автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.05, диссертация на тему:Исследование и разработка методов и средств передачи размера единицы индуктивности на основе новых многозначных мер



/

'У i"-y

Государственное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт метрологии им. Д.И.Менделеева"

На правах рукописи

ЕГОРОВ

Петр Михайлович

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ПЕРЕДАЧИ РАЗМЕРА ЕДИНИЦЫ ИНДУКТИВНОСТИ НА ОСНОВЕ НОВЫХ МНОГОЗНАЧНЫХ МЕР

Специальности: 05.11.05 - Приборы и методы измерения электрических и

магнитных величин 05.11.15 - Метрология и метрологическое обеспечение

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель Заслуж. деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор

Е.Д.Колтик

\

Санкт - Петербург 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение.................................................................................................................. 5

Глава 1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЯ ИНДУКТИВНОСТИ В ДИАПАЗОНЕ ЧАСТОТ ДО 100 кГц........................................................................................................И

1.1. Мосты переменного тока, применяемые для измерения индуктивности............................................................................................11

1.1.1. Современные методы и средства измерения индуктивности.................11

1.1.2. Особенности метрологического обеспечения приборов для измерения индуктивности.........................................................................................13

1.2. Рабочие эталоны (меры) индуктивности. Принципы построения и практическая реализация...........................................................................15

1.2.1. Классификация рабочих эталонов (мер) индуктивности.......................15

1.2.2. Меры на основе катушек индуктивности...............................................15

1.2.3. Трансформаторные меры иидуктивности..............................................22

1.2.4. Меры на основе эквивалентов индуктивности.......................................26

1.3. Анализ схем активных эквивалентов индуктивности для построения рабочих эталонов 1-го - 3-го разрядов......................................................31

1.3.1. Классификация активных эквивалентов индуктивности......................31

1.3.2. Основные типы схем активных эквивалентов индуктивности..............34

1.4. Требования к многозначным мерам индуктивности на основе электронных эквивалентов........................................................................52

1.5. Выводы по первой главе............................................................................55

Глава 2. РАСЧЕТНЫЕ СООТНОШЕНИЯ, СХЕМНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ И ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОГРЕШНОСТЕЙ АКТИВНЫХ ЭКВИВАЛЕНТОВ ИНДУКТИВНОСТИ НА ОСНОВЕ

RC-CXEM...............................................................................................56

2.1. Выбор и обоснование схем электронных эквивалентов для реализации многозначной меры индуктивности.........................................................56

2.2. Основные составляющие погрешности электронных эквивалентов индуктивности............................................................................................59

2.3. Исследование трехзажимного активного эквивалента индуктивности на основе интегратора...................................................................................•.. 62

2.3.1. Расчетные соотношения для Le и Re ......................................................62

2.3.2. Основные составляющие погрешности..................................................65

2.3.3. Оценка составляющих погрешности АЭИ.............................................66

2.3.4. Факторы, влияющие на величину добротности, и способы ее увеличения...............................................................................................82

2.4. Исследование двухзажимного активного эквивалента индуктивности на основе интегратора.....................................................................................88

2.4.1. Расчетные соотношения для Le и Re .....................................................88

2.4.2. Основные составляющие погрешности..................................................93

2.4.3. Оценка составляющих погрешности АЭИ.............................................94

2.4.4. Возможность перестраивания трехзажимной схемы АЭИ в двухзажимную.......................................................................................110

2.4.5. Факторы, влияющие на величину добротности, и способы ее увеличения.............................................................................................112

2.5. Выводы по второй главе..........................................................................117

Глава 3. РАСЧЕТНЫЕ СООТНОШЕНИЯ И ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ОСНОВНЫХ СОСТАВЛЯЮЩИХ ПОГРЕШНОСТИ АКТИВНЫХ ЭКВИВАЛЕНТОВ ИНДУКТИВНОСТИ НА ОСНОВЕ СХЕМ С ПЕРЕКЛЮЧАЕМЫМИ КОНДЕНСАТОРАМИ................119

3.1. Расчетные соотношения для Le и Re ......................................................119

3.1.1. Двухзажимная SC-схема на основе интегратора..................................119

