ИНДУКТИВНЫЙ ДЕЛИТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ

Полезная модель относится к электроизмерительной технике и может быть использована в качестве высокоточного управляемого делителя напряжения переменного тока.
Известен индуктивный делитель напряжения [SU 920988 А1, МПК3 H02M 5/10, опубл. 15.04.1982], содержащий делительные обмотки с отводами, соединенные между собой через контакты основных коммутационных элементов, основной источник удвоенного напряжения, выполненный в виде дополнительной высокочастотной делительной обмотки, средний отвод которой через замыкающий контакт первого вспомогательного коммутационного элемента подключен ко входу делителя, а ее отводы через соответствующие замыкающие контакты основных и первого вспомогательного коммутационных элементов соединены с экранами этих элементов, и блок управления. Второй источник удвоенного напряжения выполнен в виде не-инвертирующего высокочастотного усилителя с коэффициентом усиления, равным двум, вход и выход которого через соответствующий замыкающий контакт второго вспомогательного коммутационного элемента соединены с выходом делителя и экранами всех коммутационных элементов соответственно.
Недостатком такого делителя является большая аддитивная погрешность в области нижних частот из-за падения напряжения на коммутационных элементах и соединительных проводах между делительными обмотками и ограниченная возможность его реализации из-за необходимости использования коммутационных элементов с металлическими экранами.
Известен индуктивный делитель напряжения [Melcher J. Programmable Precision IVD for the Audio Frequency Rang // IEEE Trans. on Instrum. and Meas. - 1993. - Vol.42, №2. - Р.627-629], содержащий первый тороидальный ферромагнитный магнитопровод с намагничивающей обмоткой с отводами, соединенными с замыкающими контактами реле первого электромеханического коммутатора, выход которого соединен с первым входом первого сумматора, второй соосно расположенный с первым тороидальный ферромагнитный магнитопровод. На обоих магнитопроводах размещены первая и вторая соединенные каскадно основные делительные обмотки, причем отводы первой делительные обмотки соединены с замыкающими контактами реле второго электромеханического коммутатора, выход которого соединен с входом второй делительные обмотки. Выход второй делительной обмотки соединен с вторым входом первого сумматора. Отводы дополнительной обмотки, намотанной на первом магнитопроводе, соединены с входом умножающего цифроаналогового преобразователя, выход которого соединен с первым входом второго сумматора. Второй вход этого сумматора соединен с выходом первого сумматора, а выход - с выходом устройства.
Недостатком такого делителя является технологическая сложность изготовления делительных обмоток и сравнительно большое значение выходного импеданса из-за использования двух сумматоров.
Известен индуктивный делитель напряжения [SU №1257530 A1, МПК4 G01R 15/06, опубл. 15.09.1986], выбранный в качестве прототипа, содержащий основной масштабирующий блок, выполненный в виде размещенных на одном магнитопроводе двух десятисекционных делительных обмоток с отводами, подключенными к контактам двух электромеханических коммутаторов, управляющие входы которых подключены к блоку управления. Вход преобразователя соединен с входом первой делительной обмотки, а один из ее выходов - с входом второй делительной обмотки. Третья делительная обмотка с отводами размещена на одном магнитопроводе с первой и второй делительными обмотками. Вход третьей делительной обмотки соединен с другим выходом первой делительной обмотки, взятым от вывода ее первой секции. Вход резистивного масштабирующего блока подключен к выходу третьей делительной обмотки, взятому от вывода ее первой секции. Выводы секции третьей делительной обмотки через первый электронный коммутатор соединены с одним входом первого сумматора. Выходы резистивного масштабирующего блока через второй электронный коммутатор подключены к второму входу первого сумматора. Управляющие входы обоих электронных коммутаторов подключены к блоку управления. Выход первого сумматора подключен к одному из входов второго сумматора, другой вход которого соединен с выходом второй делительной обмотки, а выход второго сумматора - с выходом преобразователя.
Устройству присущи следующие недостатки:
1. Увеличение погрешности устройства при малых значениях коэффициента передачи как на нижних, так и верхних частотах. Обусловлено это влиянием паразитных параметров электромеханических коммутаторов и соединительных проводов в основном масштабирующем блоке и ростом их реактивных сопротивлений на верхних частотах.
