автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.05, диссертация на тему:Разработка и исследование вторичного эталона переменного напряжения в диапазоне частот 30-2000МГц

^ #

<\ На правах рукописи

\

ШЕВЦОВ Владимир Иванович

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ВТОРИЧНОГО ЭТАЛОНА ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ В ДИАПАЗОНЕ ЧАСТОТ 30 -2000 МГц

Специальности: 05.11.05 - Приборы и методы измерения электрических и

магнитных величин 05.11.15 - Метрология и метрологическое обеспечение

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 1998

Работа выполнена во Всероссийском научно-исследовательско институте метрологии имени Д.И.Менделеева.

Научный руководитель:

кандидат технических наук, старши научный сотрудник Г.П.Телитченк

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор В.А.Слаев

кандидат технических наук В.Ю.Барбарович

Ведущее предприятие:

ГП "Дальняя связь", г.С-Петербур

Защита состоится "01" ...... 1998 г.

на заседании диссертационного совета К041.03.01 при Всероссийскс научно-исследовательском институте метрологии им.Д.И.Менделеева.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВНИИ им.Д.И.Менделеева

Автореферат разослан "29',.<И\]?£'АЯ.1998 г.

Ученый секретарь дпсс

Г.П.Телитчен

Актуальность пзботы.

Технический прогресс во всех отраслях народного хозяйства повсеместно, сопровождается повышением требований к измерительной

технике, в частности, к средствам измерения переменного напряжения,

« ' '

Электрическое напряжение является одной из важнейших физических величин, от точности измерений которой зависят результаты исследований в различных областях науки и техники, правильность ведения и управления технологическими процессами, качество выпускаемой продукции, обеспечение безо] лености во многих отраслях пауки, техники, медицине, и многое другое. При этом требуется измерять напряжение в широком диапазоне частот (от единиц и долен герца до тысяч мегагерц) и уровнен сигналов (от десятков нановольт до сотен вольт), применяя при этом многообразные методы и средства измерений. Средства измерений (СИ) напряжения, благодаря техническим и эксплуатационным достоинствам, являются наиболее распространенными видами электронных средств измерении. К их числу относятся не тольк- средства измерений подгруппы В (средства измерений напряжения), но и отдельные виды или типы других групп средств измерений. В частности, режим измерений или воспроизведешь напряжения имеют генераторы подгруппы Г, усилители подгруппы У, осциллографы подгруппы С, отдельные приборы для измерения мощности подгруппы М. измерители нелинейных искажений подгруппы С, некоторые типы приборов для импульсных измерений подгруппы И и другие.

Обеспечение единства измерений в области переменного напряжения базируется на основе государственной поверочной схемы, во главе которой находятся государственные эталоны ГЭТ 89-75 и ГЭТ 27-82, хранящиеся во ГШШ1М им.Д.И.Мелделеева. Поверочная схема устанавливает порядок передачи размера вольта от государственных эталонов рабочим эталонам 1-го и 2-го разрядов и от них рабочим средствам измерений с указанием методов

передачи и погрешностей. В диапазоне частот свыше 30 МГц воспроизводи г, хранит и передает размер вольга государственный эталон ГЭТ 27- 82.

Пыстрый рост парка СИ переменного напряжения,' появление новых разработок, а также приток на внутренний рынок России большого количества импортных СИ переменного напряжения с верхней граничной . частотой 2000 МГц, потребовали разработки втори,'чого эталона переменного напряжения, . имеющего более широкие но сравнению с гоеэталопо.м функциональные возможности:

- обеспечение передачи размера вольт? СИ с нормированным входным сопротивлением 50 Ом и 75 Ом;

- диапазоцтамеренш? - до 3 (10 В).

Из-за значительно возросшей за последние годы стоимости грузоперевозок поверку л калибровку рабочих эталонов (РЭ) 1-го разрядов целесообразно стаю проводить непосредственно в центрах стандартизации, метрологии и сертификации крупных регионов страны.

С учетом приведенного выше обоснования были сформулированы цель днссерт?ционной работы и задачи исследований.

Цель заботы. Целью диссертационной работы является разработка и исследование вторичного эталона (ВЭ) переменною напряжения в диапазоне частот 30-2000 МГц. .

Задали исследований. Достижение поставленной цели связано с необходимостью решения следующих задач:

- обоснование структуры построения ВЭ переменного напряжения;

теоретические исследования терморезисторного компаратора переменного напряжения на базе проходного терморезисторного преобразователя;

- анализ погрешностей ВЭ Переменного напряжения;

- экспериментальное исследование ВЭ переменного напряжения;

- разработка л экспериментальное исследование метода измерений,, позволяющего расширить диапазон измерений терморезисторного компаратора переменного напряжения ВЭ;

- разработка и исследование метода измерений с целыо исключения погрешности рассогласования при передаче размера вольта с помощью ВЭ СИ с входным сопротивлением 50 Ом, работающим в коаксиальных трактах;

- разработка и исследование метода поверки иаио- и микровольтметров в широком диапазоне частот.

