Измерение напряжения и напряженности электрического поля методом индукции
Рассмотренные в данном параграфе измерительные приборы работают на принципе индукции зарядов. Различные технические устройства, такие, как роторные вольтметры, флюксметры, электростатические индукционные вольтметры, генераторные измерительные устройства высокого напряжения, вибрационные вольтметры, а также емкостные зонды, известны уже в течение многих десятилетий. В принципе все эти приборы измеряют напряженность электрического поля на границе практически идеального изолятора (газа, в частности, воздуха) и, как правило, заземленного металлического электрода. Поэтому их можно рассматривать как дальнейшее совершенствование флюксметра Вильсона [10.21, 10.22]. Так как для определенной электродной системы можно установить четкую связь между напряженностью и напряжением, то измерение напряжения сводится к измерению напряженности.
Сразу же следует упомянуть, что все измерительные приборы, работающие по принципу индукции, не потребляют от источника измеряемого напряжения активной мощности, если электрическое поле является чисто электростатическим или создается в газовом пространстве при слабой напряженности поля, когда не возникают ЧР и объемный заряд. Это условие должно выполняться всегда, так как заряд, необходимый для измерения, создается за счет индукции, а не движения свободных носителей зарядов в электрическом поле. Поскольку при измерении не потребляется активной мощности, то эти приборы следует отнести к категории приборов с экстремально высоким входным сопротивлением, не свойственным даже самым совершенным электронным приборам.
Более подробные сведения по этим вопросам можно найти в [10.17, 10.23, 10.24].
Измерение максимального значения импульсных напряжений
Измерение максимальных значений полных или срезанных грозовых и коммутационных импульсов с помощью шаровых разрядников, рассмотренных в п. 10.1.1, требует больших затрат времени, и из-за относительно низкой надежности результатов его нельзя считать удовлетворительным. Прежде чем использовать шаровые разрядники, необходимо знать форму импульса напряжения. Кроме того, для напряжений выше 2 МВ шаровые разрядники для измерений не применяются.
Форму импульса напряжения можно определить с помощью делителя при напряжении, много меньшем испытательного, и осциллографа или современного аналого-цифрового преобразователя с высокой разрешающей способностью. Поскольку для измерений импульсных напряжений в течение десятилетий использовались только специальные осциллографы и применение их предполагается и в дальнейшем, то необходимо кратко остановиться на их рассмотрении, так же как и на рассмотрении быстродействующих аналого-цифровых преобразователей, получающих все большее распространение.
Однако оба эти метода требуют больших технических затрат. Обработка осциллограмм к тому же все еще остается довольно трудоемким процессом. Поэтому при массовых измерениях используются более дешевые, так называемые амплитудные вольтметры с непосредственным аналоговым или цифровым отсчетом.
10.5.2.1. Импульсные осциллографы.
Однократные импульсные напряжения и токи с помощью делителя напряжения (см. § 10.6) или шунта (10.7) преобразуются в измеряемые сигналы напряжением менее 1000 В. Более высокий уровень сигнала оказывается предпочтительней, так как при этом проще отстраиваться от неизбежных помех в измерительной цепи, которые будут малы по сравнению с полезным сигналом. Рассматриваемые процессы продолжаются, как правило, в течение нескольких микросекунд.
Таким образом, импульсный осциллограф должен в условиях помех регистрировать с высокой точностью однократные кратковременные процессы. Поэтому необходимы высокая плотность энергии электронного луча или специальный экран с высокой скоростью записи (не менее 200 см/мкс), чтобы различать быстрые процессы при срезах напряжения. Такие высокие скорости записи раньше достигались лишь в осциллографах с холодным катодом [10.42], которые благодаря массивной металлической конструкции были нечувствительны к помехам. Однако вследствие сложного обслуживания такие осциллографы в настоящее время уже не используются. В электронно-лучевых трубках с подогреваемым катодом высокая скорость записи достигается, как правило, за счет ускорения электронного луча напряжением более 20 кВ и обычных люминесцентных экранов. Многие серийно выпускаемые широкополосные электронные осциллографы удовлетворяют требованиям по скорости записи. В последнее время появились трубки даже со скоростью записи 20 см/нс благодаря усилению электронного луча при прохождении его через плату фотоэлектронного умножителя [10.43]. Электронные осциллографы с обычной памятью менее пригодны для точных измерений, так как в них луч широкий и поэтому не удается обеспечить высокую точность.
