4.18. Масштабный измерительный преобразователь на основе пояса Роговского.

Тороидальные трансформаторы тока (токосъемники), разъемные или неразъемные, с кольцевыми сердечниками из феррита с первичной цепью в виде стержневого проводника в проходном окне, имеющие кольцевую щель в наружном металлическом экране, известные под названием пояс Роговского, давно и широко применяются в практике измерений переменного тока в диапазоне частот от 50 Гц до сотен мегагерц.

На основе пояса Роговского еще в 80-х годах был разработан амперметр А1-2. Диапазон измерений прибора 1...20 А при частотах 0,1. ..50 МГц, погрешность не более 1,5 %.

Пояс Роговского как масштабный преобразователь силы переменного тока имеет целый ряд достоинств; бесконтактный способ включения в измерительную цепь; стабильность коэффициента передачи; малое воздействие на измерительную цепь; весьма малое потребление энергии; независимость от вида проводника в проходном окне (это могут быть прут, лента, жгут и т.п.); независимость от расположения проводника в проходном окне; частотная широкополосность, что позволяет проводить в т.ч. и импульсные измерения; устойчивость к механическим воздействиям и перегревам.

Недостатком пояса Роговского является необходимость проведения калибровки в рабочем диапазоне частот. Для калибровки обычно используют термопреобразователи, измерительные преобразователи мощности или измерители напряжения на измерительном резисторе.

Режим работы пояса Роговского как масштабного преобразователя или трансформатора тока имеет ту особенность, что сопротивление нагрузки вторичной обмотки не превышает 2 Ом. Номинальный коэффициент трансформации Ко пояса Роговского не зависит от магнитной проницаемости и геометрических размеров сердечника, на него не влияет также форма первичного провода и его расположения внутри окна сердечника. Следует отметить тот факт, что сердечник трансформатора тока работает в слабом намагничивающем поле, поскольку магнитные потоки, наводимые первичным и вторичным токами, направлены навстречу друг другу и в большой степени компенсируются. В связи с этим и потери в сердечнике будут небольшими. Действительный коэффициент трансформации К отличается от номинального дополнительными множителями, характеризующими влияние низкой частоты и потоков рассеяния. Кроме того, при весьма высоких частотах на него влияют распределенные емкости вторичной обмотки, наружный экран трансформатора, потери в сердечнике; имеет значение и способ включения трансформатора в цепь тока высокой частоты.

4.19. Перспективные средства измерений силы переменного тока

В настоящее время в мировой метрологической практике для точных измерений СПТ в диапазоне частот 20Гц…1 МГц используют главным образом компанириющие термоэлектрические преобразователи (ТП) тока. При помощи ТП измеряемое значение СПТ сравнивается с эквивалентным ему по тепловому действию значением силы постоянного тока. Тепловая энергия, рассеиваемая в токопроводящей цепи этого элемента, как правило, преобразуется в термоЭДС. Точность измерений СПТ с применением ТП определяется тем, насколько он одинаково реагирует на постоянный и переменный ток, т.е., насколько он близок по своим свойствам к “идеальному”. Наибольшие успехи в создании идеального ТП связаны с многоэлементными термопреобразователями (ТЭМ). Однако наличие большого числа термопар в одном элементе приводит к дополнительным частотным погрешностям, поэтому частотный диапазон ТЭМ ограничен частотой 20…100 кГц. Частотные погрешности значительно ниже у одноэлементных ТП, например, у ТП типа ТВБ, выполненных по схеме термокреста. Следует отметить также, что, обладая достаточно высокой чувствительностью, все ТП имеют ограничения по силе измеряемого тока из-за погрешности, обусловленной излишним выделением тепла в измерительной цепи ТП. Поэтому в диапазоне измерений 0,001…0,1 А при повышенных и высоких частотах предпочтительными являются одноэлементные ТП, например, ТВБ, а для измерений более сильных токов при частотах ниже 20 кГц применяют ТЭМ, обычно в комплекте с шунтами.

Известно, что ВНИИМ им. Д.И.Менделеева давно занимается разработкой прецизионных измерительных многоэлементных термоэлектрических преобразо вателей. В наше время совместными усилиями метрологов ВНИИМ и разработчиков СПбТУ созданы опытные образцы перспективных пленочных ТЭМ. Результаты их исследований приведены ниже.

Сопротивление нагревателя, Ом 100 ± 10

Сопротивление блока термопар, кОм 10 ± 2

Номинальный ток, мА 10

Значение термоЭДС при номинальном токе, мВ 150 ± 20

Нестабильность термоЭДС за 5 мин, % 0,001 - 0,002

Асимметрия, % 0,01

Частотная погрешность (относительно 1 кГц), %:

до 100 кГц 0,003 - 0,004

до 1 МГц 0,05

Габариты кристалла, мм 3,5 х 2,5

Также в разработки находятся альтернативные методы измерений СПТ при помощи измерительных преобразователей Холла, индукционных преобразователей (трансформаторов тока), т.н. термоэлектрических мембранных преобразователей, совмещенных по интегральной технологии с операционными усилителями, фильтрами, ЛЦП и схемами сопряжения с внешними ПЭВМ. В первых двух методах используется переменное магнитное поле, возникающее вокруг проводника с током, причем магнитная индукция поля пропорциональна силе этого тока. К сожалению, такие преобразователи не обеспечивают эталонных точностей. Однако, до настоящего времени они разрабатывались исключительно

для нужд промышленности, где вполне приемлемыми являются погрешности порядка десятых долей процента. Не исключено, что дальнейшие разработки позволят повысить точность этих преобразователей до требуемого эталонного уровня.