Помощь студентам в учебе
СИНХРОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ РАЗНОСТИ СИГНАЛОВ С БОЛЬШОЙ СИНФАЗНОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ
|
ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА 1. Синхронные усилители с дифференциальным входом 12
1.1 Принцип работы синхронных усилителей с дифференциальным входом 13
1.2 Классификация синхронных усилителей с дифференциальным
входом 16
1.2.1 Информативный параметр сравниваемых сигналов 17
1.2.2 Реализация алгоритма измерения во времени 19
1.2.3 Предварительное преобразование входных физических
величин 19
1.2.4 Способ реализации основных функциональных блоков 20
1.2.5 Тип синхронного детектора 21
1.3 Принципы построения СУДВ 23
1.4 Сравнительные характеристики СУДВ 30
1.5 Выводы к главе 1 37
ГЛАВА 2. Повышение разрешающей способности СУДВ 39
2.1 Схемы выделения дифференциального сигнала 39
2.2 Выбор инструментального усилителя 46
2.3 Минимизация синфазной погрешности инструментального
усилителя 51
2.4 Ошибки синхронного детектирования 69
2.5 Коррекция результата измерений 74
2.6 Вычисления фазового сдвига 76
2.7 Выводы к главе 2 79
ГЛАВА 3. Разработка СУДВ для сличения метрологических характеристик измерительных преобразователей 81
3.1 Структура разработанного СУДВ 81
3.2 Определение метрологических характеристик СУДВ 88
3.2.1 Определение входного сопротивления 89
3.2.2 Определение разрешающей способности 90
3.2.3 Определение диапазона частот сравниваемых напряжений 92
3.2.4 Определение динамического диапазона сравниваемых
напряжений 93
3.3 Характеристики разработанного СУДВ 95
3.4 Программное обеспечение СУДВ 96
3.5 Выводы к главе 3 98
ГЛАВА 4. СУДВ в составе автоматизированной измерительной
системы 100
4.1 Определение сопротивления токовых шунтов 100
4.2 Поверка индуктивных делителей напряжения 106
4.3 Концепция АИИС для проведения дистанционной
калибровки 108
4.4 Выводы к главе 4 111
Заключение 113
Литература 115
Приложение А. Сравнительный анализ СУДВ 132
Приложение Б. СУДВ. Руководство оператора 134
Приложение В. Делители напряжения индуктивные.
Методика поверки 141
Приложение Г. Акты внедрения результатов диссертационной работы 151
ГЛАВА 1. Синхронные усилители с дифференциальным входом 12
1.1 Принцип работы синхронных усилителей с дифференциальным входом 13
1.2 Классификация синхронных усилителей с дифференциальным
входом 16
1.2.1 Информативный параметр сравниваемых сигналов 17
1.2.2 Реализация алгоритма измерения во времени 19
1.2.3 Предварительное преобразование входных физических
величин 19
1.2.4 Способ реализации основных функциональных блоков 20
1.2.5 Тип синхронного детектора 21
1.3 Принципы построения СУДВ 23
1.4 Сравнительные характеристики СУДВ 30
1.5 Выводы к главе 1 37
ГЛАВА 2. Повышение разрешающей способности СУДВ 39
2.1 Схемы выделения дифференциального сигнала 39
2.2 Выбор инструментального усилителя 46
2.3 Минимизация синфазной погрешности инструментального
усилителя 51
2.4 Ошибки синхронного детектирования 69
2.5 Коррекция результата измерений 74
2.6 Вычисления фазового сдвига 76
2.7 Выводы к главе 2 79
ГЛАВА 3. Разработка СУДВ для сличения метрологических характеристик измерительных преобразователей 81
3.1 Структура разработанного СУДВ 81
3.2 Определение метрологических характеристик СУДВ 88
3.2.1 Определение входного сопротивления 89
3.2.2 Определение разрешающей способности 90
3.2.3 Определение диапазона частот сравниваемых напряжений 92
3.2.4 Определение динамического диапазона сравниваемых
напряжений 93
3.3 Характеристики разработанного СУДВ 95
3.4 Программное обеспечение СУДВ 96
3.5 Выводы к главе 3 98
ГЛАВА 4. СУДВ в составе автоматизированной измерительной
системы 100
4.1 Определение сопротивления токовых шунтов 100
4.2 Поверка индуктивных делителей напряжения 106
4.3 Концепция АИИС для проведения дистанционной
калибровки 108
4.4 Выводы к главе 4 111
Заключение 113
Литература 115
Приложение А. Сравнительный анализ СУДВ 132
Приложение Б. СУДВ. Руководство оператора 134
Приложение В. Делители напряжения индуктивные.
