3-2. ПРИБОРЫ СРАВНЕНИЯ С ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИМИ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫМИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ МОЩНОСТИ

Приборы сравнения с электродинамическими и электростатическими ИПМ являются одними из наиболее точных средств измерений активной мощности. Ваттметры электродинамической системы в области низких частот 50—500 Гц обеспечивают минимальную погрешность перехода . Несколько уступают им по значению погрешности электростатические ваттметры сравнения, что в основном обусловлено несовершенством шунтов в токовой цепи и контактной разностью потенциалов (§ 2-2), однако эти приборы значительно более широкополосны.

В ваттметрах одновременного сравнения с двумя механизмами обычно используются два однотипных и идентичных механизма, подвижные части которых закреплены на одной оси (рис. 3-4 и 3-5).

На электрические цепи одного из механизмов или воздействует измеряемая мощность , а на цепи другого или — мощность постоянного тока . В обоих ваттметрах метод сравнения реализуется путем сравнения встречно направленных моментов, создаваемых мощностями Равенство моментов регистрируется с помощью электронно-оптической системы, включающей в себя лампочку-осветитель Л, зеркало З на общей оси двух механизмов и фотоэлектрический преобразователь ФЭП, выполненный обычно в виде фоторезистивного моста. Процесс сравнения в ваттметрах с двумя

механизмами может быть автоматизирован, если, как это показано на рис. 3-4 и 3-5, токовые цепи механизмов или включены в цепь обратной связи, образованной ФЭП и усилителем обратной связи . При фиксированном значении постоянного напряжения выходной сигнал с пропорционален измеряемой мощности.

Рис. 3-4

Рис. 3-5

Для идеальных ваттметров такого вида условие которое обеспечивается регулированием при фиксированном соответствует условиям или . Погрешности каждого из механизмов в отдельности рассмотрены в § 2-1 и 2-2. Доминирующие составляющие погрешности, вызванные нестабильностью и нелинейностью функции преобразования ИПМ, в этом случае устраняются, однако возникают дополнительные составляющие погрешности перехода, обусловленные неидентичностью механизмов и противодействующим моментом растяжек . Если , то при

С учетом условие можно представить в виде , откуда

где — погрешность, вызванная противодействующим моментом растяжек.

Неидентичность электромеханических ИПМ, работающих при нулевых отклонениях, корректируется механическим и электрическим путем [58] и не превосходит обычно 0,01%.

Все большее применение в последние годы находят ваттметры одновременного сравнения с одним механизмом, в которых исключается погрешность от неидентичности механизмов и значительно упрощается механическая часть прибора. При этом усложняется электрическая схема прибора, так как его входные цепи должны обеспечивать суммирование сигналов переменного и постоянного тока без взаимного влияния источников сигналов. Трудность решения этой задачи ограничивала применение таких ваттметров до тех пор, пока не разработали операционные суммирующие усилители постоянного тока, частотная погрешность которых не превосходит 0,01-0,05% в полосе частот .

Рис. 3-6

В работе [91] рассмотрен электродинамический ваттметр одновременного сравнения (рис. 3-6), погрешность перехода которого не превосходит в диапазоне частот 50—500 Гц. Неподвижная и подвижная катушки ваттметра включены в цепи последовательной обратной связи по току идентичных операционных усилителей На суммирующие входы усилителя одновременно подается переменное напряжение и фиксированное постоянное напряжение , а на входы — переменное напряжение и выходное напряжение усилителя с цепи обратной связи ваттметра.

При достаточно больших значениях коэффициента усиления усилителей мгновенные значения тока в катушках и соответственно равны:

Как следует из выражения (1-56), если знаки противоположны, то среднее значение вращающего момента

В установившемся режиме, при

Напряжение пропорциональное измеряемой мощности, измеряется цифровым вольтметром высокой точности или потенциометром постоянного тока.

