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, содержащий каскады, выполненные в виде двухступенчатых трансформаторов на двух ферромагнитных сердечниках [Патент RU №39001, MПK H 01 F 21/12. Опубл. 10.07.2004, Бюл. №19 - 2 с.]. 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. 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.
Недостатком такого делителя является увеличение погрешности коэффициента передачи на высоких частотах (свыше 10 кГц) из-за сравнительно больших значений выходных импедансов делительных обмоток и взаимовлияния (шунтирования) предыдущей и последующей декад.
7
Известен также многодекадный индуктивный делитель напряжения [Патент RU №2223564 MПК H 01 F 21/12. Опубл. 10.02.2004, Бюл. №4 - 18 с.], содержащий предыдущую и последующую декады, каждая из которых выполнена
из первой и второй дополнительных пятисекционных обмоток с отводами, соединенных согласно и последовательно между собой, и основной десятисекционной обмотки, начало, конец и средний отвод которой соединены соответственно с началом первой, концом второй и общей точкой соединения дополнительных пятисекционных обмоток, многопозиционные переключатели. У предыдущей и последующей декад, размещенных на общем ферромагнитном сердечнике, отводы крайних секций основной десятисекционной обмотки, первой и второй дополнительных пятисекционных обмоток соединены между собой, при этом в предыдущей декаде конец третьей и начало четвертой дополнительных шестисекционных обмоток соединены со средним отводом основной десятисекционной обмотки, а остальные отводы, за исключением крайних отводов, соединены с соответствующими отводами первой и второй дополнительных пятисекционных обмоток
Недостатком такого делителя является увеличение погрешности коэффициента передачи на низких частотах из-за шунтирования последующей декадой предыдущую декаду, а на высоких частотах из-за сравнительно больших значений выходных импедансов на отводах предыдущей декады и шунтирующего влияния нагрузки.
2
Известен индуктивный делитель напряжения [А.с. СССР №1049991, МКИ H 01 F 21/12. Опубл. 23.10.1983, Бюл. №39. - 4с.], выбранный в качестве прототипа, содержащий предыдущую и последующую декады на ферромагнитных сердечниках, на каждом из которых размещены первая и вторая дополнительные обмотки с отводами, соединенные согласно и последовательно между собой, третья и четвертая дополнительные обмотки, аналогичные первой и второй, и основная обмотка, средний которой соединен с общей точкой дополнительных обмоток, причем число секций и число витков каждой дополнительной обмотки в два раза меньше числа секций и числа витков основной обмотки, начало и конец которой соединены с началами первой и третьей дополнительных обмоток и концами второй и четвертой дополнительных обмоток соответственно, а одноименные отводы первой и
третьей, второй и четвертой дополнительных обмоток соединены между собой.
Устройству присущи следующие недостатки:
1. Несмотря на малую погрешность коэффициента передачи основной обмотки, представляющей собой двоичный делитель, не удается полностью симметрировать, т.е. обеспечить независимость верхней и нижней половин декадной обмотки (только независимые пятисекционные субделители и позволяют достигнуть высокой точности декады во всем рабочем диапазоне частот). Это обусловлено сравнительно высоким выходным импедансом основной обмотки, состоящим из активного сопротивления и индуктивности рассеяния, соединенных последовательно.
2. В области нижних частот из-за шунтирования декад друг друга и нагрузкой выхода индуктивного делителя напряжения увеличивается погрешность делителя на всех выходных отводах декад. Это обусловлено сравнительно высокими выходными активными сопротивлениями декад.
3. На верхнем поддиапазоне частот выходной импеданс определяется реактивной составляющей - индуктивностью рассеяния, которая имеет максимальное значение на среднем, пятом отводе каждой декады. Это приводит к росту погрешности коэффициента передачи при емкостной нагрузке, подключаемой к выходу индуктивного делителя напряжения.
Задачей полезной модели является повышение точности деления в широком диапазоне частот за счет уменьшения выходных импедансов декад.