Методика поверки 141
Приложение Г. Акты внедрения результатов диссертационной работы 151
Непрерывно возрастающие требования к точности и достоверности измерений физических величин стимулируют непрерывное совершенствование измерительной техники, в частности измерительных преобразователей (ИП) физической величины в напряжение переменного тока, что в свою очередь требует опережающей разработки новых средств их метрологического обеспечения.
При подтверждении метрологических характеристик ИП максимальную точность обеспечивает метод сравнения с мерой. Практическое применение метода невозможно без наличия высокочувствительных приборов сравнения, разрешающая способность которых во многом определяет минимальную погрешность измерений.
В качестве приборов, обеспечивающих разрешающую способность порядка единиц нановольт при сравнении двух переменных сигналов в широком динамическом диапазоне частот и напряжений, распространение получили синхронные усилители с дифференциальным входом (СУДВ) для измерения разности двух сигналов, в англоязычной литературе Lock-In Amplifier. В отечественной литературе синхронные усилители с дифференциальным входом также именуют как дифференциальный указатель и дифференциальный нановольтметр.
Для метрологического обеспечения ИП, таких как индуктивные делители напряжения (ИДН), токовые шунты и т.д., при определении амплитудночастотных характеристик цифро-аналоговых и аналого-цифровых преобразователей с учетом достигнутых разрядностей последних, необходимо обеспечить сравнение синфазных напряжений до 10 В среднеквадратического значения с разрешающей способностью до 10 нВ.
Современные СУДВ позволяют сравнивать напряжения с амплитудами не более 3 В и при заявленной максимальной разрешающей способности до 2 нВ имеют коэффициент ослабления синфазного сигнала около 100 - 120 дБ, что при сравнении двух напряжений с амплитудами около 1 В даст реальную разрешающую способность не более 10 - 1 мкВ.
Целью диссертационной работы является разработка, исследование, аппаратно-программная реализация и экспериментальная апробация синхронного усилителя с дифференциальным входом для измерения разности сигналов с повышенной разрешающей способностью на уровне большой синфазной составляющей.
В соответствии с поставленной целью были сформулированы следующие задачи исследования:
1. Анализ функциональных блоков структуры СУДВ с целью выявления источников погрешностей, и синтез новых схемотехнических и алгоритмических решений для их минимизации или компенсации.
2. Исследование факторов ограничивающих разрешающую способность СУДВ и разработка способов ее увеличения.
3. Разработка и апробация синхронного усилителя с дифференциальным входом для проведения работ по поверки индуктивных делителей напряжения и токовых шунтов с возможностью дистанционного управления для использования в составе автоматизированных измерительных систем.
4. Оценка метрологических характеристик разработанного синхронного усилителя с дифференциальным входом и их сравнение с характеристиками серийно выпускаемых аналогов.
Методы исследования. Теоретическая часть работы выполнена на основе методов теории электрических цепей, теории графов, теории погрешностей, дифференциального и интегрального исчисления, математического моделирования. При расчетах и моделировании использовались программные пакеты Mathcad, Multisim, Statistica, LabVIEW. Экспериментальные исследования проводились в метрологических лабораториях.
Достоверность полученных результатов обеспечивалась экспериментальной апробацией синхронного усилителя с дифференциальным входом с применением средств измерений утвержденного типа, прошедших поверку. Совпадением с достаточной точностью расчетных данных и результатов моделирования и эксперимента.
