автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Вопросы теории и принципы построения импульсных измерительных устройств систем автоматизации

гй оа

4 и « кРГЭ-ПМЭ-зиь ьч апзпьи-зцъ •ылиирирпмэ-зпкь

Яизшзиъг» лшзишъ еирзшщад^иииъ ■ » '" <иипшшчпг

рппьи шшьмпъь ииипьипъзиъ

ичзпиивизииъ шиичирадрь м/ипииизьъ оиФМ) иигеьгь зьипнэзиъ ШРЗЬРС Ь4 чиппгеииъ и^арш-ъеъьрс

ti.13.0l- Чишшфирпи!, ^итш^шрйшО НшйшЦшрцЬр - гдошОд

тшррЬрп

Ь.11.16- Ьйфпр(1шд|1п0-1шф^1 НшйшЦицщЬр

шЬ1иО|11]ш1|шй ц|ишир.|П1.СШЬр|1 1^пЦшпр[1 4|клш1(шб шии^йшОЬ Ьиудйшй шшЬйш^тимздшй

иьаиичьр

_ЬрЬшЬ -1997_

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РА

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНЖЕНЕРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ РА

МАМИКОНЯН БОРИС МАМИКОНОВИЧ

ВОПРОСЫ ТЕОРИИ И ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ИМПУЛЬСНЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ СИСТЕМ АВТОМАТИЗАЦИИ

О?-

Специальности:Ь.13.01-Управление,системы управления и их

элементы

Ь.11.16-Информационно-измерительные системы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученной степени доктора технических наук

Ереван-1997

U.2luuiuiiuCpi! ljuimiujiiíhi t ¿.lujiuuuiuiGti "ПЬтшЦшС £}шртшршя(1тщ1|шС ¿,iutfuiiuuipiufi|) 9-imiIpni lijipiufliuiIuiiJmli tlblp/ipuuulli|uGJ¡lpnjy> U u«linmíiumfiljiu]|i uUl)i/inpntJ:

•ЧшгитСш^шС рОгр^ифлчиСЬр* - uibju. q.Jitn. rjnljuinp, uffin4>kunp U. .I1. tjUSnWSUAj

- rnblu. qfnn. tjnljump, щрпфЬипр U Л. M3nbPt¡1.SU.Vi

- uit|u. í>nl|inn¡i, щрпфЬилр (Э- .U. \)U,l,2US>3U'u limus"*"1*"!1 l|Uiq\Xuil)bjYttin\pivn.(i - ДшциииниС^ ¿.шСриицЬштэдшй шртцтСшрирп-

ípjiuG U uinUuipfi Сш|ишршртр{шС Ui|vmtfuiuiii-Ipuiti uiupj¡hp}i U uiuippUpJi llUimuljuiG fiutuimlj IpiGuuipiul|unipuitpuG pimpn ИшгинцшйтархтИс ^ицш&ицт 1; 1997р. ijWjinUiIpUpli 26-}iG tfiutfQ iM. 00 ¿Лки-|> 032lTiuuGuiq.IiuMljiuG Junpflpiimii: ¿.шинЬй' 375009, bpUiuC, SUpimCli 105: UuihCm)unum)»¡iuGl¡ lfiupUj.ii fc йшйпршСац ¿."Wi^-Ji <^puir}uipuiGnni: 1)Ь1ц1ш(^()По umuipijius t 1997p. Cn¡UiipUpfi _2_¿_-}IG:

032 tfumGuiq.|nmulpuG )unpfiprj.}i

q.)iinmljiuG ршршпщшр, inh|u. q.fiui. phlj., TjnghCui W i t .tu. U.CUJjuíG

Работа выполнена на секторе электротехники и автоматики Гюмрийского образовательного комплекса Государственного инженерного университета Армении.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор ЦА'ГУРЯН А.И.

доктор технических наук, профессор КЮРЕГЯН С.Г.

доктор технических наук, профессор НАЛЧАДЖЯН Т.А. Ведущая организация: Государственное специальное конструкторское бюро приборов и элементов автоматики Министерства промышленности и торговли Республики Армения Защита диссертации состоится 26 декабря 1997г. в 14.00 час. ауд._на заседании Специализированного совета 032 в Государственном инженерном университете Армении по адресу: 375009, Ереван, ул.Теряна, 105, ГИУА.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГИУА. Автореферат разослан 2 4 ноября 1997г.

Ученый секретарь

Специализированного совета 032, к.т.н., доцент ¡ Аджемян Э.Х.

-3 -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Непрерывное развитие систем автоматизации требует постоянного совершенствования средств измерения и контроля. Из технических характеристик измерительных устройств (ИУ) наиболее существенной и наиболее полно отражающей эффективность их действия является точность, особенно если широко подходить к этому понятию, включая в погрешность любое отклонение от требуемого поведения ИУ. Создание высокоточных и надежных ИУ, способных работать в сложных эксплуатационных условиях, является весьма актуальной проблемой. Традиционные конструктивные и технологические методы повышения точности (защита от возмущающих воздействий, применение высококачественных деталей и узлов, отбор и тренировка элекгроэлементов и т.п.) не обеспечивают постоянства точности ИУ в процессе длительной эксплуатации, особенно в условиях действия помех и дестабилизирующих факторов. Поэтому современная общая тенденция в развитии 1АУ характеризуется поиском и разработкой новых методов измерения, совершенствованием известных методов.

