Методы уменьшения погрешностей, вызванных неидеальностью термопреобразователей и сумматоров входных величин.

Выражения (3-27) — (3-29) и (3-31) содержат два сомножителя, одним из которых является коэффициент, характеризующий неидеальность характеристики преобразования мощности, — или , а другим — является изменение температуры нагревателя Очевидным путем уменьшения указанных

погрешностей, является улучшение параметров элементов ИПМ. Этот путь представляется мало перспективным, так как он сопряжен с серьезными технологическими трудностями при производстве термопреобразователей и увеличением их стоимости.

Применение методов, допускающих измерение мощности при произвольных характеристиках термопреобразователей, позволяет значительно увеличить чувствительность ИПМ и расширить область их применения в сторону малых значений измеряемой мощности.

Один из методов уменьшения погрешностей сравнения, предложенный М. И. Левиным, непосредственно вытекает из выражения (3-16) и состоит в уравновешивании э. д. с. каждого из термопрсобразователей ИПМ на переменном и постоянном токе. Практического применения такая методика сравнения не нашла ввиду чрезвычайной сложности процесса уравновешивания на постоянном токе, выполняемого путем последовательного приближения.

Условие с достаточной точностью может быть выполнено и при сравнении мощностей по равенству разностей э. д. с. термопреобразователей, если при переходе с переменного тока на постоянный для каждого значения коэффициента мощности расчетным путем определены необходимые соотношения между и Эти соотношения могут быть получены из системы уравнений, связывающих условия равенства мощностей и равенства температур нагревателя термопреобразователя в цепях переменного и постоянного токов:

Обозначив получим

Искомый коэффициент связи между

определяется решением системы относительно

Действительному корню системы соответствует знак «плюс» под первым радикалом. Если постоянное напряжение связано с переменным условием то разность превышенной температуры каждого из нагревателей будет сведена к минимуму и будет определяться неточностью установки и по

внешним приборам и погрешностью от округления числа при его вычислении. Методика измерений мощности с использованием таблиц значений подробно рассмотренная в работе [12], обеспечивает уменьшение погрешностей от неидеальности термопреобразователя при примерно на два порядка.

Другой метод уменьшения погрешностей сравнения [10, 53] состоит в поддержании неизменной температуры нагревателей на переменном и постоянном токе при произвольных соотношениях между и путем выделения добавочного количества теплоты в обоих нагревателях.

На рис. 3-11 представлена схема измерительного преобразователя мощности с вспомогательной цепью уравновешивания, обеспечивающей выполнение условия указанным путем. Разность э. д. с. обоих термопреобразователей в цепи переменного тока; равная фиксируется с помощью измерительного прибора Одновременно прибором фиксируется э. д. с. одного из термопреобразователей, например .

Рис. 3-11

Рис. 3-12

Уравновешивание ИПМ в цепи постоянного тока производится по обычной методике путем регулировки тока до получения разности равной . Затем в цепь дополнительных нагревателей включается вспомогательный ток регулируемый до получения равной его э. д. с. в цепи переменного тока: . При этом Совместное выполнение условий соответствует тому, что На рис. 3-12

представлена диаграмма уравновешивания преобразователя при наличии цепи вспомогательного тока

По оси абсцисс отложены значения эквивалентного тока нагревателей равного корню квадратному из суммы квадратов токов в основном и дополнительном нагревателях. Цифрами на диаграмме отмечены этапы измерения:

1 — включение в цепь переменного тока;

2 — включение в цепь постоянного тока;

3 — введение вспомогательного тока.

При произвольной форме характеристик термопреобразователей: и при произвольных соотношениях между погрешность у в этом случае отсутствует. Из условия получим:

откуда

Частным случаем такого метода стабилизации температуры является метод, при котором превышение температуры одного из термопреобразователей поддерживается неизменным при любом значении мощности [10, 55]. Метод реализуется с помощью измерительного преобразователя мощности (рис. 3-11). Отличие состоит в том, что при отсутствии входных сигналов по дополнительным нагревателям обоих термопреобразователей протекает начальный вспомогательный ток при котором э. д. с. термопреобразователей близки к номинальным.

Значение фиксируется с помощью прибора При включении ИПМ в цепь переменного, а затем в цепь постоянного тока, ток регулируется до значений соответственно, при которых равны его э.д. с. при отсутствии входных сигналов. Равенство разностей э. д. с. обоих термопреобразователей по-прежнему устанавливается с помощью прибора и свидетельствует о равенстве мощностей переменного и постоянного токов. Подробнее методика измерений по такому методу рассмотрена в работе [10]. Поскольку в этом случае постоянная, отпадает необходимость в запоминании что позволяет поддерживать ее значение автоматически.

Рис. 3-13

Схема ИПМ с автоматической стабилизацией тепловых режимов показана на рис. 3-13. Цепь автоматической стабилизации превышения температуры содержит источник постоянного напряжения равного номинальному значению сравнивающее устройство и усилитель рассогласования выход которого соединен с дополнительными нагревателями Установившийся режим в системе стабилизации температуры независимо от наличия или отсутствия входных сигналов возможен при условии

т. е. э. д. с. и, следовательно, температура поддерживаются неизменными на переменном и постоянном токах с погрешностью статизма .

Экспериментальное исследование погрешностей ИПМ с пассивным мостовым сумматором токов показывает, что стабилизация тепловых режимов термопреобразователя позволяет существенно уменьшить все составляющие погрешности сравнения, связанные с неидеальностью элементов ИПМ, кроме погрешности вызванной асимметрией мостовой цепи.

Трудность достижения и поддержания симметрии мостовой цепи состоит в том, что два ее плеча образованы элементами, в которых происходит выделение теплоты. Нагреватели термопреобразователя в них совмещают две функции — суммирование токов и и возведение полученных суммы и разности в квадрат, причем выделение теплоты связано с последней операцией. Устранение асимметрии мостовой цепи может быть достигнуто, если распределить операции суммирования и возведения в квадрат между отдельными элементами ИПМ, например если суммирование и производится в мостовой цепи, выполненной из четырех постоянных резисторов, а возведение суммы и разности токов в квадрат осуществляется с помощью термопреобразователей, подключенных к мостовой цепи через согласующие электронные усилители. Применение электронных усилителей во входных цепях ИПМ позволяет, как будет показано далее, устранить еще один существенный недостаток ИПМ с пассивными сумматорами — необходимость изоляции цепей тока и напряжения друг от друга, что при практическом использовании ИПМ требует включения в цепь тока и напряжения трансформаторов, вносящих дополнительные частотные и угловые погрешности.