Разработанный в ходе диссертационной работы синхронный усилитель с дифференциальным входом используется для метрологического обеспечения индуктивных делителей напряжения во Всероссийском НаучноИсследовательском Институте Физико-Технических и Радиотехнических Измерений (ВНИИФТРИ).
Научная новизна работы
1. Разработана и исследована схема выделения дифференциального сигнала на основе двух инструментальных усилителей и повторителя напряжения, позволяющая увеличить коэффициент ослабления синфазного сигнала.
2. Разработан и экспериментально апробирован синхронный усилитель с дифференциальным входом, с повышенной разрешающей способностью на уровне большой синфазной составляющей.
3. Предложена и экспериментально проверена процедура измерения на переменном токе модуля сопротивления и фазового сдвига коэффициента преобразования токовых шунтов с высоким разрешением на основе разработанного синхронного усилителя.
Практическая ценность работы. Разработанный в ходе диссертационных исследований синхронный усилитель с дифференциальным входом может найти широкое применение для определения: относительных отклонений физических величин в мостовых и дифференциальных схемах; метрологических характеристик компонентов измерительной техники, таких как погрешность преобразования аналого-цифровых и цифро-аналоговых устройств, коэффициент ослабления аттенюаторов, коэффициент усиления операционных усилителей. Синхронный усилитель с дифференциальным входом может использоваться в составе автоматизированных измерительно-информационных систем для поверки и калибровки делителей напряжения, трансформаторов тока, токовых шунтов.
Реализация и внедрение результатов работы. Результаты исследований по теме диссертации использованы для выполнения при непосредственном участии автора следующих хоздоговорных и госбюджетных НИР:
• Изготовление и поставка автоматизированного измерительного комплекса по заказу ВНИИ физико-технических и радиотехнических измерений, 2010 г., х/д 1-76/10у.
• Грант ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на проведение исследований по теме «Прецизионные резистивные и индуктивные преобразователи с улучшенными динамическими характеристиками», 2010-2012 гг., госконтракт № 1.387С.2010.
• Грант ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на проведение исследований по теме «Система контроля магнитного окружения квантового процессора на основе феррозондового датчика сверхвысокого разрешения», 2010-2012 гг., госконтракт № 14.740.11.0950.
• Грант ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России» на проведение исследований по теме «Программно-аппаратный комплекс для автоматизированных испытаний сильноточных преобразователей», 2011-2013 гг., госконтракт № 11.519.11.6026.
• Грант ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на проведение исследований по теме «Разработка высокопроизводительного модульного приборного комплекса для автоматизированных систем экспериментальных исследований и управления электрофизическими установками ядерной энергетики», 2012-2013 гг., соглашение № 14.B37.21.0457.
Результаты работы используются для метрологического обеспечения индуктивных делителей напряжения во ВНИИФТРИ. Акты внедрения приложены к диссертационной работе.
Положения, выносимые на защиту
1 Использование инструментального усилителя и повторителя напряжения для организации следящего питания схемы выделения дифференциального сигнала позволяет увеличить коэффициент ослабления синфазного сигнала до 160 - 180 дБ в диапазоне частот до 100 кГц.
2 Использование разработанного синхронного усилителя с дифференциальным входом, позволяет производить сравнение двух напряжений амплитудой до 10^2 В с разрешающей способностью до 10 нВ в диапазоне частот от 20 Гц до 100 кГц.
3 Процедура измерения коэффициента преобразования токовых шунтов на основе разработанного синхронного усилителя с дифференциальным входом позволяет повысить разрешающую способность до 10 нОм по модулю сопротивления и 1° по фазовому сдвигу.
