МНОГОДЕКАДНЫЙ ИНДУКТИВНЫЙ ДЕЛИТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ
MULTI-DECADE INDUCTIVE VOLTAGE DIVIDER

Изобретение относится к области электроизмерительной техники и может быть использовано в качестве широкополосного многодекадного делителя напряжения.
Известен многодекадный индуктивный делитель напряжения [Ройтман М.С. Индуктивные делители напряжения / М.С. Ройтман, Н.П.  Калиниченко // Измерения, контроль, автоматизация: науч.-техн. сб. обзоров / ЦНИИТЭИ приборостроения. - М., 1978. - Вып.2(14). - С.24-32], представляющий собой набор соединенных последовательно автотрансформаторов, выполненных на ферромагнитных сердечниках с размещенными на них делительными обмотками и отводами. Автотрансформаторы соединены между собой с помощью спаренных многопозиционных переключателей по схеме Кельвина-Варлея [Гриневич Ф.Б. Трансформаторные измерительные мосты / Ф.Б. Гриневич, А.Л. Грохольский, К.М.Соболевский, М.П. Цапенко; под ред. К.Б. Карандеева. - М.: Энергия, 1970. - 280 с. - С.126-128].
Диапазон рабочих частот такого делителя обычно не превышает 2-х октав и ограничен ростом погрешности коэффициента передачи. Это является основным недостатком устройства, он обусловлен шунтирующим влиянием последующей декады на предыдущую и неравенством эквивалентных емкостей, шунтирующих секции делительной обмотки.
7
Известен многодекадный индуктивный делитель напряжения [Патент РФ №2223564, МПК H01F 21/12, опубл. 10.02.2004], содержащий предыдущую и последующую декады, каждая из которых выполнена из первой и второй дополнительных пятисекционных обмоток с отводами, 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. 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 предыдущей декады, а на высоких частотах из-за сравнительно больших значений выходных импедансов на отводах предыдущей декады и шунтирующего влияния нагрузки.
Наиболее близким к изобретению техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является многодекадный индуктивный делитель напряжения, содержащий отдельные тороидальные ферромагнитные сердечники с размещенными на каждом из них декадами, каждая из которых выполнена в виде делительной обмотки [Крамнюк А.И., Ройтман М.С. Широкополосные индуктивные делители напряжения. - в сб.: Известия Томского политехнического института, т.270, Томск, Изд-во ТГУ, 1973, С.33-40], обеспечивающей симметричную структуру индуктивного делителя напряжения. Делительные обмотки реализованы следующим образом: на одном тороидальном ферромагнитном сердечнике намотано К+1 секций, где К - коэффициент деления декады, имеющих строго одинаковое количество витков. Каждая секция выполнена жгутом, состоящим из двух равномерно скрученных, изолированных проводов, которые образуют отдельные обмотки, включенные согласно и последовательно, образуя бинарный делитель. Бинарные делители соединены последовательно-параллельно, при этом отводы каждой последующей секции сдвинуты на одну обмотку относительно предыдущей и соединены с ее отводами. Средние отводы первого и последнего из бинарных делителей образуют вход делительной обмотки, который может быть подключен к источнику входного сигнала. Коммутация делительных обмоток осуществляется с помощью устройства коммутации по схеме Кельвина-Варлея.
Этот делитель, за счет выравнивая эквивалентных емкостей, обеспечивает высокую стабильность коэффициента деления, а также более широкий диапазон рабочих частот.
Недостатком этого технического решения является возрастание погрешности коэффициента деления при увеличении числа декад, за счет значительной емкостной составляющей импеданса каждой из последующих декад, нагружающей предыдущие декады, а также то, что необходимость реализации большого числа идентичных бинарных делителей значительно повышает трудоемкость изготовления и увеличивает технологический разброс их метрологических характеристик.
Задачей изобретения является расширение арсенала средств аналогичного назначения.
Поставленная задача решена за счет того, что многодекадный индуктивный делитель напряжения, также как в прототипе, содержит тороидальный ферромагнитный сердечник, предыдущую и последующую декады, каждая из которых выполнена в виде делительной обмотки и состоит из K+1 секций, где К - коэффициент деления декады, имеющих одинаковое количество витков. Каждая секция выполнена жгутом, состоящим из двух равномерно скрученных, изолированных проводов, которые образуют отдельные обмотки, включенные согласно и последовательно, образуя бинарный делитель. Бинарные делители соединены последовательно-параллельно, так что средний и второй отводы каждого из бинарных делителей соединены соответственно с первым и средним отводами следующих бинарных делителей. Средние отводы первого и последнего из бинарных делителей образуют вход делительной обмотки. Вход делительной обмотки предыдущей декады связан с источником входного сигнала. Вход делительной обмотки последующей декады связан с набором отводов предыдущей декады посредством устройства коммутации по схеме Кельвина-Варлея. Выход устройства через устройство коммутации может быть поочередно подключен к отводам последующей декады.
