4-2. ЦИФРОВЫЕ ВАТТМЕТРЫ С АВТОМАТИЧЕСКОЙ КОРРЕКЦИЕЙ ПОГРЕШНОСТЕЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ МОЩНОСТИ
Один из перспективных путей создания ваттметров высокой точности с аналоговым ИПМ и аналого-цифровыми и цифро-аналоговыми преобразователями их выходных сигналов состоит в использовании предложенного Б. С. Таубе [65, 67] для измерений напряжения итерационного метода коррекции погрешностей измерений. Метод назван итерационным, так как при его использовании осуществляется последовательное приближение результатов измерений к истинному значению измеряемой величины. Итерационный метод, по существу, является одной из разновидностей метода сравнения, поэтому его применение позволяет исключить из результата измерения практически все аддитивные и мультипликативные систематические погрешности измерительного преобразователя, кроме погрешности перехода
(§ 1-3).
На рис. 4-1 представлена структурная схема цифрового ваттметра, использующего итерационный метод коррекции погрешностей.
Измерение мощности производится в два такта, задаваемых программным устройством
Положение контактов синхронных автоматических коммутаторов
на схеме соответствует первому такту измерения, когда на входы
преобразователя мощности подаются напряжения
от первичных преобразователей
и
Напряжение
на выходе ИПМ (§ 3-5) при этом пропорционально измеряемой мощности
где
— номинальное значение коэффициента преобразования
— погрешность преобразования, вызванная неточным определением
нелинейностью характеристики ИПМ и ее нестабильностью во времени и при изменении внешней температуры;
— погрешность перехода.
Это напряжение преобразуется в частоту следования импульсов
преобразователем напряжения в частоту ПНЧ с номинальным коэффициентом преобразования
и погрешностью преобразования
обусловленной теми же факторами, что и
Значение напряжения
и коэффициенты деления делителя
выбираются такими, при которых номинальный коэффициент преобразования преобразователя ПКА
Из этого выражения, учитывая погрешность
преобразователя
вызванную неточностью установки
его нестабильностью и погрешностью делителей
получим
Таким образом, в результате первого такта преобразования в счетчике согласно формуле (4-2) зафиксировано число
а на входы
поданы постоянные напряжения, произведение которых определяется из выражения (4-4). На втором такте преобразования по команде устройства
одновременно переключаются коммутаторы
При этом на входы ИПМ поступают напряжения
и
коэффициент передачи преобразователя ПНЧ уменьшается в два раза за счет подключения к выходу ПНЧ ячейки деления частоты на два
устройство
отключается от счетчика
а направление счета в нем реверсируется.
Напряжение на выходе ИПМ на втором такте преобразования
а число импульсов, поступивших в счетчик за время
составит
Отметим, что погрешность
в выражения (4-5) и (4-6) не входит, так как она должна учитываться только один раз при преобразовании мощности
или
Согласно выражениям (4-6) и (4-4) получим
Количество импульсов в счетчике, зафиксированное в результате двух тактов преобразования,
Отсюда следует, что погрешности
которые являются доминирующими на первом этапе преобразования, из результата измерения исключаются. Полное устранение
получено при допущении, что они одинаковы в оба такта преобразования.
В общем случае в связи с нелинейностью характеристик преобразователей ИПМ и ПНЧ это не так, однако, учитывая, что реальная нелинейность в худшем случае не превосходи
и расхождения значений мощности
невелики, остаточная
погрешность от нелинейности на два порядка меньше
и ею можно пренебречь.
Результирующая погрешность измерения обусловлена только погрешностью перехода ИПМ, погрешностью меры преобразователя
и погрешностями первичных преобразователей
и
. В звуковом диапазоне частот погрешность
при
для термоэлектрических преобразователей мощности составляет 0,01-0,03%, погрешности первичных преобразователей не превышают 0,005%, погрешность ум [19, 76] не превосходит 0,005% в год, если источник
выполнен в виде компенсационного стабилизатора напряжения с использованием в качестве опорного термокомпенсированного стабилитрона, а делитель
в виде звездообразного делителя из микропроволочных схемных элементов сопротивления
.
