Л и т е р а т у р а
1. Су Цзюнь, Кочан О. В. Механизм возникновения приобретенной термоэлектрической неоднородности термопар и его влияние на результат измерения температуры // Измерительная техника. 2014. № 10. С. 38—42.
2. Су Цзюнь, Кочан О. В., Йоцов В. С. Методы снижения влияния приобретенной термоэлектрической неоднородности термопар на погрешность измерения температуры // Измерительная техника. 2015. № 3. С. 54—55.
3. Мильченко В. Ю. Исследование методов и разработка средств поверки термоэлектрических преобразователей из неблагородных металлов: Автореф. дис. на соиск. учен. степ. канд. техн. наук. М., 1984.
4. Рогельберг Л. М., Пигидина Н. А., Покровская Э. Н. Изменения термоэлектрической силы проволок из хромеля и алюмеля при нагреве на воздухе при 800 °С продолжительностью до 10000 ч // Исследование сплавов для термопар. Т. Ill: Труды института Гипроцветметобработка. М.: Металлургия, 1969.
5. Чырка М. И. Повышение точности измерения температуры термоэлектрическими преобразователями в неравномерных тепловых полях: Автореф. дис. на соиск. учен. степ. канд. техн. наук. Львов, 1997.
6. Пат. 92192 Украины. Способ коррекции погрешности неоднородности термопар / Н. М. Васылькив, О. В Кочан, В. В. Кочан // Бюл. 2009. № 21.
7. Sachenko A., Kochan V., Turchenko V. Instrumentation for Gathering Data // Instrum. and Measur. Mag. 2003. V. 6. N. 3. P. 34—40.
8. Kroese B. An introduction to Neural Networks. Amsterdam: Univercity of Amsterdam, 1996.
9. De Coursey W. J. Statistics and Probability for Engineering Applications With Microsoft Excel.Woburn (GB): Elsevier Sci., 2003.
Дата принятия 07.03.2014 г.
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ
621.317.729
Комплект модулей термоэлектрических преобразователей высшей точности для сравнения переменного и постоянного напряжений
М. Л. ГУРЕВИЧ, А. В. ГОРШКОВ, О. А. КУДРЯВЦЕВ, А. В. КУРАКИН,
П. Н. РУСЕЙКИН, А. В. ЧЕРЕМОХИН
Нижегородский научно-исследовательский институт «Кварц» им. А. П. Горшкова,
Н. Новгород, Россия, e-mail: gurevitch@inbox.ru
Приведены технические характеристики, особенности схемно-конструктивного построения и применения нового комплекта модулей термоэлектрических преобразователей напряжения ПНТЭ-36, используемых в качестве эталонов сравнения высшей точности при поверке калибраторов и вольтметров переменного напряжения в диапазоне уровней сигналов 0,001—1000 В при частотах 10—106 Гц.
Ключевые слова: эталоны постоянного и переменного напряжений, термопреобразователь, термокомпаратор, вольтметр, калибратор.
The technical characteristics, the features of scheme-construction design and application of new AC-DC standards ПНТЭ-36, containing the electronic measurement units, thermal converters, and used as high precision standards during calibrators and AC-voltmeters verification in the range of voltage signal levels 0,001—1000 V and frequence range 10—106 Hz are presented.
Key words: DC and AC voltage standards, thermal converter, thermal comparator, voltmeter, calibrator.
Термоэлектрические преобразователи, выполненные конструктивно в малогабаритных блоках (модулях), защищенных электрическим и тепловым экранами, широко применяют в метрологической практике в качестве эталонов сравнения
(термокомпараторов) переменнного и постоянного напряжений при поверке прецизионных средств измерений (СИ) переменных напряжений, включая вольтметры и калибраторы [1].
Рис. 1. Структурная схема термопреобразователя ПП1, реализующего электротепловой метод преобразования среднеквадратичес-кого значения переменного напряжения в пропорциональное постоянное напряжение
Модули термокомпараторов используют во всех старших разрядах государственной поверочной схемы (ГПС) России для СИ переменных напряжений [2], включая Государственный специальный эталон единицы электрического напряжения в диапазоне частот от 10 Гц до 30 МГц ГЭТ 89—2008, а также вторичный эталон единицы переменного напряжения РЭН-2 или ВЭ-41 и эталоны 1-го и 2-го разрядов [3]. Модуль термокомпаратора позволяет с наивысшей точностью соотнести среднеквадратические уровни переменного и вспомогательного постоянного напряжений по критерию одинаковой рассеиваемой мощности на омическом сопротивлении. В результате уровень переменного напряжения можно определить через известное значение постоянного.
Поверка находящихся в эксплуатации на территории РФ вольтметров и калибраторов переменного напряжения повышенной точности, работающих в диапазонах частот 10—30106 Гц и уровней сигнала 0,5—1000 В, осуществляется с помощью модулей термопреобразователей, входящих в состав эталонов 1-го и 2-го разрядов ГПС. В настоящее время применяют созданные в 1960-х гг. модули термопреобразователей комплектов ПНТЭ-6 и ПНТЭ-12, которые дав-
Рис. 2. Структурная схема одного каскада широкополосного операционного усилителя
но выработали свой ресурс. Для их замены разработаны комплекты модулей В9-25, В9-14, ПНТЭ-35 [4-6], имеющие необходимую для эталонов точность (минимальная погрешность составляет 0,01 %). Эти модули можно использовать уже в более широком частотном диапазоне 5 Гц — 200 МГц.