Методы ;;о.'лелог-:ат;П. В диссертационной работе применены теоретические и экспериментальные методы исследований. Теоретические методы исследований основаны на использовании элементов дифференциального исчисления, математической статистики. Экспериментальные методы исследопаннй проведены с помощью аппаратуры государственного специального эталона ГЭТ • 27-8? аппаратуры разработанного ВЭ переменного напряжения, а также с помощью разработанных и реализоианпыч методик и вспомогательных устройств.

Научная новизна полученных результатов заключается в том, что:

- систематизированы методы и средства передачи размера вольта в диапазоне частот 30 - 2000 МГц;

- разработана структура построения ВЭ переменного напряжения в диапазоне частот 30 - 2000 МГц:

- получены аналитические выражения, доведенные до расчетных формул, позволяющие оценить составляющие погрешности, вносимой тсрморезисторным компаратором на базе проходного терморезисторного преобразователя при измерении переменного высокочастотного напряжения;

- разработан и экспериментально исследован структурный метод расширения диапазона измерений ВЭ переменного напряжения;

- разработан и экспериментально исследован новый метод передачи размера вольта CIÍ с входным сопротивлением 50 Ом, работающим в

б

коаксиальных трактах лшши передачи, позволивший практически исключить погрешность рассогласовании;

- разработан н Экспериментально исследован новый метод поверки наио- н микровольтметров в рабочем диапазоне частот при уровнях напряжения менее 100 мВ.

Практическая значимость заключается в том, что:

- созданы ВЭ переменного напряжения в диапазоне частот 30 - 2000 МГц, которые внедрены в поверочную практику в национальных метрологических центрах Россия, Украины ».Белоруссии;

- на основе про:-еденных теоретических и экспериментальных исследований разработан и внедрен терморезисторный мост постоянного тока с автоматическим уравновешиванием: МТР-4- в составе тсрморезисторного компаратора ВЭ; МТР-б •• в составе государственного эталона ГЭТ 27-82;

- разработан, изготовлен и исследован тройник Л'з 32 (черг. Хд 5.436.03S), используемый при передаче размера единицы переменного напряжения СИ с входным сопротивлением 50 Ом, включенный в состав ВЭ;

- разработан проект нормативного документа на методы и средства поверки электронных вольтметров с входным сопротивлением 50 Он, работающих в коаксиальных трактах лшши передачи;

- предложенный автором метод поверки положен в основу нормативных документов на методы и средства поверки измерительных генераторов и селективных измерителей уровня SPM-15, SPM-151, SPM-19, PS-IS, PS-19;

- разработанные автором методы для расчета терморезисторных компараторов, входящих в состав высокоточных СИ переменного напряжения, используются при выполнении курсовых и дипломных работ на кафедре метрологии Северо-Западного политехнического института.

Результаты работ, выполненных под научным руководством и при непосредственном участии автора, внедрены на пяти предприятиях России и стран СНГ: во ВНИИМ и-м.Д.И.Менделееса, а Украинском центре

стандартизации, метрологии н сертификации (пКиев), на государственном предприятии "Центр эталош»в, стандартизации и метрологии" (г.Минск, Белоруссия), на государственном предприятии "Дальняя связь" (г.Санкт-Пегербург), п Северо-Западном политехническом лпетлгуге (г.Санкг-Пстербур!'), что подтверждается соответствующими актами внедрения.

Апробация результатов работы. Основные положения диссертационной работы и отдельные се результаты докладывались и обсуждались:

- из 1-м Международном конгрессе "Международные и национальные, аспекты экологического мониторинга (INAEM-97)", Санкт-Петербург, 1997г.;

- на 4-й всероссийской паучно-тсхиической конференции "Состояние и проблемы технических измерений", Москва, 1997г;

- на 47, 4S. 49, 50, 51, 52, 53 научно-технических конференциях НТО РЭС им.А.С.Попоьа, 1992-1993 г.г., Санкт-Петербург;

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

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 20 v печатных работ, н том числе 12 работ-без соавторов.

Объем и структура диссертации. Работа состоит из введения, 3 глав, заключения, списка литературы и приложений. Объем диссертации 170 стр., в том числе 26 рисунков м 28 таблиц, а также 5 стр. приложений. Список ; ¡тературы содержит 108 наименовании на 13 стр.