Относительно новым направлением развития и совершенствования ИУ является переход к их импульсному питанию. Это направление привлекает исследователей рядом положительных свойств, особенно с развитием электроники и автоматики. Прежде всего в таком варианте ИУ удается получать большую чувствительность, которая прямо пропорциональна амплитуде питающего сигнала, формируемого электронным генератором. Электронные приборы при этом могут обеспечить гораздо большую амплитуду в импульсе, нежели в непрерывном режиме, что определяется их допустимой мощностью. Это преимущество усиливается за счет того, что непрерывный синусоидальный сигнал не должен содержать побочных гармоник, т.е. электронный прибор вынужден работать на линейном участке в сравнительно узком диапазоне входных и выходных характеристик. Именно по этой причине формирование образцового синусоидального сигнала с точно заданными и перестраиваемыми параметрами (амплитудой, частотой и фазой) — весьма сложная техническая задача, причем сложность ее решения возрастает с повышением требований к точности задания характеристик сигнала. Вместе с тем, современный уровень развития интегральных микросхем и цифровой техники в целом позволяет значительно проще, по сравнению с гармоническими, формировать импульсные сигналы прямоугольной, треугольной, экспоненциальной, трапецеидальной и других форм, параметры которых можно устанавливать с высокой точностью и легко перестраивать.

Увеличение чувствительности в импульсном режиме допускается также датчиками и другими элементами ИУ. Повышение амплитуды питающего

сигнала приводит к возрастанию мощности, выделяющейся на них, разе греванию и возникновению температурной погрешности. В импульсном р< жиме разогрев производится средней мощностью, которая даже при бол! шой амплитуде сигнала невелика, особенно при большой скважности ик пульсов. Такая особенность наиболее важна в случае использования малс габаритных датчиков или при измерениях в точке (на очень малой площ; ди).

Обычно самый энергоемкий блок ИУ - питающий генератор. В ил пульсном режиме он может потреблять от источника питания весьма м< лую энергию, что особенно ценно для объектов с ограниченными экергеп ческими ресурсами, например, расположенных в горах, пустынях, океан или применяемых в портативной, с автономным питанием, например, бортовой аппаратуре.

При импульсном питании сигнал с выхода ИУ или его измерительно цепи в большинстве случаев тоже имеет импульсный характер, что позве ляет значительно проще осуществлять многоточечные измерения с вpeмe^ ным уплотнением канала связи или усиления. Возникают также и новы нетрадиционные эффекты от импульсного питания ИУ и импульсного пр< образования сигналов — расширение диапазона линейности, повышена стабильности, появление возможности применения дополнительных спосс бов уравновешивания (например, широтно-импульсного), ослабление вл^ яния дестабилизирующих факторов и т.д.

К настоящему времени известно множество разработок импульсны ИУ (ИИУ) автоматики, предназначенных для измерения как параметро первичных преобразователей (активных и реактивных сопротивлений, кс эффициентов передач четырехполюсников), так и параметров сигналов (тс ка, напряжения, мощности, частоты, и фазы). Анализ современного состоя ния работ в этой области показывает, что систематизированного изложени теории ИИУ автоматики, обобщенного метода их анализа и расчета, пр1-годного для импульсов любой формы, к настоящему времени не имеета Работы, предпринятые в последнее время с целью создания различных рас четных методик для ИИУ, решают отдельные частные задачи, зачастую различных исходных позиций, и, в основном, для импульсов простой (пря моугольной формы).

Целью диссертационной работы является развитие принципов пострс ения ИИУ автоматики на основе разработанной обобщенной методики ис следования их статического и динамического режимов работы, пригодно для импульсов любой формы, выявление и разработка новых структурны методов и схемных решений, позволяющих реализовать преимущества пе

рехода к импульсным сигналам для улучшения метрологических характеристик ИУ как прямого, так и уравновешивающего преобразования, теоретическое и экспериментальное исследование разработанных устройств с выдачей рекомендаций для их оптимального проектирования и расчета.

Методы исследования основаны на применении модифицированного ¿¡-преобразования Лапласа, математической теории вычетов, дифференциальных уравнений, теории погрешностей.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- теория импульсных систем автоматическго управления применена для исследования измерительных устройств с импульсными сигналами и доказана, что с переходом от непрерывного на импульсное уравновешивание можно улучшить метрологические характеристики ИУ даже в тех случаях, когда нуль-индикатор реагирует на среднее (а не на пиковое) значение управляющего сигнала;

- найдены теоретические соотношения, связывающие оптимальные значения параметров импульсов различных форм с параметрами непрерывных частей ИУ, при которых обеспечивается максимально возможное улучшение метрологических характеристик ИУ при переходе к импульсным сигналам;

- разработана общая методика определения аддитивных и мультипликативных погрешностей ИИУ;

- выявлены особенности импульсного режима работы разработанных ИУ автоматики при наличии в их структурах нелинейных звеньев;

- разработана общая теория электромагнитных преобразователей перемещений с мостовыми магнитопроводами, предназначенных для применения в ИИУ;

- разработаны общая теория исследования и методика расчета нелинейных двойных Т-образных четырехполюсников с емкостными датчиками в режиме импульсного питания, амплитудно-импульсного и широтно-им-пульсного уравновешивания;

- разработаны общие принципы построения ИИУ прямого и уравновешивающего преобразования для измерения различных параметров постоянных, переменных и импульсных электрических сигналов.

Практическая значимость работы:

- теоретически доказано и экспериментально подтверждено, что применением метода импульсного уравновешивания возможно создание узкопредельных (5-10°С) автоматических мостов, удовлетворяющих требованиям ГОСТ 7164-78; разработан узкопредельный автоматический мост (ИАМ-2),

-б -

предназначенный для измерения температур в диапазоне +35-ь40°С в комплекте с промышленным термопреобразователем сопротивления стандартной градуировки 100 П;

- разработана большая группа бесконтактных компенсирующих преобразователей (БКП) трансформаторного типа для применения в узкопредельных автоматических мостах; разработана методика проектирования и расчета БКП с мостовыми магнитопроводами, позволяющая осуществлять обоснованный выбор их конструкции и парамегров для обеспечения требуемых метрологических характеристик;

- разработаны высокоточные вторичные измерительные преобразователи, предназначенные для измерения по методу переноса зарядов малых приращений емкостей емкостных датчиков, основанные на методе широт-но-импульсного уравновешивания (ЕИП-1,' ЕИП-2 и др.), даны практические рекомендации по проектированию и расчету указанных устройств;

- реализованы на базе разработанных средств измерений структурные методы повышения точности и расширения диапазона измерения контактных и бесконтактных измерителей параметров электрических сигналов - постоянных, переменных и импульсных токов, в основу которых положены различные способы импульсного преобразования сигналов.

