Przegląd właściwości i zastosowań indukcyjnych dzielników napięcia

ZESZYTY NAUKOWE POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ 1976

Seriat Elektryka z. 55 Nr kol. 499

Ryszard Gotszalk

Instytut Metrologii Elektrycznej Politechniki Wrocławskiej

Ryszard Hagel

Instytut Metrologii Elektrycznej i Elektronicznej Politechniki Śląskiej

PRZEGLĄD WŁAŚCIWOŚCI I ZASTOSOWAŃ INDUKCYJNYCH DZIELNIKÓW NAPięCIA

Streszczenie. Dalszy rozwój narzędzi pomiarowych, które osiągnę­

ły wysoki poziom techniczny, wymaga wprowadzenia istotnych zmian ja­

kościowych w konstrukcji i technologii elementów składowych. Przy­

kładem nowego elementu składowego układów pomiarowych jest indukcyj­

ny dzielnik napięcia. W artykule podano najważniejsze parametry in­

dukcyjnych dzielników napięó, porównano ich właściwości z rezystan- cyjnymi dzielnikami i podano przykłady zastosowań.

Wprowadzenie

Stopień rozwoju technicznego konstrukcji lub technologii, w tym rów­

nież aparatury pomiarowej, określa stosunek ich aktualnej wartości włas­

nej do wartości granicznej możliwej do uzyskania. Wartość własną poszcze­

gólnych konstrukcji lub technologii określają wybrane charakterystyczne parametry techniczne, ergonomiczne i ekonomiczne lub kombinacje tych pa­

rametrów.

Analiza parametrów charakterystycznych decydujących o wartości własnej aparatury pomiarowej stosowanej obecnie w technice pomiarów elektrycznych prowadzi do wniosku, że większość tej aparatury m.in. mostki i kompensa­

tory prądu stałego osiągnęły kres swoich możliwości - czyli graniczną war­

tość własną

[

]-

Jednocześnie należy zauważyć, że rozwój nowych kierunków badawczych Jak np. krionika, zależy w dużej mierze od opracowania aparatury pomiarowej, której wartość własna wyznaczana przez takie parametry jak granica mie- rzalności, dokładność, rozdzielczość znacznie przekraczają graniczną war­

tość własną urządzeń pomiarowych znajdujących się obecnie w powszechnym użyciu. Przekroczenie granicznej wartości własnej istniejącej aparatury przy zachowaniu niezmiennej zasady pomiaru wymaga wprowadzenia istotnych zmian jakościowych w konstrukcji i technologii jej elementów składowych.

Wszelkie inne usiłowania osiągnięcia tego celu nie uwzględniające tych założeń należy uznać za niecelowe, ponieważ przy bardzo dużych nakładach sił i środków prowadzą do nieznacznych efektów bez szerszych perspektyw rozwojowych.

Przykładem nowego elementu składowego aparatury pomiarowej, w którym zmiany konstrukcyjne i technologiczne doprowadziły do jakościowych zmian parametrów własnych, jest indukcyjny dzielnik napięcia (skrót: IDN).

Zasady działania, opisy rozwiązań konstrukcyjnych i szczegółową anali­

zę własności IDN podają krajowe opracowania [ei], [3 ] zawierające również szczegółową bibliografię tych zagadnień. Schemat wielodekadowego IDN w u- kładzie Kelvina-Varley’a przedstawia rys. 1. Dzielnik taki jest wielo- miarowym -wzorcem stosunku dwu napięó.

Tablica 1 Podstawowe parametry dzielników napięó [2] , [4]

Parametr IDN RDN

Błąd podziału napięć Stabilność czasowa

Podatność na zmiany temperatury Impedancja wejściowa

Impedancja wyjściowa

10"6*10-7 2.10_9/rok 5.10"10/K

>50 kół

<5 kil

10-4*10-5 1.10-6/rok 1.10-5/K

>10 k SI 0...10 kSI

W tablicy 1 zestawiono podstawowe parametry IDN pomocne w rozważaniu problemu możliwości zastosowań tych urządzeń. Jednocześnie w tablicy 1 dla porównania zestawiono dane charakterystyczne rezystancyjnych dzielni­

ków napięcia (skrót: RDN).

0 zaletach IDN świadczą nie tylko ich przeciętne parametry przedstawio­

ne w tabeli 1, które w wykonaniach specjalnych mogą być znacznie lepsze [2], ale również stałość tych parametrów w czasie i w szerokim zakresie czę­

stotliwości oraz bardzo prosta technologia wykonania w porównaniu np. z technologią produkcji dzielników Kelvina - Varley’a [5].

Wymienione właściwość, indukcyjnych dzielników napięcia vskazują, że głównym obszarem ich zastosowań są mostki i kompensatory oraz inne urzą­

dzenia pomiarowe, w których dotychczas powszechnie stosowano RDN.