Основные положения, выносимые на за щиту: ,

1. Разработка и результаты экспериментальных исследований ВЭ переменного напряжения в диапазоне частот 30 - 2000 МГц.

2. Структурный метод расширения диапазона измерений ВЭ переменного напряжения.

3. Новый метод поверки СИ напряжения с входным сопротивлением 50 Ом и СИ напряжечя с высоким входным сопротивлением, работающих в коаксиальньг трактах пинии передачи.

4. Новый метод поверки нано- и микровольтметров с широко?.! диапазоне частот.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснован выбор тематики работы и показана ее акт. альность. Сформулирована цель диссертационной работы и решаемые в «ей научные задачи. Приведены научная новизна и практическая значимость результатов работы, а также положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен анаг 13 методов и средств передачи размера вольта в диапазоне частот свыше 30 МГц, используемых ак в России, так и в ведущих национальных метрологических центрах и ведущих зарубежных фирмах.

Показано, чте практически во всех ведущих национальных метрологических центрах, в том числе и в России, в основу построения эталонов и высокоточных СИ переменного напряжения при частотах свыше 30 МГц положен метод одновременного- сравнения измеряемого высокочастотного напряжения с постоянным напряжением посредством терморезисторного компаратора. Приводятся сравнительные характеристики национальных эталонов России и ведущих метрологических центров мира. Показано, что при передаче размера единицы переменного электрического напряжения вольта все большее распространение с составе терморезнсторных компараторов получают терморезисторные преобразователи напряжения ' ' (ТПН) проходного типа, хотя в ряде стран используются и преобразователи оконечного типа. Ряд ведущих зарубежных фирм при передаче размера вольта СИ, работающим в коаксиальных трактах лннин передачи, используют метод, при котором напряжение нормируется на входе тройника, в одно из плеч которого включен пробник поверяемого СИ. При этом в качестве

■ . .9

.»тале нога СИ применяю-»- измеритель мощности, прокалиброванный в единицах переменного напряжения.

Показано, что в ряде случаев требуется определять систематические частотнее погрешности СИ на реальных уровнях напряжения в отличие от принятою расчетло-эксперимеиталыюго метода их опре£ ления для РЗ 1-го разряда. -

Сделан вызод о целесообразности разработки метода "и средств передачи размера вольта СМ с входным сопротивлением 50 Ом, работающим в коаксиальных трактах, не требующего эталонных СИ модуля и фазы коэффициента отражения.

Показана целесообразность разработки метода поверки нано- и микролольтм-гроп з широком диапазоне частот в нижней части диапазона измерении этих СИ, который позволял бы обойтись без применения калиброванных широкоднапазонных масштабных преобразователей. и широкодиапазоииых многозначных мер переменного напряжения (калибраторов).

Вторая глава посвящена оазработке и исследованию ВЭ переменного напряжения.

Предложена структура построения ВЭ, которая приведена на рис. 1.

В основу построения ВЭ положен метод одновременного сравнения среднсквадратнческого значения переменного напряжения с постоянным напрх -¡синем посредством терморезисторного компаратора, реализующего уравнение измерения:

где Кг- коэффициент, учитывающий систематическую частотную погрешность преобразователя, значения которого определяют по результатам'нсследованийВЭ; -

V Рис. 1

" Структурная схема вторичного эталона

1 - ксточшис переменного высокочастотного напряжения в диапазоне частот 30-1000 МГц

2 - коаксиальный электромеханически!! переключатель

3 - источник переменного высокочастотного напряжения в диапазоне частот 1100 - 2000 МГц

4 - субблок главной регулнроакп выходного напряжения

5 - блок управления 6-ТПН

7 - терморезнсториыП мост постоянного тока

8 - терморсякторныЛ компаратор переменного напряжения

9 - компаратор нэпряххниП РЗООЗ 10-калибруемое СИ

11 - СИ постоянного напряжения (цифровой ьольтмстр) 12-ПЭВМ

а - коэффициент, учитывающий отличие сопротивлений терморезисторов преобразователя на постоянном токе;

11т - сопротивление терморезисторов преобразователя, включенных последовательно на постоянном токе;

К.3 - сопротивление смежного плеча моста;

и2 - напряжение в диагонали моста, измеренное сИ постоянного напряжения в момент равновесч моста после подачи на преобразователь переменного высокочастотного напряжения;

11 -Л1' - приращение напряу шш, измеренное СИ постоянного напряжения в диагонали моста после снятия с преобразователя переменного высокочастотного напряжения.

Основным структурным узлом ВЭ является тсрморезисторнын комнараюр переменного напряжения на базе разработанного проходного ТПН типа ПТВ-6, чертеж конструкции которого приведен на рис. 2.

