Определение погрешности перехода от постоянного тока к переменному.

Определение погрешности перехода от постоянного тока к переменному производится на одной частоте внутри рабочего диапазона частот СИМ при (рис. 6-3).

Рис. 6-3

Постоянное напряжение подается в параллельную цепь исследуемого сим и измерительный преобразователь напряжения Постоянный ток подается через измерительный преобразователь тока в последовательную цепь сим. Устанавливается показание сим при котором определяется и запоминаются выходные сигналы преобразователей Затем на сим, преобразователи подаются переменное напряжение и переменный ток I при нулевом угле сдвига фаз между ними. Величины и регулируются до получения выходных сигналов преобразователей и ипту равных соответственно, и наблюдается изменение показаний сим Погрешность перехода определяется как

При определении по рассмотренной методике к преобразователям предъявляются только требования малой погрешности перехода и высокой чувствительности. В качестве могут быть использованы электростатические приборы, например или комплекты образцовых термоэлектрических преобразователей напряжения разряда [57], обладающие погрешностью перехода в звуковом диапазоне частот менее 0,005%. В качестве наиболее удобно использовать образцовые термоэлектрические преобразователи тока разряда [21].

Частоту переменного тока при которой определяется желательно выбрать такой, при которой минимальна. Во всем рабочем диапазоне частот далее определяется изменение показаний прибора при изменении частоты.

Исследование средств измерений мощности на переменном токе. Основными операциями, выполняемыми при исследовании СИМ на переменном токе, являются определение частотной и фазовой погрешностей.

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 .

При влиянием емкости можно пренебречь. Эквивалентные значения и составляют

При подключении конденсатора эквивалентные значения определяются как сопротивление потерь конденсатора.

Изменения приводит к тому, что действительное значение отличается от расчетного; это, как показано выше, не влияет на результат определения погрешности если

Изменение вносит существенную ошибку в определение погрешности . Подставляя в выражения (6-1) и (6-2) эквивалентные значения при , получим

Выражение как будет показано ниже, при малых соизмеримо с погрешностью Единственная возможность его уменьшения состоит в использовании конденсаторов с малым

С уменьшением возрастает также влияние емкости, шунтирующей резистор Обусловленный ею угол сдвига фаз между вносит дополнительную угловую погрешность

Учет реальных параметров входных цепей и конденсатора позволяет представить относительное изменение выходного сигнала ИПМ при изменении в виде суммы трех составляющих:

Знаки второй и третьей составляющих суммы в формуле (6-3) одинаковы. Знак искомой погрешности определяется индивидуальными свойствами ИПМ, но для каждого испытуемого образца может быть найден. В общем случае расчетная формула для определения погрешности по результатам измерений при известных значениях имеет вид:

Результаты экспериментального определения преобразователя мощности на частоте при Ом, Ом и в зависимости от устанавливаемого приведены ниже:

В качестве конденсатора использованы конденсаторы типа с тангенсом угла потерь

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