Реализация результатов работы. Теоретические и практические результаты работы нашли применение в научно-исследовательских и опытно-кон-сгрукторских разработках ГСКБ ПЭА и СОКТИ HAH РА, выполненных под руководством автора в рамках хоздоговорной темы ЭТ-341/70 "Исследование динамики быстродействующего автокомпенсационного измерительного устройства (Грифель)" и госбюджетной темы "Исследование и разработка электрических измерительных систем с импульсным питанием"; установка для разбраковки конденсаторов, разработанная под ответственным исполнением автора в рамках темы х/д ЭТ-361 /71 "Исследование и разработка многопредельной автоматической установки для разбраковки конденсаторов" внедрена на ПО "Армэлектроконденсатор"; емкостный измеритель перемещений ЕИП-1 внедрен в СОКТИ HAH РА для измерения и последующей записи амплитуд колебаний градуировочного вибрационного стенда С-004; узкопредельный автоматический мост с амплитудно-импульсным уравновешиванием ИАМ-2 внедрен на Ванадзорском заводе высокотемпературных нагревателей для контроля температуры технологического процесса сушки спрессованных стержней нагревателей.

Теоретические и практические результаты работы внедрены в учебный процесс для студентов, обучающихся по специальности 2102 "Автоматизация технологических процессов и производств легкой промышленности";

отдельные вопросы теории и аппаратной реализации узлов разработанных устройств послужили темами многих дипломных и курсовых проектов студентов.

Апробация работы Основные научные результаты и положения работы, сведения о разработанных устройствах и результатах внедрений докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях, семинарах: Республиканская научно-техническая конференция "Электронные измерительные приборы с коммутационно-модуляционными преобразователями" (г.Киев, 1969), межвузовская научная конференция (г.Ванадзор, 1971), 22-ая научно-техническая конференция втузов Закавказья (г.Тбилиси, 1984), научно-технические конференции ГИУА (г.Ереван, 1983,1993,1997), Гюмрийско-го педагогического института (г.Гюмри, 1994), Гюмрийского ОК ГИУА (г.Гюмри, 1971-1992), научно-техническая конференция "Новые технологии и машинооборудования" (г.Гюмри, 1992, 1996), научные семинары секторов измерительной техники и информационных систем ГИУА, электротехники и автоматики Гюмрийского ОК ГИУА

Публикации. Основные положения и результаты диссертации опубликованы в 75 печатных работах, из коих 2 монографии, 28 авторских свидетельств и патентов. В автореферате приведены 54 научные работы.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследования, изложены основные научные результаты, выносимые на защиту, и краткое содержание отдельных глав диссертации.

В первой главе проводится анализ методов формирования и преобразования измерительных сигналов, изложены теоретические основы ИУ с импульсными сигналами.

Информационные преобразования в ИУ осуществляются над электрическими сигналами, имеющими различные информативные параметры, иными словами, над сигналами с различными видами модуляции. Выбор сигнала питания ИУ и вида модуляции этого сигнала оказывает существенное влияние на характеристики, а иногда и на функциональные возможности ИУ. Спецификой ИУ (по сравнению, например, с системами связи) является возможность выполнения в них процедур измерения и контроля сигналов, модулированных различным способом, и отсутствие необходимости в восстановлении (демодуляции) исходного сигнала с первоначальным видом модуляции.

Наряду с полезным измерительным сигналом на вход ИУ, как правило, действует и помеха. Помехи различного вида возникают также и в самом

ИУ. Обычно сигнал и помеха взаимодействуют между собой аддитивно, т.е. суммируются, что заставляет непрерывно совершенствовать известные методы измерения, проводить поиск и разработку новых методов, позволяющих более эффективно подавлять или уменьшать помехи. В зависимости от структурных особенностей ИУ и методов измерения применяют различные схемные решения автоматического исключения (уменьшения) или коррекции прогрессирующих погрешностей, обусловленных главным образом изменением во времени характеристик элементов и узлов ИУ, а также нестационарными изменениями влияющих факторов.

Проведен сравнительный анализ ИУ с сигналами постоянного, гармонического и импульсного тока. В ИУ с сигналами постоянного тока наибольшее распространение получили нижеперечисленные методы повышения точности.

1. Структурные методы, когда благодаря выбранной структуре ИУ достигается автоматическая компенсация наиболее существенных погрешностей большинства узлов ИУ.

2. Метод коммутационного инвертирования (¡<И), сущность которого состоит в выделении алгебраической суммы четного числа измерений (преобразований) сигналов, у которых, благодаря использованию коммутирующих элементов, направления полезного сигнала, опорного сигнала или

погрешности различаются на 180°. Особенность метода КИ заключается в усреднении результатов преобразования по значению, а не по времени. В простейшем случае измерения проводят дважды, так, чтобы погрешность входила в результаты измерения с противоположными знаками (благодаря коммутации), и затем определяют среднее результатов двух измерений. Существенного улучшения соотношения между коэффициентом помехоподав-ления и быстродействием ИУ для параметрических датчиков достигается при применении метода КИ на основе использования знакопеременных специальных весовых функций (ВФ). Реализация таких ВФ основана на возможности синхронного изменения для ряда последовательных отсчетов полярности источника питания в цепи датчика и инвертирования коэффициента передачи всего устройства. Благодаря этому обеспечивается постоянство коэффициента передачи для информативного сигнала, поступающего с датчика и, вместе с тем, получение знакопеременных в соответствии с алгоритмом ВФ коэффициентов передачи для сигнала помехи. Суммирование полученных таким образом результатов отсчетов с соответствующими весовыми коэффициентами позволяет в значительной степени ослабить влияние некоторых характерных помех, возникающих в цепи датчика и во входных устройствах.

