ИНДУКТИВНЫЙ ДЕЛИТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ

Полезная модель относится к электроизмерительной технике и может быть использована в качестве делителя напряжения переменного тока с улучшенными метрологическими характеристиками.
7
Известен индуктивный делитель напряжения декадного типа, в котором каждая декада выполнена по двухступенчатому способу [1. Deacon ТА. Accurate (2 parts in 10) inductive voltage divider for 20-200 Hz. // Proc. IEE. - 1970. - Vol.117, №3. - P.634-640].
i
выхi
вх
На одном тороидальном ферромагнитном сердечнике намотана изолированным проводом равномерно по периметру тора обмотка возбуждения. Рабочая, т.е. делительная обмотка выполняется путем намотки жгута на два тороидальных сердечника (второй расположен соосно с первым). Жгут состоит из десяти равномерно скрученных по всей длине изолированных проводов. Провода соединены согласно и последовательно и образуют секции декадной обмотки. Из-за малых токов, протекающих по этой обмотке, обеспечивается высокая точность коэффициента передачи K=U/U, где i=0, 1 2,..., 10 - номер отвода секции декадной обмотки.
Недостатком такого делителя является сравнительно узкий диапазон рабочих частот из-за сравнительно больших значений выходных импедансов
секций декадной обмотки и взаимовлияния (шунтирования) предыдущей и последующей декад.
Известен также многодекадный индуктивный делитель напряжения, в котором для уменьшения взаимовлияния декад дополнительно в каждой декаде на двух сердечниках размещены обмотки связи, соединяемые с обмотками возбуждения последующей декады [2. Deacon T.A., Hill JJ. Improvements in or relating to inductive voltage divider. Патент Великобритании №1244212, HIT (H 01 F, 31/00). Опубл. 25.08.71].
Недостатками такого делителя является сложность его изготовления и увеличение погрешности коэффициента передачи на высоких частотах из-за паразитных емкостей между обмотками.
2
Известен индуктивный делитель напряжения [3. А.с. СССР №1249622, МКИ H 01 F 21/12, G 01 R 15/06. Индуктивный делитель напряжения / М.С. Ройтман, Н.П.Калиниченко, В.Л.Ким. Опубл. 7.08.86, Бюл. №29. - 5с.], выбранный в качестве прототипа, содержащий каскады, выполненные в виде двухступенчатых трансформаторов на двух ферромагнитных сердечниках, на одном из которых намотана обмотка возбуждения, а на обоих - намотаны жгутами из N изолированных проводов предыдущая и последующая делительные обмотки, снабженные эталонными обмотками, выполненными из изолированных проводов, размещенных в геометрических центрах жгутов, каждая последующая делительная обмотка соединена с
предыдущей через разъемные соединители и многопозиционные спаренные переключатели, одни из выводов которых соединены с отводами эталонных обмоток, а другие их выводы предназначены для подключения через разъемные соединители к внешним средствам измерений при калибровке.
В таком индуктивном делителе напряжения размещение двух делительных обмоток на общих сердечниках и эталонных обмоток в геометрических центрах многопроводных жгутов позволяет уменьшить массогабаритные показатели и упростить процесс самокалибровки в широком диапазоне частот.
Устройству присущи следующие недостатки:
1. Предыдущая делительная обмотка имеет сравнительно большие выходные импедансы на отводах. Это обусловлено тем, что из-за намотки жгута на оба сердечника увеличивается периметр витка и, следовательно, общая длина жгута, в результате чего и увеличивается как активное (омическое) сопротивление, так и индуктивность рассеяния проводов.
2. Большие выходные импедансы приводят к росту частотной погрешности как в области нижних, так и верхних частот из-за шунтирующего влияния последующей делительной обмотки.
3. Сложность изготовления делительных и эталонных обмоток, связанная со значительными трудностями равномерного размещения проводов
каждой делительной обмотки по периметру изолированного центрального провода эталонной обмотки. Трудоемкость резко возрастает с увеличением длины многопроводного жгута, что приводит к повышению стоимости изготовления делителя.
Задачей полезной модели является повышение точности деления в широком диапазоне частот, упрощение технологии и уменьшение стоимости изготовления индуктивного делителя напряжения.