2. Использование двух последовательно включенных сумматоров, один из которых является электронным, а второй трансформаторным, усложняет конструкцию устройства.
Задачей полезной модели является повышение точности деления при малых значениях коэффициента передачи в широком диапазоне частот.
Поставленная задача достигается тем, что индуктивный делитель напряжения, также как в прототипе, содержит основной масштабирующий блок, состоящий из трех десятисекционных делительных обмоток с отводами, причем первая и вторая десятисекционные делительные обмотки размещены на одном магнитопроводе и подключены к контактам двух электромеханических коммутаторов, управляющие входы которых подключены к блоку управления, вход устройства соединен с входом первой делительной обмотки, а ее выход соединен с входом второй делительной обмотки, выход сумматора соединен с выходом устройства.
Согласно полезной модели в основном масштабирующем блоке третья десятисекционная делительная обмотка размещена на втором магнитопроводе. Выход второй делительной обмотки соединен с входом третьей делительной обмотки, отводы которой через контакты третьего электромеханического коммутатора соединены с первым входом мультиплексора, второй вход которого соединен с нижним отводом первой делительной обмотки. Выход мультиплексора подключен к первому входу сумматора, второй вход которого соединен с выходом цифроаналогового преобразователя, вход которого подключен к выходу изолированной обмотки, размещенной на одном магнитопроводе с первой и второй делительными обмотками. Управляющие входы мультиплексора, цифроаналогового преобразователя и третьего электромеханического коммутатора подключены к блоку управления.
На фиг.1 представлена функциональная схема индуктивного делителя напряжения.
В таблице 1 приведены относительные погрешности коэффициента передачи заявляемого устройства и прототипа для диапазона изменения коэффициента передачи трех старших декад.
В таблице 2 приведены относительные погрешности коэффициента передачи заявляемого устройства и прототипа для диапазона изменения коэффициента передачи трех младших декад.
Индуктивный делитель напряжения содержит первую десятисекционную делительную обмотку 1, размещенную на первом магнитопроводе 2 и вход которой соединен с входом устройства, а отводы 3-13 через контакты реле 14-26 первого электромеханического коммутатора 27 соединены с входом второй десятисекционной делительной обмотки 28, размещенной на первом магнитопроводе 2, ее отводы 29-39 через контакты реле 40-52 второго электромеханического коммутатора 53 соединены с входом третьей десятисекционной делительной обмотки 54, размещенной на втором магнитопроводе 55, отводы 56-66 которой через контакты реле 67-77 третьего электромеханического коммутатора 78 подключены к первому входу 79 мультиплексора 80 (М). Второй вход 81 мультиплексора 80 (М) соединен с нижним отводом 3 первой делительной обмотки 1. Выход 82 мультиплексора 80 (М) соединен с первым входом 83 сумматора 84 (С), выход 85 которого соединен с выходом устройства. Второй вход 86 сумматора 84 (С) подключен к выходу цифроаналогового преобразователя 87 (ЦАП), низкопотенциальный 88 и высопотенциальный 89 входы которого подключены к выходу изолированной обмотки 90. Управляющие входы 91, 92, 93 соответственно первого 27, второго 53, третьего 78 электромеханических коммутаторов, вход 94 мультиплексора 80 (М) и вход 95 цифроаналогового преобразователя 87 (ЦАП) подключены к блоку управления 96 (БУ).