3.1.2. Трехзажимная SC-схема на основе интегратора..................................122

3.2. Основные составляющие погрешности................................................... 124

3.3. Оценка составляющих погрешности АЭИ..............................................125

3.4. Факторы, влияющие на добротность SC-схем........................................136

3.5. Выводы по третьей главе.........................................................................139

Глава 4. ЧАСТОТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ, ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ МЕР ИНДУКТИВНОСТИ НА ОСНОВЕ АЭИ И РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.................................141

4.1. Частотные характеристики мер индуктивности на основе АЭИ............141

4.2. Особенности включения АЭИ в мостовые измерительные цепи............ 149

4.3. Результаты экспериментальных исследований.......................................155

4.3.1. Описание структурной схемы многозначной меры индуктивности.... 155

4.3.2. Результаты экспериментальных исследований макета многозначной меры индуктивности..............................................................................160

4.4. Выводы по четвертой главе..................................................................... 168

Заключение...........................................................................................................170

Литература...........................................................................................................172

Приложения.........................................................................................................180

ВВЕДЕНИЕ

Развитие современной науки и промышленности сопровождается повышением требований к измерительной технике, в том числе, и к средствам измерений параметров электрических цепей. Одной из основных величин, характеризующих параметры электрических цепей, является индуктивность. Катушки индуктивности, как элемент электрической цепи, широко используются при создании электро- и радиотехнического оборудования - генераторов, фильтров, устройств намагничивания и др.; в качестве индуктивных датчиков механических и других неэлектрических величин; при создании средств измерений - мер индуктивности, мостов переменного тока, информационно-измерительных систем и информационно-вычислительных комплексов. При производстве и эксплуатации весьма многообразной номенклатуры устройств, содержащих катушки индуктивности, используются различные методы и средства измерений, требования к метрологическим и эксплутационным характеристикам которых постоянно возрастают. Необходимый для практики диапазон измерений индуктивности находится в пределах от долей мкГн до 108 Гн в частотном диапазоне от 0,01 Гц до СВЧ.

Измерение индуктивности осуществляется с помощью измерителей индуктивности (резонансных и др. видов) и мостов переменного тока - универсальных и специального назначения, автоматических и с ручным уравновешиванием, диапазон измерения которых в большинстве случаев составляет от МО 9 до МО7 Гн, погрешности от 0,02 до нескольких %.

Обеспечение единства измерений индуктивности базируется на основе государственной поверочной схемы (ГОСТ 8.029-80), в соответствии с которой поверка средств измерений (СИ) индуктивности производится с помощью рабочих эталонов (РЭ) 1,2 и 3 разрядов. В качестве рабочих эталонов используются меры- катушки индуктивности.

В настоящее время лучшими метрологическими характеристиками обладают тороидальные катушки, имеющие замкнутое магнитное поле. Во ВНИИМ им. Д.И.Менделеева работы по созданию мер индуктивности на основе тороидальных катушек были начаты в конце 60-х годов, когда были разработаны первые опытные образцы этих мер. В 70-е и 80-е годы Ф.Е.Курочкиным на основе торо-

идальных катушек были созданы государственный первичный эталон единицы индуктивности на основе катушек ЭИ-1 и рабочие эталоны РЭИ-1, ЭИ-2, ЭИ-3, На основе тороидальных катушек были также созданы меры индуктивности типов Р596 и Р5101 - Р5115. Эти меры имеют номинальное значение индуктивности от 1 мкГн до 1 Гн в диапазоне частот от 80 Гц до 100 кГц. Класс точности этих мер 0,02 - 2. Меры Р596 и Р5101 - Р5115 являются однозначными и используются в наборах (25 и 16 катушек соответственно). Из этих мер путем их исследований по годовой нестабильности могут быть отобраны меры с нестабильностью 0,01 -- 0,1 %. Меры с такими характеристиками аттестуются в качестве рабочих эталонов 1-го и 2-го разрядов. Рабочие эталоны на основе мер Р596 и P5I01 - Р5115 обеспечили необходимую точность измерений индуктивности в диапазоне 1 мкГн -1 Гн при частотах 80 Гц - 100 кГц.

