Методические погрешности преобразователей среднеквадратических ачений переменных напряжений. Новые микроэлектронные дифферен [альньїе термопреобразователи для широкополосных вольтметров по [шенной точности, их характеристики и схемы применения. Влияние раниченной широкополосности измерительного тракта на точность при гналах сложной формы

Основные идеи повышения точности преобразователей средневыпрям-ленных значений, разработанные автором, реализованы в первом отечественном серийном высокочастотном автоматизированном преобразователе В9-1 повышенной точности [3;26], предназначенным для работы в составе автоматизированных измерительных систем.

Методические погрешности преобразователей среднеквадратических значений переменных напряжений. Новые микроэлектронные дифференциальные термопреобразователи для широкополосных вольтметров повышенной точности, их характеристики и схемы применения. Влияние ограниченной широкополосное измерительного тракта на точность при сигналах сложной формы.

В технике измерения переменных напряжений преобразователи среднеквадратических значений (СКЗ) применяют наиболее часто. Это обусловлено низкой реакцией выходного напряжения этих преобразователей на искажения испытательного сигнала переменного тока, применяемого при измерениях.

При измерении СКЗ используются: метод аналоговых вычислений на основе умножителей, логарифматоров и антилогарифматоров; метод стохастической дискретизации с аналого-цифровым преобразованием и математической обработкой данных; термоэлектрический метод. Метод аналоговых вычислений хорошо разработан и широко применяется на практике на основе использования специализированных микросхем выпускаемыми рядом электгюнных фирм. Од-нако, достигаемая на практике погрешность измерений особенно для широкополосных сигналов сложной формы, составляет единицы процентов.

При стохастической дискретизации напряжений широкополосных сигналов погрешность измерения определяется в основном точностью, широкопо-лосностью и динамическим диапазоном устройств выборки-хранения «мгновенных» значений сигналов, схемы которых рассмотрены в разделе 3. При полосе частот сигнала до 10 Мгц погрешность лучших измерителей может составить десятые доли процента однако при более высоких частотах величина потешно-сти достигает значений 1% и более Созданные под руководством автора стробоскопические цифровые вычислительные вольтметры «мгновенных» значений сигналов В4-24 и В4-25 реализуетСпециально рЗотаные алгоритмы дискре-тизавди и вычисли

Наибольыпая точность досигается при термоэлектрическом методе, поэтому в диссертационной работе ему уделено наибольшее внимание.

В качестве элемента сравнения СКЗ напряжения сигнала с опорным напряжением постоянного тока точные измерители используют пары электро -54-тепловых термоэлектрических преобразователей, включенных по схеме взаимообратного преобразования.

Метрологические характеристики преобразователей среднеквадратиче-ских значений сильно зависят от таких параметров электротепловых элементов, как частотный диапазон, коэффициент преобразования, тепловая инерционность, устойчивость к перегрузкам, температурная и временная стабильность параметров, идентичность параметров термопреобразователей, объединенных в пару. Ведущие зарубежные приборостроительные фирмы в своих моделях вольтметров используют дифференциальные термопреобразователи собственного производства, изготовленные с применением интегральной технологии микроэлектроники, характеристики которых намного превосходят характеристики используемых в отечественном приборостроении термопар типа ТВБ. Это предопределило существенное отставание характеристик отечественных приборов. С целью преодоления этого отставания необходимо было разработать теоретические и технологические основы создания отечественных микроэлектронных дифференциальных измерительных термопреобразователей.

В процессе разработки пленочных многоэлементных термопреобразователей проведен выбор материалов для подогревателей и термопар, обеспечивающих высокий коэффициент теплопередачи, стабильность характеристик, заданные тепловую инерционность и устойчивость к перегрузкам. Разработана оптимальная многоэлементная конструкция, обеспечивающая минимальные тепловые потери выСОКУЮ повторяемость характеристик попарную идентичность парамет-ров двух составляющих блоков заданную полосу пропускания Разработаны технологические режимы нанесения материалов на подложку обеспечившие хорошую повторяемость характеристик и долговременную стабильность.

Определена [35] номенклатура параметров, характеризующая дифференциальные измерительные термопреобразователи, которая разделена на статические (измеряемые при сигнале постоянного тока), динамические (измеряемые при сигнале переменного тока и при импульсном сигнале) и эксплуатационные, характеризующие условия применения. Разработаны методы измерения статиче-ских, динамических и эксплуатационных параметров. Изучено влияние параметров дифференциальных пленочных термопреобразователей на выходные характеристики преобразователей переменного напряжения в постоянное, построен-ньіх на их основе

Разработанные с применением интегральной технологии термоэлектрические дифференциальные пленочные термореобразователи ДТПС-1, ДТПС-2 и ДТПП-1 [18;21;34;35], представляют собой микроэлектронный модуль, содержащий два идентичных термоэлектрических блока, каждый из которых состоит из подогревателя и многоэлементной термопары (состоящей из 25 последовательно соединенных элементов), связанной с подогревателем тепловой связью. Входными зажимами дифференциального преобразователя являются выводы подогревателей, а выходными - выводы многоэлементных термопар. Измеряемый широкополосный сигнал подается на один вход преобразователя, а эталонное напряжение постоянного тока - на другой. Напряжение постоянного тока (термо-ЭДС), образующееся на каждом выходе, пропорционально подводимой к входам мощности и по равенству этих напряжений судят о равенстве мощности сигнала и мощности источника эталонного постоянного напряжения.

Два типа термопреобразователей ДТПС-1 и ДТПС-2 , выполненных на слюдяной подложке (рис.27, а и б), отличаются конструкцией и примененными материалами. Термопреобразователь ДТПС-1 ориентирован на использование при повышенных уровнях сигнала (до 75 мВт), допускает значительные перегрузки (до 420 мВт) и имеет сравнительно невысокое быстродействие (рис.28). Термопреобразователь ДТПС-2 предназначен для использования в вольтметрах при малых (до 25 мВт) уровнях сигнала и со сниженным временем измерения. Поэтому он использует в термоэлементах более низкоомный теллурид свинца, имеет меньшие размеры и меньшую тепловую постоянную времени (40 мс вместо 400 мс у ДТПС-1), что хорошо видно на диаграмме (рис.26в), применяемой для оценки пульсаций выходного напряжения.Чувствительность каждого термоблока обоих типов составляет 3 мВ/мВт,сопротивления подогревателей 70 Ом.