Частотная погрешность СИМ определяется по той же методике и с использованием той же образцовоп аппаратуры, что и погрешность перехода. Отличие состоит в том, что с помощью преобразователей напряжения и тока на входах СИМ поддерживаются равные значения напряжения и тока при частоте
и частоте
для которой определяется погрешность
как изменение показании СИМ. В отдельных случаях, как это показано далее на примере иследования термоэлектрического ИПМ, более удобно провести поэлементное исследование частотной погрешности СИМ, определив отдельно частотные погрешности первичных преобразователей и отдельно частотную погрешность ИПМ.
Фазовая погрешность СИМ определяется как изменение показаний СИМ при изменении
от 1 до любого другого значения при условии, что произведение
поддерживается неизменным, или как отклонение показаний СИМ от нуля при номинальных значениях напряжения и тока и при
. В связи с тем что аппаратурная реализация первого пути определения погрешности
значительно сложнее, большее распространение получили методы
определения при
.
Рис. 6-4
Определение погрешности
при
реализуется с помощью образцовой аппаратуры двух видов: аппаратуры с индикаторами угла сдвига фаз 90° между напряжением и током (рис. 6-4, а) и аппаратуры с параметрическими формирователями угла сдвига фаз 90° (рис. 6-4,б). Оба вида аппаратуры допускают исследование погрешности
при раздельном питании цепей тока и напряжения сим. При использовании индикатора
угла сдвига фаз 90° угол плавно регулируется фазорегулятором
до получения нулевых показаний на индикаторе
и производится отсчет погрешности
по показаниям исследуемого сим. В качестве индикаторов угла фаз 90° используются электродинамические, электростатические и электротепловые ИПМ. Использование ИПМ в качестве индикаторов предъявляет повышенные требования к их собственной фазовой погрешности, однако существенно снижает требование по всем остальным составляющим погрешности. Так, для электродинамических ИПМ несущественной становится линейность функции преобразования, а для электростатических и тепловых — квадратичность характеристик элементов. В этих ИПМ достаточно обеспечить высокую идентичность вращающих моментов или э. д. с. термопреобразователей при фиксированных значениях напряжения и тока, равных номинальным для исследуемого СИМ. Фазовая погрешность лучших образцов электродинамических индикаторов в зависимости от значений номинальных токов и напряжений составляет
рад в диапазоне частот 45—65 Гц. Исследования электростатических и электротепловых индикаторов, произведенные в ряде стран [44], показывают, что основным источником их фазовой погрешности являются шунты, без которых эти индикаторы не могут быть использованы. Фазовая погрешность электростатических индикаторов в диапазоне частот до
и электротепловых в диапазоне частот до
без шунтов может быть менее
рад. Создание ряда тунгов с угловой погрешностью в звуковом диапазоне частот менее
рад является в настоящее время основной проблемой в области аттестации
малокосинусных СИМ. Помимо рассмотренных выше индикаторов на основе ИПМ, весьма перспективными являются электронные индикаторы, выполненные на основе операционных детекторов [87].
На рис. 6-5 представлена функциональная схема электронного индикатора угла сдвига фаз 90°. Цепь напряжения индикатора содержит делитель напряжения с резисторами сопротивлением
напряжения на которых относительно их общей точки соответственно
В токовую цепь индикатора включен шунт напряжение на потенциальных зажимах которого
суммируется с напряжениями
на входах операционных детекторов
Выходные сигналы детекторов противоположных полярностей суммируются в сумматоре 2. Нулевое напряжение на выходе 2 соответствует равенству
которое реализуется только при угле сдвига фаз 90° между
Фазовая погрешность рассмотренного индикатора без учета угловой погрешности шунта в звуковом диапазоне частот не превышает
рад.
В аппаратуре с формирователями угла сдвига фаз
(рис. 6-4, б) фазорегулятором
устанавливается нулевой угол сдвига фаз между напряжением и выходным сигналом формирователя, включенного в цепь тока, или между током и выходным сигналом формирователя, включенного в цепь напряжения. Установление нулевого угла сдвига фаз между выходным сигналом формирователя
и напряжением или током осуществляется с помощью электронно-лучевых нуль-индикаторов переменого тока, широко распространенных в других областях электрических измерений и обладающих большей чувствительностью и широкополосностью по сравнению с индикаторами угла сдвига фаз 90°. Несмотря на это, по точности определения фазовой погрешности СИМ аппаратура с формирователями угла сдвига фаз 90° несколько уступает аппаратуре с индикаторами угла сдвига 90°, вследствие существенной угловой погрешности формирователей. В качестве формирователей, включаемых в токовые цепи СИМ, обычно используются воздушные трансформаторы, напряжение на вторичных обмотках которых сдвинуто по фазе на 90° относительно токов в первичных обмотках. В цепях напряжения используются формирователи, представляющие собой операционные интегрирующие усилители, в цепь обратной связи которых включаются конденсаторы с малым
Напряжение на выходе таких усилителей сдвинуто по фазе на 90° относительно напряжения на входе. Установки с такими формирователями рассмотрены в работах [44, 85]. Несмотря на сложную конструкцию и специальные технологические приемы изготовления воздушного трансформатора, позволившие минимизировать потоки рассеяния и паразитные емкости, угловая погрешность менее
рад получена только на промышленной частоте. Формирователи с конденсаторами обладают большей широкополосностью, однако в диапазоне до 20 кГц трудно получить угловую погрешность менее
рад. Кроме того, при использовании формирователя в цепи напряжения в цепь тока должен быть включен шунт, вносящий
угловую погрешность. В отечественной метрологической практике аппаратура с формирователями угла сдвига фаз 90° сейчас не используется.
