МНОГОДЕКАДНЫЙ ИНДУКТИВНЫЙ ДЕЛИТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 2004 года по МПК H01F21/12 

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано в качестве широкополосного многодекадного делителя напряжения с улучшенными метрологическими характеристиками.

Известен многодекадный индуктивный делитель напряжения, содержащий ферромагнитные сердечники с размещенными на них делительными обмотками с отводами, соединенными между собой с помощью спаренных многопозиционных переключателей по так называемой схеме Кельвина-Варлея [1]. Недостатком такого делителя является сравнительно узкий диапазон рабочих частот (20 Гц - 20 кГц), обусловленный шунтирующим влиянием последующей декады на предыдущую и неравенством эквивалентных емкостей, шунтирующих секции делительной обмотки [2].

Известен также многодекадный индуктивный делитель напряжения, в котором для уменьшения взаимовлияния декад в области нижних частот делительные обмотки предыдущей и последующей декад размещаются на общем сердечнике [2, 3]. При этом делительная обмотка последующей декады выполняется жгутом из равномерно скрученных изолированных проводников меньшего диаметра, чем проводники жгута предыдущей декады. Недостатками такого делителя являются, во-первых, сравнительно низкая надежность, обусловленная низкой механической прочностью тонких проводников; во-вторых, увеличение выходного активного сопротивления последующей декады и, в-третьих, снижение верхней границы диапазона рабочих частот из-за значительного неравенства эквивалентных емкостей, шунтирующих секции делительных обмоток.

В другом известном делителе [4] путем введения дополнительных обмоток и экранирования проводов обеспечивается нейтрализация влияния паразитных параметров делительных обмоток (индуктивности рассеяния, активного сопротивления обмоток, межпроводной емкости) на погрешность коэффициента деления. Значительная сложность изготовления обмотки и появление фазовых сдвигов между компенсирующими ЭДС и напряжениями секций делительной обмотки на верхних частотах, ограничивающих рабочий диапазон частот, препятствуют широкому применению таких делителей напряжения.

Наиболее близким к изобретению техническим решением является многодекадный индуктивный делитель напряжения, содержащий предыдущую и последующую декады, каждая из которых выполнена из первой и второй дополнительных пятисекционнных обмоток с выходными отводами, соединенных согласно-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 обмоток [5].

Устройству присущи следующие недостатки:
1. Предыдущая декада в области верхних частот имеет максимальную относительную погрешность при коэффициенте деления К_д=0.1. Это обусловлено существенным неравенством эквивалентных емкостей, шунтирующих нижние секции делительной обмотки.

2. В области верхних частот большая погрешность первого отвода предыдущей декады приводит к увеличению погрешностей на всех отводах последующей декады при установке на делителе малых значений коэффициентов деления К_д= 0.01, 0.02, 0.03, ...0.09, когда последующая декада подключается с помощью многопозиционного переключателя к нижним отводам (к нижней секции) предыдущей декады.

3. В области нижних частот из-за шунтирования декад друг друга и влияния соединительных проводов, подходящих к "земляным" отводам декад, погрешность коэффициента деления достигает максимального значения также при К_д=0.1 и при К_д=0.01 [2].

Попытка уменьшить взаимовлияние декад путем снижения выходного активного сопротивления предыдущей декады, используя проводники большего диаметра или их параллельное включение, и повышение индуктивности обмотки последующей декады посредством увеличения числа витков или размеров сердечника приводит в конечном итоге к увеличению входной емкости, индуктивности рассеяния декад, т.е. к ограничению верхней границы частотного диапазона.

4. В переходном режиме, т.е. при изменении коэффициента деления посредством переключателей, из-за кратковременного разрыва цепи появляются выбросы напряжения с амплитудным значением, намного превышающим амплитуду входного напряжения делителя. Это приводит к необходимости принятия специальных мер, направленных на повышение надежности делителя и защиты нагрузки.