вх
вх
вх
вх
вх
Устройство работает следующим образом. В режиме установки больших значений коэффициента передачи входное напряжение U поступает на основной масштабирующий блок, в котором десятисекционные делительные обмотки 1, 28 и 54 соединены каскадно по схеме Кельвина-Варлея. Так как десять секций первой делительной обмотки 1 расположены на первом сердечнике 2, то в каждой из них наводится электродвижущая сила, равная 0,1 U. Таким образом, на отводах 3-13 дискретность напряжения равна 0,1 U. Коэффициент передачи первой делительной обмотки 1 устанавливается блоком управления 96 (БУ) путем замыкания контактов реле 14-26 первого коммутатора 27. При этом, если коэффициент передачи четный, то замыкаются два соседних контакта из контактов реле 14-24. Например, при коэффициенте передачи 0,4 замыкаются контакты реле 18 и 19. В случае нечетного коэффициента передачи замыкаются два соседних контакта из контактов реле 14-24 и переключаются контакты реле 25, 26. Например, при коэффициенте передачи 0,7 замыкаются контакты реле 21 и 22 и переключаются контакты реле 25, 26. Последние обеспечивают согласное включение второй делительной обмотки 28 параллельно секции первой делительной обмотки 1. На отводах 29-39 второй делительной обмотки 28 дискретность напряжения равна 0,01 U. Это напряжение через два замкнутых контакта из контактов реле 40-50 и переключающие контакты реле 51, 52 второго коммутатора 53 поступает на третью делительную обмотку 54. Десять секций этой обмотки расположены на втором магнитопроводе 55, поэтому на отводах 56-66 дискретность напряжения равна 0,00 U. В отличие от первых двух коммутаторов 27, 53 в третьем коммутаторе 78 замыкается только один из контактов реле 67-77. Таким образом, напряжение на выходе основного масштабирующего блока, поступающее на первый вход 79 мультиплексора 80 (М) равно
79
п1
п2
п3
вх
1
вх
U=(K+0,1K+0,01K)U=KU,
п1
где K - коэффициент передачи первой делительной обмотки 1;
п2
K - коэффициент передачи второй делительной обмотки 28;
п3
K - коэффициент передачи третьей делительной обмотки 54;
1
K - коэффициент передачи основного масштабирующего блока.
1
79
В режиме установки больших значений коэффициента передачи (малых ослаблений), т.е. когда K≠0, мультиплексор 80 (М) находится в состоянии, указанном на фиг.1, и на его выходе 82 будет напряжение U. Далее это напряжение поступает на первый вход 83 сумматора 84 (С), выполненного, например, в виде двухобмоточного трансформатора. На второй вход 86 сумматора 84 (С) поступает напряжение дополнительного канала, образованного из изолированной обмотки 90 и цифроаналогового преобразователя 87 (ЦАП).
В дополнительном канале за счет общего магнитного потока в изолированной обмотке 90 наводится электродвижущая сила, являющаяся источником входного напряжения для цифроаналогового преобразователя 87 (ЦАП). Это напряжение поступает на высоко- и низкопотенциальные входы 89, 88 цифроаналогового преобразователя 87 (ЦАП), выходное напряжение которого поступает на второй вход 86 сумматора 84 (С) и равно
86
90
цап
вх
U=KKU,
90
где K - коэффициент передачи трансформатора, образованного из изолированной обмотки 90 и первой делительной обмотки 1;
цап
K - коэффициент передачи цифроаналогового преобразователя 87 (ЦАП).
Напряжение на выходе 85 сумматора 84 (С) равно
85
п1
п2
п3
4
90
цап
вх
U=(K+0,1K+0,01K+KKK)U,
4
где K - коэффициент передачи сумматора 84 (С) по второму входу.
90
4
Если K=0,1 и K=0,01, то
85
п1
п2
п3
цап
вх
U=(K+0,1K+0,01K+0,001K)U.
Из этой формулы следует, что в устройстве с помощью делительных обмоток 1, 28, 54 реализуются три старшие декады, а посредством цифроаналогового преобразователя 87 (ЦАП) - младшие декады. При десятиразрядном ЦАП, коэффициент передачи которого изменяется в пределах 0,001…0,999, образуется шестидекадный индуктивный делитель напряжения с дискретностью изменения коэффициента передачи, равной 0,000001.
Таким образом, в режиме малых ослаблений диапазон изменения коэффициента передачи, устанавливаемого цифровыми кодами от блока управления 96 (БУ) на управляющих входах 91, 92 и 93 первого 27, второго 53 и третьего 78 коммутаторов соответственно, 94 мультиплексора 80 (М) и 95 цифроаналогового преобразователя 87 (ЦАП), зависит только от основного масштабирующего блока и лежит в пределах 0,001000 до 1,000000, т.е. равен 60 дБ. В прототипе этот диапазон равен 40 дБ, так как коэффициент передачи устанавливается коммутацией отводов лишь первой и второй делительных обмоток.