3. Тестовые методы, при использовании которых измеряемая величина несколько раз изменяется заранее известным образом, по особым алгоритмам, без ее отключения от входа ИУ. Далее составляется система уравнений, решение которой позволяет определить статическую функцию преобразования ИУ или без ее определения найти результат преобразования. Основная область использования тестовых методов — повышение точности измерения при использовании низкоточных измерительных преобразователей. При выборе соответствующих значений тестовых воздействий удается получить результат преобразования с погрешностью до 0,05% при погрешности измерительных преобразователей порядка десяти процентов.

ИУ с гармоническими сигналами имеют некоторые преимущества по сравнению с ИУ с питанием постоянного тока: отсутствие дрейфа нуля в усилителях переменного тока, надежность и механическая прочность асинхронных исполнительных двигателей, возможность работы с распространенными индуктивными и трансформаторными датчиками, сельсинами, лучшую помехозащищенность. Использование гармонических сигналов дает ряд дополнительных преимуществ: наличие трех параметров (амплитуды, частоты, и фазы) для передачи информации, простота усиления в широком частотном диапазоне, высокая помехозащищенность в избирательных цепях и т.д.

Для ИУ с гармоническими сигналами традиционными методами повышения точности при наличии помех являются структурные методы, введение фильтров, отрицательных обратных связей (ОС), различных корректирующих цепей. Из других методов повышения точности этих ИУ наибольшее распространение получили:

1. Метод синхронного детектирования, основным преимуществом которого является возможность существенного увеличения отношения сигнал/шум при использовании в качестве источника опорного сигнала когерентного источника переменного напряжения. Сущность метода: если на вход синхронного детектора поступает сигнал со сложным спектром (например, в виде смеси гармоник какой-то частоты), то на его выходе формируется напряжение, которое пропорционально только нечетным гармоникам управляющего сигнала. Фактически такое устройство обладает предельно узкой полосой пропускания, а следовательно, обеспечивает высокое подавление шумовых сигналов любого происхождения на остальных частотах. При этом ширина полосы пропускания определяется главным образом фильтром нижних частот, подключенным к выходу детектора. Подавление нечетных гармоник при необходимости осуществляется вспомогательным фильтром. Если обычные методы выделения полезного сигнала на фоне

помех дают хорошие результаты только при больших аппаратурных затратах, то использование синхронного детектирования в сочетании с цифровыми методами обработки сигналов позволяет существенно их уменьшить.

2. Коммутационно-модуляционные преобразования сигналов, сущностью которых является автоматическое исключение погрешностей или их коррекция с помощью вспомогательных измерений. Эти методы основаны на поочередном периодическом вводе сравниваемых гармонических сигналов (измеряемого и опорного) в один преобразовательный тракт и выделении огибающей из результирующего сигнала, представляющего собой модулированные по амплитуде, частоте или фазе колебания. Поочередное преобразование сигналов в одном канале одними и теми же звеньями резко снижает погрешность преобразования, так как при этом автоматически удовлетворяется условие амплитудной и фазовой идентичности характеристик для обоих каналов. В ряде случаев погрешности исключаются в результате периодического изменения структурных связей измерительной схемы с помощью автоматических переключателей. Получающаяся при этом структурная избыточность позволяет исключать амплитудные и фазовые погрешности результата измерения путем математической обработки промежуточных измерений.

Относительно новым направлением развития и совершенствования ИУ является использование в них импульсных сигналов, что позволяет существенно повысить многие показатели ИУ. Основные особенности и достоинства таких ИУ перечислены во введении. Приведены энергетические характеристики импульсных измерительных сигналов, изложена сущность различных видов их модуляции. Составлена обобщенная структурная схема разомкнутого импульсного измерительного устройства (ИИУ). Схема представляет собой соединение простейшего импульсного элемента (ИЭ), в котором модулируются мгновенные импульсы в виде дельта-функции, "площадь" которых пропорциональна значению измеряемой величины x(t) в дискретные моменты времени t=nT (п=1,2,..., Т — период следования импульсов), формирующего элемента (ФЭ), который формирует импульс заданной формы s(t) из мгновенного импульса, и непрерывной части. Соединение ФЭ с непрерывной частью образует приведенную непрерывную часть (ПНЧ), процессы в которой описываются линейными дифференциальными уравнениями в полных производных, если ПНЧ содержит только сосредоточенные параметры, или в частных производных, если ПНЧ содержит и распределенные параметры. Если известна весовая функция w(t) ПНЧ, то процесс на выходе разомкнутого ИИУ в любой момент времени t=(n+e)T определяется выражением

y[n,e]=ZRes [W(z,s)-X(z,0)-zn_1] , (1)

fc zk

где: e — параметр, изменяющийся в пределах 0 < с < 1;

W(z, е) - изображение дискретной весовой функции w[n, е] ПНЧ в смысле модифицированного z-преобразования Лапласа (смещенная дискретная передаточная функция разомкнутого ИИУ);

Zk — полюсы функции W(z, e)-X(z,0).