Гт. 2.

Комлтвдш ТШ1 1 • тсрморгл1стерьс 2 - гшп^яляти

ТПМ включается п одно из пл°ч терморезисторного моста постоянного тока с авгомгтнчсским уравновешиванием. При этом обеспечивается последовательное включение терморезнсторов преобразователя на постоянном токе, а за счет конструктивных конденсаторов - параллельное на переменном токе высокой частоты.

Разработанный и исследованный ТПН обеспечивает передачу размера кольта как РЭ 1-го разряда, так и высокоточным СИ с нормированным входным сопротивлением, работающим в коаксиальных трактах.

Он обладает монотонностью частотной характеристики в диапазоне частот 30 - 2000 МГц. При этом частотная погрешность ТПН составляет 3 %

на верхней граничной частоте, а се нестабильность не превышает 0,1 - 0,2 % за год, что подтверждено пятилетними исследованиями.

Проведен теоретический анализ источников погрешности тсрморезисгорного компаратора ВЭ. В табл. 1 представлены полученные , аналитические выражения, предназначенные для расчета частных сосрвляюишх погрешности компаратора.

Таблица 1

Источник погрешности Формула для расчета погрешности

Сол, этивление плеча моста

Сопротивление плеча моста К: (Х5(г>л+<?я,}

Сопротивление плеча моста К) ■05(¿Я+¿11,)

Сопротивление плеча моста

Погрешность измерительной системы

Погрешность из-за конечного коэффициента усиления системы аптобаланса

Контактная э.д.с £(а/,+здс/) А£/(2£/, + ди)

• Неточное определение коэффициента а 1 -а Аа 1 + а а

Примечания: 1. 8Л -относительная погрешность сопротивления решеторов в плечах моста; 2. ОД • .относительная погрешности сопротивления ретстороа в плечах моста с учетом влияния температуры окружающего воздуха; 3.611 ¡, Ми - относительные по|-рсшносп1 и мерспия величин 11} и Аи соответственно; 4. Кц - коэффициент усиления операционного усилителя системы пвтобаланса; 5. Иц- - сопротивление тср.чорсзис горов преобразователя в рабочей точке. Ом; 6. О - чувствительность терморезнстора. Вт/Ом: 7. 8Е - относительная кагришюсть измерении контактной ЭДС Е.

По результатам проведенного анализа установлено, что одной из доминирующих составляющих погрешности измерения переменного напряжения является погрешность измерения величины ли, особенно при измерении малых уровней переменного напряжения (0,1 - 0,3 В). С целью снижения этой составляющей погрешности при измерениь малых уровнен переменного напряжения в измерительную диагональ моста последовательно включены компаратор постоянного напряжения, работающий при неполном

yprBiuiDC'mmaiiHü, и цифроп .1 вольтметр постоянного напряжения. При этом суммарная погрешность измерения величины AU снижена до 0,004 - 0,005 %. В габл. 2 представлены результаты расчета доверительных границ (^для разработанного и исследопаиного ВЭ при передаче размера вольта РЭ 1-го разряда.