При использовании серийных осциллографов нужно не забывать, что они, как правило, не являются точными приборами. В них часто мало внимания уделяется нелинейностям чувствительности отклоняющих систем, и поэтому требуется калибровка чувствительности по всей поверхности экрана. К ошибкам измерения приводит также недостаточная стабильность чувствительности.
В то время как осциллографы общего применения имеют трубки с высокой динамической чувствительностью (порядка нескольких В/см) для обеспечения высокой чувствительности на входе широкополосных усилителей, специальные импульсные осциллографы не имеют усилителей вертикального отклонения, а их трубки обладают невысокой чувствительностью (от 50 до 150 В/см). Поэтому такие осциллографы менее чувствительны к помехам. Требуемая для измерений грозовых импульсов полоса пропускания (более 30 МГц) из-за отсутствия усилителя обеспечивается без проблем, так как граница частот отклоняющей системы, определяемая временем прохождения электронов, гораздо выше.
Запуск развертки осциллографа должен происходить с малым запаздыванием (менее 100 нс), чтобы можно было использовать не слишком длинный кабель задержки сигнала при неуправляемой работе генератора. В импульсных осциллографах, как правило, кабель задержки не встраивается, так как при запуске от сигнала с антенны, возникающего в случае пробоя разрядников генератора, достаточно запаздывания измеряемого сигнала в кабеле, соединяющем делитель напряжения или шунт с осциллографом.
Существенное различие между современными осциллографами общего назначения и специальными импульсными осциллографами заключается не столько в достижимых скорости записи или полосе пропускания, сколько в нечувствительности к помехам (электромагнитной совместимости), а также в точности и стабильности общей чувствительности отклоняющей системы. Поэтому требования к осциллографам, используемым при испытаниях изоляции, как и к измерителям максимального значения напряжения, сформулированы в международных нормах [10.71], чтобы облегчить их применение потребителем.
10.5.2.2. Аналого-цифровой преобразователь.
Принцип работы такого преобразователя следующий. Исследуемый меняющийся во времени сигнал непрерывно опрашивается (тестируется), а сигнал опроса квантуется. В результате возникает ряд чисел, который воспроизводит аналоговый сигнал при выбранном в соответствии с теоремой Шеннона [10.44] интервале опроса:
где fg — наивысшая частота спектра измеряемого сигнала (спектр должен быть ограничен этой частотой).
Для измерения грозовых импульсов пригодны системы с высокой частотой опроса:
20 МГц. Кроме того, должно быть хорошее разрешение, или квантование, сигнала по амплитуде. При импульсе, срезанном на фронте, требования в отношении Та еще более жесткие.
Так как опросные сигналы обычно поступают в полупроводниковые устройства памяти, то число опросов N вместе с интервалом Та определяют максимальную длительность регистрируемого сигнала TR=NTa. При обычных М=29-211 можно охватить интервал, соответствующий ширине экрана осциллографа с хорошим разрешением во времени. Квантование амплитуды сигнала, от которого непосредственно зависит точность измерения, должно производиться минимум на 8 бит, или 28=256 интервалов. Эти требования удовлетворяются в так называемых регистраторах переходных процессов или цифровых анализаторах.
Одна из таких систем базируется на быстродействующих преобразователях или полнопараллельных аналого-цифровых преобразователях, в которых аналоговый входной сигнал поступает на блок параллельно включенных компараторов. Напряжение сравнения каждого компаратора соответствует различным уровням. Схемным путем устраняется опасность отклонений уровней от номинальных при поступлении на вход компараторов быстро изменяющихся сигналов.
На рис. 10.23 приведена структурная схема такого наиболее часто используемого устройства с избирательной синхронизацией. В другой системе регистратора переходных процессов (рис. 10.24) запоминается последовательность кодированных двоичных чисел в полупроводниковом устройстве памяти (обычно это MOS-регистр). С выхода этого устройства сигнал снимается либо в цифровой форме либо через цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) в аналоговой форме.
Р и с. 10.23. Структурная схема с параллельными преобразователями:
/ — компараторы; 2 — схемы опрокидывания; 3— дешифратор; 4 — регистратор времени
Рис. 10.24. Структурная схема регистратора переходных процессов
Так как данные считываются непрерывно и запоминаются в промежуточном устройстве памяти П, то после останова устройства появляется очень важное преимущество, заключающееся в том, что имеется возможность извлекать из памяти информацию о процессе до момента поступления сигнала управления.
