В принципиальной схеме пик-вольтметра, приведенной на рис. 94 [Л. 234, 235], измерительная емкость См через выпрямитель В заряжается до амплитуды напряжения на низковольтной части емкостного делителя напряжения.
Напряжение U2m, приложенное к измерительному конденсатору См, измеряется вольтметром электростатической системы.
Рис. 94. Принципиальная схема измерения амплитуды переменного напряжения пик-вольтметром.
Чтобы напряжение на зажимах вольтметра могло следовать за изменениями амплитуды измеряемого напряжения, параллельно конденсатору См включено разрядное сопротивление Rm слишком значение Rm слишком велико или это сопротивление вовсе отсутствует, то при снижении измеряемого высокого напряжения возникает значительная погрешность измерения, так как тогда избыточный заряд на конденсаторе См отводится только через сопротивление изоляции вольтметра и обратное сопротивление выпрямителя. Цепь разряда конденсатора выполняют так, чтобы она имела постоянную времени Tm = CmRm порядка 1 с. Чтобы получить такую постоянную времени, значение Rm должно быть сравнительно мало. Поэтому измерительный конденсатор См немного разряжается в промежутке между двумя следующими друг за другом максимумами одинаковой полярности. Вследствие этого стрелочный прибор показывает среднее значение между действительным амплитудным значением и наименьшим значением напряжения, возникающим на зажимах конденсатора См в процессе разряда. Эти погрешности называют «разрядными». Они зависят от частоты, так как время разряда с уменьшением частоты увеличивается, вследствие чего среднее значение напряжения на зажимах прибора падает. В течение промежутка времени, когда измерительная емкость повторно подзаряжается до амплитудного значения, конденсатор См включен параллельно низковольтной емкости С2 и увеличивает тем самым передаточное отношение емкостного делителя напряжения. Эти погрешности называют «зарядными»; они также зависят от частоты [Л. 236—238].
При неодинаковом амплитудном значении напряжения на низковольтном конденсаторе делителя С2 в положительный и отрицательный полупериоды возникает составляющая постоянного напряжения, снимаемая сопротивлением Re. Это сопротивление также несколько искажает передаточное отношение. Наконец, собственная емкость выпрямителя через сравнительно большую емкость измерительного конденсатора См включается параллельно конденсатору С2 делителя напряжения и тем самым несколько изменяет передаточное отношение делителя. В конечном итоге можно сказать, что схема рис. 94 тогда работает с достаточно удовлетворительной точностью, когда сопротивление Rm выбрано высокоомным. Инерционность показаний при снижении высокого напряжения, обусловленная большим значением сопротивления Rm, приводит па практике к затруднениям при проведении испытаний или исследований. На основе описанной выше схемы были разработаны улучшенные схемы, не. имеющие этого недостатка [Л. 236].
Двухполупериодная схема по Рабусу содержит две идентичных ветви с выпрямителями (рис. 95). При симметричном высоком напряжении с емкостного делителя напряжения одинаково отбираются заряды как в положительный, так и в отрицательный полупериоды.
Рис. 95. Двухполупериодная схема пик-вольтметра по Рабусу.
1 — уравнительная ветвь; 2—измерительная ветвь.
Рис. 96. Усовершенствованная двухполупериодная схема по Рабусу [Л. 236, 239].
