CC BY
87
УДК 621.317.727.1
ИНДУКТИВНЫЕ ДЕЛИТЕЛИ НАПРЯЖЕНИЯ С СИММЕТРИРУЮЩЕЙ ОБМОТКОЙ
В.Л. Ким
Томский политехнический университет E-mail: [email protected]
В индуктивном делителе напряжения (ИДН), выполненном десятипроводным жгутом на ферромагнитном сердечнике, из-за неравенства эквивалентных емкостей, шунтирующих секции декадной обмотки, с увеличением частоты происходит резкий рост погрешности коэффициента передачи. Существенно снизить частотную погрешность (в 5 и более раз) возможно в ИДН с симметрирующей обмоткой (СО). Последний представляет собой сочетание бинарного делителя и пятисекционных обмоток, согласно последовательное соединение которых и образует декадную обмотку. При этом выравниваются эквивалентные емкости, и, следовательно, расширяется диапазон рабочих частот ИДН c Со.
Введение
Индуктивные делители напряжения обладают рядом высоких метрологических характеристик: точностью и стабильностью коэффициента переда-
чи Кп
Ust
U„
-, где ишх - выходное, Uex - входное
напряжение делителя; малыми фазовыми погрешностями и выходным сопротивлением, недостижимыми в других типах делителей. Проектированию и применению ИДН в литературе уделено значительное внимание [1-4]. Наибольшее распространение получил декадный ИДН, который выполняется намоткой на тороидальный ферромагнитный сердечник многопроводного жгута, состоящего из десяти равномерно скрученных изолированных проводов. Назовем такой делитель индуктивным делителем первого типа - ИДН1. Относительная погрешность коэффициента передачи у ИДН1 в области средних частот 0,4... 10 кГц равна 10-3...10-4 %. Однако в области верхних частот (свыше 10 кГц) погрешность резко возрастает. Частотная погрешность определяется неравенством эквивалентных емкостей, шунтирующих секции делительной обмотки. Известные способы выравнивания этих емкостей малоэффективны, так как ведут к ухудшению других характеристик ИДН1, например, к уменьшению входного полного сопротивления. Существенное снижение погрешности в области верхних частот 10.100 кГц достигается в ИДН с СО.
Основы теории ИДН с симметрирующей обмоткой
Делительная обмотка в ИДН с СО выполняется несколькими жгутами, содержащими одинаковое и разное число проводов.
Рассмотрим принципы построения ИДН с СО на примере декадного делителя [5]. На рис. 1 приведена принципиальная схема такого делителя. На ферромагнитном сердечнике размещаются пять делительных обмоток: симметрирующая обмотка Ьь представляющая собой двоичный (бинарный) ИДН, и четыре отдельных пятисекционных обмоток Ь2-Ь5. СО Ь выполняется жгутом, состоящим из двух равномерно скрученных проводов. Допол-
нительные обмотки Ь2 и Ь4 выполняются из жгута, состоящего из десяти равномерно скрученных проводов. При этом из пяти проводов образуется обмотка Ь2, а из других пяти проводов - обмотка Ь4. Обмотки Ь2 и Ь4 включаются согласно и параллельно. Аналогичным образом выполняются обмотки Ь3 и Ь5. Пары обмоток Ь2, Ь4 и Ь3, Ь5 соединяются согласно последовательно и образуют декадный ИДН.
Рис. 1. Принципиальная схема декадного ИДН с СО
На рис. 2, а, б приведены схемы замещения выходной части ИДН1 и ИДН с СО, составленные на основе известных распределений эквивалентных емкостей пяти- и десятисекционных обмоток [3]. Как видно из этих рисунков, у ИДН с СО наблюдается не только выравнивание эквивалентных емкостей, шунтирующих секции декадной обмотки, но и их существенное уменьшение.
С целью упрощения анализ точности ИДН в области верхних частот проведем при следующих допущениях:
1) емкостные проводимости между обмотками и обмотками и сердечником равны нулю;
2) индуктивности рассеяния секций обмоток равны между собой;
3) все емкости между двумя проводами в жгуте одинаковы.