Обеспечение устойчивости системы при малом противодействующем моменте растяжек и уменьшении влияния вибраций при сохранении высокой чувствительности в данном случае обеспечивается применением специального фотоэлектрического преобразователя ФЭП, схема которого содержит две цепи с фотодиодами . Выходное напряжение первой цепи является линейной функцией а при любых значениях а. Напряжение на выходе второй цепи пропорционально а в области , где — пороговое значение а, примерно соответствующее от предела измерения, и при .

Сумма напряжений является выходным сигналом При такой структуре ФЭП глубина обратной связи в узкой области определяется сравнительно небольшим коэффициентом передачи цепи который обеспечивает устойчивость при а Однако такого коэффициента передачи недостаточно для обеспечения быстродействия ваттметра при больших а, вызванных резким изменением входного сигнала или внешними механическими воздействиями. При глубина обратной связи определяется в основном коэффициентом передачи цепи так как Увеличение глубины обратной связи пропорционально увеличивает быстродействие прибора, благодаря чему указатель быстро возвращается в зону Режима автоколебаний, который мог бы возникнуть в системе при коэффициенте передачи не наблюдается, так как при подходе указателя к нулевому положению коэффициент принимает первоначальное значение, при котором система устойчива.

Поскольку рассмотренный ваттметр используется в качестве образцового, в работе [91] проведен детальный анализ составляющих его погрешности перехода. Использование во входных цепях ваттметра операционных усилителей, являющихся источниками тока для катушек позволило снизить погрешность от их индуктивности до при частоте . При частоте 100 Гц . Погрешности, вызванные паразитными емкостями между обмотками, на частоте 50 Гц

не выявлены, а не частоте 500 Гц не превышают 0,001%. Угловая погрешность, вызванная вихревыми токами, при частоте 500 Гц составляет . При работе на постоянном токе наиболее существенной является погрешность, вызванная гистерезисными явлениями в экране, которая может достигать 0,01%. В приборе предусмотрено периодическое размагничивание экрана, которое производится путем пропускания импульса переменного тока по обмотке, наложенной на экран. После размагничивания погрешность от гистерезиса не превосходит 0,001%.

Приведенные данные показывают, что в области низких частот подобные электродинамические ваттметры сравнения могут быть использованы как наиболее точные средства передачи значения единицы мощности от эталонов постоянного напряжения и тока к ваттметрам переменного тока.

Рис. 3-7

Электростатический преобразователь с компенсацией а одновременного сравнения с одним механизмом использован в выпускаемом серийно микроваттметре типа Входные цепи прибора (рис. 3-7) содержат делитель напряжения и шунт Напряжение на выходе делителя равное сумме части напряжения на нагрузке и напряжения на шунте поступает на усилитель с коэффициентом усиления К. Напряжение на выходе усилителя при этом напряжение на выходе усилителя (с коэффициентом усиления Переменные напряжения, приложенные между подвижным электродом А и неподвижными В и С, соответственно равные создают вращающий момент, пропорциональный измеряемой мощности

где — постоянный коэффициент,

Компенсирующий момент создается постоянными напряжениями: , приложенным к подвижному электроду, и приложенным к электроду С. Напряжение вырабатывается в цепи обратной связи, содержащей ФЭП, за счет протекания тока, вызванного разбалансом мостовой цепи ФЭП при а , через резистор Пренебрегая погрешностью статизма, в установившемся режиме получим или согласно выражению (3-21)

При условии, что к пропорционально измеряемой мощности. В ваттметре типа отсчет показаний производится по шкале микроамперметра, включенного в цепь тока . В качестве выходного прибора может быть использован и цифровой вольтметр, подключенный параллельно

Компенсация а в приборе типа позволила существенно уменьшить погрешность прибора при малых где доминирующая составляющая угловой погрешности ределяется асимметрией измерительного механизма и составляет 1—2% при отсутствии компенсации и

Основная погрешность ваттметра типа в диапазоне частот Гц при составляет 1,5%. Пределы измерения мощности Вт.