Таблица 2

Уровень, В Частота. МГц

30 100 300 600 1000 1500 2000

0.1 0.005 0,05 0,05 0.05 0.07 0.1 0.1

0,3 0,005 0.02 0.03 0,03 0,05 0.07 0.1

1.0 0,005 0.005 0.007 0,01 0,02 0,03 0,05

0,1 0.05 0.05 0,06 0.07 0,1 0.1 0,1

s,„ % 0.3 0,03 0.03 0.04 0.05 0.07 0.07 0,1

1.0 0.007 o.oos 0.01 0.02 0.03 0,04 0,05

0,1 0.001 0.0 й 0,06 0.06 0.06 0.06 0,06

S„. % 0,3 0.001 0.01 0.0! 0.04 0.04 0,04 0.04

1.0 o.eoi 0.02 0.02 0,02 0.02 0,02 0.02

0.1 0.03 0.12 0.15 0.2 0.3 0,45 0,6

00. % 0,3 0,03 0,04 0.07 0,1 0,2 0,35 0,55

1.0 0,03 0.02 0.06 0.1 0.2 0.3 0,5

0». % - 0,03 0,02 0,04 0,06 0,08 0,12 0,15

0,1 0.06 0.11 г ¡3 0,"16 0,23 0.31 0,34

Si, % 0.3 0.04 0,06 0,03 0.1 0,16 0,24 0,36

1.0 0,03 0.03 0.05 0.07 0,13 0,19 0.31

0,1 2.75 2.66 2.71 2,67 2.61 2.53 2.44

" Ii 0,3 2.89 2.95 2,SS 2,82 2.69 2,55 2,47

1.0 2.10 2.91 2,67 2.65 2.49 2.48 - 2,37

0,1 0.17 0.28 . 0,36 0,43 0.59 0.78 0,95

tjSr. % 0,3 0,12 0,18 0,23 0,28 0,42 0,61 0,S9

1,0 0.06 0,08 0.13 0.20 0.33 . 0,48 0,74

Примечания: 1.5,- СКО результата измерений государственного эталона ГЭТ 27-82; 2. лвэ - СКО результата измерений ВЭ; 3. Бэк - СКО случайной погрешности метода и средства передачи; 4. О0 - неисключенная систематически погрешность государственного эталона; 5. 0эк - ненсклгачешш погрешность метода и средства передачи; 0. Б» - СКО суммы неисклгачениых систематических и случайных погрешностей; 7. (г - коэффициент для расчета доверительных границ суммарной погрешности.

Проведен расчет оптимального количества ВЭ, необходимого для метрологического обеспечения имеющихся в России РЭ 1-го разряда и парка рабочих СИ в диапазоне частот свыше 30 МГц и разработаны предложения по их дислокации на территории Российской Федерации.

Третья глава посвящена расширению функциональных возможностей разработанного ВЭ.

Разработанной ВЭ, также как и государственный специальный эталон ГЭТ 27-82, имеет диапазон измерений 0,1 - 1 В, Верхний предел измерений ограничен допускаемой тепловой мощностью терморезисторов преобразователя. Для расширения диапазона измерений ВЭ при уровнях свыше 1 В было предложено сочетание прямых (до 1 В) н относительных измерений. При этом измерение отношения напряжений при уровнях выше 1 В проводят с помощью терморсзисториого компаратора по отношению к исходной величине, лг лученной методом прямых измерений. За счет подключения масштабного преобразователя ко входу компаратора, последний работает в своем рабочем диапазоне 0,1 - 1 В. При этом не требуется определять значение коэффициента преобразования масштабного преобразователя.

Проведен расчет доверительных границ bSv суммарной погрешности ВЭ при уровнях напряжения свыше 1 В. Суммарная погрешность ВЭ в диапазоне частот 30 - 2000 МГц при уровнях напряжения 0,1 - 10 В находится в пределах 0,14 - 1,4 %. Приводятся сравнительные результаты калибровки рабочего эталона 1-го разряда при уровне напряжения 3 В, полученные с помощью ВЭ при использовании разработанного метода и известным расчетно-экспериментальным методом. Расхождение полученных результатов составило 0,1 - 0,4 % при частотах до 1500 МГц.

Разработанный ВЭ обеспечивает передачу размера вольта СИ с входным сопротивлением 50 Ом, имеющих на входе электрический-' коаксиальный соединитель типа III по ГОСТ 13317-89-Е и типа N specification M1L-C-71. Для этого ТПН снабжен набором сменных выходных фланцев.

При передаче размера вольта с помощью ВЭ СИ, работающим в коаксиальных трактах, значение возникающей погрешности рассогласования Др рассчитывается в соответствии со следующим выражением

ь.ЦЩЕКЩ!:^ (2)

где Г2 - модуль комплексного коэффициента отражения входа калибруемого СИ;

Ф; - фазовый угол комплексного коэффициента отражения;

Р - фазовая постоянная;

1=9,5 мм для ТПН из состава ВЭ.

Показано, что величина ДР может быть соизмерима со значением погрешности, с которой были измерены величины Гг и «рг, причем при условии, что Гг и измерены с помощью соответствующих вторичных эталонов нгч РЭ 1-го разряда. Но даже в этом случае неисключенная систематическая погрешность может составлять 0,1 -0,2 %.

Для исключения погрешности рассогласования при передаче размера вольта в коаксиальный тракт с помощью ВЭ в ею состав введен набор мер волнового сопротивления (МВС), представляющих собой прецизионные отрезки регулярной коаксиальной линии, активными потерями в которых можно практически пренебречь в диапазоне частот до 2000 МГц. Они обеспечивают фазовый сдвиг «¡>=пя радиан от плоскости включения терморезисторов преобразователя, где нормируется воспроизводимое напряжение, до входной плоскости калибруемого СИ. В табл. 3 приведены рсзул1 таты расчета доверительных границ ^Бг суммарной погрешности ВЭ при передаче размера вольта СИ, работающим в коаксиальных трактах, с использованием указанных МВС.

