УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОВЕРКИ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КОМПАРИРУЮЩИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ НАПРЯЖЕНИЯ
CALIBRATION DEVICE OF THERMOELECTRIC COMPARING VOLTAGE CONVERTERS

Предлагаемое изобретение относится к электроизмерительной технике и предназначено для использования при поверочных и эталонных измерениях в широком диапазоне измеряемых напряжений и частот.
Известно устройство в виде набора термоэлектрических компарирующих преобразователей [Williams E.S. Thermal Voltage Converters and Comparator for Very Accurate Voltage Measurements // Calibration Fluke Seminar, 1976, p.39-48], которое обеспечивает поверку путем последовательного сравнения показаний каждого из ряда по номинальному напряжению термоэлектрических компарирующих преобразователей напряжения с показаниями предыдущих в ряду указанных преобразователей. Например, показания преобразователей на 20, 30, 50, 100, 200, 300, 500, 1000 В сравниваются соответственно с показаниями преобразователей на 10, 20, 30, 50, 100, 200, 300, 500 В при их номинальных напряжениях, то есть при пониженных напряжениях. При этом чувствительность преобразователей снижается по квадратичному закону, что приводит к погрешности преобразователей, обусловленной снижением их чувствительности.
В [Hermach F.L., Williams E.S. Thermal Voltage Converters for Accurate Voltage Measurements to 30 megacycles per second // Communication and electronics. - 1960, July. Pp.200-206] для компенсации частотной погрешности термоэлектрических компарирующих преобразователей применена конструкция с двойными экранами, что дает уменьшение частотной погрешности указанных преобразователей в 16 раз. При этом частотную погрешность указанных преобразователей можно определить расчетным путем из геометрических параметров экрана и добавочного резистора. Конструкция преобразователя с двойными экранами представляет собой две одинаковые линии с распределенными параметрами.
Недостатком конструкции термоэлектрических компарирующих преобразователей с двойными экранами является сравнительно низкий диапазон измеряемых напряжений - до 200 В.
Наиболее близким по технической сущности является устройство для поверки термоэлектрических компарирующих преобразователей напряжения [АС СССР №1331274. МПК G01R 35/00. Опубл. в БИ №13, 07.04.1991], содержащее эталонный термоэлектрический компарирующий преобразователь тока с системой экранов, который соединен последовательно с термоэлектрическим компарирующим преобразователем напряжения, и источник напряжения.
Недостаток этого устройства заключается в росте частотной погрешности термоэлектрических компарирующих преобразователей напряжения при увеличении диапазона измеряемых напряжений.
Технический результат, на получение которого направлено предлагаемое изобретение, заключается в разработке технического решения, которое обеспечивает получение следующего технического результата - увеличение точности измерения напряжения в широком диапазоне измеряемых величин и частот с применением термоэлектрических компарирующих преобразователей напряжения.
Технический результат достигается в результате того, что устройство для поверки термоэлектрических компарирующих преобразователей напряжения, содержащее источник напряжения и коаксиальный разъем для подключения поверяемого термоэлектрического компарирующего преобразователя напряжения, образцовое средство измерений, которое выполнено в виде компарирующего преобразователя тока, в котором один вывод термопреобразователя через коаксиальный разъем подключен к входу термоэлектрического компарирующего преобразователя напряжения, а другой - к высоковольтному выводу источника напряжения, термопара подключена к блоку измерения ЭДС термопары, внутренний и внешний экраны компарирующего преобразователя тока и блока измерения ЭДС термопары подключены соответственно к высоковольтному и низковольтному выводам источника напряжения, и термоэлектрический компарирующий преобразователь напряжения, который содержит термопреобразователь, содержащий последовательно соединенные добавочный резистор и термопреобразователь, включенные между входом термоэлектрического компарирующего преобразователя напряжения и его корпусом, термопару, подключенную между термопреобразователем и блоком измерения ЭДС термопары, выключатель, подключенный к входу термоэлектрического компарирующего преобразователя напряжения, и экран для компенсации частотной погрешности, добавочный резистор термоэлектрического компарирующего преобразователя напряжения выполнен в виде трех последовательно соединенных резисторов, каждый из которых окружен отдельным экраном для компенсации частотной погрешности, при этом первый экран присоединен к дополнительному коаксиальному разъему и через выключатель - к входу термоэлектрического компарирующего преобразователя напряжения, второй экран подключен к средней точке бинарного резистивного делителя напряжения, а третий экран подключен к корпусу термоэлектрического компарирующего преобразователя напряжения, бинарный резистивный делитель напряжения помещен в корпус термоэлектрического компарирующего преобразователя напряжения таким образом, что один его вывод присоединен к корпусу, а другой - к дополнительному коаксиальному разъему.