Апробация результатов работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:
• Седьмая Международная научно-практическая конференция «Образовательные, научные и инженерные приложения в среде LabVIEW и технологии National Instruments», г. Москва, 2008 г.;
• XV Международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии СТТ 2009 (MTT-2009)», г. Томск, 2009 г.;
• VIII Международная IEEE Сибирская конференция по управлению и связи (SIBCON-2009), г. Томск, 2009 г.;
• XVII Международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии СТТ 2011», г. Томск, 2011 г.;
• IX Всероссийская научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых с международным участием «Молодежь и современные информационные технологии МСИТ-2011», г. Томск, 2011 г.;
• VIII Международная научно-практическая конференция «Метрологическое обеспечение учета электрической энергии», г. Киев, Украина,
2011 г.;
• XVIII Международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии СТТ 2012», г. Томск, 2012 г.;
• XX Международный конгресс IMEKO, г. Пусан, Республика Корея,
2012 г.;
• XIX Международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии СТТ 2013», г. Томск, 2013 г.;
Публикации Основные результаты исследований отражены в 28 публикациях: двенадцать статей в ведущих научных журналах и изданиях, рекомендуемых ВАК; одна статья в рецензируемом научном журнале; пятнадцать статей в сборниках трудов международных и российских конференций.
Диссертационная работа состоит из четырех глав.
В первой главе представлен аналитический обзор синхронных усилителей с дифференциальным входом. Предложена классификация СУДВ по пяти параметрам, приведены структурные схемы для реализации СУДВ среднеквадратических и мгновенных значений и связанные с ними погрешности. Приведен сравнительный анализ коммерчески доступных зарубежных СУДВ и отечественных разработок. Проведенный обзор СУДВ показывает, что современные СУДВ реализуют метод одновременного сличения сравниваемых напряжений по амплитудам синфазных составляющих, с усилением разностного сигнала, его синхронным детектированием, фильтрацией и представлением в цифровом и аналоговом видах. Реальная чувствительность современных СУДВ ограничена коэффициентом ослабления синфазного сигнала порядка 100 - 120 дБ, а максимальное входное напряжение не превышает 3 В, что недостаточно для метрологического обеспечения современных ИП, таких как индуктивные делители напряжения, токовые шунты и т.д. Следовательно, необходимость разработки нового синхронного усилителя с дифференциальным входом для измерения разности сигналов на уровне большой синфазной составляющей является актуальной задачей.
Во второй главе рассматриваются факторы, ограничивающие разрешающую способность и диапазон сравниваемых напряжений СУДВ и разрабатываются схемы построения входного каскада СУДВ для выделения дифференциального сигнала. Для минимизации синфазной погрешности, увеличения входного импеданса и динамического диапазона сравниваемых напряжений предлагается использовать схему на основе двух инструментальных усилителей и повторителя напряжения. Выбор оптимальных по характеристикам микросхем осуществляется на основе процедуры агрегирования предпочтений и нахождения отношения консенсуса. В этой же главе приводятся оценка погрешности от некогерентности опорного и детектируемого сигналов на входах синхронного детектора и два методы: минимизации погрешности из-за фазового сдвига между сравниваемыми сигналами и вычисления фазового сдвига между сравниваемыми сигналами.
В третьей главе приводится описание аппаратной реализации СУДВ на основе предложенных во второй главе решений. Приводятся разработанные принципиальные схемы функциональных блоков СУДВ и описание программного обеспечения для дистанционного управления СУДВ разработанного в среде графического программирования LabVIEW на основе технологии виртуальных приборов. В этой же главе описана процедура оценивания метрологических характеристик разработанного СУДВ.
В четвертой главе обсуждается использование разработанного СУДВ в составе автоматизированных измерительных информационных систем для поверки и калибровки измерительных преобразователей - токовых шунтов и индуктивных делителей напряжения (ИДН). Описана процедура измерения на переменном токе модуля сопротивления и фазового сдвига коэффициента преобразования токовых шунтов и результаты практического ее применения с использованием разработанного СУДВ. Рассмотрена концепция автоматизированной измерительной системы основанной на архитектуре клиент-сервер для проведения дистанционной калибровки измерительных преобразователей, с использованием
При подтверждении метрологических характеристик ИП максимальную точность обеспечивает метод сравнения с мерой. Практическое применение метода невозможно без наличия высокочувствительных приборов сравнения, разрешающая способность которых во многом определяет минимальную погрешность измерений.