Выходное напряжение устройства запишется в виде
п
где K - общий коэффициент передачи устройства;
1
K - коэффициент передачи основного масштабирующего блока;
2
K - коэффициент передачи дополнительного канала;
3
K - коэффициент передачи мультиплексора 80 (М);
4
K - коэффициент передачи сумматора 84 (С);
вых0
U - аддитивная погрешность, обусловленная напряжением прямого прохождения на выходе основного масштабирующего блока.
Если для идеального основного масштабирующего блока
вых0
U=0,
то в реальном случае
0
где U - напряжение нижнего отвода 3 первой делительной обмотки 1;
кс
U - падение напряжения на замкнутых контактах реле трех электромеханических коммутаторов 27, 53, 78 и межкаскадных соединительных проводах основного масштабирующего блока.
В режиме установки малых значений коэффициента передачи (больших ослаблений), т.е. когда коэффициент передачи основного масштабирующего блока устанавливается равным нулю, тракт формирования выходного напряжения состоит из изолированной обмотки 90, цифроаналогового преобразователя 87 (ЦАП), мультиплексора 80 (М) и сумматора 84 (С). В этом режиме управляющим сигналом с блока управления 96 (БУ) осуществляется переключение мультиплексора 80 (М), вследствие чего на его выход 82 проходит сигнал со второго входа 81, т.е. напряжение нижнего отвода 3 первой делительной обмотки 1. Это напряжение, поступающее на первый вход 83 сумматора 84 (С), суммируется с выходным напряжением цифроаналогового преобразователя 87 (ЦАП).
Напряжение на выходе устройства равно
пм
где K - коэффициент передачи устройства при его малых значениях.
0
вых0
Так как U<<U, то аддитивная погрешность значительно уменьшается.
вых0
Мультипликативная погрешность устройства при больших значениях коэффициента передачи, т.е. относительная погрешность коэффициента передачи, полученная из выражения (1) при U=0, запишется в виде
н1
где K - номинальный коэффициент передачи основного масштабирующего блока;
н2
K - номинальный коэффициент передачи дополнительного канала;
н3
K - номинальный коэффициент передачи мультиплексора 80 (М);
н4
K - номинальный коэффициент передачи сумматора 84 (С);
1
δK - относительная погрешность коэффициента передачи основного масштабирующего блока;
2
δK - относительная погрешность коэффициента передачи дополнительного канала;
3
δK - относительная погрешность коэффициента передачи мультиплексора 80 (М);
4
δK - относительная погрешность коэффициента передачи сумматора 84 (С).
В тоже время относительная погрешность коэффициента передачи прототипа определяется по формуле
н6
где K - номинальный коэффициент передачи делителя, состоящего из первой и второй делительных обмоток;
н7
K - номинальный коэффициент передачи резистивного масштабирующего блока;
н8
K - номинальный коэффициент передачи первого сумматора;
н9
K - номинальный коэффициент передачи второго сумматора;
н10
K - номинальный коэффициент передачи третьей делительной обмотки;
6
δK - относительная погрешность коэффициента передачи делителя, состоящего из первой и второй делительных обмоток;
7
δK - относительная погрешность коэффициента передачи резистивного масштабирующего блока;
8
δK - относительная погрешность коэффициента передачи первого сумматора;
9
δK - относительная погрешность коэффициента передачи второго сумматора;
10
δK - относительная погрешность коэффициента передачи третьей делительной обмотки.
н1
н1
н2
н4
п
Анализ выражения (4) показывает, что при больших значениях коэффициентах передачи, т.е. при K≠0, K>>K и K=0,01 погрешность коэффициента передачи δK определяется в основном погрешностью основного масштабирующего блока и мультиплексора 80 (М), и в меньшей степени погрешностями дополнительного канала и сумматора 84 (С).
н6
н6
н7
н9
ппр
Из формулы (5) следует, что в прототипе при условиях K≠0 и K>>K и K=0,01 основной вклад в погрешность коэффициента передачи δK вносит также делитель, состоящий из первой и второй делительных обмоток. Однако, влиянием других четырех блоков: резистивного масштабирующего блока, двух сумматоров, третьей делительной обмотки пренебречь нельзя, так как эти погрешности сопоставимы с погрешностями трех блоков - мультиплексора 80 (М), цифроаналогового преобразователя 87 (ЦАП) и сумматора 84 (С) заявляемого устройства. Таким образом, точность заявляемого устройства при больших значениях коэффициентах передачи не хуже точности прототипа.
