3-5. ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ СРАВНЕНИЙ С АКТИВНЫМИ СУММАТОРАМИ ВХОДНЫХ ВЕЛИЧИН

Измерительные преобразователи мощности, реализующие сумма-разностный метод. Основные структуры ИПМ с активными сумматорами представлены на рис. 3-14, а - е, где ,

— источники входных сигналов переменного или постоянного тока; согласующие усилители; — инвертирующий усилитель; — выходной усилитель; Ф — фильтр; ИП — источник питания

Рассмотрим кратко принципиальные особенности каждой из схем, реализующих сумма-разностный метод, полагая, что обладают идеальной частотой и фазовой характеристикой, но конечным значением

Принцип действия ИПМ с мостовым сумматором токов ясен из предыдущего анализа. Остановимся только на возможности реализации схемы (рис. 3-14, а) для сравнения неравных значений, когда выходное сопротивление сумматора изменяется при изменении сопротивлений Если мостовая цепь образована сопротивлениями то при любых возможных комбинациях или изменение выходного сопротивления сумматора не превосходит

Предельная относительная погрешность сравнения, вызванная тем, что в этом случае составит

Для получения при значениях лежащих в пределах должно составлять , что вполне реально.

Необходимость изоляции цепей и в таких ИПМ приводит к существенному влиянию паразитных емкостей между обмотками трансформаторов источников, их корпусами и выходными шинами, что является дополнительным источником частотных и угловых погрешностей, а неравенство — источником асимметрии мостовой цепи.

На рис. 3-14,б представлена схема ИПМ с пассивным сумматором напряжений, выполненным в виде Т-образной цепи, образованной резисторами сопротивлением Напряжения на входах согласующих усилителей в этом случае

В этой схеме хотя и сохраняется основной недостаток ИПМ с мостовым сумматором — необходимость изоляции цепей источников тока и напряжения, но Т-образный сумматор обладает существенным преимуществом: в цепях тока и напряжения есть только одна общая точка А. При этом, если даже погрешность исключается.

Обеспечение симметрии в Т-образной цепи достигается более простыми средствами, чем в мостовой. Погрешность,

Рис. 3-14 (см. скан)

вызванная остаточной асимметрией здесь незначительна и компенсируется методами стабилизации температуры . В связи с отмеченными недостатками применение ИПМ с мостовыми и Т-образными сумматорами, даже в сочетании с нецелесообразно.

Рассмотрим схемы преобразователей мощности, в которых суммирование входных сигналов производится с помощью согласующих усилителей.

ИПМ с сумматорами токов, выполненными на основе операционных усилителей (рис. 3-14, в), допускает использование источников тока и напряжения, имеющих общую точку, соединенную с корпусом. Напряжение на выходе усилителя пропорционально сумме токов . Для получения разности токов цепь напряжения первого сумматора введен инвертор. Необходимость инвертирования одного из входных сигналов

Рис. 3-14 (см. скан)

приводит к структурной неидентичности каналов преобразования суммы и разности. Погрешность сравнения мощности, вызванная тем, что коэффициент передачи инвертора отличается от единицы составляет

Недостатком, затрудняющим использование такого ИПМ, является зависимость коэффициента передачи сумматора от выходного сопротивления масштабных преобразователей. Для того чтобы погрешность, вносимая входным сопротивлением сумматора,

не превышала в данном случае 0,01%, необходимо, чтобы

Здесь — изменение выходных сопротивлений первичных преобразователей при сравнении неравных значений мощности.

Наиболее трудно выполнить первое из этих условий. При работе на постоянном токе на переменном токе Ом, откуда должно составлять Создание широкополосного операционного усилителя с такими значениями сопротивлений сумматора весьма сложно.

ИПМ с активными сумматорами напряжений (рис. 3-14, г) также не требует изоляции цепей тока и напряжения.

Преимуществом данной схемы является то, что первичные преобразователи нагружены только входными сопротивлениями и входным сопротивлением инвертора. В этом случае обеспечиваются необходимые условия согласования сопротивлений с входным сопротивлением сумматоров. Основным недостатком такого преобразователя является необходимость изоляции источников питания от общей точки источников входных сигналов. Это обстоятельство вызывает ряд трудностей при практической реализации схемы, основными из которых являются:

необходимость тщательного экранирования источника питания и согласующих усилителей для защиты от внешних электромагнитных полей;

необходимость экранирования вторичной обмотки в трансформаторе питания согласующего усилителя для защиты от сетевых помех;

необходимость конструктивного уменьшения паразитной емкости между общей шиной и общей шиной так как эта емкость шунтирует и является источником дополнительной угловой погрешности.

Тем не менее рассмотренный вариант ИПМ позволяет практически решить задачу измерения мощности при связанных цепях тока и напряжения.

На рис. представлена схема преобразователя мощности с суммированием напряжений в выходных цепях усилителей . В этой схеме используется то обстоятельство, что усилители и инвертор при охвате их глубокой отрицательной обратной связью по напряжению имеют низкие выходные сопротивления порядка Ом, т. е. являются близкими к идеальным источникам напряжений для нагрузок на которых эти напряжения суммируются. В рассматриваемой схеме сравнительно легко реализуются входные сопротивления преобразователя мощности, равные ,

что обеспечивает согласование их с сопротивлениями Входное сопротивление инвертора в данном случае может быть достаточно низким, так как он подключен к выходу усилителя что позволяет сделать его более широкополосным. Достоинством этого преобразователя, по сравнению с предыдущим, является то, что в нем не требуется изоляции источника питания усилителя и инвертора от общей точки .

Применение электронных усилителей позволяет создать преобразователь мощности, содержащий один коммутируемый термоэлектрический преобразователь. Создание такого ИПМ представляет интерес, поскольку в данном случае исключается одна из наиболее существенных составляющих погрешности сравнения — погрешность, вызванная неидентичностыо термопреобразователя и усилителем

Суммирование напряжений в схеме рис. 3-14,г производится одним усилителем на один из входов которого непрерывно подается напряжение а на второй вход в зависимости от положения коммутатора подается либо либо .

Если коммутатор переключается с частотой где — постоянная времени термопреобразователя, и синхронно с ним переключается коммутатор изменяющий полярность Де на входе выходного усилителя то выходной сигнал ИПМ, выделенный на выходе фильтра Ф, пропорционален измеряемой мощности.

Общим недостатком рассмотренных выше схем преобразователей мощности является структурная неидентичность каналов преобразования напряжения и тока, вызванная тем, что в одном из них присутствует инвертор. При практической реализации ИПМ это приводит к неидентичности частотных и, что особенно нежелательно, фазовых характеристик цепей преобразования напряжений