Нулевая частотная погрешность термоэлектрического компарирующего преобразователя напряжения определяется расчетным путем, исходя из сопротивления добавочных резисторов и геометрических параметров экранов и добавочных резисторов.
На чертеже приведена схема устройства для поверки термоэлектрических компарирующих преобразователей напряжения.
Устройство для поверки термоэлектрических компарирующих преобразователей напряжения содержит образцовое средство измерений тока 1, термоэлектрический компарирующий преобразователь напряжения 2 и источник напряжения 3. Средство измерения тока 1, выполненное в виде компарирующего преобразователя тока, содержит термопреобразователь 4, один вывод нагревателя которого через коаксиальный разъем 5 подключен к входу термоэлектрического компарирующего преобразователя напряжения 2, а другой вывод через коаксиальный разъем 6 подключен к источнику напряжения 3, термопара термопреобразователя 4 подключена к блоку измерения ЭДС 7, который помещен в экраны 8 и 9, соответственно соединенные с высоковольтным и низковольтным выводами источника напряжения 3.
Термоэлектрический компарирующий преобразователь напряжения 2 содержит термопреобразователь 10, нагреватель которого одним концом присоединен к корпусу 11, а другим - к последовательно соединенным резисторам 12, 13, 14, термопара термопреобразователя 10 присоединена к блоку измерения ЭДС 15. Резисторы 12, 13, 14 окружены соответственно экранами 16, 17, 18 для компенсации частотной погрешности преобразователя 2. Экран 16 соединен с корпусом 11 термоэлектрического компарирующего преобразователя, экран 17 соединен со средней точкой бинарного резистивного делителя напряжения, состоящего из двух одинаковых резисторов 19, 20, при этом резистор 19 соединен с корпусом 11, а резистор 20 - с дополнительным коаксиальным разъемом 21 и через выключатель 22 - к входу преобразователя 2. Сопротивления резисторов 19, 20 равны сопротивлению резисторов 12, 13, 14.
Экраны 17, 18 через дополнительный коаксиальный разъем 21 и резистор 23, сопротивление которого равно сопротивлению нагревателей термопреобразователей 4 и 10, присоединены к высоковольтному выводу источника напряжения 3.
Экран 17 и бинарный резистивный делитель напряжения 19, 20 введены в преобразователь 2 для компенсации его частотной погрешности при расширении диапазона измеряемых напряжений.
Работа устройства заключается в следующем.
При помощи источника напряжения 3 на последовательно соединенные компарирующие преобразователи тока 1 и напряжения 2 подается переменное напряжение низкой частоты, например 100 Гц, таким образом, чтобы напряжение на термоэлектрическом компарирующем преобразователе 2 было равно номинальному напряжению. Затем ЭДС термопар термопреобразователей 4 и 10 измеряется (компенсируется) соответственно при помощи блоков 7 и 15. При этом выключатель 22 находится в отключенном состоянии, а потенциал экранов 17 и 18 определяется напряжением источника 3. После этого при помощи источника напряжения 3 на компарирующие преобразователи тока и напряжения 1, 2 подается напряжение высокой частоты, например 100 кГц, которое регулируется до прежнего показания блока измерения ЭДС 7. Затем измеряется термоЭДС термопреобразователя 10 при помощи блока измерения ЭДС 15. Токи на входе и выходе преобразователя 2 при изменении частоты источника напряжения 3 от минимального до максимального значения должны находиться в пределах погрешности преобразователя 2. Если погрешность преобразователя 2 превышает допускаемую, то ток на выходе преобразователя 2 регулируют изменением сопротивления резисторов бинарного делителя напряжения 19, 20.