Однако, в области верхних частот в прототипе увеличивается погрешность третьей делительной обмотки из-за подключения ее к первому отводу первой делительной обмотки, на котором погрешность наибольшая по сравнению с погрешностями на других отводах.
Основное преимущество заявляемого устройства проявляется при малых значениях коэффициентах передачи, т.е. когда коэффициент передачи основного масштабирующего блока устанавливается равным нулю.
Из (3) после преобразования получим
пм
2
4
δK=δK+δK.
Отсюда погрешность устройства зависит от погрешностей дополнительного канала и сумматора 84 (С).
н6
Для относительной погрешности коэффициента передачи прототипа при K=0 из (5) получим следующую формулу
.
н1
н10
ппрм
7
8
9
н7
н10
ппрм
8
9
10
Отсюда при K>>K получим δK=δK+δK+δK, а при K<<K имеем δK=δK+δK+δK.
Из последних выражений видно, что мультипликативная погрешность прототипа зависит не только от погрешностей резистивного масштабирующего блока и второго сумматора, но и от первого сумматора и третьей декады.
Таким образом, из-за большего числа источников погрешностей, а также коммутации отводов третьей делительной обмотки электронными коммутаторами с большими сопротивлениями открытых каналов, мультипликативная погрешность прототипа больше такой же составляющей заявляемого устройства.
выхпр0
выхпр0
вых0
выхпр0
0
выхпр0
кс
Аддитивная погрешность прототипа U определяется напряжением прямого прохождения делителя, состоящего из первой и второй делительных обмоток, и U≈U. Значение этого напряжения постоянно и не зависит от устанавливаемого коэффициента передачи. Так как U>>U, то и аддитивная погрешность прототипа при больших ослаблениях больше, чем у заявляемого устройства. Кроме того, аддитивная погрешность прототипа U с ростом частоты увеличивается. Это видно из формулы (2), где второе слагаемое - напряжение U на верхних частотах увеличивается из-за увеличения реактивного сопротивления замкнутых контактов реле электромеханических коммутаторов и межкаскадных соединительных проводов делителя, состоящего из первой и второй делительных обмоток.
Таким образом, в заявляемом устройстве введение мультиплексора 80 (М), первый вход 79 которого соединен с выходом основного масштабирующего блока, делительные обмотки 1, 28, 54 которого переключаются электромеханическими коммутаторами 27, 53, 78, а второй вход 81 соединен с нижним отводом 3 первой делительной обмотки 1, уменьшает аддитивную и мультипликативную погрешности индуктивного делителя напряжения, вследствие чего повышается точность деления напряжения устройства при малых коэффициентах передачи в широком диапазоне частот.
Наряду с высокой точностью заявляемое устройство отличается сравнительно простой реализацией с использованием современной прецизионной микроэлектронной элементной базы, что в некоторой степени уменьшает и массогабаритные показатели. Кроме этого, использование электромеханических коммутаторов вместо низковольтных электронных, позволяет устройству работать при больших уровнях входного напряжения (в 10…20 раз больше, чем у прототипа).
Опытный экземпляр индуктивного делителя напряжения был выполнен на трех ферромагнитных тороидальных магнитопроводах из аморфного железа ГМ33ДС (магнитная проницаемость µ=200000, индукция B=0.4 Тл). На первом магнитопроводе 2 размеров 70×40×20 мм намотаны первая 1 и вторая 28 делительные обмотки, причем первая 1 изготовлена жгутом из 10 равномерно скрученных в жгут проводов ПЭТВ-1 диаметра 0,33 мм, число витков - 300, а вторая делительная обмотка 28 - жгутом из 10 равномерно скрученных в жгут проводов ПЭТВ-1 диаметра 0,18 мм, число витков - 30. На этом же магнитопроводе 2 проводом ПЭТВ-1 диаметра 0,33 мм намотана изолированная обмотка 90 с число витков 30. На втором магнитопроводе 55 размеров 45×25×10 мм намотана третья делительная обмотка 54 жгутом из десяти равномерно скрученных проводов ПЭТВ-1 диаметра 0,23 мм, число витков - 100. На третьем магнитопроводе размеров 40×25×5 мм намотаны первичная и вторичная обмотки сумматора 84 (С) проводом ПЭТВ-1 диаметра 0,18 мм с числом витков 100 и 1 соответственно.