Применение МВС позволило практически исключить погрешность Др, но только на ряде фиксированных частот. Для обеспечения всего диапазона

Таблица 3

Уронен' Частота. МГц

палр-я, В 300 600 1000 1500 2000

0,1 0,15 0,19 0.26 0.37 0,47

8ь% 0,3 0,1 0,14 0,2 0.31 0,44

1,0 0,08 0.12 0.18 0.27 0,4

0,1 3,17 3,13 3,15 3,45 3,11

и, У. 03 2,% 3,25 3.1' 3,19 3,14

1,0 3,15 3.25 3,23 3,23 3.14

0,1 0.48 0,59 0,82 1.28 1,46

•гБь % 03 0,3 0,46 0,65 0,99 1,38

1,0 0,25 0.39 0.58 0.87 1.26

рабочих частот ВЭ предложено введение в его состав разработанного и изготовленного коаксиального тройника № 32, представляющего собой симметричную Т-образную конструкцию на коаксиально-полосковых переходах (рис. 3).

С помошмо тройника Лг2 32 можно проводить непосредственное сличение <-И. работающих в коаксиальных трактах. Возникающая при этом погрешность рассогласования Ар рассчитывается из следующего выражения

Л„ =

.«„(l-Safij+SnSenJl + fij

-1,

(3)

где - Г,- и Гз - комплексные коэффициенты отражения входов СИ, сличаемых в тройш'ке № 32;

821, Б;:, 85ь Бл - мафкчиые коэффициенты тройника № 32, представляющего собой пассивный шестиполюспкк.

Тройник .N'2 32 изготовлен с соблюдением жестких требований, предъявляемых к расстоянию между цетральным сечением тройника и сечениями выходных плоскостей его плеч. При применении однотипных выходных соедини гелей в тройнике № 32, у которого Б^-Бл, выражение (3) имеет вид

(4)

1+nfo

-Sr]|n-fi

Анализ выражения (4) показывает, что погрешность рассогласования исключается, если (Би-Бм) - = 1. Значение этих коэффициентов

оценены эксперг ментально в соответствии с существующими методиками. Для тройника X» 32 и ему подобных значения этих коэффициентов составляют от 0,999 до 0,998 на частотах от 300 до 2000 МГц. Показано, что при использовании в тройнике № 32 однотипных выходных соединителен погрешность асимметрии не превышает 0,5 % при частотах до 2000 МГц и эта погрешность практически не зависит от значении Г и <р сличаемых СИ. Сделан практический вывод о том, что в тройнике № 32 можно сличать как

1

СИ, непосредственно измеряющие переменное напряжение, так и СИ мощности, прокалиброванные по напряжению.

С. целью исключения погрешности рассогласования при передаче размера вольта в коаксиальный тракт с помощью ВЭ, разработана методика сличения СИ в тройнике № 32, позволяющая обойтись без измерения величин Г Н ч>. В этом случае в одном из выходных плеч тро.пшка производится смена выходного соединителя, что обеспечивает расстояние от центральной плоскости тройника до выходной плоскости этого плеча 2 / = 19 .

Проведенные экспериментальные исследования тройника № 32 показали, что погрешность сличения СИ ье превышает 0,2 - 0,4 % при частотах до 2000 МГц. На основе аначнза и проведенных экспериментальных исследований были «формулированы требования к электронным вольтметрам с высокоомньш входом, работающим в коаксиальных трактах, по значению модуля коэффициента отражения их входов в зависимости от разряда в поверочной схеме.

Разработан метод поверки нано- и микровольтметров в рабочем диапазоне частот, позволяющий обойтись без применения калибраторов переменного напряжения и аттестованных широкодиапазонных аттенюаторов. При этом используется сочетание метода непосредственного сличения и относительных измерений. При уровнях напряжения 0,1 - 1 В проводят непосредственное сличение поверяемого и эталонного СИ в тройнике Кг 32. При уровнях напряжения менее 100 мВ проводят измерение отношения напряжений с помощью эталонного СИ по отношению к исходной величине, полученной ранее при непосредственном сличении. В табл. 4 приведены сравнительные данные погрешности поверки нано- и микровольтметров с помощью существующих ныне отечественных калибраторов и с помощью разработанного метода.

19 Таблица 4

Погрешность почерки нано- и микровольтметров

с помощью калибраторов с помошыо.разработанного метода

В1-16: 3 % (до 100 мкВ при 50 МГц) 1,8 % (до 0,1 мкВ и до 50 МГц)

В1-29: 2,5 % (до 3 мкВ при 100 МГц) 1,9 % (до 0,1 кВ и до 100 МГц)

В1 -15 6 % (до 3 мВ при 1000 МГц) 4,5 % (до 1 мкВ и до 1000 МГц)

Привезены экспериментальные результаты поверки различных типов нано- и микроволь гметров с помощью разработанного метода и с применением калибраторов напряжения. Показано, что некоторые из поступающих на российский рынок импортных СИ могут быть поверены только с помолыо разработанного метода.