Поставленная задача достигается за счет того, что в индуктивном делителе напряжения, также как в прототипе содержащем каскады, выполненные в виде двухступенчатых трансформаторов на двух ферромагнитных сердечниках, на одном из сердечников намотана обмотка возбуждения, а на обоих жгутами из N изолированных проводов намотаны предыдущая и последующая делительные обмотки, снабженные эталонными обмотками, выполненными из изолированных проводов, размещенных внутри жгутов, и соединенными с разъемными соединителями и многопозиционными спаренными переключателями, которые соединены с отводами делительных обмоток и внешними средствами измерений при калибровке. Согласно полезной модели обмотка возбуждения выполнена из двух равномерно скрученных в жгут изолированных проводов, соединенных согласно и последовательно, и средний отвод ее соединен со средним отводом предыдущей делительной обмотки, выполненной из равномерно скрученных
в жгут изолированных проводов, диаметр которых в три раза больше диаметра проводов, равномерно скрученных в жгут, последующей делительной обмотки.
Погрешность выходного напряжения заявляемого устройства определяется погрешностью делительных обмоток и погрешностью, обусловленной их взаимовлиянием. При этом наибольший вклад в результирующую погрешность вносит погрешность коэффициента передачи предыдущей делительной обмотки. В устройстве повышение точности деления предыдущей обмотки достигается ее симметрированием обмоткой возбуждения, выполненной в виде двоичного делителя.
вх
Как известно, двоичные делители обладают наивысшей точностью в широком диапазоне частот [4. Ноеr С.А., Smith W.L. А 2:1 ratio inductive voltage divider with less than 0.1 PPM error to 1 MHz // Jour. of research of NBS. - Eng. and Inst. - 1967. - Vol. 71C, №2. - P.101-109]. Кроме этого обмотка возбуждения на среднем отводе имеет малое выходное сопротивление из-за того, что жгут намотан только на один сердечник. Поэтому соединение среднего отвода обмотки возбуждения со средним отводом предыдущей, например, декадной обмотки делит последнюю на два пятисекционные делителя с входными напряжениями U/2. Меньший разброс параметров пятисекционных делителей [5. Ройтман М.С., Калиниченко Н.П.Индуктивные делители напряжения // Измерения, контроль, автоматизация.
н
в
вых
вых
- 1978. - №2 (14) - С.24-32] обуславливает их более высокую точность по сравнению с декадным. Другим важным преимуществом устройства является значительное снижение выходных импедансов на выходных отводах предыдущей обмотки. На фиг.1 приведена эквивалентная схема предыдущей декадной обмотки, симметрированной обмоткой возбуждения, для области нижних частот. Выходные активные сопротивления отводов n нижней r {п) и верхней r (n) половин определяются следующим образом
0
где r -выходное активное сопротивление обмотки 3;
i
j
r, t -активные сопротивления проводов секций верхней и нижней половин обмотки 5 соответственно;
i
i
j
cp
n - номер отвода (n=1, 2, 3,...,9). Рассмотрим случай, когда r=0 и r=r=r. Тогда выражения (1) и (2) приводятся к виду
Расчеты по формулам (3) и (4) приводят к следующим результатам
В то же время выходные сопротивления устройства прототипа определяются в виде
вых
cp
вых
0
На фиг.2 изображены зависимости выходного сопротивления от номера отвода r=f(n) для устройства прототипа (кривая 1) и заявляемого устройства (кривая 2), построенные в соответствии с выражениями (5) и (6) при r=1,2 Ом. Кривая 3 отражает зависимость r=f(n) реального заявляемого устройства, у которого r≠0. Как видно из фиг.2 заявляемое устройство имеет в 1,1 -2 раза меньшие выходные активные сопротивления по сравнению с прототипом, что подтверждается данными эксперимента
(отличие от расчетных менее 5%). Аналогичные графические зависимости можно получить и для выходных индуктивностей рассеяния, в большей степени определяющих выходные импедансы устройства на высоких частотах.
В заявляемом устройстве дополнительное уменьшение индуктивностей рассеяния достигается путем выполнения декадных обмоток из равномерно скрученных в жгут проводов. В этом случае из-за сильной (тесной) индуктивной связи между проводами и их случайной перестановки при скручивании обеспечивается не только снижение потока рассеяния вокруг жгута и, следовательно, индуктивностей рассеяния секций, но и их выравнивание. Так как частотная погрешность коэффициента передачи зависит от индуктивности рассеяния секции, то уменьшение последней приводит к расширению диапазона рабочих частот делителя.