Целью изобретения является повышение точности коэффициента деления в широком диапазоне частот и надежности многодекадного индуктивного делителя напряжения.

Поставленная цель достигается следующим образом. В многодекадном индуктивном делителе напряжения, содержащем предыдущую и последующую декады, каждая из которых выполнена из первой и второй дополнительных пятисекционнных обмоток с выходными отводами, соединенных согласно 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 обмоток, многопозиционные переключатели, у предыдущей и последующей декад, размещенных на общем ферромагнитном сердечнике, отводы крайних секций основной, первой и второй дополнительных обмоток соединены между собой, при этом в предыдущей декаде конец третьей и начало четвертой дополнительных шестисекционных обмоток соединены со средним отводом основной обмотки, а остальные отводы, за исключением крайних отводов, соединены с соответствующими отводами первой и второй дополнительных обмоток.

На фиг.1 приведена принципиальная схема многодекадного индуктивного делителя напряжения, состоящего из предыдущей декады А и последующей декады Б.

На фиг.2 показано распределение емкостей, шунтирующих секции делительных обмоток предыдущей декады (фиг.2а) и ее эквивалентная схема с учетом суммирования соединенных параллельно емкостей (фиг.2б).

На фиг.3 показано распределение емкостей, шунтирующих секции делительных обмоток последующей декады (фиг.3а), и ее эквивалентная схема (фиг.3б).

Устройство (фиг.1) состоит из предыдущей А и последующей Б декад, размещенных на общем ферромагнитном сердечнике 1.

Выходные отводы пронумерованы в соответствии с коэффициентами деления 0.0-0.1. Декада А изготавливается из трех жгутов. Из первого жгута, содержащего 10 проводников, выполняется основная десятисекционная обмотка 2. Из второго одиннадцатипроводного жгута выполняются дополнительные пятисекционная обмотка 3 и шестисекционная обмотка 4. Аналогично из третьего жгута выполняются пятисекционная обмотка 5 и шестисекционная обмотка 6. Одноименные отводы обмоток 3 и 4, 5 и 6 попарно соединены и являются выходными отводами декады А. Начало основной обмотки 2 соединено с началом обмотки 3 и началом второй и концом первой секции обмотки 4, которая как и шестая секция обмотки 6 остаются свободными. Средний отвод основной обмотки 2 соединен с общей точкой соединения дополнительных обмоток 3, 5, 4, 6. Конец основной обмотки 2 соединен с концом обмотки 5 и концом пятой секции и началом шестой секции обмотки 6. Кроме этого, у полученной таким образом декадной обмотки крайние секции соединены параллельно.

Отличительной особенностью декады Б является то, что для ее изготовления требуются жгуты, выполненные из проводников такого же диаметра, что и проводники жгутов декады А. При этом следует учитывать, что число витков декадной обмотки декады Б в 10 раз меньше числа витков декадной обмотки декады А. Основная обмотка 7 выполняется из десятипроводного жгута, а дополнительные пятисекционные обмотки 8 и 9 - из двух пятипроводных жгутов. При этом соединения обмоток 7, 8, 9 аналогичны соединениям обмоток 2, 5, 3. Требуемый коэффициент деления устанавливается посредством многопозиционных переключателей 10 и 11.

Устройство работает следующим образом. На фиг.1 показано положение переключателей для К_д=0.07. Входное напряжение U_вх поступает на декаду А, т.е. одновременно на обмотки 2, 3, 4, 5, 6, в каждой секции которых наводятся одинаковые ЭДС, равные 0.1 U_вх. Ввиду общего сердечника в каждой секции декады Б наводится ЭДС, равная 0.01 U_вх. Таким образом, для фиг.1 U_вых= K_дU_вх= 0.07U_вх. При работе делителя в области нижних частот погрешность коэффициента деления из-за взаимовлияния декад, в основном, определяется соотношением активного сопротивления обмоток декады А, индуктивности декады А и активного сопротивления обмоток Б.