Вместе с тем метрологическое обеспечение СИ индуктивности, прежде всего мостов переменного тока, при значениях более 1 Гн отсутствовало. Использование РЭ в виде больших наборов однозначных мер приводит также к существенному усложнению процесса поверки и увеличению его времени, т.е. приводит к низкой производительности работ. Большие габаритные размеры и масса этих наборов зачастую затрудняют их транспортирование к месту поверки, что нарушает графики поверки, т.е. может привести к нарушению единства измерений. Указанные причины потребовали разработки новых мер индуктивности с более широкими функциональными возможностями на более широкий диапазон значений индуктивности.

В связи с этим целью диссертационной работы является исследование и разработка методов и средств передачи размера единицы индуктивности на основе новых многозначных мер.

В соответствии с целью работы выбрана структура диссетрации.

В первой главе: проведен анализ существующих СИ индуктивности - мер и мостов переменного тока. Систематизированы материалы научных исследований по активным эквивалентам индуктивности (АЭИ), разработана их классификация и способ классификационного кодирования АЭИ. Выбрано направление создания многозначной меры индуктивности (ММИ) на основе оптимальных АЭИ - резистивно-емкостных (RC-АЭИ) и нового вида АЭИ на основе цепей с переключаемыми конденсаторами (SC-АЭИ).

Во второй главе: проведены теоретические исследования предложенных двух-и трехзажимных ЯС-АЭИ, получены аналитические выражения для эквивалентных индуктивности и активного сопротивления, позволившие обосновать технические требования к элементам ММИ; теоретически исследованы источники погрешностей и получены аналитические выражения для составляющих и суммарной погрешности.

В третьей главе: проведены теоретические исследования нового вида высокодобротных ММИ на основе БС-АЭИ; получены аналитические выражения для эквивалентных индуктивности и активного сопротивления; выполнен теоретический анализ и получены выражения погрешностей ММИ; разработаны схемотехнические методы исключения влияния паразитных емкостей на значение индуктивности.

В четвертой главе: проведены теоретические исследования частотных погрешностей ЯС- и БС-АЭИ; исследованы способы соединений разработанных ММИ с мостовыми измерительными цепями; дано описание полной структурной схемы ММИ; разработаны методы и приведены результаты экспериментальных исследований.

Научная новизна полученных результатов заключается в следующем.

1. Систематизированы материалы научных исследований по активным эквивалентам индуктивности, разработана классификация АЭИ и способ их классификационного кодирования.

2. Предложены, теоретически и экспериментально исследованы структуры АЭИ на основе активных ЛС-цепей, обеспечивающие создание двух- и трехзажимных многозначных мер индуктивности для значений 0,1 - 103 Гн с погрешностью 0,01-0,1 %.

3. Предложен, теоретически и экспериментально исследован метод построения двух- и трехзажимных ММИ на основе АЭИ с переключаемыми конденсаторами, позволивший повысить добротность до МО3 с меньшими требованиями к погрешности компенсации активного сопротивления без значительного усложнения схемы по сравнению с активными ЯС-цепями АЭИ. Показана перспективность реализации данного вида АЭИ по интегральной технологии.

4. Получены аналитические выражения, характеризующие формирование эквивалентной индуктивности и эквивалентного активного сопротивления в пред-

ложенных ЯС- и 8С-структурах АЭИ, позволяющие обосновать технические требования к элементам ММИ.

5. Предложен эффективный метод преобразования трехзажимных ЯС- и БС-АЭИ в двухзажимные без замены элементов цепи формирования эквивалентной индуктивности, позволяющий создать универсальные ММИ для любых мостовых измерительных цепей.

6. Проведен теоретический анализ источников погрешностей ММИ на основе ЯС- и БС-АЭИ. Получены аналитические выражения для расчета составляющих и суммарной погрешности ММИ при частоте 1 кГц, обоснована и экспериментально подтверждена реализация ММИ с погрешностью 0,01 - 0,05 %. Получены аналитические выражения для расчета частотных погрешностей ММИ, дана их графическая интерпретация и определен частотный диапазон применения ММИ до 100 кГц.