В заявляемом устройстве снижение составляющей погрешности, обусловленной взаимовлиянием декадных обмоток, достигается уменьшением выходных импедансов (активных сопротивлений и индуктивностей рассеяний) секций предыдущей декадной обмотки. Для этого жгут, из которого изготовляется предыдущая обмотка, выполняется из одиннадцати проводов, диаметр которых в 3 раза больше диаметра проводов жгута последующей обмотки. Ввиду того, что активное сопротивление и индуктивность рассеяния секции предыдущей обмотки уменьшаются в 9 раз, ЭДС
секции предыдущей обмотки практически полностью, без потерь, поступает на последующую обмотку.
0
0
Другим важным преимуществом заявляемого устройства является повышение точности калибровки при работе устройства в режиме самокалибровки. ЭДС, наведенная в эталонной обмотке предыдущей обмотки, является опорным напряжением U, с которым сравниваются ЭДС секций предыдущей обмотки. Так как эталонная обмотка выполняется из провода с большим диаметром, то ее выходной импеданс (активное сопротивление и индуктивность рассеяния провода) также уменьшается в 9 раз. Вследствие этого подсоединение внешнего средства измерения (нуль-индикатора) практически не приводит к изменению опорного напряжения U. Заметим, что нуль -индикатор также не оказывает заметного влияния на ЭДС секций предыдущей обмотки ввиду малого значения их выходных импедансов. Уменьшение шунтирующего влияния нуль-индикатора и, как указывалось ранее, равенство индуктивной связи эталонной обмотки с секциями делительной обмотки повышает достоверность определения истинного значения напряжений секций предыдущей обмотки и, следовательно, погрешности коэффициента передачи индуктивного делителя напряжения.
Эти выводы подтверждаются данными эксперимента, приведенными в таблице для предыдущей и последующей декад заявляемого устройства и прототипа. Как видно из таблицы относительные погрешности коэффициентов
передач заявляемого устройства на частоте 1 кГц в 1,5-2 раза, а на частоте 10 кГц в 1,1-1,5 раза меньше погрешностей прототипа.
Другим преимуществом заявляемого устройства является упрощение процесса изготовления и намотки жгутов и, следовательно, стоимости делителя.
Каждый жгут декадных обмоток изготавливается из изолированных проводов одинакового диаметра и длины путем равномерного их скручивания по всей длине вокруг оси симметрии. При этом не требуется проводить, как в прототипе, предварительные расчеты (и перерасчеты при изменении диаметров проводов) по определению и выбору наружного диаметра изоляции провода эталонной обмотки. В прототипе для размещения проводов секций делительной обмотки параллельно на одинаковом расстоянии друг от друга по поверхности провода эталонной обмотки по всей длине требуется в десять раз больше времени, чем при скрутке проводов в заявляемом устройстве. В последнем затрачивается в два раза меньше времени и на намотку обмотки возбуждения, так как при использовании двухпроводного жгута на один из сердечников наматывается в два раза меньшее число витков.
Таким образом, в заявляемом индуктивном делителе напряжения соединение средних отводов обмотки возбуждения и предыдущей декадной обмотки, выполненной как и последующая декадная обмотка из равномерно
скрученных в жгут проводов, диаметр которых в 3 раза больше диаметра проводов последующей декадной обмотки, уменьшает выходные импедансы предыдущей декадной обмотки, ее эталонной обмотки и всего делителя в целом, вследствие чего повышается точность деления напряжения в широком диапазоне частот при одновременном упрощении изготовления и уменьшении стоимости индуктивного делителя напряжения.
На фиг.1 представлена эквивалентная схема предыдущей делительной обмотки, симметрированной обмоткой возбуждения, для области нижних частот.
0
0
На фиг.2 изображены зависимости выходных сопротивлений от номера отвода для устройства прототипа (кривая 1) и заявляемого устройства при выходном сопротивлении обмотки возбуждения r=0 (кривая 2) и r≠0 (кривая 3).
На фиг.3 приведена принципиальная схема индуктивного делителя напряжения с самокалибровкой, выполненного двухступенчатым способом.
i
-4
В таблице приведены значения относительных погрешностей коэффициентов передач γK·10% заявляемого устройства и прототипа, полученные экспериментально на частотах 1 кГц и 10 кГц.
Индуктивный делитель напряжения (фиг.3) представляет собой двухдекадный делитель напряжения, выполненный по двухступенчатой технологии.