В качестве приборов, обеспечивающих разрешающую способность порядка единиц нановольт при сравнении двух переменных сигналов в широком динамическом диапазоне частот и напряжений, распространение получили синхронные усилители с дифференциальным входом (СУДВ) для измерения разности двух сигналов, в англоязычной литературе Lock-In Amplifier. В отечественной литературе синхронные усилители с дифференциальным входом также именуют как дифференциальный указатель и дифференциальный нановольтметр.
Для метрологического обеспечения ИП, таких как индуктивные делители напряжения (ИДН), токовые шунты и т.д., при определении амплитудночастотных характеристик цифро-аналоговых и аналого-цифровых преобразователей с учетом достигнутых разрядностей последних, необходимо обеспечить сравнение синфазных напряжений до 10 В среднеквадратического значения с разрешающей способностью до 10 нВ.
Современные СУДВ позволяют сравнивать напряжения с амплитудами не более 3 В и при заявленной максимальной разрешающей способности до 2 нВ имеют коэффициент ослабления синфазного сигнала около 100 - 120 дБ, что при сравнении двух напряжений с амплитудами около 1 В даст реальную разрешающую способность не более 10 - 1 мкВ.
Целью диссертационной работы является разработка, исследование, аппаратно-программная реализация и экспериментальная апробация синхронного усилителя с дифференциальным входом для измерения разности сигналов с повышенной разрешающей способностью на уровне большой синфазной составляющей.
В соответствии с поставленной целью были сформулированы следующие задачи исследования:
1. Анализ функциональных блоков структуры СУДВ с целью выявления источников погрешностей, и синтез новых схемотехнических и алгоритмических решений для их минимизации или компенсации.
2. Исследование факторов ограничивающих разрешающую способность СУДВ и разработка способов ее увеличения.
3. Разработка и апробация синхронного усилителя с дифференциальным входом для проведения работ по поверки индуктивных делителей напряжения и токовых шунтов с возможностью дистанционного управления для использования в составе автоматизированных измерительных систем.
4. Оценка метрологических характеристик разработанного синхронного усилителя с дифференциальным входом и их сравнение с характеристиками серийно выпускаемых аналогов.
Методы исследования. Теоретическая часть работы выполнена на основе методов теории электрических цепей, теории графов, теории погрешностей, дифференциального и интегрального исчисления, математического моделирования. При расчетах и моделировании использовались программные пакеты Mathcad, Multisim, Statistica, LabVIEW. Экспериментальные исследования проводились в метрологических лабораториях.
Достоверность полученных результатов обеспечивалась экспериментальной апробацией синхронного усилителя с дифференциальным входом с применением средств измерений утвержденного типа, прошедших поверку. Совпадением с достаточной точностью расчетных данных и результатов моделирования и эксперимента.
Разработанный в ходе диссертационной работы синхронный усилитель с дифференциальным входом используется для метрологического обеспечения индуктивных делителей напряжения во Всероссийском НаучноИсследовательском Институте Физико-Технических и Радиотехнических Измерений (ВНИИФТРИ).
Научная новизна работы
1. Разработана и исследована схема выделения дифференциального сигнала на основе двух инструментальных усилителей и повторителя напряжения, позволяющая увеличить коэффициент ослабления синфазного сигнала.
2. Разработан и экспериментально апробирован синхронный усилитель с дифференциальным входом, с повышенной разрешающей способностью на уровне большой синфазной составляющей.
3. Предложена и экспериментально проверена процедура измерения на переменном токе модуля сопротивления и фазового сдвига коэффициента преобразования токовых шунтов с высоким разрешением на основе разработанного синхронного усилителя.