7. Проведен уточненный анализ влияния паразитных емкостей на результат формирования эквивалентной индуктивности в БС-АЭИ. Предложены схемотехнические методы исключения влияния паразитных емкостей. Разработаны схемы двух- и трехзажимных БС-АЭИ, нечувствительных к влиянию паразитных емкостей.

8. Разработаны методы экспериментальных исследований ММИ на основе ЯС- и БС-АЭИ, учитывающие особенности работы ММИ с мостовыми измерительными цепями и использованные для экспериментальных исследований разработанных макетов ММИ.

Практическая значимость заключается в следующем.

1. На основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований разработаны методы построения новых многозначных мер индуктивности с использованием активных эквивалентов индуктивности на диапазон значений до МО3 (106) Гн, диапазон частот 50 Гц -100 кГц, с погрешностью 0,01 - 0,1 %.

2. Разработан, теоретически и экспериментально исследован новый метод создания ММИ на основе активных эквивалентов индуктивности с переключаемыми конденсаторами, реализующий двух- и трехзажимную индуктивность, обеспечивающий повышение добротности ММИ до МО3 при погрешности меры 0,01 - 0,1 %, также перспективный для создания АЭИ по интегральной технологии.

3. Разработаны и реализованы методы теоретической и экспериментальной оценки погрешностей ММИ на основе RC- и SC-АЭИ, предложены способы их частичной, а в случае влияния паразитных емкостей в SC-АЭИ, и полной компенсации.

4. Разработаны, изготовлены и экспериментально исследованы макеты ММИ для поверки мер индуктивности и мостов переменного тока в диапазоне значений до 103 (106) Гн.

5. Разработанные устройства использованы при настройке полосовых систем радионавигационной аппаратуры и при калибровке СИ для контроля параметров расхода в технологическом процессе.

6. Разработанные ММИ ввиду их малых габаритов и массы перспективны для использования в качестве транспортируемых эталонов для поверки СИ индуктивности на местах их эксплуатации.

Результаты работ, выполненных автором внедрены во ВНИИМ им. Д.И.Менделеева, в АО "Котлин" (г. Санкт-Петербург), на Государственном Обуховском заводе (г. Санкт-Петербург), что подтверждается соответствующими актами внедрения.

Апробация результатов работы.

Основные положения диссертационной работы и отдельные ее результаты докладывались и обсуждались на:

- Всероссийской конференции " Приборы и приборные системы " , Тула, 1994 г.

- Украинской научно-технической конференции "Метрология и измерительная техника", Харьков, 1995 г.

- 50, 51, 52, 53, 54 научно-технических конференциях НТОРЭС им. А.С.Попова, 1995- 1999 гг., Санкт-Петербург.

- Международной конференции по точным электромагнитным измерениям СРЕМ-96, Брауншвейг, Германия, 1996 г.

- Научно-технической конференции "Диагностика, информатика, метрология, экология, безопасность - 97" (ДИМЭБ-97), Санкт-Петербург, 1997 г.

- Международной конференции по точным электромагнитным измерениям СРЕМ-98, Вашингтон, США, 1998 г.

По материалам диссертационной работы опубликовано 16 печатных работ, в том числе 9 работ без соавторов.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Разработка и теоретические исследования методов построения ММИ на основе активных ЯС-эквивалентов индуктивности.

2. Разработка и исследование новых методов построения ММИ на основе активных цепей с переключаемыми конденсаторами, обеспечивающих повышение добротности до МО3 и предназначенных для использования в качестве средства передачи размера единицы индуктивности.

3. Результаты теоретических исследований составляющих и суммарной погрешности ММИ, аналитические выражения для их расчета и связи с параметрами реальных компонентов в различных режимах работы ММИ, способы уменьшения и компенсации погрешностей.

4. Результаты исследований влияния паразитных емкостей на результат формирования эквивалентной индуктивности для АЭИ на основе цепей с переключаемыми конденсаторами, новый метод исключения влияния паразитных емкостей.

5. Разработка новых методов экспериментальных исследований ММИ на основе активных эквивалентов ин