Постоянные токи, протекающие в уравнительной и измерительной ветвях, взаимно уничтожаются, так что необходимое в принципиальной схеме по рис. 94 сопротивление Re здесь отпадает и обусловленные им погрешности или полностью исчезают, или существенно уменьшаются. Однако «разрядные» погрешности остаются. Значительно лучше другая двухполупериодная схема, разработанная Рабусом [Л. 238]. Эта схема также содержит две идентичных ветви, при этом, однако, измерительная цепь Rm, См дополнена вспомогательной цепью Rs, Cs (рис. 96). Разряд измерительных конденсаторов CM1 и См2 между двумя полупериодами одинаковой полярности здесь может быть очень малым, так как их напряжение поддерживается конденсаторами Cs1 и Cs2. Разность потенциалов между обоими зажимами на Rm1 и на Rm2 мала по сравнению с напряжениями на CM1 и СМ2. При снижении высокого напряжения вспомогательные цепи Rs и Cs, если надлежащим образом выбрать их постоянные времени, немедленно следуют за этим снижением, тогда как собственно измерительная цепь только тогда быстро разряжается, когда сильно снижается напряжение на вспомогательных конденсаторах. С двухполупериодной схемой можно в диапазоне частот 16,7—100 Гц получить точность измерений около ±1,5%. Подробные сведения о выборе постоянных времени у приборов для измерения амплитудных напряжений, выполненных по двухполупериодной вспомогательной схеме, можно найти в [Л. 239].
Схема, используемая в пик-вольтметрах фирмы Хэфели (рис. 97), представляет собой видоизмененную двухполупериодную схему. Здесь измерительные конденсаторы и выпрямители поменялись местами. Эта схема имеет такие же «разрядные» и «зарядные» погрешности, как описанная двухполупериодная схема Рабуса [Л. 240].
Рис. 97. Схема пик-вольтметра фирмы Хэфели.
1 — уравнительная; 2 — измерительная ветви.
Рис. 98. Ламповый пик-вольтметр, практически не потребляющий мощности от делителя напряжения.
Измерение среднего значения напряжения на измерительном конденсаторе См производится микроамперметром, при этом одно из разрядных сопротивлений используется в качестве добавочного сопротивления.
В принципиальной схеме рис. 98 пик-вольтметра фирмы Мессвандлер Бау заряд конденсатора См происходит через электронную лампу без потребления мощности. Падение напряжения на конденсаторе С2 емкостного делителя напряжения подается на сетку триода. Когда на делителе нет высокого напряжения, т. е. измеряемое напряжение равно пулю, измерительный конденсатор См заряжается до определенного значения напряжения. Это зарядное напряжение действует как отрицательное сеточное смещение, так как катод приобретает положительный потенциал. Напряжение на См возрастает до тех пор, пока анодный ток не становится равным нулю. Таким образом, напряжение, приложенное между сеткой и катодом, запирает лампу.
Этот процесс по сравнению с изменением измеряемого напряжения частотой 50 Гц происходит в пренебрежимо малый промежуток времени. Если на низковольтной части емкостного делителя возникает сигнал переменного напряжения, то во время первого положительного полупериода потенциал сетки увеличивается до амплитуды этого напряжения и конденсатор См катодной цепи опять может заряжаться до тех пор, пока вновь установившееся на нем напряжение повторно не запирает лампу. Повышение напряжения на конденсаторе См соответствует положительному амплитудному значению переменного напряжения, приложенного к сетке. Из принципа измерений вытекает, что этой схемой можно измерять только амплитуды напряжения положительной полярности. Измеряемое напряжение на См подается на лампу Л2, работающую как усилитель постоянного напряжения, и после соответствующего усиления измеряется прибором магнитоэлектрической системы. Чтобы схема могла следовать за небольшими изменениями значений амплитудного напряжения, нужно подключить параллельно измерительному конденсатору разрядное сопротивление Rm. Постоянная времени RmCm, как и в описанных выше схемах, должна быть выбрана такой, чтобы, с одной стороны, снижение напряжения между двумя полупериодами одинаковой полярности было по возможности малым, а с другой стороны, разряд конденсатора См при снижении напряжения происходил достаточно быстро. Наиболее употребительные значения постоянной времени здесь порядка 1 с. Наличие в схеме сопротивления Rm вызывает «разрядные» погрешности такие же, как у однополупериодной схемы, но здесь нет «зарядных» погрешностей, так как измерительный конденсатор подключен к делителю напряжения через электронную лампу и подзаряжается не от емкости С2, а от анодной цепи усилителя.