В делителе за счет параллельного соединения трех нижних секций декады А происходит резкое снижение выходного активного сопротивления для отвода 0.1. Аналогично происходит уменьшение выходного активного сопротивления отвода 0.1 декады Б, что позволяет уменьшить погрешность делителя при малых значениях коэффициента деления.

Параллельное соединение крайних секций основной и дополнительных обмоток позволяет повысить точность делителя при его работе и на верхних частотах. Как видно из фиг.2а, б, у декады А за счет параллельного включения крайних секций и использования вместо пятисекционных шестисекционных дополнительных обмоток происходит лучшее выравнивание эквивалентных емкостей нижних секций. В этом случае можно получить следующие выражения для коэффициентов деления:
К_0,1 = 0,1(1+1,5Δ);
К_0,2 = 0,2(1+1,8Δ);
К_0,3 = 0,3(1+2Δ);
К_0,4 = 0,4(1+1,5Δ);
К_0,5 = 0; (1)
К_0,6 = 0,6(1-Δ);
К_0,7 = (1-Δ);
К_0,8 = (1-0,5Δ);
К_0,9 = (1-0,2Δ),
где Δ = ω²L_SC_O = δK_д, δK_д - относительная погрешность коэффициента деления, ω - круговая частота входного сигнала, L_S - индуктивность рассеяния секции делительной обмотки, С_О - средняя распределенная емкость между двумя проводами в жгуте, когда остальные отключены.

Из этих выражений видно, что относительная погрешность коэффициента деления достигает максимума при К_0,3 и равна δK_0,3 = 2Δ, что в два раза меньше максимальной погрешности декады по прототипу, у которой δK_0,1 = -4Δ. Кроме того, при К_д= 0,1 у заявляемого устройства погрешность положительная - (+1,5Δ), т.е. происходит подъем амплитудно-частотной характеристики (АЧХ), а у прототипа - завал АЧХ (-4Δ).

Для декады Б из фиг.3а, б получим следующие расчетные выражения коэффициентов деления:
K_0,1 = 0,1(1+1,5Δ₂);
K_0,2 = 0,2(1+Δ₂);
K_0,3 = 0,3(1+Δ₂);
K_0,4 = 0,4(1+Δ₂);
К_0,5 = 0,5; (2)
K_0,6 = 0,6(1-0,5Δ₂);
K_0,7 = 0,7(1-0,5Δ₂);
K_0,8 = 0,8(1-0,2Δ₂);
K_0,9 = 0,9(1-0,2Δ₂),
где Δ₂ = ω²L_S2C₀₂ = δK_д2 - относительная погрешность коэффициента деления декады Б, ω - круговая частота, L_S2 -индуктивность рассеяния секции декады Б, С₀₂ - средняя распределенная емкость между двумя проводами в жгуте декады Б.

С учетом, что количество витков и длина жгутов декады Б в 10 раз меньше декады А и соответственно во столько же раз будут меньше L_S2 и С₀₂, имеем
Δ₂ ≈ 0,1Δ. (3)
Из сравнения выражений (1) и (2) с учетом (3) видно, что максимальная погрешность коэффициента деления декады Б заявляемого устройства почти в 10 раз меньше максимальной погрешности коэффициента деления декады А и в 20 раз - декады по прототипу. Таким образом, в заявляемом устройстве последующая декада практически не вносит существенной погрешности и точность многодекадного делителя на верхних частотах, в основном, определяется точностью предыдущей декады.

Эти выводы подтверждаются и данными эксперимента, приведенными в таблице для заявляемого устройства (ЗУ) и устройства-прототипа (Пр).

