4-6. ЦИФРОВЫЕ ВАТТМЕТРЫ С ПРЕОБРАЗОВАНИЕМ МОЩНОСТИ В ИНТЕРВАЛ ВРЕМЕНИ ИЛИ ЧАСТОТУ

Преобразования мгновенной мощности в какие-либо параметры импульсного сигнала производятся модуляционными преобразователями мощности (§ 1-6, 2-4), в которых модулирующими воздействиями являются мгновенные значения входных величин. Далее рассматриваются ваттметры, в которых модуляция импульсного сигнала по длительности или частоте осуществляется интегральными параметрами: средней мощностью пли напряжениями, пропорциональными сумме и разности входных величин. Применение такой модуляции при создании цифровых ваттметров позволяет упростить конструкцию и повысить точность измерений, так как:

выходные аналоговые сигналы ИПМ, представленные временем или частотой, легко кодируются с высокой точностью;

наличие импульсных выходных сигналов ИПМ в цепях его обратной связи позволяет использовать методы коррекции погрешностей, которые не реализуются при непрерывном выходном сигнале ИПМ.

Цифровой ваттметр с преобразованием мощности в интервал времени.

На рис. 4-7, а и б представлены функциональная схема и временная диаграмма работы цифрового ваттметра с преобразованием мощности в интервал времени [83]. Ваттметр основан на сумма-разностном методе. Сумма и разность напряжений равные соответственно, формируются пассивным сумматором, соотношение сопротивлений которого показано на схеме, и подаются на входы усилителей с коэффициентами усиления, равными 1. Термопреобразователи с помощью автоматических коммутаторов подключаются к выходам усилителей (позиция ), к выходу источника опорного напряжения (позиция 2) и соединяются с корпусом (позиция 3). Полный цикл переключения производится за фиксированный интервал времени Т, который много меньше тепловой постоянной времени термопреобразователя, т. е. за время Т температура нагревателя и э. д. с. термопреобразователя не изменяются.

Э. д. с. термопреобразователей сравниваются со вспомогательным напряжением и разности поступают в широтно-импульсные модуляторы , длительности импульсов на выходах которых соответственно

Каждый из коммутаторов находится в позиции 1 в течение времени . В позиции 2 коммутатор находится в течение времени , а коммутатор — в течение времени . В позиции 3 каждый из коммутаторов находится в течение времени . Покажем, что при такой структуре разность пропорциональна мощности.

Каждый из термопреобразователей ваттметра работает в режиме постоянной температуры, при которой, как следует из выражений (3-27) и (3-28), исключается влияние неквадратичности характеристик термопреобразователя на результат преобразования.

Рис. 4-7 (см. скан)

Стабилизация температуры нагревателя т. е. его с. ей при любом значении входного напряжения осуществляется цепью обратной связи через модулятор (штриховая линия), определяющий время подключения нагревателя к опорному источнику . В любой момент времени , где — действующее напряжение, приложенное к нагревателю

При условии, что

В установившемся режиме на выходе модулятора вырабатывается такой интервал времени при котором независимо от значения с. термопреобразователя с погрешностью статизма которой при достаточно большом коэффициенте усиления в петле обратной связи можно пренебречь. Аналогичным образом при любом значении стабилизируется температура нагревателя цепью обратной связи через модулятор :

Совместное выполнение равенств (4-32) и (4-33) при соответствует тому, что

т. е. разность длительностей импульсов на выходах модуляторов пропорциональна измеряемой мощности. На выходе схемы антисовпадений формируются импульсы, длительность которых преобразуется в код с помощью цифрового измерителя временных интервалов возможные варианты построения которого рассмотрены в работе [78]. При выводе выражения (4-34) сделано допущение, что коэффициенты преобразования термопреобразователей равны . В действительности это не так, однако при условии постоянства равенство легко обеспечивается при настройке преобразователя мощности и сохраняется для любых напряжений

Если постоянная времени , время Т выбрано равным 0,02 с и соответствующее пределу измерения мощности, близко к , то при частоте импульсов заполнения измерителя МГц погрешность преобразования интервала времени в код не превосходит 0,001% при времени преобразования 0,2 с.

Результирующая погрешность ваттметра [83] не превышает 0,05% и определяется только погрешностью ИПМ. Наиболее существенные ее составляющие связаны с нарушением равенства при отклонении внешней температуры и изменений во времени, а также связаны с временным и температурным дрейфом интеграторов в модуляторах и в ваттметре итерационного метода коррекции погрешностей, устраняющего указанные погрешности, позволяет снизить погрешность измерения до 0,005-0,01%. Особенност рассматриваемого ваттметра является то, что стабилизация температуры

термопреобразователей здесь осуществляется не за счет выделения теплоты во втором вспомогательном нагревателе, как это делается в ИПМ с выходным сигналом постоянного тока (см. § 3-4), а путем изменения длительности воздействия вспомогательного опорного напряжения на единственный рабочий нагреватель, что возможно только при наличии импульсной обратной связи. Такая система стабилизации температуры позволяет использовать в ваттметре более технологичные и дешевые термопреобразователи.