ИИУ с обратной связью, основанные на методе уравновешивающего преобразования, имеют замкнутую структуру. Их особенностью является то, что ИЭ находится внутри замкнутого контура, и на его входе действует сигнал рассоглосования Ax(t)=x(t)-y(t/ Поэтому параметры импульсов, воздействующих на ПНЧ, определяются не только дискретными значениями измеряемой величины, но зависят и от выходной величины устройства. В тех случаях, когда ПНЧ малоинерционна, и ее весовая функция в начальный момент времени не равна нулю, выходная величина y(t) претерпевает скачки в моменты поступления импульсов с выхода простейшего ИЭ. Сигнал

рассоглосования Ax(t) в этом случае также испытывает скачки в момент квантования, даже при непрерывной входной величине. Простейший ИЭ фиксирует левые значения своего входного воздействия, поэтому смещенная дискретная передаточная функция замкнутого ИИУ

\ W(z, е)

Ф(г, е) =-V-i—,

1 + z W(z,1)

и уравнение относительно изображениий

Y(z, е) = Ф(г, е) ■ z'7 ■ X(z,1) , (2)

а когда сигнал рассоглосования не претерпевает скачков,

Y(z,e) = <D(z,c)X(z,0) , (3)

где ф(2.£) =

1 + W(z,0)

Формулы (1-3) положены в основу теретического исследования всех разработанных нами ИИУ. Зная характеристики ФЭ и непрерывной части, можно определить процессы в ИИУ с помощью приведенных формул.

Определены весовые и передаточные функции типовых ФЭ. Несмотря на обобщенный характер формул (1-3), при их практическом применении возникает ряд особенностей, обусловленных характером весовой функции

ФЭ: непрерывна она или прерывиста в интервале 0 á е 5 1. Проиллюстрирс ваны эти особенности на примере анализа теплового режима промышле! ных термопреобразователей сопротивления (ТС) при их питании импульс« ми тока экспоненциальной, прямоугольной и квазипрямоугольной фор1 Получены выражения перегрева ТС измерительным током. Показано, чт при переходе от непрерывного питания к импульсному среднее значен

установившегося перегрева ТС уменьшается в Р=Т/т раз при экспонент

альных импульсах и 1/*у раз при прямоугольных (t-постоянная времен

затухания экспоненциального импульса; у-относительная длительной прямоугольного импульса). Результаты исследования позволяют для каждс го конкретного случая выбрать необходимые параметры импульсов исход из параметров ТС и требуемых ограничений на перегрев ТС и пульсаци этого перегрева.

Во второй главе расмотрены принципы построения автоматически мостов (АМ) для измерения сопротивления резистивных датчиков с nv пульсным питанием измерительной цепи, что позволяет уменьшить пс грешность от перегрева датчика измерительным током. Экспериментальн определена эта погрешность для промышленных ТС в зависимости от рас сеиваемой на ТС электрической мощности и показано, что эта погрешност является определяющей в измерительном комплекте ТС—АМ и препятствуе построению узкопредельных АМ. Во многих областях науки и техники, на пример, в медицине, металлургии, нефтеперерабатывающей промышлен носги, при производстве полупроводниковых приборов необходимы И} позволяющие производить точное измерение и регулирование температу ры, меняющейся в пределах не более 5-ИО К. Предельная погрешност наиболее точного технического платинового ТС 1-го класса достигает 0,5 l< Поэтому, несмотря на применение самых совершенных АМ (класса 0,25] приведенные погрешности измерения температуры оказываются значитель ными, особенно в термоккомплектах с узкими пределами измерения. Есл1 при измерении температур с пределами измерения термокомплекта 50 К i более погрешности измерения находятся в пределах I, 5^2,5%, то в термо комплекте с пределом измерения Ю К погрешность достигает 5-^7%. По грешность чувствительного элемента ТС можно рассматривать как сумм; погрешностей от перегрева, подгонки и отклонения Rjoo/Ro от номинально го значения. Погрешности от подгонки и отклонения могут быть доведень при градуировке ТС до значения 0,05% каждая. Погрешность перегрева Т< пронормирована только для температуры тающего льда и не должна лре вышать 0,2 К для платиновых ТС и 0,4 К для медных при рассеиваемой н;

ТС мощности, равной 10"2 Вт. Данное нормирование относится к условиям, когда ТС помещен в воде (таюший лед). На практике, при применении ТС, последний в большинстве случаев оказывается помещенным в среде спокойного воздуха, где условия теплообмена между ТС и окружающей его средой существенно хуже. Проведенные эксперименты показывают, что в этих условиях при той же мощности Ро=Ю"2 Вт погрешность перегрева ТС может составлять 0,8-И,О К. Ясно, что перегрев ТС можно уменьшить до любого значения путем уменьшения измерительного тока. Однако при этом будет увеличиваться погрешность от порога чувствительности АМ, которая для приборов класса 0,5 и выше согласно ГОСТ 8.280-78 должна составлять не более половины основной погрешности:

5ПЧ<0,55Д= ^ Т10-2, (4)

1 1/Чк -|МН;>

где: 1)пч - порог чувствительности усилителя АМ по напряжению;

I-значение измерительного тока через ТС;

Р^н. Яис ~ значения сопротивления ТС в начальной и конечной точках шкалы АМ соответственно.

Выражение (4) показывает, что при заданных значениях класса точности и предела измерения АМ уменьшение погрешности перегрева ТС путем уменьшения измерительного тока возможно только при соответствующем уменьшении порога чувствительности усилителя, который определяется уровнем шумов и помех, поступающих на вход усилителя совместно с полезным сигналом, а также возникающих в самом усилителе. Рассмотрены источники и природа помех, шумовые характеристики электронных элементов, методы их подавления и уменьшения, приведены результирующие значения напряжения шумов серийно выпускаемых усилителей, применяемых в АМ.

С переходом на импульсное питание ИЦ существенно уменьшается перегрев ТС, но поскольку нуль-орган следящей системы АМ реагирует не на пиковое, а на среднее значение управляющего сигнала, то в течение пауз питающих ИЦ импульсов необходимо подавить сигнал помехи путем прерывания прямого канала преобразования замкнутой системы АМ, чтобы повысить отношение рабочей чувствительности к паразитной. В построенной таким способом АМ с импульсным уравновешиванием (ИАМ) из-за инерционности усилителя максимальное отношение рабочей чувствительности к паразитной достигается не при синхронной работе ключей ИЭ1 и ИЭ2 (рис.1), а при некотором оптимальном значении коэффициента отставания сг второго ключа:

аопт=-1|п(2-е-^) Р1

Рис 1. Структурная схема ИАМ: У - усилитель: Д - двигатель; РП -редуктор и преобразовтель углового перемещения в линейное; КП - компенсирующий преобразователь

где: а,=Т/Г,; Т] - постоянная времени усилителя.