Практическая ценность работы. Разработанный в ходе диссертационных исследований синхронный усилитель с дифференциальным входом может найти широкое применение для определения: относительных отклонений физических величин в мостовых и дифференциальных схемах; метрологических характеристик компонентов измерительной техники, таких как погрешность преобразования аналого-цифровых и цифро-аналоговых устройств, коэффициент ослабления аттенюаторов, коэффициент усиления операционных усилителей. Синхронный усилитель с дифференциальным входом может использоваться в составе автоматизированных измерительно-информационных систем для поверки и калибровки делителей напряжения, трансформаторов тока, токовых шунтов.
Реализация и внедрение результатов работы. Результаты исследований по теме диссертации использованы для выполнения при непосредственном участии автора следующих хоздоговорных и госбюджетных НИР:
• Изготовление и поставка автоматизированного измерительного комплекса по заказу ВНИИ физико-технических и радиотехнических измерений, 2010 г., х/д 1-76/10у.
• Грант ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на проведение исследований по теме «Прецизионные резистивные и индуктивные преобразователи с улучшенными динамическими характеристиками», 2010-2012 гг., госконтракт № 1.387С.2010.
• Грант ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на проведение исследований по теме «Система контроля магнитного окружения квантового процессора на основе феррозондового датчика сверхвысокого разрешения», 2010-2012 гг., госконтракт № 14.740.11.0950.
• Грант ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России» на проведение исследований по теме «Программно-аппаратный комплекс для автоматизированных испытаний сильноточных преобразователей», 2011-2013 гг., госконтракт № 11.519.11.6026.
• Грант ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на проведение исследований по теме «Разработка высокопроизводительного модульного приборного комплекса для автоматизированных систем экспериментальных исследований и управления электрофизическими установками ядерной энергетики», 2012-2013 гг., соглашение № 14.B37.21.0457.
Результаты работы используются для метрологического обеспечения индуктивных делителей напряжения во ВНИИФТРИ. Акты внедрения приложены к диссертационной работе.
Положения, выносимые на защиту
1 Использование инструментального усилителя и повторителя напряжения для организации следящего питания схемы выделения дифференциального сигнала позволяет увеличить коэффициент ослабления синфазного сигнала до 160 - 180 дБ в диапазоне частот до 100 кГц.
2 Использование разработанного синхронного усилителя с дифференциальным входом, позволяет производить сравнение двух напряжений амплитудой до 10^2 В с разрешающей способностью до 10 нВ в диапазоне частот от 20 Гц до 100 кГц.
3 Процедура измерения коэффициента преобразования токовых шунтов на основе разработанного синхронного усилителя с дифференциальным входом позволяет повысить разрешающую способность до 10 нОм по модулю сопротивления и 1° по фазовому сдвигу.
Апробация результатов работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:
• Седьмая Международная научно-практическая конференция «Образовательные, научные и инженерные приложения в среде LabVIEW и технологии National Instruments», г. Москва, 2008 г.;
• XV Международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии СТТ 2009 (MTT-2009)», г. Томск, 2009 г.;
• VIII Международная IEEE Сибирская конференция по управлению и связи (SIBCON-2009), г. Томск, 2009 г.;
• XVII Международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии СТТ 2011», г. Томск, 2011 г.;
• IX Всероссийская научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых с международным участием «Молодежь и современные информационные технологии МСИТ-2011», г. Томск, 2011 г.;
• VIII Международная научно-практическая конференция «Метрологическое обеспечение учета электрической энергии», г. Киев, Украина,
2011 г.;
• XVIII Международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии СТТ 2012», г. Томск, 2012 г.;
• XX Международный конгресс IMEKO, г. Пусан, Республика Корея,
2012 г.;
• XIX Международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии СТТ 2013», г. Томск, 2013 г.;
Публикации Основные результаты исследований отражены в 28 публикациях: двенадцать статей в ведущих научных журналах и изданиях, рекомендуемых ВАК; одна статья в рецензируемом научном журнале; пятнадцать статей в сборниках трудов международных и российских конференций.