Поставленная задача достигается за счет того, что в индуктивном делителе напряжения, также как в прототипе, содержащем предыдущую и последующую декады на ферромагнитных сердечниках, на каждом из которых размещены первая и вторая дополнительные обмотки с отводами, соединенные согласно и последовательно между собой, третья и четвертая дополнительные обмотки, аналогичные первой и второй, и основная обмотка, причем число секций и число витков каждой дополнительной обмотки в два раза меньше числа секций и числа витков основной обмотки, начало и конец которой
соединены с началами первой и третьей дополнительных обмоток и концами второй и четвертой дополнительных обмоток соответственно, а одноименные отводы первой и третьей, второй и четвертой дополнительных обмоток соединены между собой. Согласно полезной модели каждая декада дополнительно содержит неинвертирующий усилитель напряжения с коэффициентом усиления, равным единице, при этом вход каждого усилителя соединен со средним отводом своей основной обмотки декады, а выход усилителя соединен с общей точкой соединения дополнительных обмоток декады.
Погрешность выходного напряжения заявляемого устройства определяется погрешностью декадных обмоток, погрешностью, обусловленной их взаимовлиянием, а также шунтированием выхода индуктивного делителя напряжения нагрузкой. В большей степени эти погрешности зависят от точности основной обмотки как двоичного делителя и ее выходного импеданса. В устройстве повышение точности деления напряжения достигается уменьшением выходных импедансов основных и декадных обмоток декад при помощи неинвертирующих усилителей напряжения.
Как известно, современные неинвертирующие усилители напряжения с коэффициентом усиления, равным единице, представляют собой точные интегральные усилители с высокими метрологическими характеристиками [Гутников B.C. Интегральная электроника в измерительных устройствах. - Л.: Энергоатомиздат, 1988. - С.30]. В этих усилителях за счет внутренних цепей отрицательной обратной связи обеспечивается высокая стабильность коэффициента усиления, большое входное (более 10 МОм) и малое выходное (менее 0,01 Ом) сопротивления [Уитсон Дж. 500 практических схем на ИС/Пер. с англ. под ред. В.А.Логинова. - М.: Мир, 1992. - С.119]. Такое низкое выходное сопротивление трудно обеспечить в основной обмотке, так как требуется применение проводов большого диаметра, увеличивающих жесткость жгута.
Низкое выходное сопротивление усилителя позволяет уменьшить и выходные импедансы на отводах декадной обмотки. На фиг.1 приведена эквивалентная
н
в
вых
вых
схема декадной обмотки, симметрированной двоичным делителем, для области нижних частот 20 Гц...10 кГц. Выходные активные сопротивления отводов n нижней r (n) и верхней r (n) половин определяются следующим образом
0
где r - выходное активное сопротивление основной обмотки;
i
j
r, r - активные сопротивления проводов секций верхней и нижней половин декадной обмотки соответственно;
i,j - номера секций верхней и нижней половин соответственно (i=, j=);
n - номер отвода декадной обмотки (n=).
i
j
В табл. 1 приведены результаты расчетов по (1) и (2) выходных активных сопротивлений декадной обмотки прототипа и заявляемого устройства при r=r=0,06 Ом.
Как видно из табл. 1 заявляемое устройство имеет в 1,1...11 раз меньшие выходные активные сопротивления по сравнению с прототипом, что подтверждается данными эксперимента (отличие от расчетных менее 10%). Так как схема, приведенная на фиг.1, и выражения (1), (2) справедливы и для расчета реактивной составляющей выходного импеданса, то во столько же раз уменьшаются выходные индуктивности рассеяния. Последние в большей степени определяют выходные импедансы делителей на высоких частотах.
В заявляемом устройстве уменьшение выходного импеданса основной обмотки приводит к уменьшению погрешностей декадной обмотки, обусловленных неравенством параметров секций дополнительных обмоток верхней и нижней половин декады.
Представим индуктивности секций верхней и нижней половин в виде
i
срв
i
j
срн
j
L=L+ΔL, L=L+ΔL,
cpв
срн
где L, L - средние значения индуктивностей секций верхней и нижней половин декады;
i
j
ΔL, ΔL - отклонения индуктивностей секций от их средних значений.
Заметим, что коэффициент передачи декадного индуктивного делителя напряжения определяется в виде
вх
где U - входное напряжение;
вых n
U - выходное напряжение на отводе n;
n
К=0,1 n - номинальный коэффициент передачи;
γК(n) - относительная погрешность коэффициент передачи.