Przegląd właściwości i zastosowań indukcyjnych.. 5

Mostki z IDN mają szereg zalet w porównaniu z mostkami impedancyjnymi, z których najważniejsze sąi

- możliwość uzyskania dużej dokładności pomiaru składowych impedancji,tan- gensa kąta stratności tg<S, dobroci cewek Q;

- liczba wzorców impedancji może być ograniczona do dwu;

- admitancje doziemne impedancji mierzonej nie wpływają na wynik pomiaru, bez stosowania układu Wagnera,

- impedancje można mierzyć w układzie trzyzaciskowym;

- możliwy jest Domiar różnicy dwu pojemności.

Dalsze zastosowania IDN wynikają z zasad ich działania.Indukcyjne dziel­

niki napięcia mogą również spełniać funkcje pomocnicze w procesie pomiaru takie jak zmiany zakresów pomiarowych [6], przesuwników faz

W.

torów potencjałów ekranów pomocniczych [s] itp.

Mostki i kompensatory z IDN

Na rys. 2 przedstawiony jest mostek z transformatorowymi indukcyjnymi dzielnikami napięcia. Mostek ten służy do pomiaru pojemności Cx i współ­

czynnika strat dielektrycznych tg«?, może być również przystosowany do po­

miaru indukcyjności.

W trakcie pomiaru rozważanym mostkiem rzeczywista pojemność mierzona Cx odwzorowywana jest przez pojemność wzorcową i konduktancję Gjf. Ska­

lę tego odwzorowania określa stosunek napięć U^/Ug wynikający ze stosunku podziału liczby zwojów uzwojenia wtórnego użytego transformatorowego

tTirimiTiinnn^^

Rys. 2

dzielnika napięcia. Dzielnik ten pozwala na wyznaczenie wymienionego sto- _7

sunku napięć z błędem względnym mniejszym niż 5.10 a więc znacznie do­

kładniej niż by to można zrobić stosując RDN.

W tych warunkach o niedokładności wyników pomiarów dokonanych przedsta­

wionym mostkiem decydują wyłącznie błędy wzorcowej pojemności i kon- duktancji G^, ponieważ błąd skali odwzorowania jest w stosunku do nich pomijalnie mały.

Na rys. 3a, b przedstawione są Mostki Thomsona i Wheatstona z auto- transformatorowymi indukcyjnymi dzielnikami napięcia, którymi zastąpiono stosowane w tych mostkach RDN. Wiąże się to z koniecznością zasilania wy­

mienionej aparatury prądem przemiennym o niskiej częstotliwości. Zastoso­

wanie IDN w wymienionych mostkach oprócz istotnego zwiększenia dokładno­

ści i stabilności czasowej określenia stosunku napięć wzg!*

, (gdzie n - nastawienie wielode- wyznaczonego przez wartość stosunku tj-

kadowego IDN), przynosi następujące korzyści»

- wyeliminowanie wpływu sił termoelektrycznych, na wyniki pomiarów,wystę­

pującego przy zasilaniu mostków prądem stałym;

- zmniejszenie wpływu rezystancji doprowadzeń i styków spowodowane znacz­

ną wartością impedancji wejściowej IDN. Dla dzielników dwurdzeniowych Zwe > 1 M

SI

- znacznym powiększeniem pobudliwości mostków,zw.ązanym z małą wartością impedancji wyjściowej dzielników Z ^ < 3ił [2 j

- uzyskanie możliwości dokładnego porównania rezystorów o stosunku warto­

ści różnym od dzies.ętnego,zmieniającym się w szerokim zakresie.

Przyjmując, że warunek równowagi mostków przedstawionych na rys. 3a, b określa równanie:

( D

b)

i--- ^ ---

r i T i m r r r r i r r ^

i± j

p

Rh

-o ~o-

Rys. 3

Przegląd właściwości i zastosowań indukcyjnych.. 7

błąd względny określenia wartości stosunku rezystancji R^/Rjj wynosi s

. * p - * » + ło . + V l2)

przy czym:

ó - błąd podziału IDN; ć __ - błąd pobudliwości mostkaJ

XI c z

$ - błąd dodatkowy związany z rezystancjami doprowadzeń.

Doświadczenia uzyskane przy budowie mostka Thomsona, z dwurdzeniowymi IDU, zasilanego prądem o częstotliwości 20r200 Hz dowodzą,że możliwe jest uzyskanie następujących wartości błędów składowych wyrażenia (2): <5'n=10-7- _ 10 “®. S =10“®, tf =10“7 T9l• Mostek taki stosowany jest do wzorcowa-

9 C Z P L J

nia rezystorów zamiast mostka Thomsona zasilanego prądem stałym.

Firma Tinsley wykonała podobny mostek, który współpracuje z platynowym przetwornikiem termorezystancyjnym umożliwia w oparciu o międzynarodową skalę temperatur pomiar temperatury w przedziale 73t933 K z błędem 5.10“7 [10]. Istnieją realne możliwości zastosowania tego typu mostków do pomia­

ru temperatur w przedziale poniżej 4,2 K co ma zasadnicze znaczenie dla rozwoju krioniki.