Известия Томского политехнического университета. 2003. Т. 306. № 3
ивЪЖ изл
I + (I -
_/=1
1+1 А/
]=1
1+ ЕА/
]=1
10 + А/
]=1
= иК (1-8К), (1)
и= 0,1 • ивх (1 - 12А), и= 0,2 • ивх (1 - 8А)
2
вых4
и вых5 = 0,5 • и вх,
и в^1хз = 0,3 и вх(1 - 4,7 А), и вых4 = 0,4 • и в, (1 - 2А)
Г (2)
ивыхб = 0,6 • ивх(1 + 1,3А), и и вых8 = 0,8 • и вх(1 + 2 А), и
вых7 = 0,7 • ивх(1 + 2А); вых9 = 0,9 • ивх(1 + 1,3А) ,
где А = а21$С0.
Аналогично для отводов ИДН с СО получим
и вых1 = 0,1 • и вх (1 - 2А), и вых 2 = 0,2 • и вх (1 - 0,5А), и выхз = 0,3 • и вх (1 + 0,3А), и вых 4 = 0,4 • и вх (1 + 0,5 А),
и вых 5 = 0,5 и вх,
и выхб = 0,6 и вх(1 - 0,3А), и вых 7 = 0,7 • и вх (1 - 0,2А)
= 0,9 • и вх(1 + 0,2А).
и вых 8 = 0,8 • и вх(1 + 0,1А), и в,
■(3)
Рис. 2. Распределение эквивалентных емкостей секций в ИДН1 (а) и ИДН с СО (б)
Тогда выходные напряжения на отводах декадной обмотки ИДН можно рассчитать по формуле:
где I = 1, 2, 3, ..., 10 - номер отвода декады; К - относительная погрешность коэффициента передачи, Б; = МргЬ$С0 - частотная погрешность|-й секции I = 1, 2, 3, ..., 10). В формуле для частотной погрешности М; - коэффициент при емкости С0 соответствующей секции; С0 - усредненная емкость между двумя проводами жгута; а - круговая частота; Ь8 - индуктивность рассеяния секции.
Для ИДН1 расчеты по формуле (1) приводят к следующим выражениям:
Из сравнения выражений (2) и (3) видно, что у ИДН с СО значения погрешностей меньше, чем у ИДН1: у отвода 1 наблюдается уменьшение погрешности в 6 раз, а у отвода 2 - в 16 раз и т.д.
Входную емкость всего ИДН с СО можно считать равной сумме входной емкости СО и входной емкости четырех последовательно-параллельно соединенных пятисекционных делителей. Тогда входная емкость ИДН с СО определяется следующим образом:
Ск2 = 1,25С0+0,4С0= 1,65С0.
В то же время входная емкость ИДН1 равна
Свх1 = 1,65С0,
т.е. в этом случае Сх2 = С^.
Экспериментальные исследования
Для экспериментальных исследований были изготовлены опытные образцы ИДН1 и ИДН с СО. При этом использовались тороидальные сердечники из пермаллоя 79НМ (магнитная проницаемость ц=120000, индукция насыщения В = 0,35 Тл) размерами 80X40X30 мм. Жгуты были выполнены из провода марки ПЭЛШО диаметра 0,25 мм, общее число витков - 400 (Ь5 = 0,85 мкГн, С0 = 300 пФ). Метрологические испытания ИДН с СО и ИДН1 проводились методом сравнения с мерой - образцовым ИДН типа Р755. В качестве измерителя разности напряжений использовался дифференциальный указатель Ф7239. Измерения на средней частоте 1 кГц показали, что относительная погрешность ИДН с СО не превышала 3-10-4 %, что в 2 раза больше погрешности ИДН1. Это обусловлено неидентичностью параметров жгутов, из которых были выполнены обмотки Х2, Ь4 и Х3, Ь5. В то же время экспериментальные исследования подтвердили существенный выигрыш по точности ИДН с СО на верхних частотах (см. таблицу).
Таблица. Расчетные и экспериментальные значения относительной погрешности К, % ИДН с СО и ИДН1 на частоте 100 кГц
Коэффициент передачи Кп
Тип ИДН 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9
ИДН1 расчетн. -0,120 -0,080 -0,047 -0,020 0 0,013 0,020 0,020 0,013
экспер. -0,130 -0,060 -0,030 -0,025 0,005 0,015 0,025 0,022 0,013
ИДНс СО расчетн. -0,020 -0,005 0,003 0,005 0 -0,003 -0,002 0,001 0,002
экспер. -0,025 -0,008 0,002 0,003 0,005 -0,005 -0,004 0,002 0,003
а)
б)
Как следует из таблицы в ИДН с СО модуль максимальной относительной погрешности (при К=0,1) уменьшается в 5 раз. Это позволяет расширить частотный диапазон ИДН с СО приблизительно в 2 раза.