В отдельных случаях, при определении погрешности
микро- и милли-ваттметров или ИПМ без первичных преобразователей, находит применение метод, который условно можно назвать методом постоянной активной мощности. Этот метод, родственный методу калиброванной нагрузки, состоит в том, что исследуемое СИМ измеряет активную мощность в комплексной на-
Рис. 6-5
грузке, состоящей из одного активного и одного реактивного элементов, причем мощность, рассеиваемую в элементе с активным сопротивлением, поддерживают неизменной, контролируя ее с помощью образцового вольтметра, а реактивное сопротивление изменяют в широких пределах, изменяя тем самым
нагрузки. Наблюдаемое при этом изменение показаний СИМ является его фазовой погрешностью.
Основным источником погрешности аппаратуры, реализующей этот метод, является неидеальность реактивного элемента: катушки индуктивности или конденсатора. Исследуемое СИМ измеряет сумму мощностей, рассеиваемых в активном элементе и в эквивалентном сопротивлении потерь реактивного элемента. При замене реактивного элемента сопротивление потерь и рассеиваемая в нем мощность изменяется, что может быть воспринято как появление фазовой погрешности СИМ. При использовании метода постоянной мощности параметры реактивных элементов (добротность катушек индуктивности или
конденсаторов) тщательно исследуются и в результат определения погрешности
вносятся поправки. Применение метода постоянной мощности показано далее на примере исследований погрешности
термоэлектрического преобразователя мощности. В работе [44] рассмотрена модификация этого метода, отличающаяся тем, что для изменения реактивного сопротивления используется изменение частоты, а не замена реактивных элементов. В этом случае при использовании катушки индуктивности сопротивление потерь изменяется незначительно, что повышает точность определения фазовой погрешности
однако в результат исследования входит и частотная погрешность, которая должна быть отдельно определена и исключена из погрешности
Рис. 6-7 (см. скан)
Рассмотрим в заключение конкретный пример исследования частотной и фазовой погрешности термоэлектрического ИПМ и частотной погрешности делителей напряжения и шунтов, используемых совместно с ним в установке УППУ-1.
Исследование частотной погрешности преобразователя мощности производится в соответствии со схемой рис 6-6 Напряжение
подается на нагреватель вспомогательного термопреобразователя
и на соединенные между собой входы
На низкой частоте (
Гц) устанавливается нулевая разность:
Затем производится плавное изменение частоты генератора в диапазоне
Гц. Напряжение поддерживается неизменным на любом
частоте с погрешностью, не превышающей 10%. Возникающая при изменении частоты разность
измеряется потенциометром постоянного тока
Частотная погрешность ИПМ рассчитывается по формуле
При частоте
при
Экспериментальное исследование фазовой погрешности ИПМ производится путем совместного определения составляющих
(см. § 1-3) без выделения каждой из них. Наличие в ИПМ связанных цепей тока и напряжения позволяет использовать методику определения погрешности
один из вариантов аппаратурной реализации которой иллюстрируется схемой рис. 6-7, а.
Погрешность
определяется как изменение выходного сигнала ИПМ при изменении
от 1 до любого другого значения при условии, что произведение входных сигналов
поддерживается неизменным. Выполнение условия
при изменении
обеспечивается вспомогательной цепыо
. Как видно из схемы рис.
Произведение входных сигналов ИПМ не зависит от
и поддерживается неизменным при условии
.
Изменение угла сдвига фаз
между
в пределах
осуществляется путем изменения емкости конденсатора
шунтирующей резистор сопротивлением
Векторная диаграмма распределения токов в цепи
(рис. 6-7, б) показывает, что если
неизменно, произведение
при любом значении
постоянно. Изменение выходного сигнала
преобразователя мощности в этих условиях пропорционально фазовой погрешности.
Для исключения необходимости поддержания
с высокой точностью в схему введен вспомогательный термопреобразователь
подключенный к «Входу
через согласующий усилитель
При отключенном конденсаторе
и напряжении
близком к номинальному, устанавливается нулевое значение разности:
где
— коэффициент преобразования ИПМ при
Коэффициент передачи ИПМ при
Откуда
определяется по результатам измерений
. В данном случае не требуется точного определения
.
Ошибка в определении этих параметров приводит к тому, что погрешность
определяется не для точного значения
, а для
что при условии практического значения не имеет.
