Еталон змінної напруги в діапазоні низьких і середніх частот

У спрощеному вигляді структурну схему еталона в цьому діапазоні можна подати у вигляді, наведеному на рис. 5.3. На еталонний термоперетворювач (ТП) почергово подається вимірювана змінна напруга і постійна напруга, значення якої може бути встановлене (виміряне) з необхідною точністю [36, 37].

При подачі на вхід ТП змінної напруги (перемикач П в положенні 1) фіксується термо-ЕРС на його виході, пропорційна . Потім на вхід ТП подається постійна напруга і регулюється її рівень до одержання термо-ЕРС на виході ТП, рівної . Тоді =. Термо-ЕРС і напруга вимірюються, як правило, компенсаційним методом за допомогою відповідних пристроїв, що входять до складу еталона (міри ЕРС, потенціометра, подільника напруги).

 

 

 

 

 

Рис. 5.3. Спрощена структурна схема еталона змінної напруги НВЧ діапазона

Як джерело змінної напруги в еталонах використовуються або вимірювальні генератори (за необхідності з підсилювачем), або спеціальні прецизійні джерела, що одержали назву мір (калібраторів) напруги.

Найважливішим пристроєм еталона, що визначає його метрологічні характеристики, є термоперетворювач. У різних країнах цей вузол реалізується по-різному, хоча основна вимога до нього є загальною: мінімальна різниця в перетворенні постійної і змінної напруг в теплову енергію (термо-ЕРС), яка характеризується похибкою переходу від постійного до змінного струму. Для аналізу цієї похибки необхідно розглянути конструкції ТП. Як сказано вище, для перекриття діапазону частот від 20 Гц до 30 МГц використовуються два види ТП: багатоелементний для діапазону 0,02–100 кГц і одноелементний – для діапазону 0,1–30 МГц.

Основним вузлом більш низькочастотного перетворювача є повітряний безконтактний багатоелементний ТП (рис. 5.4), що являє собою термобатарею, в якій на ніхромовому стрічковому нагрівачі рівномірно розташовані кілька десятків послідовно з'єднаних хромель-копелевих термопар [28]. При напрузі понад 3 В послідовно з нагрівачем ТП включається додатковий резистор.

 

 

Рис. 5.4. Схема багатоелементного термоперетворювача

 

Найважливішими вимогами до додаткового резистора є його дуже мала реактивність (для мінімізації частотної похибки) і висока точність підгонки опору.

Перетворювач для частот вище 100 кГц виконується коаксіальним з безконтактним одноелементним вакуумним термоперетворювачем (ТВБ). Додатковий резистор розташовується разом із ТВБ в одному масивному екрані. Схему термоперетворювача типу ПНТЭ-6 наведено на рис. 5.5. Існують також термоперетворювачі з двома послідовно чи паралельно включеними ТВБ (типу ПНТЭ-10).

 

 

 

Рис. 5.5. Схема термоперетворювача ПНТЭ-6

Ряд закордонних фірм, зокрема, “Holt”, “Fluke” (США), розробили єдиний еталонний одноелементний перетворювач у всьому діапазоні до 30 МГц із декількома додатковими резисторами. Так, у ТП Fluke 792 А, визнаному одним із кращих у світі, сполучені один ТП і багатозначний перемикач додаткових резисторів або підсилювачів (для перекриття необхідного динамічного діапазону). В еталоні РТВ (Німеччина) кожний піддіапазон (за напругою) реалізується жорстко з’єднаним термоперетворювачем і додатковим частотно-компенсованим резистором.

Основними складовими похибки відтворення змінної напруги в еталонах, що використовують ТП, є [36, 37]:

- похибка термоперетворення, тобто переходу від постійної напруги до змінної (систематична);

- похибка вимірювання постійної напруги, значення якої залежить від застосованих технічних засобів і методу вимірювання (систематична);

- похибка компарування, тобто установлення рівності термо-ЕРС при подачі на ТП постійної і змінної напруг (випадкова).

