ГЛАВА ПЯТАЯ. ПЕРВИЧНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ НАПРЯЖЕНИЯ И ТОКА

5-1. ВИДЫ ПЕРВИЧНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

и их основные параметры

Первичные преобразователи входных величин и в однородные величины или , значения которых лежат в заданном нормированном интервале, являются одними из основных узлов любого ваттметра, во многом определяющих точность измерений мощности. Основным параметром является коэффициент преобразования равный отношению значений выходной величины к входной. Коэффициент может быть безразмерным, если имеет место масштабное преобразование входной величины или или иметь размерность вида преобразовании или соответственно. Поскольку в большинстве случаев первичные преобразователи ваттметров не охватываются цепями обратных связей приборов и корректирующими воздействиями, а в приборах сравнения

пользуются только для преобразования входных величин, за исключением крайне редких случаев сравнения равных значений (§ 1-5), относительная погрешность измерения мощности включает в себя сумму относительных погрешностей напряжения и тока

В связи с тем что при преобразовании величин переменного тока коэффициент любого реального представляет собой комплексную величину: его погрешность

(где — номинальное значение ) и определяется в общем случае суммой составляющих:

где — погрешность, вызванная неточностью подгонки при изготовлении — погрешность от нестабильности коэффициента во времени; — погрешность от изменения температуры первичного преобразователя, вызванная выделением теплоты в или отклонением внешней температуры; — погрешность от нелинейности характеристики частотная погрешность.

В выражении (5-2) не учтена угловая погрешность у преобразователя, так как она выражается в абсолютных значениях угла сдвига фаз между входным и выходным сигналами

При измерениях мощности разность угловых погрешностей преобразователей напряжения и тока с учетом их знака вызывает угловую погрешность измерения мощности

Отсюда следует, что для обеспечения при разность — должна быть не более рад. Методическая погрешность ум измерения мощности (§ 1-2) также определяется параметрами преобразователей напряжения и тока.

Создание первичных преобразователей, погрешность которых в звуковом диапазоне частот лежит в пределах рад, при допустимых значениях ум одного порядка с или меньше, представляет собой одну из наиболее сложных задач, решаемых при проектировании современных ваттметров высокой точности. Трудность решения этой задачи определяется противоречивостью требований, предъявляемых к для уменьшения или отдельных составляющих Как известно, уменьшается при увеличении входного сопротивления и преобразователя напряжения и уменьшении входного сопротивления преобразователя тока, однако изменения сопротивления вызывают увеличение реактивности этих преобразователей, что ведет к возрастанию погрешности

Если учесть при этом, что реактивность преобразователя напряжения обычно имеет емкостный характер, а реактивность преобразователя тока — индуктивный, то угловая погрешность определяется суммой углов и также возрастает. Кроме того, увеличение сопротивления и ведет к увеличению выходного сопротивления и преобразователя напряжения, что затрудняет согласование с входной цепью ИПМ и в конечном счете сводится к увеличению погрешностей Малые частотные и угловые погрешности достигаются в резистивных при использовании металлопленочных резисторов, однако они не обладают необходимой временной и температурной стабильностью. Проволочные резисторы из манганина или сплавов обеспечивают получение допустимых значений погрешностей однако обладают значительно большей погрешностью

Выбор вида первичного преобразователя производится в зависимости от класса точности ваттметра, диапазона входных величин, диапазона частот и параметров входных цепей ИПМ. Преимущественно в ваттметрах используются пассивные т. е. преобразователи, не содержащие усилительных элементов.

Пассивные первичные преобразователи подразделяются на резистивные, индуктивные и емкостные. Индуктивные включают в себя индуктивные делители напряжения, трансформаторы напряжения и трансформаторы тока. Емкостные используются только в качестве масштабных преобразователей напряжения в виде емкостных делителей.

Активные первичные преобразователи [18], представляющие собой различного вида измерительные усилители, используются значительно реже, чем пассивные, — в основном, при малых значениях входных величин или если без применения усилителя с высоким входным сопротивлением не удается обеспечить необходимое значение погрешности ум. Современные измерительные усилители, выполненные на электронных лампах, транзисторах или интегральных микросхемах, обладают высокой стабильностью коэффициента усиления и сравнительно малыми погрешностями в широком диапазоне частот, что достигается за счет использое ания в них глубоких отрицательных обратных связей (о. о. е.). При достаточно большом коэффициенте усиления разомкнутого усилителя параметры усилителя, охваченного о. о. е., в основном определяются параметрами цепи обратной связи, состоящей из пассивных элементов: резисторов, катушек индуктивностей или конденсаторов. Стабильность коэффициента передачи активного его погрешности при этом несколько хуже, чем те же параметры пассивного преобразователя в цепи его о. о. с. При использовании активного преобразователя погрешность согласно выражению (5-2), включает дополнительные аддитивные составляющие, вызванные дрейфом и шумами усилителя. В целом погрешность активного преобразователя больше, чем пассивного. Из сказанного, однако, не следует, что погрешность измерения мощности при использовании активного всегда больше, чем при использовании пассивного. Высокое входное сопротивление усилителя с резистивным делителем в цепи последовательной о. о. с. по напряжению обеспечивается при использовании сравнительно пизкоомных резисторов. При этом одновременно уменьшаются погрешности и практически исключается влияние входного сопротивления и емкости ИПМ, так как выходное сопротивление усилителя близко к нулю. Если входными сигналами ИПМ являются токи то, как это показано на примере электродинамического ваттметра (§ 2-1), уменьшение погрешности может быть достигнуто при выходных сопротивлениях первичных преобразователей напряжения и тока, много больших, чем входные сопротивления цепей ИПМ. Это условие обеспечивается при включении входных цепей ИПМ в цепи о. о. с. усилителей по току.

Таким образом, целесообразность применения активных или пассивных первичных преобразователей в ваттметре определяется не только погрешностями самих но и погрешностями их согласования с объектом измерений и ИПМ.

Из индуктивных первичных преобразователей наиболее распространенными являются измерительные трансформаторы тока и напряжения, используемые обычно в сочетании с электродинамическими и ферродинамическими ваттметрами в узкой области частот 50—500 Гц. В работах [41 и 59] показана принципиальная возможность расширения их частотного диапазона до 10 кГц.

В известных отечественных и зарубежных моделях ваттметров индуктивные делители пока не используются. Объясняется это, видимо, тем, что достижимая с их помощью высокая точность не реализуется из-за потерь точности в шунтах и преобразователях мощности, а технологически они значительно сложнее резистивных делителей напряжения и предъявляют более жесткие требования к входному сопротивлению и емкости ИПМ.

Емкостные делители напряжения находят практическое применение в ваттметрах с электростатическими преобразователями, когда выходное напряжение делителя непосредственно подается на электрометр, или в ваттметрах, ИПМ которых содержат во входных цепях усилители с высоким входным сопротивлением, например в ваттметре типа с электростатическими измерительным механизмом и усилителем во входной цепи (рис. 3-7). Достоинством

емкостных делителей является меньшая, чем у резистивных и индуктивных делителей, частотная погрешность, которая при отсутствии нагрузки определяется разностью углов потерь конденсаторов, и высокое входное сопротивление при использовании емкостей порядка единиц пикофарадов.

Общим для индуктивных и емкостных делителей недостатком является то, что они не допускают калибровки приборов на постоянном токе.

Далее рассматриваются параметры, конструктивные особенности и погрешности пассивных резистивных первичных преобразователей, которые могут быть непосредственно использованы во входных цепях ваттметра или цепях обратной связи активных первичных преобразователей.