Такие устройства, выпускаемые многими специализированными фирмами, можно использовать в установках высокого напряжения для создания систем с очень большими объемами цифровой информации, если только будут обеспечены соответствующие дополнительные мероприятия по экранированию [10.45]. Однако следует иметь в виду, что точность измерений ограничена многими источниками погрешностей, которые изготовитель не всегда полностью приводит [10.46]. Неприятным является и то, что эффективное разрешение по амплитуде с увеличением частоты опросов, требуемым при возрастании частоты или крутизны измеряемого импульса, довольно резко понижается. Так как разные приборы такой системы дают разные результаты, то перед использованием прибора требуется его соответствующим образом проверить [10.110, 10.111].
В цифровом анализаторе Tektronix типа 7912 AD преобразование аналогового сигнала в цифровой осуществляется в специальной трубке, представляющей собой комбинацию электронно-лучевой трубки и трубки, аналогичной телевизионному видикону [10.117].
В этом устройстве электронный луч, проходящий через отклоняющие системы, записывает сначала измеряемый сигнал на мишени (диодной матрице), обратная сторона которой заряжается в тех местах, где прошел электронный луч. Затем с помощью считывающего луча сравнительно медленно получается цифровая информация о состоянии обратной стороны мишени, устанавливаются элементы матрицы, на которые воздействовал записывающий луч. Информация с адресами этих элементов поступает в полупроводниковое устройство памяти. Квантование осуществляется в горизонтальном и вертикальном направлениях с разрешением по 512 ступеням. Измеряемый сигнал может быть затем либо представлен на экране осциллографа в аналоговом виде, либо передан на вход ЭВМ для дальнейшей обработки. Очень широкополосная отклоняющая система трубки имеет граничную частоту выше 1 ГГц, и поэтому общая полоса частот ограничивается полосой использованного усилителя. Максимальная скорость записи высока (20 делений/нс), и поэтому удается регистрировать предельно высокочастотные однократные процессы. Прибор, однако, не имеет выходного печатающего устройства, а время запаздывания сигнала в нем составляет около 60 нс.
Рис. 10.25. Устройство для измерения максимальных значений импульсных напряжений [10.112]
10.5.2.3. Амплитудный импульсный вольтметр.
Как уже упоминалось, часто при известной форме импульса можно ограничиться лишь регистрацией максимального значения напряжения и измерение выполнять с помощью пассивных или активных схем выпрямления. Однако эта задача усложняется по многим причинам. При однократном процессе амплитуда напряжения воздействует лишь кратковременно, теоретически — бесконечно малое время. Для стандартного грозового импульса 1,2/50 мкс идеальной двухэкспоненциальной формы напряжение превышает 99 % максимального значения в течение 1,6 мкс, а 99,5% — в течение 1,1 мкс, что легко получается из решения уравнений (9.27) и (9.30). Еще более жесткие условия имеют место в случае срезанного на фронте импульса. Если использовать для измерения максимального значения импульсного напряжения схему, применяемую при переменном напряжении (см. рис. 10.19), то конденсатор Ст, как правило, не успеет зарядиться до полного максимального напряжения. Кроме того, даже при Rm=∞ Ст быстро разрядится. Причиной этого является слишком большое сопротивление диода, препятствующего быстрому заряду конденсатора Ст, а также не очень высокое сопротивление в обратном направлении, вызывающее разряд конденсатора. При тщательном отборе кремниевых диодов можно осуществить пассивную схему выпрямления, рассмотренную в п. 10.5.1. Однако практическое применение этой схемы ограничено, о чем говорится в [10.24, 10.47].
Быстрое развитие полупроводниковой техники, прежде всего в области операционных усилителей, позволяет создавать в настоящее время гораздо лучшие амплитудные вольтметры. При наличии мощных и широкополосных операционных усилителей можно с помощью изображенной на рис. 10.21 схемы создать прибор с запоминанием максимального значения однократно^ импульса. Естественно, элементы такого прибора должны быть правильно выбраны. На рис. 10.25 показана упрощенная схема такого прибора [10.112]. С помощью частотно-компенсированного аттенюатора устранено запаздывание зарядки накопительного конденсатора за счет последовательно включенного сопротивления R, а также заряд емкости Ст выше максимального значения вследствие запаздывания влияния обратной связи операционного усилителя. С помощью показанной на рис. 10.25 логической системы компенсируется стекание заряда с емкости Ст и измеряемое напряжение подводится к цифровому прибору.
Приборами этого типа можно измерять максимальное значение срезанных на фронте импульсов с относительно малыми погрешностями. Впрочем, такими приборами при полных импульсах измеряются и выбросы за счет высокочастотных колебаний.