В этом случае с переходом на импульсное уравновешивание отношение рабочей чувствительности к паразитной увеличивается по сравнению с непрерывным АМ в А раз:

Кривые зависимости A=f(P)) показывают (рис.2), что для каждой скважности импульсов имеется определенное граниченое значение р1гр отношения периода следования импульсов к постоянной времени усилителя, определяемое из условия А=1, и только при значениях Р1>р1гр имеет место

А>1; при этом Агпах-* Исходя из этого рассмотрены особенности выбора полосы пропускания усилителя и параметров импульсов и показано,

что связь между ними должна устанавливаться условием уРэ > 2л.

Рассмотрены особенности выбора ИЦ и КП для узкопредельных ИАМ. Применение контактного реохорда в некоторых производствах существенно снижает срок службы АМ. Нами предложена и разработана большая группа бесконтактных КП (БКП) электромагнитного типа для применения в узкопредельных АМ: с мостовыми магнитопроводами, распределенной магнитной проводимостью, распределенной измерительной и возбуждающей обмотками, а также кодовые с тонкоплеиочными магнитными кодовыми масками и считывающими элементами, подробно изложены результаты их

Рис2. К сравнению отношений рабочей чувствительности к паразитной в ИАМ и непрерывном АМ

теоретического и экспериментального исследования, методика проектирования и расчета.

Установлены требования, предъявляемые к ИЦ ИАМ. В отличие от непрерывных АМ в ИАМ ИЦ должна быть частотнонезависимой, что является необходимым условием ее уравновешиваемое™, а также должно быть сведено к минимуму влияние сопротивления соединительной линии. В выбранной схеме ИЦ (рис.3) применен БКП с линейной характеристикой преобразования и компенсационными обмотками, обеспечивающими согласование фаз измеряемого (1){), смещающего (исм) и компенсирующего (1)к) напряжений, а также частотнонезависимость ИЦ. ТС подключена по че-тырехпроводной линии. Обмотка возбуждения wв БКП питается прерывистым синусоидальным током. Падение напряжения II. на ^ компенсируется суммой падений напряжений на резисторах Рсм и Для уменьшения влияния изменения сопротивления соединительных проводов на показания

Рис.3. Основная принципиальная схема узкопредельных ИАМ прибора цепь обмотки \л/„ питания ТС выполняется высокоомной (5-=-7 кОм), одновременно отпадает необходимость в подгонке сопротивлений Кл.

Для управления транзисторными ключами ИЭ1 и ИЭ2 разработан генератор импульсов (ГИ) на базе магнитотранзисторного генератора Роэра, в котором введена дополнительная управляющая цепь со стабилитронами для обеспечения несимметричности генератора и повышения стабильности его параметров.

Исследованы метрологические характеристики статического режима работы ИАМ. Суммарная абсолютная погрешность нормируется двухчленной формулой в функции текущего значения Л^ измеряемой величины:

Д=Д° , (5)

где: Д° - аддитивная погрешность (абсолютная погрешность нуля);

— мультипликативная погрешность (относительная погрешность чувствительности);

^ - текущее значение сопротивления ТС.

В соответствии с формулой (5) погрешности отдельных звеньев ИАМ также разделены на аддитивную и мультипликативную составляющие, поскольку в результирующей погрешности измерения они проявляются по разному для каждого значения измеряемой величины. В результате структурного анализа установлено, что

лО 1

.о Л и - Д 4 1

д =--+ —

К« К/

V, Д°2 + -

А0 .0

д " - Д 4 + л . (6)

К4

п Ч

К, К, к,

Ъ=ГИ-У4 =ДКи/Ки-АК4/К4, (7)

где: Л°( и у| - аддитивная и мультипликативная погрешности ¡-го звена; 1<1=Ку(у-*т0ПХ) - коэффицент преобразования эквивалентного звена, содержащего ключ ИЭ1, усилитель и ключ ИЭ2 в статическом режиме. Выражения (6) и (7) показывают, что мультипликативные погрешности звеньев цепи прямого преобразования замкнутой части ИАМ, а также аддитивная погрешность звена Кз не влияют на точность измерения. Параметры импульсов влияют только на погрешность Апч от порога чувствительности.

Как аддитивная, так и мультипликативная погрешности ИАМ разделены на основные и дополнительные. Дня их вычисления определены зависимости статических коэффицентов преобразования от параметров звеньев. Благодаря наличию в конструкциях звеньев подгоночных элементов, в нормальных условиях аддитивная погрешность ИАМ обусловлена только членом Лпч, а мультипликативная — изменением линейности статической характеристики БКП:

д-д^^Пак.дя,.

Лив

где т)ив - коэффицент трансформации между обмоткой возбуждения Ы8) и измерительной обмоткой (\/уи) БКП в конечном положении его подвижной части.

Основная погрешность разработанных ИАМ (предел измерения +35-г-40° С, ТС марки 100 П, у=0.25, 01=30) при рассеиваемой на ТС мощности всего 0.8 мВт не превосходит значения А=(4+2лН1)-10~3 Ом.

