Измерительные преобразователи мощности с фукциональным преобразованием входных величин.

К этой группе относятся множительные устройства, реализующие функцию произведения путем моделирования одной из математических зависимостей:

где .

Для создания ИПМ высокой точности практически используются лишь зависимости (1-67), (1-68) и реже (1-69), структурные схемы реализации которых представлены на рис. 1-10, а, б и в. Объясняется это относительной простотой выполнения необходимых функциональных преобразований ФП в аналоговой форме с помощью элементов, обладающих квадратичной или логарифмической характеристикой.

Зависимость (1-70) реализуется в вычислительных множительных устройствах с цифровыми интеграторами [20], где обеспечивается высокая точность, однако построение ИПМ с цифровыми интеграторами неоправданно сложно.

Для всех ИПМ (рис. 1-10) характерно, что входные сигналы подвергаются функциональному преобразованию, необходимому для реализации положенной в их основу математической зависимости. Погрешность таких ИПМ определяется в основном степенью отклонения характеристик реальных ФП от идеальных. Известны десятки типов элементов и устройств, воспроизводящих квадратичную характеристику (квадраторов). Теоретически идеальное воспроизведение параболы могут дать элементы, основанные на использовании одного из видов энергии электромагнитного поля:

где — количество теплоты, выделяемой при протекании тока через резистор сопротивлением — энергия электростатического поля конденсатора С при напряжении на его обкладках; — энергия магнитного поля катушки индуктивности с током

Величины непосредственно наблюдателем не воспринимаются и не могут быть использованы для дальнейшей обработки информации без дополнительных преобразований в температуру или перемещение подвижных частей электромеханических механизмов:

где Т — температура; — вращающий момент измерительного механизма; а — угол поворота его подвижной части.

Преобразования и связанные с потерями энергии, в общем случае нелинейны, в связи с чем реальные характеристики электротепловых, электростатических и электродинамических квадраторов могут существенно отличаться от идеальных.

Рис. 1-10

Тем не менее именно эти три вида «энергетических» квадраторов позволяют создать средства измерений мощности высшей точности. Принципиальное отличие их от квадраторов других видов состоит в том, что преобразование входного тока или напряжения в или производится в них без искажений, благодаря чему, как будет показано далее, возникает возможность коррекции погрешностей ИПМ, вызванных неидеальностью характеристик квадраторов, возникшей при последующих преобразованиях.

Наличие ряда недостатков «энергетических» квадраторов, таких, как низкое быстродействие, значительное потребление энергии (электротепловые), наличие подвижных элементов, влияние внешних механических воздействий, трудность преобразования в электрический сигнал (электромеханические) и трудность изготовления, привело к тому, что в ряде промышленных ИПМ используются квадраторы других типов.

Наиболее простыми являются квадраторы, использующие отрезки нелинейных вольт-амперных характеристик некоторых элементов: полупроводниковых и вакуумных диодов [14], нелинейных активных четырехполюсников [23], полупроводниковых резисторов [72] или транзисторов [42]. Указанные виды квадраторов обладают значительной погрешностью преобразования, вызванной разбросом параметров элементов, низкой временной и температурной стабильностью и ограниченностью диапазона входных сигналов. Эти недостатки в значительной степени устраняются при использовании схемных и конструктивных решений, стабилизирующих внешние условия, однако при этом утрачивается главное достоинство — простота исполнения. Подобными же свойствами обладают и квадраторы, выполненные путем кусочно-линейной аппроксимации параболы с помощью диодно-резистивных ячеек [20]. В технике измерений средне-квадратических значений переменных токов и напряжений широко используются параметрические квадрирующие устройства [73], выполненные на электронных лампах с двойным управлением анодным током: по сетке (одной или нескольким) и по аноду; на транзисторах с двойным управлением коллекторным током; на полевых транзисторах с управлением по затвору и истоку. К этой же группе относятся квадраторы, использующие эффекты Холла и Гаусса. Параметрические квадраторы по существу являются управляемыми четырехполюсниками, в связи с чем при измерениях мощности применение их в качестве квадраторов нецелесообразно, так как каждый из них воспроизводит функцию произведения непосредственно в соответствии с выражением (1-65). Достоинством квадраторов с нелинейной и линейной апроксимацией параболы является то, что они позволяют создать ИПМ мгновенной мощности в широком диапазоне частот до десятков мегагерц, однако погрешность этих ИПМ, как правило, превышает 1%.

Логарифмические функциональные преобразователи используются для построения ИПМ значительно реже, чем квадраторы. Для их реализации используются нелинейные участки характеристик диодов и транзисторов, обладающие экспоненциальной зависимостью тока от напряжения на -переходе. Значительная температурная нестабильность тока насыщения -перехода не позволяет создать множительное устройство с погрешностью менее 0,5%.