милливольт. Такие термопары сохряют свою работоспособность до частот 100...200 МГц, время установления показаний составляет единицы секунд.

Погрешность измерений обусловлена несколькими основными причинами. При длительной работе начинает проявляться погрешность за счет постепенного нагревания холодных спаев. Для уменьшения этого эффекта холодные спаи соединяют с массивными хорошо охлаждаемыми медными пластинами. Термопары подвержены старению из-за изменения электрических свойств горячего спая, особенно резкие изменения вызывают перегрузки. Превышение максимального тока в 2-3 раза может вывести термопреобразователь из строя.

На работу термопреобразователя на высоких частотах влияют поверхностный эффект в подогревателе и электрическая связь между подогревателем и термоэлектродами, определяемая емкостью и взаимной индуктивностью. Для уменьшения индуктивной связи подогреватель и термоэлектроды вблизи спая выполняют прямолинейными и располагают крестообразно. Для повышения долговременной стабильности характеристик термопары помещают в вакуумный баллон.

На основе термопреобразователей строят аналоговые амперметры и вольтметры с основной погрешностью порядка нескольких процентов. Точность измерений повышают разными способами, среди которых наиболее употребителен метод нелинейной отрицательной обратной связи, позволяющий получать линейную шкалу.

Преобразователь с нелинейной обратной связью. В таком преобразователе используют две одинаковые термопары (рис. 11.13). К подогревателю измерительной термопары подводят входное напряжение Ux, а к подогревателю термопары обратной связи - напряжение t/вых с выхода УПТ. В установившемся режиме

ККт{ Ul - Kir t/Lx) = t/Bb,x- . (11.6)

Поскольку коэффициент усиления К УПТ большой, то можно

считать (Увых= /ск Сат.

В рассмотренном методе реализованы два взаимообратных преобразования: возведение в квадрат и извлечение квадратного корня, поэтому его называют методом взаимообратных преобразований.

Среднеквадратическое значение измеряют по выходному напряжению УПТ, градуировочная характеристика такого преобразователя линейная.

В преобразователе обе термопары работают практически в одинаковом температурном режиме, поэтому изменения внешней температуры не вносят погрешности. Преобразователи с термопарами имеют невысокую чувствительность, поэтому входное

напряжение предварительно усиливают широкополосным усилителем.

Верхняя частота рабочего диапазона зависит от свойств термопреобразователей и от полосы пропускания усилителя, стоящего перед преобразователем. Нижняя граничная частота зависит от тепловой инерционности термопары: начиная с определенной частоты усредняющее действие термопары недостаточно, и температура спая начинает меняться во времени с периодом изменения мгновенной мощности. В результате в термоЭДС появляется переменная составляющая с удвоенной частотой сигнала.

Промышленность выпускает вольтметры среднеквадратического значения с преобразователями с нелинейной обратной связью, работающие в диапазоне частот 10 Гц... 100 МГц, погрешность измерений наиболее точных приборов в центральной части диапазона составляет 0,2... 1 %. Милливольтметры с ограниченной до единиц мегагерц полосой частот измеряемых сигналов позволяют измерять напряжения до 10 мкВ.

Пример 11.4. Определим погрешность преобразователя, обусловленную конечным значением коэффициента усиления К=10, Kar=i. Термопары характеризуются следующими параметрами: /?„=10 Ом; £.= 1 мВ при /„=1 мА. Для расчета погрешности прежде всего следует найти Kj = 2Ej/Ult = 2<) В~. Равенство (11.6) представим в виде (6ск -t/вых) (t/cK+6,ux)i(j-/(= t/вых. Предположим, что погрешность невелика и УскЛСвых. Тогда 6ск + Свых = 26вых, откуда погрешность

Преобразователь с вычислением логарифма и антилогарифма.

В преобразователях такого типа реализован метод косвенного вычисления среднеквадратического значения аналоговыми методами. Например, в виде операций:

• Ux{t)- I Uxjt)I21n I u,{t)I = \nul{ty\nul(t)- IncK->

ln[ Ul (0/(/ck] Ul it)/Uc. Ul {t) /i/cK = f/cK.

Модуль измеряемого напряжения получают с помощью двух-полупериодного выпрямителя, вычитающее устройство и ФНЧ построены на операционных усилителях. Логарифмическое преобразование основано на использовании свойств полупроводниковых диодов. Вольт-амперная характеристика полупроводниковых диодов в области положительных напряжений вблизи начала координат имеет вид г = /оехр [(ид/(/г) - 1], где /о - начальный ток Ut - тепловой потенциал, составляющий для кремниевых дио-

Рис. 11.14

дов 25 мВ при температуре 300 К. Отсюда следует, что

так как обычно выполняется условие /о>>1.

Диод включают в цепь обратной связи операционного усилителя (рис. 11.14). Напряжение Ux отрицательной полярности подводят к резистору R. Поведение такой схемы описывают соотношениями Мвх = "вых -"д; "вых= - Kubx. Исключив отсюда входное напряжение при и учтя, что i = Ux{t)/R, получим

ивъ,х = ид,= ит \n[ux{t)/RIo]

Следовательно, подобная схема осуществляет логарифмическое преобразование исследуемого напряжения. Для вычисления 2\п\Ux{t)\ в цепь обратной связи включают последовательно два диода. Обратную операцию - вычисление антилогарифма - выполняют также с помощью диода, включаемого последовательно ко входу операционного усилителя.

Логарифмический участок вольт-амперной характеристики диодов невелик, и в практических схемах применяют транзисторы с заземленной базой, работающие в диодном режиме. В таких схемах осуществляют термокомпенсацию тока транзистора. Логарифмирование сигнала на входе позволяет получать широкий динамический диапазон преобразователя.

Преобразователи, построенные согласно рассмотренной структурной схеме и выпускаемые в виде интегральных схем, широко используют в вольтметрах. Погрешность измерений составляет 0,1...1 % в частотном диапазоне до сотен килогерц. В микропроцессорных вольтметрах погрешность может быть снижена до 0,02...0,05 %.

11.5. ЦИФРОВЫЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Цифровые методы позволяют строить автоматизированные вольтметры высокой точности. Применение в современных цифровых вольтметрах встроенных МС позволит расширить их функцио-