В его состав входят два соосно расположенных тороидальных ферромагнитных сердечника 11 и 12, на первом из которых жгутом их двух равномерно скрученных изолированных проводов выполнена обмотка возбуждения 13. Провода соединены согласно и последовательно, от места соединения выполнен отвод 14. Первая (предыдущая) декадная обмотка 15 намотана на оба сердечника жгутом из одиннадцати равномерно скрученных проводов, при этом десять проводов, соединенные согласно и последовательно, образуют собственно делительную обмотку с отводами 16-26, а из одиннадцатого провода выполнена эталонная обмотка 27. Крайние, т.е. нижние и верхние отводы обмоток 13 и 15 соединены и являются входами устройства. Дополнительно соединены средние отводы 14 и 21. Аналогично первой одиннадцатипроводным жгутом выполнена и вторая (последующая) декадная обмотка 28 с отводами 29-39. Эталонная обмотка 40 последующей декады выполнена из одиннадцатого провода этого жгута. Диаметры проводов первого жгута в 3 раза больше диаметров проводов второго жгута. Число витков предыдущей обмотки равно числу витков обмотки возбуждения и в десять раз больше числа витков последующей обмотки. Коммутация отводов декадных обмоток осуществляется многопозиционными спаренными переключателями 41 и 42, соединенными как и эталонные обмотки с разъемными соединителями 43-46. Верхние отводы
обмоток 27, 40 соединены с разъемными соединителями 47, 48, к которым в режиме самокалибровки подключается нуль - индикатор 49.
вх
вх
вх
вх
вых
вх
Устройство работает следующим образом. Входное напряжение Uпоступает одновременно на обмотки 13 и 15. Ввиду того, что обмотка возбуждения 13, намотанная на одном сердечнике 11, имеет меньшую индуктивность, через нее протекает больший входной ток, чем ток декадной обмотки 15, намотанной как и обмотки 27, 28, 40 на обоих сердечниках 11 и 12. Ток возбуждения наводит в обмотках 15, 27, 28, 40 ЭДС, значения которых пропорциональны числу витков этих обмоток. Так, напряжение в каждой секции предыдущей обмотки с отводами 16-26 равно 0,1 U, а последующей обмотки с отводами 29-39 0,01 U. При указанных положениях переключателей 41 и 42 и соединителей 43, 44 на выходе устройства - на соединителе 46 напряжение равно 0,25 U, т.е. U=0,25 U. В режиме калибровки предыдущей и последующей декадных обмоток к разъемным соединителям 44, 47 и 48, 45 соответственно подсоединяется нуль-индикатор 49, по которому отсчитываются разностные напряжения между отводами эталонных обмоток и секций декадных обмоток.
Опытный экземпляр двухдекадного делителя был выполнен намоткой жгутов на ферромагнитные сердечники 80×50×20 мм из пермаллоя 79 НМ (магнитная проницаемость μ=120000, индукция В=0.4 Тл). Обмотка возбуждения 13 была изготовлена жгутом из двух проводов ПЭВ-2 диаметром
0.55 мм, число витков - 300. Из таких же проводов были выполнены обмотка первой декады 15 и эталонная обмотка 27. Третий жгут из одиннадцати проводов ПЭТВ-1 диаметром 0.18 мм, как и второй, был намотан на оба сердечника. Число витков 30.
Заметим, что каждый жгут был изготовлен путем равномерной скрутки проводов по всей их длине.
Погрешности определялись методом опорного потенциала [3] в режиме самокалибровки. В качестве нуль-индикатора 49 применялся дифференциальный указатель ДУ-16 с чувствительностью 10 нВ.
Таблица
ИНДУКТИВНЫЙ ДЕЛИТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ
Коэффициент передачи, К<sub>i</sub>
Относительная погрешность коэффициента передачи γK<sub>i</sub>·10<sup>-4</sup>%
1 кГц
10 кГц
Заявляемое устройство
Прототип
Заявляемое устройство
Прототип
0,1
-0,20
-0,30
-2,0
-3,0
0,2
-0,20
-0,20
-2,0
-3,0
0,3
0.20
-0,30
-1,7
2,0
0,4
0,15
0,30
-3,5
4,0
0,5
0,20
0,35
5,0
6,0
0,6
-0,20
0,25
5,0
-5,0
0,7
-0,15
-0,15
4,0
4,5
0,8
0,15
0,20
2,0
3,8
0,9
0,10
0,10
3,0
3,0
0,01
-0,60
-0,70
-7,0
-8,0
0,02
-0,30
-0,60
-5,0
-5,0
0,03
-0,40
-0,60
-2,0
3,0
0,04
-0,50
0,50
-3,5
5,0
0,05
0,60
0,90
-7,0
10
0,06
0,50
-0,60
5,0
6,0
0,07
0,30
0,50
3,0
4
0,08
0,40
0,40
3,0
4
0,09
-0,30
-0,50
1,5
2