Приложение G (справочное). Конструкция емкостного пробника напряжения и измерение его параметров

Приложение G
(справочное)

Конструкция емкостного пробника напряжения и измерение его параметров

G.1 Введение

В настоящем приложении изложен метод калибровки емкостного пробника напряжения. Использование других методов калибровки допускается при условии, что неопределенность измерений при их использовании не превышает неопределенности при использовании метода, установленного в настоящем приложении.

G.2 Рассмотрение схемы емкостного пробника напряжения с физической точки зрения

Конструкция емкостного пробника напряжения приведена на рисунке G.1. Пробник состоит из двух коаксиальных электродов, заземляющего зажима, кабельной оправки и усилителя. Внешний электрод используется в качестве электростатического экрана для уменьшения ошибок измерения, обусловленных электростатической связью с проходящими вдоль конструкции кабелями.

"Рисунок G.1 - Конструкция емкостного пробника напряжения"

Эквивалентная схема емкостного пробника напряжения представлена на рисунке G.2. Если существует напряжение между кабелем и землей, в результате электростатической индукции появляется наведенное напряжение между внутренним и внешним электродами. Это напряжение поступает на вход усилителя с высоким входным полным сопротивлением, в котором усиливается и при низком выходном сопротивлении подается на вход измерителя ИРП.

"Рисунок G.2 - Эквивалентная схема емкостного пробника напряжения"

G.3 Измерение частотной зависимости коэффициента калибровки

Испытательная установка для измерения частотной зависимости коэффициента калибровки емкостного пробника напряжения в полосе рабочих частот приведена на рисунке G.3. Верификацию емкостного пробника проводят в такой последовательности:

а) подготавливают кабель того же типа, что используется с испытуемым ТС.

Примечание - Если с емкостным пробником используются кабели нескольких типов, при калибровке следует выбрать репрезентативные кабели нескольких типов и определить возможность распространения полученных результатов на кабели других типов. Коэффициент калибровки допускается определять в соответствии с уравнением (G.3), однако рекомендуется проводить измерения для каждого кабеля;

"Рисунок G.3 - Испытательная установка для измерения частотной зависимости коэффициента калибровки"

b) калибровочный блок размещают на пластине заземления, как указано на рисунке G.3;

c) оба конца кабеля подсоединяют к внутренним портам калибровочного блока (порт 1, порт 2) (см. рисунок G.3);

d) пробник размещают в калибровочном блоке и регулируют положение кабеля так, чтобы он проходил через центр кабельной оправки.

Примечание - Если концевые пластины калибровочного блока находятся слишком близко к концам пробника напряжения, возрастает паразитная емкость, что может увеличить погрешность измерения коэффициента калибровки на высоких частотах. Если концевые пластины калибровочного блока излишне удалены от концов пробника напряжения, то на высоких частотах в границах калибровочного блока может сформироваться стоячая волна, что также может увеличить погрешность измерения коэффициента калибровки.

e) подсоединяют порт заземления пробника к внутреннему порту заземления калибровочного блока. Подсоединяют внешний порт заземления калибровочного блока к опорному заземлению. Заземляющая перемычка должна быть минимальной длины, иметь малую индуктивность и находиться вне апертуры пробника напряжения;

f) генератор сигналов с выходным полным сопротивлением 50 Ом подсоединяют к внешнему порту 1 через аттенюатор с затуханием 10 дБ;

g) измеритель ИРП с входным полным сопротивлением 50 Ом подсоединяют к внешнему порту 2 и нагружают выходной порт пробника на сопротивление 50 Ом. Измеряют уровень сигнала V в установленной полосе частот;

h) измеритель ИРП подсоединяют к выходному порту пробника и нагружают внешний порт 2 на сопротивление 50 Ом. Измеряют уровень сигнала U в установленной полосе частот;

i) коэффициент калибровки , дБ, рассчитывают по измеренным значениям уровней сигнала, используя выражение

.

(G.1)

G.4 Метод измерения при оценке влияния внешних электрических полей

G.4.1 Влияние внешнего электрического поля

Влияние внешнего электрического поля проявляется в результате электростатической связи пробника с кабелями, находящимися рядом с пробником. Модели электростатической связи и их эквивалентные схемы представлены на рисунке G.4. Общие несимметричные напряжения на кабеле 2 и измеряемое напряжение V на кабеле 1 наводятся на входном зажиме пробника напряжения с высоким входным полным сопротивлением через емкости и С, как показано на рисунке G.4a. Для уменьшения электростатической связи через емкость используют электростатический экран. Однако из-за несовершенства электростатического экрана не представляется возможным исключить влияние внешнего электрического поля, обусловленное электростатической связью между внешним электродом пробника и другим наружным кабелем (через емкость ) (см. рисунок G.4.b).

Методика измерения при оценке влияния электрической связи между внешним электродом электростатического пробника и внешним кабелем приведена в G.4.2.

