Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Приборы и методы измерения механических величин

Диссертационная работа:

Ким Валерий Львович. Методы и средства повышения точности индуктивных делителей напряжения : диссертация ... доктора технических наук : 05.11.01 / Ким Валерий Львович; [Место защиты: ГОУВПО "Томский политехнический университет"].- Томск, 2009.- 342 с.: ил. РГБ ОД, 71 10-5/368

смотреть введение
Введение к работе:

з

Актуальность проблемы. В теории измерений к числу важнейших измерительных преобразований относят изменение размера величины. В области электро- и радиоизмерений уменьшение размера осуществляется типовыми устройствами - масштабными измерительными преобразователями, в частности, делителями напряжения переменного тока. Наиболее приемлемыми метрологическими характеристиками (MX) в диапазоне частот десятки Гц - сотни кГц и диапазоне измерений сотни нановольт - единицы киловольт обладают индуктивные делители напряжения (ИДН). ИДН, работающие в этом частотном диапазоне, относятся к условно низкочастотным. Они применяются в мостовых измерениях импедансов, параметров электрических цепей, неэлектрических величин, системах измерения ослабления аттенюаторов, сопротивлений, емкостей, параметров преобразователей переменного тока, трансформаторов напряжения и тока, при калибровке и поверке усилителей, вольтметров и калибраторов. ИДН составляют основу метрологического обеспечения значительного числа приборов и систем, используемых в области измерений, контроля и диагностики.

Высокие MX ИДН оправдывают включение их в состав государственных эталонов таких стран как США, Великобритания, Германия, Россия, Канада, Индия, Китай, Польша, Австралия и др.

Анализ состояния дел в области проектирования и промышленного выпуска ИДН позволяет сделать вывод о том, что страны, имеющие лучшие эталоны отношения индуктивного типа, имеют конкурентные преимущества в области высоких технологий. В этом контексте с точки зрения метрологической безопасности и технологической независимости страны одной из важнейших задач является создание рабочих эталонов нового поколения, в том числе ИДН, адаптированных к серийному выпуску.

Расширение диапазона измерений и полосы рабочих частот современных средств измерений, в том числе ЦАП и АЦП с разрядностью 20 и более, требует опережающего развития ИДН, как средств их метрологического обеспечения. В связи с этим актуальны вопросы разработки и создания ИДН с большим числом двоичных разрядов или декад не менее шести. Делители с ручным и программным управлением с такой разрешающей способностью выпускаются в основном за рубежом, в России серийный выпуск не освоен. Однако, для большинства ИДН погрешность преобразования нормируется в диапазоне частот до 10 кГц. На частотах выше 10 кГц погрешность увеличивается пропорционально

квадрату частоты. Из-за разброса частотной погрешности, являющейся систематической для отдельного экземпляра и случайной - для генеральной совокупности (типа), сложная проблема нормирования погрешности на верхних частотах до сих пор не решена. Положение усугубляется отсутствием приемлемых адекватных моделей и корректных методов расчета многокаскадных делителей без значительных временных и аппаратных затрат.

Одним из преимуществ ИДН является то, что они могут служить эталонами отношения не только при низковольтных измерениях, но и для области высоких напряжений переменного тока. Например, при поверке современных калибраторов напряжения, в новом стандарте мощности на эффекте Джозефсона и в системах калибровки высоковольтных термопреобразователей на уровнях до 1000 В среднеквадратического значения применяются высоковольтные ИДН. В этом контексте актуальна проблема построения высоковольтного, в том числе высокочастотного ИДН.

Физические принципы, лежащие в основе работы ИДН, ограничивают возможность их применения в области инфранизких частот вплоть до постоянного тока. Эту и другие проблемы можно решить использованием индуктивно-резистивных делителей напряжения. Однако точность таких делителей определяется точностью ИДН.