Рассмотренный ваттметр обладает высокой точностью измерения, но сравнительно низким для цифрового прибора быстродействием. Время измерения 5—6 с определяется в основном тепловой инерционностью ИПМ. Уже отмечалось (§ 3-5), что сокращение времени измерения на порядок достигается при использовании ИПМ одновременного сравнения с автоматическим уравновешиванием за счет обратной связи по каналу тока (рис. 3-20), однако такие ИПМ обладают меньшей точностью и стабильностью, чем ИПМ с разновременным сравнением. Для создания точных и быстродействующих цифровых ваттметров целесообразно использовать ИПМ с обратной связью, с помощью которого производится разновременное сравнение. Схема такого преобразователя мощности для цифрового ваттметра, основанного на итерационном методе, представлена на рис. 4-1,б. В преобразователь введен вспомогательный источник
напряжение которого
в зависимости от такта преобразования суммируется либо с напряжением
либо с
и обратная связь с выхода усилителя
при наличии которой в зависимости от такта
суммируется с напряжением
или
Как следует из выражения (3-41), выходные напряжения ИПМ на каждом из тактов преобразования в этом случае составляют:
а коэффициент преобразования
погрешность ул, согласно выражению (4-1), не зависит от стабильности параметров термопреобразователя и коэффициента усиления усилителя
и определяется только нестабильностью напряжения
(мультипликативная составляющая
) и дрейфом нуля усилителя
(аддитивная составляющая у. Так как при использовании итерационного метода погрешность
уменьшается более чем на два порядка, жестких требований к стабильности и дрейфу усилителя
не предъявляется. Наряду со значительным
увеличением быстродействия использование в ваттметре преобразователя мощности с обратной связью повышает и точность измерений, так как при этом автоматически реализуется метод равных температур термопреобразователей
что уменьшает составляющую
вызванную неквадратичностыо термопреобразователя.
Поскольку реализация метода одновременного сравнения в одном ИПМ требует частотного разделения сравниваемых сигналов, использование рассмотренного ИПМ с обратной связью в структуре рис. 4-1, а возможно только в том случае, если напряжения
в ИПМ и напряжения
и
на выходах преобразователя
представлены разными частотами. Выполнение этого условия может быть обеспечено при условии, что
— постоянные напряжения,
и
— переменные или
— переменные напряжения,
и
— постоянные.
В первом случае источник
представляет собой высокочастотный
источник напряжения прямоугольной формы со скважностью 0,5 и постоянной составляющей, равной нулю (меандр); этим напряжением синхронно модулируется напряжение
подобно тому, как это сделано в схеме стабилизации температуры (рис. 3-18). Во втором случае источником напряжения такой же формы должен быть источник
в преобразователе
Несмотря на то, что этот источник является в ваттметре мерой и к нему предъявляются значительно более жесткие требования, чем к источнику
второй путь предпочтительнее, так как он исключает возможность возникновения общих гармонических составляющих у сигналов
. В каждом такте преобразования внутри ИПМ сравниваются сигналы переменного и постоянного тока. Частотный диапазон ваттметра при этом ограничивается только частотными свойствами ИПМ и не связан с частотой источника
которая может быть выбрана достаточно низкой (100—1000 Гц) для обеспечения точной передачи размера напряжения от опорного элемента постоянного тока, входящего в источник
к выходному напряжению прямоугольной формы.
Вопросы теории и практики создания высокостабильных источников
переменного тока с малой погрешностью перехода и преобразователей
на их основе подробно исследованы в работе [7]. Для двухконтурного источника
с частотой выходного напряжения 200 Гц, в котором производится раздельное автоматическое регулирование амплитуд положительных и отрицательных импульсов путем сравнения их с напряжением термокомпенсированного стабилитрона типа
погрешность перехода не превосходит
Нестабильность выходного напряжения источника
в течение месяца не превосходит
а
Применение рассмотренных источников
переменного тока позволяет существенно уменьшить погрешность перехода
преобразователя мощности, так как в этом случае из нее исключаются составляющие, обусловленные асимметрией термопреобразователя и дрейфом согласующих усилителей, сумма которых лежит в пределах 0,005-0,02%. Использование итерационного метода при наличии ИПМ с обратной связью и преобразователя ПКА переменного тока позволяет создать цифровой ваттметр с погрешностью 0,02% при времени измерения 1 с.