Практически конструкции пик-вольтметров, работающие по описанным схемам, имеют еще и дополнительные элементы: ВЧ-гнезда для подключения электроннолучевого осциллографа, чтобы можно было наблюдать форму кривой измеряемого напряжения, градуировочные приспособления и др.
Амплитудные значения положительного и отрицательного полупериодов не всегда бывают одинаковы. Поэтому приборы промышленного изготовления, работающие по двухполупериодной схеме, часто снабжают переключающим устройством, при помощи которого вольтметр электростатической системы можно подключать к измерительной или уравнительной ветви. При неодинаковых амплитудных значениях у положительного и отрицательного полупериодов на низковольтном конденсаторе делителя возникает составляющая постоянного напряжения, которая ликвидируется подключением параллельно конденсатору С2 высокоомного сопротивления Re (аналогично рис. 94). При очень больших несимметриях измеряемых напряжений нужно применять омические или емкостноомические делители напряжения.
Рис. 99. Схема пик-вольтметра с коррекцией частотной погрешности по Бинге и Бергену.
Следует еще упомянуть о пик-вольтметре, описанном в [Л. 242], где для исключения «зарядных» погрешностей использован ламповый усилитель. Описание новой схемы с очень хорошей компенсацией частотнозависимых погрешностей можно найти в [Л. 241].
Компенсация частотнозависимых погрешностей может быть достигнута сравнительно простыми средствами в схеме рис. 99, разработанной Бергеном и Бинге [Л. 243]. Для этого в обычной двухполупериодной схеме параллельно низковольтному конденсатору емкостного делителя напряжения подключен дроссель L. Как уже упоминалось, погрешности обычной схемы пик-вольтметра увеличиваются с уменьшением частоты. Поэтому при низких частотах целесообразно повысить передаточное отношение емкостного делителя напряжения подключением дросселя L параллельно С2. Дроссель L и низковольтный конденсатор С2 образуют параллельный колебательный контур, полное сопротивление которого зависит от частоты, причем резонансная частота контура значительно ниже наименьшей частоты, подлежащей измерению. Соответствующий выбор параметров L и С2 обеспечивает желаемую компенсацию.
Дроссель одновременно служит в качестве сопротивления утечки, шунтирующего низковольтную часть, которое, как упоминалось выше, необходимо для получения правильных показаний при неодинаковых положительных и отрицательных амплитудных значениях. У практически выполненных приборов погрешность показаний, отнесенная к полному отклонению, оказалась равной —0,8% при 16,7 Гц и 4-0,35% при 300 Гц. Имеются еще достаточные резервы для уменьшения изменений передаточного отношения, если применить масляные конденсаторы.
В заключение сделаем несколько замечаний по поводу конструкций емкостных делителей напряжения, используемых для пик-вольтметров. Основные требования к ним аналогичны сформулированным. Применение дорогих конденсаторов под давлением инертного газа безусловно целесообразно тогда, когда они используются также для измерений tg δ мостом Шеринга. Во всех других случаях применяют более дешевые масляные конденсаторы с емкостью 500—50 пФ в зависимости от величины высокого напряжения, подлежащего измерению, и его частоты. Неэкранированные конденсаторы малой емкости (200 пФ и менее) и большого габарита (более 2 м) должны калиброваться на месте их применения, так как их фактическая емкость заметно зависит от величины паразитных емкостей на землю и окружающие предметы. Рекомендации по высоковольтным конденсаторам, применяемым в пик-вольтметрах, можно найти в VDE 0433 [Л. 233]. '
Низковольтные конденсаторы чаще всего монтируют в корпусе показывающего устройства. Соединение низковольтного конденсатора с высоковольтным производится коаксиальным кабелем с известной емкостью. Поэтому недопустимо произвольно изменять длину соединительного кабеля, если не буДет осуществлена повторная градуировка измерительного устройства. Вся низковольтная часть защищается от перенапряжений (которые могут возникнуть, например, при первоначальном включении под напряжение) параллельным подключением разрядника с инертным газом.
