
Изучение работы мультиметра начнем с режима измерения напряжения (режим вольтметра), так как для его измерения не требуется выполнять какие-либо переключения или отключения в цепи и технически оно реализуется наиболее просто.
Во-первых, необходимо определить какое напряжение вы собираетесь измерить – постоянное или переменное. Для этого внимательно изучите схемы электрические принципиальные данного щита или прибора, маркировочные бирки и кембрики на кабелях и проводах, маркировку клемм приборов и оборудования и обозначения на печатных платах прибора (если вы производите измерения внутри прибора, например, при его ремонте).
Для измерения постоянного напряжения (батарейки, аккумуляторы, выходы блоков питания постоянного тока, цепи питания большинства современных датчиков КИП, термоЭДС термопар) установите поворотный переключатель в положение DCV (или V=). Для измерения переменного напряжения (бытовая электрическая розетка, выходы источников бесперебойного питания 220В, осветительная сеть, цепи питания двигателей насосов, вентиляторов, трансформаторов и исполнительных механизмов) установите поворотный переключатель в положение ACV (или V~).
Во-вторых, после того как вы определили вид напряжения необходимо выбрать предел измерения. Если величина измеряемого напряжения не известна вам даже ориентировочно (например, у батарейки типа «Крона» постоянное напряжение 9В, а в бытовой розетке 220В переменного напряжения), то начинайте измерение с наибольшего предела измерения, уменьшая предел измерения до тех пор, пока измеренная величина не окажется максимально близка к пределу измерения, но при этом все еще будет меньше его. Например, для измерения постоянного напряжения вы установили предел 200В и при измерении напряжения получили значение равное 12,0В. Полученное значение напряжение 12В меньше следующего за 200В предела измерения мультиметра от 0 до 20В, а значит можно выбрать этот предел измерения. Измерив тоже самое напряжение 12,0В на пределе 20В вы получили более точное значение напряжения 11,98В.
И в-третьих, для измерения напряжения на участке электрической цепи подключать мультиметр следует параллельно участку цепи, на котором необходимо измерить напряжение. Никаких разрывов или отключений цепи при этом выполнять не надо.
При работе с мультиметром в режиме измерения напряжения необходимо помнить, что:
— Измеряемое напряжение может быть опасно для жизни, поэтому при производстве измерений соблюдайте правила электробезопасности. Рекомендую освежить свои знания правил и пройти тест по электробезопасности. При измерении высоких напряжений на дисплее мультиметра высвечиваются символы HV (high voltage — высокое напряжение) предупреждающие о риске поражения электрическим током;
— При измерении напряжения мультиметр подключается параллельно участку цепи, на котором необходимо измерить напряжение. При этом для подключения мультиметра не требуется разрывать измеряемую цепь;
— Чем ближе измеренное значение к выбранному пределу измерения, тем точнее результат измерения;
— Идеальный вольтметр имеет максимально большое активное и реактивное входное сопротивление, стремящееся к бесконечности.
При измерении напряжения важно правильно выбрать точку, относительно которой выполняются измерения. В цепях переменного тока измерения чаще всего выполняют относительно нулевого провода N, а в цепях постоянного тока — относительно общего провода, который также часто называют массой, шасси, землей, GND. Причем в цепях постоянного тока может быть несколько независимых и полностью гальванически развязанных между собой общих проводов, например GNDa (аналоговая «земля» аналоговой части схемы прибора) и GNDd (цифровая «земля» цифровой части прибора). В этом случае производить измерения в аналоговой части схемы прибора нужно относительно аналоговой земля GNDa, а в цифровой части схемы — относительно цифровой земли GNDd.
Следует помнить, что мультиметр DT 830B предназначен для измерения постоянного напряжения и переменного синусоидального напряжения с частотой от 45 до 450 Гц. Поэтому, для измерения напряжения (амплитуды) импульсов, напряжения высокой частоты, напряжения имеющего постоянную и переменную составляющую следует использовать осциллограф.
Если установить переключатель вида измерений мультиметра в положение измерения переменного напряжения и попробовать измерить постоянное напряжение, то мультиметр покажет нуль. Это связано с особенностями схемотехники цифрового мультиметра. Если же попытаться измерить переменное напряжение, установив переключатель в измерение постоянного напряжения, то мультиметр может выйти из строя. Коме того, мультиметром крайне не рекомендуется выполнять измерения переменного напряжения свыше 500В — с большой долей вероятности прибор может выйти из строя.