Декады А и Б прототипа были изготовлены идентичными: из трех десятипроводных жгутов с диаметром провода 0.25 мм ПЭТВ, намотанных на тороидальный ферромагнитный сердечник 80•50•20 мм из пермаллоя 79НМ (μ=130000, В=0.4 Тл), число витков 300. Декады А и Б заявляемого устройства были размещены на общем сердечнике вышеуказанного размера и типа. Декада А изготовлена из трех жгутов: одного десятипроводного и двух одиннадцатипроводных. Число витков 300. Декада Б изготовлена также из трех жгутов: одного десятипроводного и двух пятипроводных. Диаметр провода 0.25 мм ПЭТВ. Число витков 30.

Погрешность определялась методом сравнения с мерой, в качестве которой использовался образцовый индуктивный делитель напряжения, входящий в состав установки В1-20.

Как видно из таблицы, максимальная погрешность коэффициента деления у прототипа как на нижней (20 Гц), так и на верхней рабочей частоте (100 кГц) наблюдается при максимальном коэффициенте деления К_д=0.01, что объясняется сильным влиянием соединительных "земляных" проводов декад. Этим же объясняется и увеличение погрешности при К_д=0.01 на частоте 20 Гц и у заявляемого устройства. В то же время у последнего на частоте 100 кГц максимальная погрешность характерна для K_д=0.09, что обусловлено превалирующим влиянием, как было указано ранее, отвода 0.1 декады А. Отметим еще одну важную особенность заявляемого устройства - резкое уменьшение погрешности коэффициента деления при минимальном коэффициенте деления К_д=0.01 с 0.15% до 0.01%. Обусловлено это тем, что как было показано ранее, предложенные технические решения позволяют осуществить "перекоррекцию", т.е. подъем амплитудно-частотной характеристики K_д=0.1 (первого отвода декады А), который при малых коэффициентах деления компенсирует падение (потерю) напряжения на соединительных "земляных" проводах декад. Это позволяет повысить разрешающую способность многодекадного индуктивного делителя напряжения путем каскадного включения большего числа декад.

Кроме того, размещение декад на общем сердечнике не только позволяет сэкономить на "железе" и "меди", но и повысить надежность делителя за счет уменьшения переходных процессов ввиду сохранности наведенной ЭДС в декаде Б при коммутации и выполнении ее обмоток из проводников, скрученных в жгут одинакового сравнительно большого диаметра с высокой механической прочностью, что немаловажно для серийного производства индуктивных делителей напряжения.

Литература
1. Deacon T.A., Hill I.I. Improvements in or relating to inductive voltage dividers. Патент Великобритании 1244212, HIT (H 01 F 31/00), опубл. 25.08.71.

2. Ройтман М. С. , Калиниченко Н.П. Индуктивные делители напряжения // Измерения, контроль, автоматизация. - 1978. - 2 (14). - С.24-32.

3. А. с. 637925 СССР, МКИ² Н 02 М 5/12. Многодекадный индуктивный делитель напряжения / М.С. Ройтман, Н.П. Калиниченко, В.Л. Ким. Опубл. 15.12.78, Бюл. 46, - 2с.

4. Байков В.М. Анализ погрешностей трансформаторных делителей напряжения с эквипотенциальной защитой измерительной обмотки//Измерительная техника. - 1988. - 1. - С.30-32.

5. А.с. 1049991 СССР, МКИ² H 01F 21/12. Индуктивный делитель напряжения / М. С. Ройтман, А.И. Крамнюк, Н.П. Калиниченко, В.Л. Ким. Опубл. 23.10.83, Бюл. 39, - 3 с.

Изобретение относится к области электроизмерительной техники и может быть использовано в качестве широкополосного многодекадного делителя напряжения с улучшенными метрологическими характеристиками. Технический результат заключается в повышении точности коэффициента деления в широком диапазоне частот и надежности многодекадного индуктивного делителя напряжения. Для этого устройство содержит 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, при этом 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. 3 ил., 1 табл.

Многодекадный индуктивный делитель напряжения, содержащий предыдущую и последующую декады, каждая из которых выполнена из первой и второй дополнительных пятисекционных обмоток с отводами, соединенных согласно - 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, отличающийся тем, что 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.