н
в
Тогда из фиг.1 получаем следующие выражения относительных погрешностей коэффициентов передач для нижней γK(n) и верхней γК(n) половин декады
о
где l - выходной импеданс усилителя.
о
В предельном случае при l=0 из (3), (4) получим:
o
вх
н
н
в
в
o
o
Из этих выражений следует, что при выходном импедансе усилителя равном нулю погрешности коэффициентов передач на отводах нижней и верхней половин декадной обмотки обусловлены только неидентичностью параметров своей половины и не зависят от параметров другой. С физической точки зрения при l=0 декадный делитель можно рассматривать как два последовательно соединенных независимых субделителя, на вход каждого из которых подается напряжение 0,5U и предельная точность которых определяется параметрами собственных секций. Сравнивая выражение (5) с (3) и (6) с (4), видно, что γK (n)<γК(n), γК (n)<γК(n), т.е. в заявляемом устройстве уменьшены погрешности, обусловленные неравенством параметров секций дополнительных обмоток верхней и нижней половин декады. Вследствие этого повышается точность и всей декады.
В заявляемом устройстве уменьшение выходных импедансов предыдущей декады приводит к снижению составляющей погрешности, обусловленной взаимовлиянием декад, как на низких, так и на высоких частотах. Напряжения с выходных отводов предыдущей декады поступают на вход последующей с меньшими потерями, чем в прототипе.
Заявляемое устройство обладает и лучшей нагрузочной способностью. Действительно, при номинальном коэффициенте передачи двухдекадного делителя
n,m
вых n,m
К=0,1n+0,01m(n= и m= - номера отводов предыдущей и последующей декад) выходной импеданс Z двухдекадного делителя определяется по формуле
вых n,m
вых n
вых m
Z=Z+Z,
вых n
вых m
где Z, Z - выходные импедансы предыдущей и последующей декад.
вых n,m
В заявляемом устройстве введение усилителей уменьшает выходные импедансы предыдущей и последующей декад и в том числе на среднем, пятом отводе каждой декады. Тогда из-за малого значения Z нагрузка меньше шунтирует выход индуктивного делителя напряжения во всем рабочем диапазоне частот, и, следовательно, повышается его точность. Эти выводы подтверждаются данными эксперимента, приведенными в табл. 2 при активной и емкостной нагрузке 10 кОм, 1000 пФ. Как видно из табл. 2 относительная погрешность коэффициента передачи заявляемого устройства на частоте 20 Гц в 1,25...3 раза, а на частоте 100 кГц в 1,2...10 раз меньше погрешностей прототипа.
Таким образом, в заявляемом устройстве введение в каждую декаду неинвертирующего усилителя напряжения с коэффициентом усиления, равным единице, и соединение входа каждого усилителя со средним отводом своей основной обмотки, а его выхода - с общей точкой соединения дополнительных обмоток декады уменьшает выходные импедансы декад и всего делителя в целом, вследствие чего повышается точность деления напряжения в широком диапазоне частот.
На фиг.1 представлена эквивалентная схема декадной обмотки для области нижних частот.
На фиг.2 приведена принципиальная схема индуктивного делителя напряжения.
В табл. 1 представлены значения выходных активных сопротивлений декад заявляемого устройства и прототипа.
В табл. 2 приведены относительные погрешности коэффициента передачи заявляемого устройства и прототипа при активной и емкостной нагрузке 10 кОм, 1000 пФ.
