5 Еталони одиниць напруги і сили змінного струму

5.1 Еталони одиниці напруги змінного струму

5.1.1 Параметри напруги змінного струму

Для характеристики напруги змінного струму використовуються такі параметри:

пікове значення (для квазігармонічних коливань – амплітудне) – найбільше миттєве значення напругиза час вимірювання(чи за період):

; (5.1)

середнє значення за час вимірювання (чи за період) – постійна складова напруги:

; (5.2)

середньовипрямлене значення (СВЗ) – середнє значення абсолютного значення напруги:

; (5.3)

середньоквадратичне значення (СКЗ)^ – позитивний корінь квадратний із середнього значення квадрата напруги:

. (5.4)

Ці параметри взаємопов’язані. Для чисто гармонічних коливань цей зв'язок виражається відомими співвідношеннями:

; ;;

. (5.5)

Найбільш універсальним та інформативним параметром змінної напруги є СКЗ. Вимогу градуювання показань вольтметрів у СКЗ офіційно закріплено в нормативних документах, зокрема, Росії й України. Тому, коли говорять про еталонування напруги змінного струму, мають на увазі саме середньоквадратичне значення.

5.1.2 Основні методи точного вимірювання (відтворення) напруги змінного струму

Існує кілька методів точного вимірювання СКЗ змінної напруги. Перший ґрунтується на дискретизації сигналу, вимірюванні миттєвих значень з наступною цифровою обробкою й обчисленні за формулою (5.4). У цьому напрямку в останні роки досягнуто високі результати навіть у серійних приладах, наприклад, у HP3458A (фірма “Hewlett-Packard”, США), де найменша похибка не перевищує 0,01%.

Другий, придатний для чисто гармонічного чи іншого сигналу з точно відомою формою, полягає у вимірюванні амплітуди змінної напруги і наступному перерахуванні в СКЗ. Цей спосіб застосовується в компенсаційних вольтметрах, де в припущенні синусоїдальності напруги обчислюється СКЗ за формулою (5.5)

.

Третій базується на компаруванні теплових енергій (потужностей) при поданні на термоперетворювач вимірюваної змінної і відомої постійної напруг [36].

Перші два способи мають ряд відомих недоліків і характерних джерел похибок, що обмежують їхню точність і можливості використання в еталонних засобах, тому, не зупиняючись на них більш докладно, відзначимо, що найбільше поширення для точних вимірювань параметрів інтенсивності випромінювання будь-якого типу одержав метод теплового компарування. Відповідно до закону збереження енергії при повному поглинанні однакові кількості виділеного тепла відповідають однаковим енергіям незалежно від виду чи частоти випромінювання. На основі цього закону порівнюється енергія змінного струму з енергією постійного струму. Метод забезпечує єдність одиниць напруги, струму, потужності при різних довжинах хвиль і їх прив'язку до тих же одиниць на постійному струмі. Параметри постійного струму, зокрема, напругу, визначають з необхідною точністю на базі ефекту Джозефсона, розглянутого вище.

Діапазон частот, у якому створюють еталони одиниці змінної напруги, становить від одиниць герц до 2-3 ГГц (вище цих частот вимірюють потужність). І хоча в усьому діапазоні цих частот використовується метод теплового компарування, його апаратурна реалізація в різних частотних піддіапазонах суттєво відрізняється. Так, у більшості еталонів у діапазоні до ~ 100 кГц використовуються багатоелементні термопари, на більш високих частотах і приблизно до 30 МГц найкращі результати одержано з використанням одноелементних вакуумних безконтактних термоперетворювачів (ТП). Вище 30 МГц застосовуються, як правило, терморезистори – болометри, термістори, які змінюють свій електричний опір при нагріванні. Одним з варіантів реалізації методу теплового компарування у ВЧ-діапазоні є використання в якості навантаження ТП безреактивного резистора (рис. 5.1). Існує також варіант методу теплового компарування, який полягає у вимірюванні ВЧ-потужності на відомому імпедансі і обчисленні ВЧ-напруги.

Метод

теплового

компарування

Багатоелементний ТП

Одноелементний ТП

Терморезистори

НЧ-діапазон

Середньочастотний діапазон

ВЧ-діапазон

Болометр

Термістор

Резистор

Рис. 5.1. Реалізація методу теплового компарування

Відзначимо, що динамічні діапазони відтворення змінної напруги в різних частотних піддіапазонах також суттєво відрізняються, що визначається як характеристиками засобів вимірювання напруги, так і науково-технічними можливостями їх реалізації. Аналіз створених у різних країнах еталонів дає такі орієнтовні значення відтворюваної еталоном напруги в залежності від частоти:

= 0,1 – 1000 В при = 10 Гц – 1000 кГц

0,1 – 30 В при = 100 кГц – 1 МГц

0,1 – 20 В при = 1 – 30 МГц

0,1 – 3 В при = 30 – 100 МГц

0,1 – 1 В при = 100 МГц – 1 (3) ГГц.

Наведені вище відомості щодо конструкцій термоперетворювачів і динамічних діапазонів ілюструються на рис. 5.2.

Різні вимоги до динамічних діапазонів відтворення напруги і різні варіанти рішень метода теплового компарування призводять до необхідності створення кількох еталонів напруги змінного струму. Світова практика свідчить, що необхідний діапазон частот напруги змінного струму перекривається, як правило, трьома еталонами, які працюють у піддіапазонах: 10 Гц – 1 МГц; 1 – 30 МГц; 30 МГц – 1(3) ГГц (Німеччина, США, Великобританія). У СРСР у свій час були створені державні еталони в двох піддіапазонах: 20 Гц – 30 МГц; 30 МГц – 3 ГГц.

U, В

Багатоелементні

термопари

Одноелементні

ТП

Терморезисторні

ТП

1000

30

20

3

1

10 Гц

100 кГц

1 МГц

30 МГц

100 МГц

1000 МГц

f

Рис. 5.2. Частотний і динамічний діапазони еталонів змінної напруги