Цифроаналоговый преобразователь 87 (ЦАП) выполнен на микросхеме AD7847AR, представляющей собой 12-ти разрядный ЦАП со встроенным операционным усилителем.
В качестве электромеханических коммутаторов 27, 53, 78 и мультиплексора 80 (М) использовались электромагнитные реле TQ2-5v с переключающими контактами.
Блок управления 96 (БУ) выполнен на основе микроконтроллера Atmega 128, программируемой логической интегральной схеме EPM3512QQC208-10, оптроне TLP 127.
Погрешности заявляемого устройства и прототипа определялись методом сравнения с мерой - эталонным шестидекадным индуктивным делителем напряжения, входящим в состав измерительной установки В1-20. На входы устройств подавалось напряжение 10 В среднеквадратического значения с генератора синусоидальных сигналов Г3-109. В качестве нуль-индикатора применялся дифференциальный указатель ДУ-2010 с чувствительностью 10 нВ.
Как видно из таблицы 1 на частоте 1 кГц в диапазоне изменения коэффициента передачи первой и второй декад, т.е. 0,011111…0,999999, отличие в погрешностях заявляемого устройства и прототипа незначительно. Однако, при работе третьих декад, т.е. в диапазоне 0,001111…0,009999 погрешности заявляемого устройства в 1,6 раз меньше. На верхней частоте 10 кГц также наблюдается снижение погрешности заявляемого устройства в 1,2…1,8 раза.
Из таблицы 2 видно, что в диапазоне изменения коэффициента передачи трех младших декад, т.е. 0,000001…0,000999, отличие в погрешностях обоих сравниваемых устройств более существенно. Так на частотах 1 кГц и 10 кГц погрешности заявляемого устройства в 1,3…3,0 раза меньше по сравнению с прототипом.
ИНДУКТИВНЫЙ ДЕЛИТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ
Таблица 1
Коэффициент передачи, K<sub>п</sub>
Относительная погрешность коэффициента передачи, |δK<sub>п</sub>|, %
1 кГц
10 кГц
Заявляемое устройство
Прототип
Заявляемое устройство
Прототип
0,999999
0,0004
0,0005
0,0050
0,0070
0,777777
0,0003
0,0004
0,0040
0,0050
0,555555
0,0005
0,0004
0,0070
0,0080
0,333333
0,0003
0,0003
0,0060
0,0070
0,111111
0,0005
0,0005
0,0120
0,0100
0,099999
0,0010
0,0008
0,0300
0,0250
0,077777
0,0015
0,0013
0,0250
0,0320
0,055555
0,0035
0,0040
0,0450
0,0520
0,033333
0,0040
0,0050
0,0600
0,0650
0,011111
0,0055
0,0060
0,1000
0,1200
0,009999
0,0080
0,0130
0,1500
0,2100
0,007777
0,0100
0,0125
0,2400
0,4400
0,005555
0,0150
0,0240
0,4000
0,6000
0,003333
0,0200
0,0350
0,5500
0,7500
0,001111
0,0250
0,0450
0,7500
1,2000
ИНДУКТИВНЫЙ ДЕЛИТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ
Таблица 2
Коэффициент передачи, K<sub>п</sub>
Относительная погрешность коэффициента передачи |δK<sub>п</sub>|, %
1 кГц
10 кГц
Заявляемое устройство
Прототип
Заявляемое устройство
Прототип
0,000999
0,1
0,1
1,0
3,0
0,000777
0,1
0,3
1,0
3,2
0,000555
0,2
0,4
2,2
3,6
0,000333
0,2
0,6
2,6
4,7
0,000111
0,3
1,0
4,0
10,0
0,000099
1,0
3,0
5,0
9,0
0,000077
3,0
4,0
10,0
30,0
0,000055
5,0
6,0
15,0
35,0
0,000033
7,0
10,0
20,0
40,0
0,000011
10,0
30,0
35,0
50,0
0,000009
15,0
20,0
40,0
60,00
0,000007
20,0
40,0
70,0
90,0
0,000005
25,0
70,0
80,0
120,0
0,000003
30,0
90,0
90,0
150,0
0,000001
45,0
130,0
120,0
200,0