Индуктивный делитель напряжения (фиг.2) представляет собой двухдекадный делитель напряжения, содержащий предыдущую и последующую декады, размещенные на ферромагнитных сердечниках 11 и 12. Предыдущая декада состоит из основной обмотки 13, четырех дополнительных обмоток 14-17. Основная обмотка 13 выполнена жгутом из двух равномерно скрученных изолированных проводов, соединенных согласно и последовательно. От места соединения выполнен отвод 18. Из второго десятипроводного жгута выполняются дополнительные вторая 14 и четвертая 15 пятисекционные обмотки с числом секций и числом витков в два раза меньше числа секций и числа витков основной обмотки. Из третьего десятипроводного жгута выполняются дополнительные первая 16 и третья 17 пятисекционные обмотки. Одноименные отводы обмоток 14 и 15, 16 и 17 попарно соединены и являются выходными отводами 19-29 предыдущей декады. Начало основной обмотки соединено с началами обмоток 16, 17. Средний отвод 18 основной обмотки соединен с входом неинвертирующего усилителя напряжения 30, коэффициент усиления которого равен единице. Выход усилителя соединен с общей точкой соединения дополнительных обмоток 14-17. Конец основной обмотки 13 соединен с концами обмоток 14, 15. Последующая декада выполнена аналогично и состоит из основной обмотки 31 и дополнительных пяти-секционных обмоток 32-35 с выходными отводами 36-46. Средний отвод 47 обмотки 31 соединен с входом второго неинвертирующего усилителя напряжения 48, аналогичного первому усилителю. Выход усилителя 48 соединен со средним отводом 41 декадной обмотки. В отличие от предыдущей входы последующей декады соединены не с источником входного напряжения, а с многопозиционным спаренным переключателем 49, коммутирующим выходные отводы предыдущей декады. Отводы последующей декады соединены
вых
с многопозиционным переключателем 50, с которого снимается выходное напряжение U.
вx
вх
вх
вх
вх
вх
вх
вх
вх
вх
вых
вх
Устройство работает следующим образом. Входное напряжение U поступает одновременно на основную обмотку 13 и дополнительные обмотки 14-17, так как они выполнены на одном сердечнике 11. Обмотка 13 представляет собой двоичный делитель, поэтому на ее среднем отводе 18 будет напряжение 0,5U. Это напряжение поступает на вход усилителя 30. Так как коэффициент усиления последнего равен единице, то на его выходе также будет напряжение 0,5U, т.е. усилитель 30 работает в режиме повторителя напряжения. Выходное сопротивление повторителя в рабочем диапазоне частот 20 Гц...100 кГц не превышает 0,01 Ом, т.е. пренебрежимо мало, поэтому повторитель представляет собой идеальный источник напряжения 0,5U. Это напряжение поступает на верхние 14, 15 и нижние 16, 17 обмотки. Так как число секций субделителей равно пяти, то напряжение каждой секции составляет 0,1U. Таким образом на отводах 19-29 дискретность выходного напряжения первой декады равна 0,1U. Это напряжение с помощью переключателя 49 поступает на вход последующей декады, т.е. на обмотки 31-35. Общий магнитный поток в сердечнике 12 наводит в этих обмотках ЭДС, пропорциональные числу их витков. Напряжения секций обмоток 32-35 равны 0,01U, напряжение на отводе 47 относительно начал обмоток 31, 34 и 35-0,05U. Далее напряжение со среднего отвода 47 основной обмотки 31 поступает на вход второго усилителя 48. С выхода последнего напряжение подается на среднюю точку 41 декадной обмотки. Из-за малого выходного сопротивления усилителя напряжение на среднем отводе 41 относительно начал обмоток 34, 35 и концов обмоток 32, 33 с высокой точностью равно 0,05U. Это напряжение делится пятисекционными обмотками с дискретностью 0,01U. При указанных положениях переключателей 49, 50 на выходе индуктивного делителя напряжения будет U=0,35U.
Опытный экземпляр двухдекадного делителя был выполнен на ферромагнитных тороидальных сердечниках 80×50×20 мм из пермаллоя 79 НМ
(магнитная проницаемость μ=120000, индукция В=0.4 Тл). Декады изготавливались одинаково. Основная обмотка 13 была выполнена жгутом из двух проводов ПЭТВ-2 диаметра 0,25 мм, число витков - 300. Первая 16 и третья 17 дополнительные обмотки были изготовлены из десяти равномерно скрученных в жгут проводов ПЭТВ-2 диаметра 0,25 мм. Из аналогичного жгута выполнены вторая 14 и четвертая 15 дополнительные обмотки. Число витков дополнительных обмоток 150. Усилители напряжения 30 и 48 с коэффициентом усиления равным единице были выполнены на интегральном операционном усилителе 140УД26А.
Погрешности определялись методом сравнения с мерой - эталонным шестидекадным индуктивным делителем напряжения, входящим в состав измерительной установки К2-41. На входы делителей подавалось напряжение 5В амплитудного значения с генератора синусоидальных сигналов ГЗ-109. В качестве нуль-индикатора применялся дифференциальный указатель ДУ-16 с чувствительностью 10 нВ.