Разработанный и исследованный ВЭ переменного напряжения в диапазоне частот 30 -2000 МГц обеспечивает:

- передачу размера вольта РЭ 1-го разряда при уровнях напряжения 0,1 - 1 В с доверительной погрешностью 0,07- 1,2 %;

- передачу размера вольта РЭ 1-го разряда при уровнях напряжения 3 (10) В с доверительной погрешностью 0,14 - 1,4 %;

- передачу размера вольта высокоточны,.. СИ переменного напряжения с нормированным входным сопротивлением с доверительной погрешностью 0,25-1,5%.

ВЫВОДЫ

В результате проведенных теоретических и эксгериментальных исследований в диссертационной работе дано решение актуальной задачи, имеющей существенное значение для обеспечения единства измерений в области переменного напряжения в диапазоне частот 30 - 2000 МГц и обоснованы следующие выводы и положения: . "•

1. Показано, что при построении вторичных эталонов переменного напряжения при частотах свыше 30 МГц следует использовать метод

одновременного сравнения переменного высокочастотного напряжения с постоянным напряжениедг посредством тсрморсзнсторного компаратора. При этом в качестве первичного измерительного преобразователя целесообразно использовать терморезисторный преобразователь проходного типа, как наиболее перспективный.

2. Получены аналитические выражения, доведенные до расчетных формул, позпочяющне обосновать технические требования к элементам компаратора.

3. Предложены пути снижения погрешности измерительной системы -одной из доминирующих составляющих суммарной погрешности измерения переменного высокочастотного напряжения. Техническая реализация данного предложения позволила снизить практически на порядок составляющую погрешности,: возникающую при измерении малых уровней высокочастотного напряжения.

4. Предложен и реализован структурный метод расширения диапазона измерений вторичных эталонов в сторону больших уровней напряжения. На основе предложенного метода диапазон измерений вторичного эталона расширен до 3 (10) В, что позволяет, в свою очередь, определять систематические частотные погрешности СИ на реальных уровнях напряжения.

: 5. Предложен и экспериментально исследован метод передачи размера вольта СИ с входным сопротивлением 50 Ом, позволяющий исключить погрешность рассогласования, возникающую при передаче. Для этого в состав ВЭ введен разработанный и исследованный тройник № 32. При этом не требуется проводить измерения величин модуля и фазы коэффициента отражения входа калибруемых СИ. Па основе разработанного метода передача размера вольта возможна не только СИ переменно, о напряжения, но и другим СИ, прокалиброванным в единицах переменного напряжения.

V., Предложен н экснс} ¡ментально исследован метод поверю! нано- и мш ровольтметров с широком диапазоне частот. - •

7. Разработаны предложения по дислокации вторичных эталонов на территории Российской Федерации. Приведено обоснование оптимально необходимого количества вторичных эталонов переменного напряжения в диапазоне частот свыше 30 МГц.

8. Полученные в диссертационной работе результаты внедрены и используются в метрологической практике как России, так и стран СНГ, что подтверждается прилагаемыми актами внедрения.

Основные матс-риапы диссертаиии опубликованы п следующих работах:

[. Телитчепко Г.П.. Шевцов В.Н. Рабочий эталон напряжения РЭН-3 для диапазона частот 30 -2000 МГц. - Измерительная техника. - 1Г93, N 3, с. 45-46

2. Koltik E.D., Telitchenko G.P., SJievtsov V.l. MetroJogical assurance of devices interned to measure alternating voltages for electromagnetic monitoring of the environment. The first St. Petersburg international conference "Intcrnaiional and national aspects of ecological monitoring (INAEM-97)" - Proceedings - pp. 9293 „ . .... . •

3. Шевцов В.II. Методы и средства передачи размера вольта в диапазоне частот 10-3* 109 Гц (обзор). - Москва, 1996. - 59с. - Рукопись представлена ВНИИМ им.Д.М.Менделееиа, депонирована л ВИНИТИ № 1S19 - В96. -Реферат опубликован в библиографическом ' указателе ВИНИТИ "Депонированные научные работы*'\1' 8, б/о 345. - 1996

4. Шсраос В.И, Рабочий эталон переменного электрического напряжения Р'ЗН-З - В сборнике "Актуальные проблемы развития радиотехники, электроники и связи.. Материалы 47-й научно-технической конференции". -Санкт-Петербург: НТО РЭС им.А.С.Попова, 1992. - с.91

5. Телшпчежо Г.П., Крестовский В.В., Шевцов В.И. Применение проходных терморезисторнь'х преобразователен в эталонах переменного напряжения высокой частоты. - Измерительная техника. - 1994. - N 5, с. 50-51