Исследованы дополнительные погрешности ИАМ, основными из которых являются погрешности от изменения напряжения питания, температуры окружающей среды, влияния внешних электрических и магнитных полей. Изменение напряжения питания вызывает практически только дополни-

тельную аддитивную погрешность, значение которой при изменении напряжения сети на +5 и —15% от номинального значения не превышает Де=0,0024 Ом, что удовлетворяет требованиям ГОСТ 7164—78 к АМ класса 0,5 и более. Наиболее значительной является дополнительная температурная погрешность. Для ее уменьшения электрические элементы ИЦ выполняются из высокостабильных сплавов. Однако возникает погрешность от изменения сопротивления соединительных проводов, выполняемых из меди. Аддитивная составляющая этой погрешности, выраженная в омах,

д0 = Ны__2ЯЛ • а • А1:

1-^нМн + 2ЯЛ • а - Д1:'

а мультипликативная -

= М1н - 2ИЫ 2Яп-а-АХ

где: М1н - суммарное сопротивление цепи обмотки \л/п БКП в начальной отметке шкалы:

^ - изменение температуры окружающей среды от градуировочного значения:

а — температурный коэффицент сопротивления меди. Видно, что необходимо использовать все конструктивные возможности увелечения М1н для уменьшения А°{ и Дополнительная температурная погрешность, обусловленная изменением частоты импульсов ГИ и постоянной времени усилителя, является аддитивной и не превышает 0.0008 Ом

при Д1 = 10° С

В результате анализа установлено, что суммарная дополнительная температурная погрешность разработанных ИАМ (М4н= 6120 Ом, (^=2,5 Ом,

1Ч1И= 113,82 Ом - сопротивление ТС марки 100 П при 1=35° С) при Д1=10°С

не превосходит значения Д[=(0,0041+0,35-10~4- А^) Ом, что удовлетворяет требованиям ГОСТ 7164-78.

Исследован динамический режим работы ИАМ. Анализ устойчивости относительно коэффицента К0=КуК2КзК4Т определяется двумя уравнениями. Система устойчива, если одновременно обеспечиваются условия ко<когр1 и Ко<Когр2 (рис.4). Значения Когр1 и К0Гр2 выражены через параметры системы и импульсов. С уменьшением у сначала медленно (до 7«0.5), затем резко увеличивается граничное значение К0, следователь-

Рис.4. К определению границы устойчивости ИАМ

но, при заданном Т с увеличением скважности импульсов можно увеличить коэффицент усиления Ку усилителя без потери устойчивости. Аналогичные

кривые, построенные при Рт=60 и Р} <*>, отличаются друг от друга незначительно. Это свидетельствует о том, что наличие оптимального отставания моментов включения второго ключа (ИЭ2) ослабляет влияние постоянной времени усилителя на устойчивость системы. При заданной скважности импульсов увеличение периода Т уменьшает запас устойчивости ИАМ.

Исследована также возможность возникновения скрытой неустойчивости, которая может наблюдаться при замкнутом состоянии ключей, где система работает как непрерывная, а общий коэффициент усиления разомкнутой системы намного больше, чем его граничное значение в соответствующем непрерывном АМ. Установлено, что скрытая неустойчивость будет отсутствовать, если

^<0,25 Т0,

где Т0 - период собственных колебаний системы.

Определена динамическая погрешность ИАМ в установившемся режиме слежения, когда входное воздействие меняется с постоянной скоростью ЛГ^=А4: (считается, что при этом система не входит в зону насыщения усилителя):

А__1-е-*

Удин КуК2К3К4у ' 1 - е"р1 - е-Р1а[е'р^ - е*^' Видно, что динамическая погрешность ИАМ не зависит от электромеханической постоянной времени Т2 двигателя, но, в отличие от непрерывных АМ, зависит от постоянной времени усилителя и с увеличением последней

- увеличивается. Анализ показывает, что поскольку уменьшение у можно компенсировать эквивалентным увеличением Ку, то при обеспечении условия руу > 2тс динамическая погрешность ИАМ практически равна динамической погрешности соответствующего АМ с непрерывным уравновешиванием.

Исследованы переходные процессы ИАМ с учетом нелинейности (насыщения) характеристики усилителя. С помощью рекуррентного уравнения, связывающего значение /[пТ] выходной величины со значениями /[(п-1)Т]

и /[(п-2)Т] посредством нелинейных функций Ф^ДЮ и Ф2(Ди), зависящих от характеристики усилителя, построены переходные процессы при различных значениях параметров импульсов и звеньев ИАМ. В результате анализа кривых установлено, что при Т=соп$1 увеличение 0 и о уменьшает быстродействие нелинейной системы, поскольку в зоне насыщения усилителя система работает как разомкнутая, и увеличение Ку не увеличивает быстродействие. При <Э=сопб1 необходимо стремиться к уменьшению Т, что улучшает характер движения системы, хотя приводит к некоторому уменьшению ее быстродействия.

Изложены методика и результаты экспериментального исследования ИАМ и его узлов. Экспериментально проверялись:

1. БКП:

- зависимость ЭДС измерительной и дополнительной обмоток от МДС обмотки возбуждения;

- линейность характеристики.

2. ГИ с транзисторными ключами:

- соответствие практически получаемых параметров импульсов с расчетными данными;

- влияние изменения напряжения питания, окружающей температуры и разброса параметров элементов на параметры импульсов.

3. Метрологические характеристики ИАМ:

- соответствие значений основных погрешностей с расчетными данными;

- влияние изменения напряжения сети, температуры окружающей среды, продольной помехи и внешнего магнитного поля на погрешности ИАМ.

4. Динамический режим ИАМ:

- влияние периода следования и скважности импульсов на устойчивость;

- зависимость быстродействия от параметров импульсов.

Результаты экспериментальных исследований подтвердили правильность теоретических положений и расчетных формул.