G.4.2 Метод измерения при оценке влияния внешнего электрического поля

Влияние внешнего электрического поля, обусловленное электростатической связью при ограниченной эффективности экранирования, оценивают проведением измерений на измерительной установке, приведенной на рисунке G.5. Измерения проводят в такой последовательности:

a) измеряют коэффициент калибровки , применяя метод, указанный в G.2;

b) размещают емкостной пробник напряжения в калибровочном блоке рядом с кабелем на расстоянии s от кабеля, равном 1 см (см. рисунок G.5);

c) подсоединяют порт заземления пробника к внутреннему порту заземления калибровочного блока. Подсоединяют внешний порт заземления калибровочного блока к пластине заземления;

d) подсоединяют генератор сигналов с выходным полным сопротивлением 50 Ом к внешнему порту 1 через аттенюатор с затуханием 10 дБ;

е) подсоединяют измеритель ИРП с входным полным сопротивлением 50 Ом к внешнему порту 2 и нагружают выходной порт пробника на сопротивление 50 Ом. Измеряют уровень сигнала в установленной полосе частот;

f) подсоединяют измеритель ИРП к выходному порту пробника и нагружают внешний порт 2 на сопротивление 50 Ом. Измеряют уровень сигнала в установленной полосе частот;

g) рассчитывают по измеренным значениям уровней сигнала коэффициент подавления влияния внешнего электрического поля за счет экранирования пробника, используя выражение

.

(G.2)

"Рисунок G.4 - Модель электростатической связи и эквивалентная схема для емкостного пробника напряжения"

"Рисунок G.5 - Измерительная установка для измерения подавления влияния внешнего электрического поля за счет экранирования"

G.5 Импульсная характеристика

Емкостной пробник напряжения используют совместно с измерителем ИРП, и его конструкция не должна оказывать влияния на работу ИРП. Так как в состав емкостного пробника напряжения входит активная схема, необходимо знать его импульсную характеристику. Импульсную характеристику емкостного пробника измеряют с помощью генератора импульсов с характеристиками в соответствии с ГОСТ 30805.16.1.1, приложения В, С, для полосы частот В.

Примечание - Учитывая трудность измерения импульсной характеристики емкостного пробника напряжения с помощью генератора импульсов, проверка "импульсной способности" возможна проведением измерений его линейности при подаче синусоидальных сигналов, пиковое значение которых равно пиковому значению импульса. Допустимость проведения данных измерений обусловлена тем, что в конструкции емкостного пробника напряжения отсутствуют детектор и полосовой фильтр. Для минимизации амплитуды отраженного сигнала при использовании коаксиального кабеля между генератором сигналов и калибровочным блоком может потребоваться включение аттенюатора. Если стабилизация частотной характеристики необязательна, аттенюатор не требуется.

Импульсная характеристика генератора импульсов должна быть 0,316 мВс в полосе частот от 0,15 до 30 МГц в соответствии с ГОСТ 30805.16.1.1, таблица В.1. Спектр сигнала генератора импульсов практически не меняется до частоты 30 МГц. Приближенное значение ширины импульса определяется из уравнения

.

(G.3)

При = 30 МГц значение = 0,0106 мкс.

Амплитуда импульса А определяется по формуле

.

(G.4)

Из формулы (G.4) следует, что емкостной пробник тока должен сохранять линейность при подаче на него синусоидальных сигналов с амплитудой напряжения до 30 В. Линейность пробника проверяют измерением коэффициента калибровки при увеличении амплитуды напряжения генератора сигналов до 30 В.

G.6 Зависимость коэффициента калибровки

Коэффициент калибровки емкостного пробника тока зависит от диаметра испытуемого кабеля и его положения во внутреннем электроде пробника. При измерении кондуктивных ИРП необходимо знать точное значение коэффициента калибровки емкостного пробника. Расчет коэффициента калибровки для кабеля любого типа представляет сложную задачу. Поэтому было проведено исследование оценки влияния конфигурации кабеля на коэффициент калибровки емкостного пробника напряжения.

Для кабелей различных типов и их различного относительного расположения в измерительной установке проводились сравнения значений коэффициентов калибровки, полученных расчетным путем и в результате измерений. Изменение коэффициента калибровки при изменении положения кабеля во внутреннем электроде емкостного пробника напряжения показано на рисунке G.6. При проведении экспериментов кабель заменялся медным штырем.

Сплошная линия на рисунке G.6 иллюстрирует результаты расчетов в зависимости от изменения емкости между внутренним электродом и кабелем, а точками отмечены измеренные значения. Результаты расчетов хорошо согласуются с данными измерений. Можно сделать вывод, что коэффициент калибровки емкостного пробника напряжения не зависит от расположения кабеля во внутреннем электроде при значении коэффициента смещения не более 0,8. Таким образом, для минимизации погрешности измерений необходимо располагать кабель, в котором выполняются измерения, по оси внутреннего электрода емкостного пробника.

Отклонение коэффициента калибровки емкостного пробника напряжения , дБ, от расчетного значения в зависимости от радиуса кабеля показано на рисунке G.7. Сплошная линия иллюстрирует результаты расчетов значения , выполненных по формуле

,

(G.5)

где - диэлектрическая проницаемость;

- радиус кабеля, используемый в качестве опорного значения.

Другие константы показаны на рисунке Ж.1.

Значения емкости , а также коэффициента усиления усилителя с низким выходным сопротивлением получены измерением.

Эквивалентный радиус каждого кабеля определен с учетом суммарной площади поперечного сечения всех проводов, входящих в кабель, и соответствует площади поперечного сечения медного штыря. Число проводов в кабеле менялось от 1 до 12. На рисунке G.7 видно, что расчетные значения хорошо согласуются с результатом измерения при использовании медного штыря. Разница между измеренными результатами для реального кабеля и расчетными значениями находится в пределах 2 дБ. Этот результат показывает, что коэффициент калибровки может быть приближенно определен с помощью выражения (G.5) с учетом площади поперечного сечения каждого кабеля.

"Рисунок G.6 - Отклонение коэффициента калибровки при изменении положения кабеля во внутреннем электроде емкостного пробника напряжения"

"Рисунок G.7 - Результат исследования зависимости коэффициента калибровки емкостного пробника напряжения от радиуса кабеля"