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

Погрешность . Количество импульсов частоты в течение фиксированного интервала времени подсчитывается в реверсивном счетчике

В скобках выражения (4-2) опущены составляющие погрешности, содержащие произведения как пренебрежимо малые.

Рис. 4-1 (см. скан)

Код счетчика переписывается в запоминающее устройство преобразователя код — аналог , который в данном приборе является многозначной управляемой мерой мощности обеспечивающей реализацию метода сравнения. Преобразователь содержит прецизионный источник постоянного опорного напряжения и делитель опорного напряжения управляемый кодом устройства выходные напряжения делителя подаются на входы преобразователя мощности.

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.