6. Шевцов В.Н. Применение терморезисторных преобразователей проходного типа в средствах измерений ncj :менного электрического напряжения. - В сборнике материалов 48-й научно-техннк^ской конференции. - Санкт-Петербург: НТО РЭС им.А.С.Пспова, 1993. - с.121 - 122

7. Шевцов В.И. Алгоритмический метод повышения точности терморезисториых компараторов переменного напряжения. - В сборнике

материалов 49-й научно-технической конференции. - Санкт-Петербург: НТО . PDC им. А.С.Попоьа, 1994.» с.96 -- 97

8. Шезцоз В.И. Анализ погрешностей, вносимых термирезисторным • MOCION! в составе асрморсзисторного компаратора переменного напряжения. -М., 1994. - 33с. - Рукопись представлена Ш1ИИМ нм.Д.И.Мендслсеиз. депонирована в ВИНИТИ N 2292-В94. - Реферат опубликован в библиографическом указателе ВИНИТИ "Депонирочапные научные работы" N12,6/0 195

9- Шевцов В.И. Источники погрешностей юрморезисториого моста в составе терморгэистор:юго компаратора переменного напряжения. - В сборнике материалов 50-й юбилейной научно-технической конференции, посвященной 100-летию изобретения радио. - Санкт-Петербург: НТО РЭС им.А.С.Попова, 1995. - с. 50-51

10. Шевцов В.И. Повышение точности передачи размера вольта в согласованный тракт при использовашг" проходных тсрморсзисторных преобразователей. - В сборнике материалов 50-1 юбилейной научно-технической конференции, лоспяг лшон 100-летиго изобретения радио. -Санкт-Петербург:I1TOРЭС им.А.С.Попоиа, '995 -с.51 - 52

И. Шевцов В.И. Применение мер бочкового сопротивления при передаче размера вольта в согласованный тракг. - В сборнике материалов 51-й научно-технической конференции. - Санкт-Петербург: UTO РЭС им.А.С.Попова, 1996 - с.97 - 9S

12. Шевцов В.! * Применение метода измерения отношения напряжений для расширения динамического диапазона вторичных эталонов переменного напряжения РЭН-3. - Законидзг:-лънл:-: и прикладная метрология. - 1996. - N 4, с. 22-26

13. UJcei¡oe В.И. Пути расширения функциональных возможностей вторичного эталона переменного напряжения РЭН-3. - В сборнике материалов 51-й научно-технической конференции. - Санкт-Петербург: НТО РЭС им.А.С.Попова. - 1996-е. 98

14. Крестовский В.В., Телитчспко Г.П., Шевцов В.И. Поверка измерительных устройств переменного напряжения с нормир; ванным входным сопротивлением. - В сборнике материалов 4- всероссийской научно-технической конференции "Состояние и проблемы технических измерений" -Москвз, 1997-сЛЗО-131

15. Крестосскиц В.В., Тслитчсико Г.П., Шевцов В.И. Особенности поверки средств измерений переменного напряжения с нормированным входным сопротивлением. - В сборнике материалов 53-й научно-технической конференции. - Санкт-Петербург: НТО РЭС им.А.С.Попова, 1998

16. Крестовский В.В Тглитчснко ГЛ.. Шевцов В.И. Диодные компенсационные вольтметры сохранят- свою роль в метро логической практике. - Законодательная и прикладная метрология, N 2,1997 - с.26 - 27

17. Нреспювсхий В.В.: Телштсико Г.П., Шевцов В.И. Состояш1е и перспективы развития средств измерений переменного напряжения. - В сборнике материалов 4-й ьи-российской научно-технической конференции "Состояние и пр-облемы технических измерений" - Москва, 1997, с. 128-129

) л, Гелнтченхо ГЛ.. Шевцов В.И. Методика поверки и калибровки нано- 1'" мнкровольтметров в широком диапазоне-частот. - В сборнике материалов научно-технической конференции "Диагностика, информатика, метрология, экология, безопасность - 1997 (ДИМЭБ-97)" - Санкт-Петербург, 1997, с. 150-152

19. Шевцов В.И. Применение делителя напряжения . РДН-1 в метрологической практике. - В сборнике материалов 52-й научно-технической конференции. - Санкт-Петербург: НТО РЭС нм.А.С.Попова, 1997 - с.79 - 80

20. Шевцов В.И. Результаты экспериментальных исследований селективных измерителей уровня ЗРМ-15, 8РМ-19. - В сборнике материалов 52-й научно-технической конференции. - Санкт-Петербург: НТО РЭС им.Д.С.Поиова, 1997 - с.80 - 81