Mostek Wheatstona z IDU pozwala na wzorcowanie rezystorów normalnych o wartościach Rjj > 100.51, z błędem 10 ® [?]•

Rya. 4

Przedstawione na rys. 3a, b mostki zasilane napięciem o częstotliwości 104-80 Hz umożliwiają również wzorcowanie dzielników rezystancyjnych i kom­

pensatorów napięcia stałego z błędem 2.10*"^

Aparatura zbudowana przy użyciu IDN widoczna na rys. 4, w której wy­

stępuje kompensator napięcia przemiennego i układ różnicowy umożliwia po­

równanie napięć Ux i Ujj. z błędem 10-8 ... 10~" f12]» [ß]. Aparatura ta wykorzystywana jest do sprawdzania dzielników indukcyjnych oraz przekład- ników napięciowych.

RECENZENT*

doc. dr heb. Zbigniew Orzeszkowski Politechnika Wrocławska

LITERATURA

[1] Gotszalk R.t Prognozy rozwoju i kierunki optymalizacji układów i u- rządzeń pomiarowych. Prace Naukowe Instytutu Metrologii Elektrycznej Politechniki Wrocławskiej, nr 8, s. 151-164, Wrocław, 1975.

[2] Jaskulski J.: Możliwości budowy dwurdzeniowych indukcyjnych dzielni­

ków napięcia i ich zastosowanie na przykładzie mostka Thomsona. Roz­

prawa doktorska, Instytut Metrologii Elektrycznej Politechniki Wroc­

ławskiej, Wrocław, 1975.

[3] Skubis T.ł Opracowanie konstrukcji i technologii wielodekadowych in­

dukcyjnych dzielników napięcia. Instytut Metrologii Elektrycznej i Elektronicznej Politechniki Śląskiej. Praca doktorska, Gliwice,1975.

[4] Heike H.* Gleichstrommessbrücken, Gleichspannugskompensatoren und ihre Normale. R. Oldenbourg Verlag München, Wien, 1974.

[5] Nowak K.* Zastosowanie dzielnika Kelvina-Varley’a w układach pomia­

rowych. Komunikat Instytutu Metrologii Elektrycznej Politechniki Wro­

cławskiej, nr 46, Wrocław, 1973.

[6] Sze W.C., Dunn A.P., Zapf T.L.s An international comparison of induk­

tive voltage divider calibrations at 400 and 1000 Hz. IEEE Trans, vol. IM-14, 1965, nr 3, s. 124-131.

[7] Zapf T.L.: Voltage measurements with a transformer capacitance brid­

ge. I. Res. NBS. vol. 66C, 1962, nr 1, s. 25-32.

[ö] Sze W.C.i An injection method for self-calibration of induktive vol­

tage divider. J. Res. NBS, vol. 72C, 19 6 8 , nr 1, s. 49-59.

[9] Hill J.J.s Calibration of dc resistance standards and voltage - ra­

tio boxes by ac method. Proc. IEE^-vol. 112, 1965, nr 1, s. 211-217.

Przegląd właściwości i zastosowań indukcyjnych». 9

[10] Hill J.J., Deacon T.A.s An ac double bridge with inductively coupled ratio arms for precision platinum thermometry, Proc. IEE, vol. 110, 1963, nr 2, s. 453-458.

[1 1 ] Hillhause D.L., Klime H.W.: A ratio transformer bridge for standari- zation of induktors and capacitotors. IRE Trans vok. 1-9, 1960, nr 4, s. 251-257.

[12] Schlinke H.s Differenzschrittmethode zur Bestimmung der Fehler von Spannungsteilern. Ber. Phys. - Tech. Bundesanstalt Ziff. 339, 1968.

HHiyKTH3HHE ßEJIHTEJIH HAriPflJiCEHHH HX CBOÄCTBA H IIPHMEHEHHE P

C p e ^ c T B a H 3 M e p e H H ä .n o c T H rjiH 3 a n o c j i e ^ H H e r o ^ u b h c o k o t o T e x H H H e c K o r o y p o - f m . J i a j r b H e ä m a e h x p a 3 B n T H e T p e ß y e T B B e ^ e H H H c y i q e c T B e H H u x K a v e c T B e H H U x H 3 - M eH eH H H KOHCTpyKUHH H TexH O JIO TH H OJieMeHTOB • H H flyK TH BH U e fleX H T ejIH H anpflaceH H H h b j i h k t c h n p H M e p o M T aK H X o j i e M e H i o B • B c i a T i e n p H B e f l e n u o c H O B H ü e n a p a M e T p u h h- Ä yK T H B H U x f l e j i H T e a e i t H a n p a s c e H H H c o C B O ö cT B aM H p e 3h c t h b h f iIx x e j i H T e j i e i i H a n p a s t e - h h h h n p H B e ^ e H u n p H M e p H h x n p H M e H e H H H .

INDUCTIVE VOLTAGE DIVIDER PROPERTIES AND APPLICATIONS REVIEW

S u m m a r y

Further development of high quality measuring devices requires an es­

sential alteration in detail construction and technology.

An inductive voltage divider is an example of such a modern detail of mea­

suring systems.

Presented paper gives the most important parameters of inductive voltage dividers. Further a comparison of inductive and resistive voltage divi­

ders has been done. Finally, some examples of their applications have been discussed.