Целью работы является развитие теории повышения точности индуктивных делителей напряжения и её применение для создания прецизионных делителей напряжения нового поколения с широкими частотным и динамическим диапазонами.

Основными задачами диссертационной работы в связи с поставленной целью являются:

  1. Анализ принципов построения и нормирования метрологических характеристик индуктивных делителей напряжения.

  2. Разработка и исследование математических моделей и методов расчета многокаскадных индуктивных делителей напряжения.

  3. Разработка и исследование метода симметрирования для повышения точности индуктивных делителей напряжения в широком частотном и динамическом диапазонах.

  4. Исследование принципа многоканальности для построения широкополосных индуктивных и индуктивно-резистивных делителей напряжения.

  5. Разработка методов и средств метрологического обеспечения индуктивных делителей напряжения.

6. Разработка принципов построения и создание эталонных многокаскадных индуктивных делителей напряжения.

Методы исследований. Теоретическая часть работы выполнена на основе методов теории электрических и магнитных цепей, теории погрешностей, математической статистики, системного анализа, математического моделирования, дифференциального и интегрального исчисления. Экспериментальные исследования проводились с использованием систем проектирования OrCAD 9.2, MATLAB 6.5, пакета MAPLE 11, натурными испытаниями и метрологическими исследованиями созданных установок и приборов.

Научная новизна.

  1. Разработаны полные и упрощенные математические модели одно- и многокаскадных ИДН, проведена оценка точности этих моделей. Показана возможность расчета и анализа многокаскадных ИДН и многообмоточных трансформаторов с использованием упрощенных моделей аналитическим и машинным методами.

  2. Разработан компьютерный метод получения передаточных функций одно- и многокаскадных ИДН не выше третьего порядка.

  3. Разработаны методы расширения динамического диапазона многокаскадных ИДН, основанные на уменьшении аддитивной погрешности при помощи дополнительных шунтирующих коммутационных элементов и понижающих автотрансформаторов.

  4. Предложен, разработан и исследован метод расширения частотного диапазона путем симметрирования многосекционных делительных обмоток посредством двоичного делителя.

  5. Разработан расчетно-экспериментальный метод проектирования широкополосных двухканальных ИДН.

  6. Предложен и исследован композиционный принцип построения трехка-нального ИДН, основанный на изменении межкаскадных связей в двухканаль-ном ИДН.

  7. Разработаны способы повышения точности кодоуправляемых индуктивных делителей напряжения в области верхних частот, основанные на использовании низкочастотного канала в качестве канала компенсации погрешностей высокочастотного канала ИДН.

  8. Разработаны и исследованы принципы построения кодоуправляемых ин-дуктивно-резистивных делителей напряжения в диапазоне частот 0...200 кГц.

  9. Разработан метод расчета амплитудной погрешности одно- и многокаскадных ИДН с учетом стохастических свойств их элементов.

Практическая значимость. Результаты, полученные в диссертационной работе, обеспечивают практические возможности существенного улучшения метрологических характеристик ИДН в широком частотном и динамическом диапазонах, позволяют эффективно решать как конкретные задачи совершенствования и создания эталонов отношения на уровне лучших зарубежных образцов, так и проблемы создания измерительных систем и комплексов.

Это подтверждено созданием и внедрением в метрологическую практику системы метрологического обеспечения средств измерений переменного напряжения, включающей в себя:

  1. Исходный эталонный шестидекадный индуктивный делитель напряжения ДИ-6 с рабочим диапазоном частот 0,4... 1 кГц и эталонный шестидекадный индуктивный делитель напряжения ДИ-Зм с рабочим диапазоном частот 0,02...200 кГц, входящие в состав установки высшей точности УВТ 52-А-87 для измерения ослабления электромагнитных колебаний на фиксированных частотах в диапазоне частот 0... 100 МГц. Установка входит в реестр эталонов и установок высшей точности ВНИИФТРИ, является исходной в Российской Федерации. Международные ключевые сличения показали, что MX установки УВТ 52-А-87 соответствуют характеристикам аналогичных национальных эталонов ведущих метрологических центров зарубежных стран.