Диссертационная работа состоит из четырех глав.
В первой главе представлен аналитический обзор синхронных усилителей с дифференциальным входом. Предложена классификация СУДВ по пяти параметрам, приведены структурные схемы для реализации СУДВ среднеквадратических и мгновенных значений и связанные с ними погрешности. Приведен сравнительный анализ коммерчески доступных зарубежных СУДВ и отечественных разработок. Проведенный обзор СУДВ показывает, что современные СУДВ реализуют метод одновременного сличения сравниваемых напряжений по амплитудам синфазных составляющих, с усилением разностного сигнала, его синхронным детектированием, фильтрацией и представлением в цифровом и аналоговом видах. Реальная чувствительность современных СУДВ ограничена коэффициентом ослабления синфазного сигнала порядка 100 - 120 дБ, а максимальное входное напряжение не превышает 3 В, что недостаточно для метрологического обеспечения современных ИП, таких как индуктивные делители напряжения, токовые шунты и т.д. Следовательно, необходимость разработки нового синхронного усилителя с дифференциальным входом для измерения разности сигналов на уровне большой синфазной составляющей является актуальной задачей.
Во второй главе рассматриваются факторы, ограничивающие разрешающую способность и диапазон сравниваемых напряжений СУДВ и разрабатываются схемы построения входного каскада СУДВ для выделения дифференциального сигнала. Для минимизации синфазной погрешности, увеличения входного импеданса и динамического диапазона сравниваемых напряжений предлагается использовать схему на основе двух инструментальных усилителей и повторителя напряжения. Выбор оптимальных по характеристикам микросхем осуществляется на основе процедуры агрегирования предпочтений и нахождения отношения консенсуса. В этой же главе приводятся оценка погрешности от некогерентности опорного и детектируемого сигналов на входах синхронного детектора и два методы: минимизации погрешности из-за фазового сдвига между сравниваемыми сигналами и вычисления фазового сдвига между сравниваемыми сигналами.
В третьей главе приводится описание аппаратной реализации СУДВ на основе предложенных во второй главе решений. Приводятся разработанные принципиальные схемы функциональных блоков СУДВ и описание программного обеспечения для дистанционного управления СУДВ разработанного в среде графического программирования LabVIEW на основе технологии виртуальных приборов. В этой же главе описана процедура оценивания метрологических характеристик разработанного СУДВ.
В четвертой главе обсуждается использование разработанного СУДВ в составе автоматизированных измерительных информационных систем для поверки и калибровки измерительных преобразователей - токовых шунтов и индуктивных делителей напряжения (ИДН). Описана процедура измерения на переменном токе модуля сопротивления и фазового сдвига коэффициента преобразования токовых шунтов и результаты практического ее применения с использованием разработанного СУДВ. Рассмотрена концепция автоматизированной измерительной системы основанной на архитектуре клиент-сервер для проведения дистанционной калибровки измерительных преобразователей, с использованием
1. Разработана и исследована схема построения входного каскада синхронного усилителя с дифференциальным входом на основе двух инструментальных усилителей и повторителя напряжения, позволяющая увеличить коэффициент ослабления синфазного сигнала до 160 - 180 дБ в диапазоне частот до 100 кГц и обеспечивающая одновременное сравнение двух напряжений до 102 В.
2. Разработан и апробирован синхронный усилитель с дифференциальным входом для метрологического обеспечения измерительных преобразователей, экспериментально проведена процедура оценивания его метрологических характеристик. Созданный синхронный усилитель с дифференциальным входом по своим метрологическим характеристикам превышает зарубежные аналоги и обеспечивает сравнение двух синусоидальных напряжений амплитудой от 102 мкВ до 102 В с разрешающей способностью до 10 нВ в диапазоне частот от 20 Гц до 100 кГц.