Рассмотрим влияние входных цепей ИПМ и тангенса угла потерь конденсатора
на точность определения погрешности
Эквивалентная схема, учитывающая эти влияния, представлена на рис. 6-7, в. Поскольку вход вспомогательного устройства
подключен параллельно входу
и эти усилители идентичны, входные параметры цепи напряжения представлены в
.
Полученные числовые значения погрешности
не являются достаточно достоверными в связи со значительным разбросом значений, входящих в расчетные данные, второй строки таблицы Однако если допустить даже 50%-ную ошибку в определении
то на основании полученных данных можно утверждать, что погрешность
не превосходит
при
Частотная погрешность
делителей напряжения и шунгов многократно исследуется в ходе ее компенсации с помощью методов, рассмотренных в
Экспериментальное определение
в данном случае более эффективно, чем расчетное, на основании измерения
отдельных резисторов Трудность определения погрешности
в звуковом диапазоне частот состоит в том, что для большинства делителей и шунтов даже до компенсации оно лежит в пределах
Необходимая точность определения столь малых значений
обеспечивается путем использования комплектов образцовых термопреобразователей, частотная погрешность которых менее 0,005% при
вспомогательной аппаратуры, предварительно аттестуемой с помощью тех же термопреобразователей, и выбора метода исследования погрешности
исключающего влияние нестабильности источников напряжения и тока.
Рис. 6-8
Схема определения погрешности
делителей напряжения представлена на рис. 6-8. Частотная погрешность поверяемого делителя
определяется как относительное изменение действующего напряжения на его выходе
при изменении частоты переменного тока от 1 кГц в большую и меньшую сторону и неизменном значении входного напряжения
Значение
в диапазоне частот
поддерживается неизменным с погрешностью, не превышающей 0,002-0,005%, с помощью образцовых термопреобразователей
типа
первого разряда, э. д. с. которых
поддерживается неизменной по показаниям потенциометра постоянного тока
с разрешающей способностью
Относительное изменение напряжения
При изменении частоты определяется как относительное изменение э. д. с. вспомогательного термопреобразователя
подключенного к выходу делителя через вспомогательный усилитель
с высоким входным сопротивлением:
где
на частоте
при частоте
на которой определяется погрешность
Значения частоты
выбираются равными 40, 100, 500, 5000, 10 000, 20 000, 50 000, 100 000 Гц.
При исследовании делителей с выходным напряжением 1 В коэффициент усиления усилителя
устанавливается равным единице, а фотокомпенсационный усилитель
в выходной цепи термопреобразователя
отключается (переключатели
в позиции
). Для выходных напряжений, лежащих в интервале 0,1 — 1,0 В, коэффициент усиления усилителя
равен
в позиции 2), а для выходных напряжений
, кроме того, э. д. с. термопреобразователя
усиливается усилителем
в позиции
.
Определенная по такой методике погрешность
является алгебраической суммой исследуемой частотной погрешности
и частотных погрешностей усилителя
и термопреобразователя
Погрешности
должны быть либо пренебрежимо малы по сравнению с
либо известны для введения поправок.
Исследование частотных погрешностей термопреобразователя
в качестве которого использован термопреобразователь типа
и усилителя
выполненного на интегральном усилителе
с эмиттерным повторителем
во входной цепи и с последовательной о о. с. по напряжению, показывает, что в диапазоне частот до
систематическая составляющая
не выявляется, а среднеквадратическое отклонение случайной составляющей
не превосходит
систематическая составляющая
в том же диапазоне частот менее
— при коэффициенте усиления усилителя
и менее 0,02% — при
.
Определение частотной погрешности шунтов Частотная погрешность шунтов определяется (рис. 6-9) по относительному отклонению напряжения на поверяемом шунте при изменении частоты и неизменном значении тока и вычисляется по формуле (6-5). В качестве образцового термопреобразователя
используется термопреобразователь тока первого разряда. Выходной усилитель
использован тот же, что при поверке делителей напряжения.
Рис. 6-9
После определения частотной погрешности делителей напряжения и шунтов производится ее компенсация в соответствии со схемами рис. 5-2 и 5-9 для верхней частоты рабочего диапазона частот Для большинства резистивных делителей и шунтов при меньших частотах погрешность
также оказывается скомпенсированной. Если зависимость
компенсации неквадратичная, то после емкостной коррекции погрешности
на верхней частоте возможно увеличение ее на меньших частотах. В этом случае подбирается корректирующая емкость, при которой максимальные положительные и отрицательные значения погрешности
внутри диапазона частот одинаковы.
Рассмотренная методика исследования и компенсация частотной погрешно
была использована при настройке делителей напряжения и шунтов полуавтоматической установки для поверки вольтметров, амперметров и ваттметров типа УППУ-1, имеющей 54 предела по напряжению в диапазоне
и 45 пределов по току в диапазоне
Полученные значения погрешности
для всех пределов в диапазоне частот 40 Гц — 20 кГц не превосходят