Результаты измерений подтвердили и другое важное преимущество ИДН с СО, обусловленное параллельным соединением обмоток Ь2—Ь5, — меньшие значения (в 1,1...1,5 раза в зависимости от номера отвода) выходных импедансов. Последние не превышали 5 Ом на частоте 100 кГц. Входная емкость ИДН с СО больше расчетной и, следовательно, входной емкости ИДН1 в 1,2 раза и равна 600 пФ. Расхождение расчетных и экспериментальных данных у ИДН с СО обусловлено идеализацией некоторых параметров ИДН с СО, указанных выше.
Заключение
Улучшение метрологических характеристик ИДН с СО достигается за счет использования трех жгутовых обмоток, что увеличивает расход по меди и несколько усложняет процесс изготовления делителей. Поэтому при создании многодекадного ИДН целесообразно применять ИДН с СО в качестве старшей декады, в основном определяющей точность всего устройства, а в качестве последующих декад - ИДН1.
В данной статье не рассматривались вопросы анализа случайной погрешности ИДН с СО, обусловленной стохастическими свойствами жгутов, их взаимодействием и влиянием сердечника. Эти и другие вопросы построения образцовых ИДН еще требуют детального исследования и будут предметом обсуждения последующих публикаций.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Байков В.М., Рождественская Т.Б. Новые виды трансформаторных делителей напряжения // Измерительная техника. — 1972. — № 1. — С. 59—61.
2. Гриневич Ф.Б., Грохольский А.Л., Соболевский К.М., Цапенко М.П. Трансформаторные измерительные мосты / Под ред. К.Б. Карандеева. — М.: Энергия, 1970. — 280 с.
3. Ройтман М.С., Калиниченко Н.П. Индуктивные делители напряжения // Измерения, контроль, автоматизация: Научно-
техн. сб. обзоров ЦНИИТЭИ приборостроения. — М., 1978. — Вып. 2(14) — С. 24—32.
4. Ройтман М.С., Ким В.Л., Калиниченко Н.П. Кодоуправляе-мые прецизионные делители напряжения // Измерения, контроль, автоматизация: Научно-техн. сб. обзоров ЦНИИТЭИ приборостроения. — М., 1986. — Вып. 1(57) — С. 3—17.
5. А. с. 1049991 СССР. МКИ3 Н0№ 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.
УДК 621.384.6
ИСТОЧНИК МАГНИТНОГО ПОЛЯ С РЕГУЛИРУЕМЫМ ЗАКОНОМ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ
Е.Т. Протасевич
Томский политехнический университет E-mail: [email protected]
Описан секционированный соленоид и схема управления шунтирующими сопротивлениями, которые обеспечивают выбор различных законов распределения магнитного поля на длине 1 м в аксиальном направлении с пределами изменения напряженности магнитного поля от 0,5 до 2,0 кЭ в начале линейного участка распределения.
Для повышения эффективности взаимодействия электронов в релятивистских СВЧ приборах и изучения новых методов ускорения заряженных частиц необходимо не только формирование магнитного поля с определенным законом распределения, но и возможность быстрого изменения в процессе работы исходного распределения. В частности, такая задача рассматривается при экспериментальном исследовании взаимодействии электронов с незамедленной Н-волной прямоугольного волновода в нарастающем магнитном поле [1, 2]. Для ее решения удобно использовать соленоид, состоящий из отдельных секций, которые подклю-
чены последовательно к источнику постоянного напряжения. Однако для изменения начального закона распределения магнитного поля в аксиальном направлении г необходимо осуществление регулировки токов в отдельных секциях. В этом случае система питания соленоида усложняется из-за необходимости использования дополнительных источников напряжения для каждой секции. Кроме того, размещение резонатора бегущей волны как основного элемента ускорителя требует компенсации провала магнитного поля в зазорах между секциями соленоида, между которыми размещается прямоугольный волновод [1, 2].