3. Разработана и экспериментально проверена процедура измерения на переменном токе модуля и фазового сдвига коэффициента преобразования токовых шунтов на основе созданного синхронного усилителя с дифференциальным входом, позволяющая оценить модуль сопротивления с разрешающей способностью до 10 нОм и фазовый сдвиг с разрешающей способностью до 1°.
4. Разработано специальное программное обеспечение для дистанционного управления и системного использования в составе автоматизированных измерительных систем созданного синхронного усилителя с дифференциальным входом, позволяющее проводить дистанционную калибровку измерительных преобразователей.
5. Результаты работы применены при создании автоматизированного измерительного комплекса для калибровки и поверки масштабных измерительных преобразователей (индуктивных делителей напряжения), аттенюаторов и магазинов затухания в диапазоне частот 20 Гц - 100 кГц и в диапазоне напряжений 10 мВ - 10 В среднеквадратического значения во Всероссийском Научно-Исследовательском Институте ФизикоТехнических и Радиотехнических Измерений (ВНИИФТРИ) п. Менде- леево, Московская область.
6. Разработанный синхронный усилитель с дифференциальным входом был использован для сличения метрологических характеристик измерительных преобразователей при выполнении госбюджетных НИР по темам: «Прецизионные резистивные и индуктивные преобразователи с улучшенными динамическими характеристиками»; «Программноаппаратный комплекс для автоматизированных испытаний сильноточных преобразователей»; «Система контроля магнитного окружения квантового процессора на основе феррозондового датчика сверхвысокого разрешения»; «Разработка высокопроизводительного модульного приборного комплекса для автоматизированных систем экспериментальных исследований и управления электрофизическими установками ядерной энергетики».
2. Разработан и апробирован синхронный усилитель с дифференциальным входом для метрологического обеспечения измерительных преобразователей, экспериментально проведена процедура оценивания его метрологических характеристик. Созданный синхронный усилитель с дифференциальным входом по своим метрологическим характеристикам превышает зарубежные аналоги и обеспечивает сравнение двух синусоидальных напряжений амплитудой от 102 мкВ до 102 В с разрешающей способностью до 10 нВ в диапазоне частот от 20 Гц до 100 кГц.
3. Разработана и экспериментально проверена процедура измерения на переменном токе модуля и фазового сдвига коэффициента преобразования токовых шунтов на основе созданного синхронного усилителя с дифференциальным входом, позволяющая оценить модуль сопротивления с разрешающей способностью до 10 нОм и фазовый сдвиг с разрешающей способностью до 1°.
4. Разработано специальное программное обеспечение для дистанционного управления и системного использования в составе автоматизированных измерительных систем созданного синхронного усилителя с дифференциальным входом, позволяющее проводить дистанционную калибровку измерительных преобразователей.
5. Результаты работы применены при создании автоматизированного измерительного комплекса для калибровки и поверки масштабных измерительных преобразователей (индуктивных делителей напряжения), аттенюаторов и магазинов затухания в диапазоне частот 20 Гц - 100 кГц и в диапазоне напряжений 10 мВ - 10 В среднеквадратического значения во Всероссийском Научно-Исследовательском Институте ФизикоТехнических и Радиотехнических Измерений (ВНИИФТРИ) п. Менде- леево, Московская область.
6. Разработанный синхронный усилитель с дифференциальным входом был использован для сличения метрологических характеристик измерительных преобразователей при выполнении госбюджетных НИР по темам: «Прецизионные резистивные и индуктивные преобразователи с улучшенными динамическими характеристиками»; «Программноаппаратный комплекс для автоматизированных испытаний сильноточных преобразователей»; «Система контроля магнитного окружения квантового процессора на основе феррозондового датчика сверхвысокого разрешения»; «Разработка высокопроизводительного модульного приборного комплекса для автоматизированных систем экспериментальных исследований и управления электрофизическими установками ядерной энергетики».
Подобные работы
- Оценка погрешности выделения сигнала из шума на основе синхронного детектирования
Главы к дипломным работам, метрология. Язык работы: Русский. Цена: 5900 р. Год сдачи: 2016