Описанный процесс повторяется до совпадения показаний блока измерения ЭДС 15 на низкой и высокой частоте, что свидетельствует о нулевой частотной погрешности добавочного резистора.
В процессе регулирования тока на выходе преобразователя 2 емкостной ток с экрана 18 течет на резистор 14, с резистора 12 - на экран 16, с части экрана 17 - на часть резистора 13 и с части резистора 13 - на часть экрана 17. Емкость между резисторами 12, 13, 14 и экранами 16, 17, 18 компенсирует также индуктивность резисторов 12, 13, 14.
Частотная погрешность преобразователя 2 зависит также от диаметра частотокомпенсирующих экранов 16, 17, 18 и геометрических параметров добавочных резисторов 12, 13, 14.
f
Рассмотрим преобразователь 2 как коаксиальную линию с распределенными параметрами с потерями, закороченную на дальнем конце по аналогии с [Hermach F.L., Williams E.S. Thermal Voltage Converters for Accurate Voltage Measurements to 30 megacycles per second // Communication and electronics. - 1960, July. P.200-206]. Для частотной погрешности γ термоэлектрического компарирующего преобразователя (чертеж) можно записать:
где  - модуль входного импеданса преобразователя;
R - активное сопротивление преобразователя.
Если сопротивление последовательного резистора намного больше сопротивления нагревателя термопреобразователя, то преобразователь можно рассматривать как отрезок коаксиальной линии с потерями, закороченной на дальнем конце. Тогда, согласно теории коаксиальных линий с распределенными параметрами, входной импеданс будет равен:
где Z=R+jωL, ;
R - активное сопротивление линии;
L - индуктивность линии;
С - емкость линии;
ω - круговая частота.
После преобразований определяем модуль :
или
Значение индуктивности и емкости можно выразить через геометрические параметры коаксиальной линии:
где D - внутренний диаметр внешнего цилиндрического экрана;
d - диаметр резистора;
l - длина резистора в метрах;
µ=ε=1 - соответственно магнитная проницаемость и диэлектрическая проницаемость окружающей среды.
Таким образом, нулевую частотную погрешность можно определить расчетным путем, исходя из геометрических параметров экрана и резистора, а также сопротивления резистора.
Конструкция преобразователя с тремя экранами фактически представляет собой три одинаковые коаксиальные линии, соединенные последовательно. При условии, если сопротивление нагревателя термопреобразователя много меньше сопротивления резистора, можно записать:
где - полный импеданс преобразователя;
вх
Z - импеданс линии, состоящей из одного сопротивления и экрана.
Полный импеданс преобразователя равен:
По сравнению с конструкцией преобразователей, выполненных с одним экраном, конструкция с тремя экранами при использовании тех же резисторов дает уменьшение частотной погрешности в 81 раз. Это видно из формулы погрешности (4), так как в коэффициенте  без применения трех экранов величины R и С утраиваются, и, следовательно, этот коэффициент увеличивается в 81 раз. Для сравнения, при двух экранах частотная погрешность снижается в 16 раз.
Применение устройства для поверки термоэлектрических компарирующих преобразователей напряжения повышает точность определения и компенсации частотной погрешности добавочного резистора при увеличении диапазона измерения напряжений, упрощает процедуру определения и компенсации частотной погрешности, что приводит к увеличению точности измерения напряжения в широком диапазоне измеряемых величин и частот с применением термоэлектрических компарирующих преобразователей напряжения.