Согласно изобретению, предыдущая и последующая декады размещены на общем ферромагнитном сердечнике слоями так, что каждый слой образует секции в секторах сердечника, а декады намотаны общим жгутом, сформированным из одиннадцати пар равномерно скрученных изолированных проводов, образующих каждая одиннадцать последовательно-параллельно соединенных бинарных делителей.
Соотношение витков первой и второй декад составляет 10:1.
Предложенная конструкция позволяет уменьшить погрешности коэффициента деления многодекадного индуктивного делителя напряжения в области низких частот и выровнять выходные импедансы его декад.
На фиг.1 приведена принципиальная схема многодекадного индуктивного делителя напряжения.
Многодекадный индуктивный делитель напряжения содержит первую 1 (Д1) и вторую 2 (Д2) декады, каждая с коэффициентом деления декады 10. Первая декада 1 (Д1) содержит отводы 3-13, соответствующие коэффициенту деления входного сигнала 0,0-1,0. Отводы 3 и 13 подключены к источнику входного сигнала. Вторая декада 2 (Д2) содержит отводы 14-24, соответствующие коэффициенту деления входного сигнала 0,0-0,1. Отводы 14 и 24 посредством устройства коммутации 25 подключены к отводам 3-13 первой 1 (Д1) декады в соответствии со схемой Кельвина-Варлея. Декады 1 (Д1) и 2 (Д2) намотаны на общем тороидальном ферромагнитном сердечнике 26 жгутом, сформированным из 11-и пар равномерно скрученных изолированных проводов, образующих каждая одиннадцать последовательно-параллельно соединенных бинарных делителей, например, делители 27 (БД1) и 28 (БД2). Средний отвод 29 каждого из бинарных делителей соединен соответственно с первым отводом 30 следующего из бинарных делителей, а второй отвод 31 каждого из бинарных делителей соединен со средним отводом 32 следующего из бинарных делителей. Отношение числа витков первой 1 (Д1) и второй декад 2 (Д2) составляет 10:1. Выход устройства 33 посредством устройства коммутации 34 может быть поочередно подключен к отводам 14-24.
Бинарные делители, составляющие каждую декаду, намотаны общим жгутом, например, в два или более слоев на тороидальный ферромагнитный сердечник 26, так, что каждый слой образует секции в секторах сердечника.
В качестве устройства коммутации могут быть выбраны, например, спаренные многопозиционные переключатели.
Многодекадный индуктивный делитель напряжения работает следующим образом.
Входное напряжение, поступающее на декаду 1 (Д1), создает общий магнитный поток, пересекающий витки обмоток декад 1 (Д1) и 2 (Д2). В каждом из витков, формирующих декады, магнитный поток наводит одинаковые ЭДС, при этом суммарная ЭДС, наведенная на выводах каждой из обмотки, прямо пропорциональна соответствующему числу витков. Таким образом, между ближайшими отводами декады 1(Д1) формируется напряжение, равное 0,1 от входного, а на выходе декады 2 (Д2) - 0,01 от входного.
Размещение двух декад 1 (Д1) и 2 (Д2) на одном тороидальном ферромагнитном сердечнике 26 существенно уменьшает погрешность коэффициента деления, обусловленную элементами коммутации, и снижает выходной импеданс второй последующей декады 2 (Д2) так, что ее активное выходное сопротивление в 10 раз меньше активного выходного сопротивления первой декады 1 (Д1). Последовательно-параллельное соединение бинарных делителей, формирующих декады 1 (Д1) и 2 (Д2), позволяет выровнять их эквивалентные емкости. Технологически намотка всех бинарных делителей декад одним общим жгутом сближает их метрологические характеристики.
Расположение жгута в секциях в секторах на сердечнике позволяет существенно снизить емкость, возникающую между ближайшими участками жгута. Экспериментальные измерения с помощью лабораторного измерителя RLC продемонстрировали снижение на 30% выходной емкости каждой из декад по сравнению с прототипом.