  2. Рабочие эталонные шестидекадные индуктивные делители напряжения с диапазоном частот 0,02...200 кГц, входящие в состав установки для поверки вольтметров В1-20 и комплексной измерительной установки К2-41, предназначенной для поверки измерительных усилителей и других активных и пассивных четырехполюсников. Установки внесены в Госреестр средств измерений Российской Федерации (№ 8577-81, № 8404-81).

  3. Установку для проверки электродов УПЭ-2, предназначенную для измерения параметров медицинских электродов, а также аддитивной погрешности и сигналов на выходе ИДН до 100 мВ в диапазоне частот до 100 кГц. Установка включена в Госреестр средств измерений Российской Федерации (№ 39325-08).

Реализация результатов работы. Результаты исследований по теме диссертации использованы при выполнении под руководством и при непосредственном участии автора хоздоговорных и госбюджетных НИР с рядом предприятий и организаций городов Москвы, Санкт-Петербурга, Екатеринбурга, Харькова, Львова, Томска, Северска, Курчатова (Республика Казахстан), в том числе следующих проектов: Разработка автоматизированного поверочного комплекса для поверки

мультиметров и масштабных преобразователей «Кедр-1», внедренного в

ЦКБ «Алмаз» в 1986 г. АПК «Кедр-1» отмечен бронзовой медалью на тематической выставке «Поверка-87» (ВДНХ СССР).

Разработка индуктивных делителей напряжения для применения в качестве эталонных мер ослабления ЭМК на частотах 0,02...200 кГц, созданных в 1984-1987 гг. по договору о содружестве между ВНИИФТРИ и Томским политехническим институтом.

Разработка автоматизированного поверочного комплекса для поверки мультиметров, созданного в 1990 г. по заказу ОАО «Эталон» (г. Воронеж). Разработка автоматизированного метрологического комплекса «Степь» для аттестации и поверки программно-управляемых средств измерений, созданного по заказу НПО «Автоматика» (г. Екатеринбург). Опытно-промышленная партия выпущена в 1992 г.

Разработка комплекта документов для целей утверждения типа калибратора напряжения и тока GTIU-98. Работа выполнена в 2006 г. по заказу ООО «Микрокод» (г. Львов).

Разработка дифференциального нановольтметра, созданного в 2008 г. по заказу ООО «ГРОГ» (г. Северск).

Разработка методов и средств автоматизации экспериментов на стендовом комплексе электрофизической установки «ТОКАМАК-КТМ». Работа выполнена в 2008 г. по заказу ООО «ТомИУС-ПРОЕКТ» (г. Томск) для Национального ядерного центра Республики Казахстан (г. Курчатов, Республика Казахстан).

«Проведение опытно-конструкторских, технологических и

экспериментальных работ по созданию промышленной технологии массового производства одноразовых хлор-серебряных электродов на базе пористой керамики» (программа Рособразования «Развитие научного потенциала высшей школы», 2005 г.) и «Разработка научных основ формирования малошумящего высокостабильного неполяризующегося перехода «электронная-ионная проводимость» на базе пористой керамики» (Проект РФФИ № 08-08-99069, 2008 г.). В рамках этих проектов создана установка для проверки медицинских электродов УПЭ-2. «Создание учебно-лабораторных комплексов на базе новых информационных технологий». Работа выполнена в рамках Комплексной программы развития Томского политехнического университета в 2000 г. Результаты этой работы используются для проведения занятий по дисциплинам «Физика», «Измерительные информационные системы».

Основные положения, выносимые на защиту.

  1. Математические модели индуктивных делителей напряжения, позволяющие решать задачи анализа и расчета одно- и многокаскадных ИДН аналитическим и машинным методами.