Особо точные вольтметры и калибраторы переменного напряжения, для которых нормированные значения погрешности лежат в пределах 0,003—0,01 %, периодически поверяют с помощью модулей термопреобразователей вторичных эталонов ГПС, которыми оснащены региональные центры метрологии. Однако указанные модули построены на устаревшей компонентной базе и давно выработали свой ресурс, не обладают необходимой точностью при сигналах небольшого уровня 1—100 мВ, характерных для современных приборов. Для обеспечения поверки упомянутых приборов, работающих в диапазонах частот 10—106 Гц и уровней сигналов 0,001—1000 В, разработан новый комплект модулей термопреобразователей ПНТЭ-36, имеющих точность, установленную для вторичных эталонов ГПС.
В комплект ПНТЭ-36 входят 14 модулей (П1-П14), каждый из которых рассчитан на определенное номинальное напряжение сигнала и состоит из двух сочленяемых блоков: основного термопреобразователя ПП1 и сменного масштабного преобразователя. В качестве последнего используют один из шести сменных блоков дополнительных усилителей (БДУ) или один из восьми сменных блоков дополнительных сопротивлений (БДС). Блоки ПП1, БДС, БДУ выполнены в виде цилиндров, на их противоположных основаниях закреплены входной и выходной разъемы. Сменные блоки БДУ используют для усиления небольших напряжений, а блоки БДС — для ослабления повышенных напряжений. Коэффициенты передачи указанных блоков обеспечивают на входе ПП1 сигнал номинального уровня 2,5 В.
Блок основного термопреобразователя ПП1 (рис. 1) применяют в каждом из 14-ти модулей вместе с одним из сменных блоков (БДУ или БДС). Он обеспечивает электротепловое сравнение напряжений номинального уровня и построен на основе специализированной пленочной интегральной микросхемы сдвоенного термопреобразователя ДТПС-1—2012, включенной вместе с прецизионным операционным усилителем и квадратором в следящую систему взаимообратного преобразования. В микросхему входят два идентичных термоэлемента ТЭ-1, ТЭ-2 с сигнальными подогревателями Яп1, Яп2, имеющими низкореактивное сопротивление (400±100) Ом, и многоэлементными термопарами Т1, Т2, вырабатывающими ЭДС, которая пропорциональна активной мощности, рассеивающейся на соответствующем подогревателе. Через входной разъем блока ПП1 на подогреватель Яп1 поочередно подают сигналы от источников переменного и постоянного напряжений. Термоэлементы ТЭ-1, ТЭ-2 (см. рис. 1) имеют идентичные параметры и высокий (около 3,5 мВ/мВт) коэффициент электротеплового преобразования. Отличительная особенность термоэлементов микросхемы — чрезвы-
чайно малое значение 8а погрешности асимметрии — изменения термоЭДС, связанного с инверсией полярности постоянного напряжения сигнала и обусловленного тепловыми эффектами Томсона и Пельтье. Погрешность 8а проявляется в неоднозначности результатов сравнения и приводит к тому, что одному и тому же значению термоЭДС, зафиксированному при переменном напряжении, соответствуют два, несколько отличающихся по значению, постоянных напряжения разной полярности. Используя в качестве результата среднее из двух напряжений, снижают указанную составляющую погрешности сравнения, но обычно она не устраняется полностью. У микросхемы ДТПС-1-2012 погрешность 8а снижена до 0,001—0,002 %, что позволило почти полностью исключить соответствующую составляющую погрешности сравнения. Повышенная тепловая инерционность (0,5 с) микросхемы обеспечила использование ее на очень низких частотах, вплоть до 10 Гц, без существенной потери точности. Большое петлевое усиление следящей системы взаимообратного преобразования блока ПП1 вместе с высокими параметрами микросхемы обеспечивают высокую стабильность и повторяемость результатов измерений.
Сменные блоки добавочных усилителей БДУ-0,003; БДУ-0,01 БДУ-0,03; БДУ-0,1; БДУ-0,3; БДУ-1 рассчитаны на номинальные входные сигналы небольшого уровня ин = 3...1000 мВ и построены на широкополосных каскадах операционных усилителей (рис. 2), снабженных каналами стабилизации нуле-
вого уровня. В высокочастотном тракте каждого каскада усилителя (тип zero-drift) использована микросхема D2, а в канале стабилизации нуля — D1. Количество последовательно включенных каскадов усиления в каждом блоке БДУ зависит от требуемого коэффициента усиления и отличается для разных блоков.
Сменные блоки добавочных сопротивлений БДС-3; БДС-10; БДС-30; БДС-50; БДС-100; БДС-300; БДС-500; БДС-1000 рассчитаны на сигналы повышенного номинального уровня ин = 3...1000 В. Каждый из блоков содержит проходной резистор низкореактивного сопротивления, включенный между потенциальными зажимами входного и выходного разъемов на основаниях цилиндрического корпуса блока. При соединении двух блоков добавочное сопротивление, включаемое последовательно с сигнальным подогревателем микросхемы блока ПП1, ослабляет сигнал и обеспечивает на входе ПП1 номинальное входное напряжение 2,5 В.
В таблице приведены значения пределов допускаемых относительных погрешностей сравнения постоянного и переменног
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.