Домінуючою з них є похибка термоперетворювання, яка у свою чергу має дві складові:

а) похибку асиметрії через ефект Пельтье*, пов'язаний з полярністю постійного струму в нагрівачі;

б) частотну похибку – через наявність реактивних складових опору і поверхневого ефекту в схемі ТП.

Похибка вимірювання постійної напруги і компарування, як правило, нижче похибки термоперетворювання і більш докладно не розглядається.

Похибка асиметрії обумовлена неоднаковим розподілом температури вздовж нагрівача на постійному і змінному струмі і не залежить від частоти останнього. Цю похибку можна зменшити кількома способами: конструкторсько-технологічними, наприклад, раціональним вибором матеріалу нагрівача, оптимальним конструкторським рішенням, застосуванням багатоелементних ТП; методичним – вимірюванням при двох полярностях постійного струму й обчисленні результату як їх середнього арифметичного. У кращих ТП похибка асиметрії становить менше за 10^-6.

Частотна похибка визначається у такий спосіб. Перетворювач (0,1-30 МГц) складається з безконтактного термоперетворювача ТВБ і додаткового резистора (рис. 5.5). Еквівалентна схема цього ТП може бути подана у вигляді, показаному на рис. 5.6.

З урахуванням впливу поверхневого ефекту в нагрівачі частотна похибка має вигляд:

 

Рис. 5.6. Еквівалентна схема одноелементного ТП типу ПНТЕ

 

, (5.6)

де – повний вхідний опір перетворювача на змінному струмі; і – відповідно опір нагрівача постійному і змінному струму; – опір додаткового резистора на постійному струмі.

У загальному виді схеми ТП розглядають як довгу лінію з рівномірно розподіленими параметрами, навантажену активним опором нагрівача ТП. Тоді при маємо [36, 37]

.

Значення рівномірно розподіленої індуктивності і ємності обчислюються за формулами

; ,

де – внутрішній діаметр зовнішнього циліндра, м; – діаметр резистора, м; – довжина резистора, м; і – магнітна і діелектрична проникності середовища.

Тут знехтувані реактивності виводів додаткового резистора і ТП, а також ємності, які шунтують резистор.

При конструюванні перетворювачів у першу чергу необхідно зменшити залишкові реактивності всіх елементів і поверхневий ефект. Цим умовам задовольняє використання коаксіальної конструкції.

На практиці роль домінуючої реактивності, як правило грає ємність між нагрівачем і корпусом (рис. 5.7).

 

Рис. 5.7. Спрощена еквівалентна схема ТП

Цю ємність можна коректно вимірювати, наприклад, високочутливим мостом (порядку 0,1 пФ) і обчислити постійну часу нагрівача , тоді частотна похибка (визначається для ряду значень частотного діапазону).

Далі знаходять значення для інших меж вимірювань (із включенням додаткових опорів і підсилювачів) у такий спосіб. Вимірюють шляхом термоелектричного компарування змінну напругу на двох суміжних межах, для одної з яких вона є верхньою границею, а для наступного – нижньою. Одержують і . При цьому отримано з похибкою , а в значення додатково входить через реактивності кіл нового піддіапазону. Її відносне значення дорівнює

Тоді для другого піддіапазону частотна похибка дорівнює . Вимірювання виконуються для всіх прийнятих значень частотного діапазону і всіх меж вимірювань.

Наведемо типові значення метрологічних характеристик еталонів для діапазону частот 20 Гц – 30 Мгц:

діапазон вимірювань, В 0,1 – 10;

діапазон передачі, В до 1000;

НСП () 1·10^-5 - 3·10^-4;

СКВ () 5·10^-6 - 5·10^-5.

Комплект ТП, що використовується в еталоні, наведений на рис. 5.8.

 

 

Рисунок 5.8 – Комплект еталонних термоелектричних перетворювачів

с додатковими резисторами зі складу ДЕ Росії

Як вторинні еталони в країнах СНД використовуються еталони РЕН-2 і РЕН-2М (у діапазоні частот 20 Гц – 30 МГц, похибка від 1·10^-5 до 6·10^-3) (рис. 5.9).

 

Рис. 5.9. Еталон РЕН-2