  2. Теоретические и экспериментальные исследования новых методов расширения частотного и динамического диапазонов индуктивных делителей напряжения, основанных на идее симметрирования многосекционных обмоток и использовании шунтирующих коммутационных элементов и понижающих автотрансформаторов .

  3. Методы построения широкополосных многокаскадных ИДН в виде параллельной двухканальной структуры с адаптированными к поддиапазонам рабочих частот параметрами низкочастотных и высокочастотных каскадов и композиционного трехканального ИДН, обеспечивающего без значительных аппаратных затрат высокие метрологические характеристики в широкой полосе частот.

  4. Теоретические и экспериментальные исследования методов повышения точности кодоуправляемых индуктивных и индуктивно-резистивных делителей напряжения, позволяющих использовать структурную избыточность многоканальных структур для повышения точности делителей.

  5. Методы расчета амплитудной погрешности одно- и многокаскадных ИДН с учетом стохастических свойств элементов, позволяющие нормировать частотную погрешность и АЧХ делителей в области верхних частот.

  6. Принципы построения, структурные и принципиальные схемы эталонных ИДН и прецизионных индуктивных, индуктивно-резистивных делителей напряжения с ручным и программным управлением для частотного диапазона до 200 кГц с ослаблением 0...160 дБ и диапазоном выходного напряжения от сотен нановольт до единиц киловольт.

  7. Результаты практических разработок делителей напряжения, входящих в состав различных систем и комплексов, выпускаемых серийно и отдельными партиями и являющихся средствами метрологического обеспечения широкого круга средств измерений переменного тока, а также приборов и установок, при калибровке и поверке которых были использованы разработанные ИДН.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на отечественных и международных конференциях: Всесоюзном совещании «Точные измерения энергетических величин» (Ленинград, 1982); Всесоюзной конференции «Влияние повышения уровня метрологического обеспечения и стандартизации на эффективность производства и каче-

ство выпускаемой продукции» (Тбилиси, 1983); VI Всесоюзной конференции «Метрология в радиоэлектронике» (ВНИИФТРИ, Москва, 1984); Республиканской конференции «Вопросы теории и практики электронных вольтметров и средств их поверки» (Таллин, 1985); Всесоюзной конференции «Системные исследования и автоматизация в метрологическом обеспечении ИИС и управлении качеством» (Львов, 1986); Республиканской конференции «Применение микропроцессоров в народном хозяйстве» (Таллин, 1988); III Всесоюзной конференции «Метрологическое обеспечение ИИС и АСУТП» (Львов, 1990); III International Symposium «SIBCONVERS-99» (Tomsk, 1999); Международной конференции «Измерение, контроль, информатизация» (Барнаул, 2000); Международной конференции «Новые методологии проектирования изделий микроэлектроники» (Владимир, 2002); 8-ой Всероссийской конференции «Методы и средства измерений физических величин» (Н.Новгород, 2003); IV Международной конференции «Измерение, контроль, информатизация» (Барнаул, 2003); The IEEE Siberian Conference on Control and Communications «SIBCON-2003» (Tomsk, 2003); 8-th Korea-Russia International Symposium on Science and Technology «KORUS 2004» (Tomsk, 2004); The IEEE International Siberian Conference on Control and Communications «SIBCON-2005» (Tomsk, 2005); Международной конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП-2008» (Новосибирск, 2008).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 80 научных работ, в том числе монография, 19 авторских свидетельств, один патент РФ на изобретение, три патента РФ на полезные модели, 27 опубликованных тезисов и докладов конференций, 29 статей в журналах и сборниках. Основные научные результаты диссертации опубликованы в монографии и 25 статьях в журналах, рекомендуемых ВАК для опубликования научных результатов диссертаций на соискание ученой степени доктора наук.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения, списка литературы из 255 наименований, 15 приложений. Общий объем работы - 342 страницы, включая 88 рисунков и 45 таблиц.


© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net