Испытания метрологических характеристик проводились в ГСКБ ПЭА по методике испытаний ГОСТ 7164-78. Испытывался изготовленный образец ИАМ-2 с параметрами импульсов Т=0,16 с, у=0,25, выполненный на базе сдедящей системы серийно выпускаемого автокомпенсатора СПЛ-160-036. Исследования показали, что прибор ИАМ-2 с диапазоном измерений 1,96 Ом при рассеиваемой на ТС средней мощности 0,8 мВт удовлетворяет классу точности 0,5. Основные характеристики ИАМ-2:

1. Самопишущий прибор ИАМ-2 предназначен в комплекте с ТС типа 100 П для измерения и записи температур в диапазоне +35-г40оС.

2. Основная погрешность показаний на всех оцифрованных отметках шкалы не превышает (4+2,2-ЛЯ{)-10"3 Ом.

3. Вариация показаний не превышает половины основной погрешности.

4. Запись производится на тепловой бумаге линией, толщиной не более 1,0 мм.

5. Прибор работает безотказно при температуре окружающего воздуха

от 0°С до +50°С и относительной влажности до 80%.

6. Изменение показаний прибора, вызванное изменением температуры окружающей среды от 20±5°С не превышает (6+0,3-Д^)-10"э Ом на

каждые 10°С изменения температуры.

7. При изменении напряжения питания прибора на +5 и —15% от номинального значения погрешность показаний не превышает

(2+0,5 ДЯ1)-10^ Ом.

8. Питание прибора осуществляется переменным током напряжением 220 В и частотой 50 Гц.

9. Время прохождения указателем с пером всей шкалы не более 8 с.

10. Длина шкалы и ширина диаграмной ленты —160 мм.

11. Потребляемая мощность 65 ВА.

12. Габаритные размеры прибора: 270x320x450 мм.

13. Масса 20 кг.

Прибор ИАМ-2 внедрен в производство на Ванадзорском заводе высокотемпературных нагревателей, где использовался для контроля и регулирования температуры технологического процесса сушки спрессованных стержней диаметром 18,12, 9, 6, 3 мм и длиной 500-2000 мм, предназначенных для электронагревательных элементов силицида молибдена. Использование прибора позволило улучшить качество стержней, сократить образование в них микротрещин, в результате чего увеличился выход годной продукции с 60 до 78% и снизилась себестоимость продукции на 6%.

В третьей главе представлены результаты исследований по построению импульсных измерительных устройств с емкостными датчиками (ЕД). ЕД широко применяются в системах автоматизации для измерения перемещений. деформации, давления, ускорения, влажности материалов, уровня жидких и твердых веществ, концентрации компонентов в многокомпонентных смесях. ЕД имеют ряд преимуществ перед резистивными, индуктивными, оптическими датчиками: малая инерционность, высокая температурная и временная стабильность, возможность контроля перемещений и размеров объектов из любых материалов независимо от их оптической прозрачности, высокая чувствительность, принципиальное отсутствие самонагрева. Интегральная технология позволяет сейчас создавать ЕД с воздушным зазором до 1—10 мкм, что обеспечивает удельную емкость 9-0,9 пФ/мм2; такие ЕД по габаритным размерам близки к тензорезистивным. ЕД обеспечивают лучшую помехоустойчивость, т.к. относительное изменение их емкости при воздействии входной величины может достигать 100%, в то время как предельные значения относительной деформации упругих элементов, как правило, меньше 0,1%.

Основная проблема, возникающая при использовании ЕД, заключается в построении вторичного измерительного преобразователя (ВИП), в котором изменение емкости ЕД преобразуется в сигнал напряжения или тока. С целью установления основных требования к ВИП составлена и исследована эквивалентная схема ЕД с учетом емкостей экрана и паразитных емкостей линии связи, оценены их значения. Установлено, что для ЕД необходимы нечувствительные к паразитным емкостям ВИП, измеряющие межэлектродные емкости в пределах от 0,1 до 100 пФ с разрешающей способностью не хуже, чем 0,001 пФ. Влияние паразитных емкостей линии связи и монтажа

диктует необходимость размещения ВИП в непосредственной близости от ЕД, что налагает дополнительные ограничения на схему и габариты ВИП. Существуют четыре основных метода измерения емкости ЕД, применяемые в ВИП: резонансный, генераторный, мостовой метод переменного тока и метод переноса зарядов. Рассмотрены эти методы, их особенности, выявлены преимущества и недостатки. Резонансный метод обеспечивает измерение неизвестной емкости в частотном диапазоне от нескольких сотен килогерц до нескольких сотен мегагерц, однако по своему принципу действия он непригоден для непрерывного слежения за значением некоторого технологического параметра, преобразуемого емкостным датчиком. Генераторный метод широко применяется для измерения емкости общего назначения, однако он также непригоден для использования при технологических измерениях из-за чувствительности к паразитным емкостям и плохой стабильности по частоте. Мостовые методы считаются достаточно точными и стабильными, мосты с трансформаторынм отношением плеч нашли довольно широкое применение в качестве ВИП для ЕД, особенно - дифференциальных, однако они также имеют существенные недостатки. При частотах, превышающих 30 кГц, ухудшаются характеристики трансформатора, поэтому в мостах переменного тока рабочая частота ограничивается 100 кГц, ее повышение до ВЧ-диапазона сопряжено с усложнением схем и увеличением стоимости аппаратуры. В мостах измеряемая величина определяется по импедансу контролируемой среды на одной фиксированной частоте, что не дает возможности получить полную характеристику сложного вещества, как например, при измерении концентрации компонента в многокомпонентных жидкостях, где требуются измерительные средства, работающие в достаточно широком частотном диапазоне. Кроме того, входная и выходная диагонали моста не могут иметь общей заземленной точки, вследствие чего ухудшаются возможности экранирования схемы и снижения уровня помех при измерениях емкости с заземленным электродом.

Метод переноса зарядов, основанный на периодическом заряде и разряде измеряемой емкости, нашел наибольшее применение для измерения малых емкостей ЕД. Благодаря этому методу решаются задачи длительной стабильности, расширения частотного диапазона от 100 кГц до 5 мГц, а также эффективного экранирования. При практической реализации ВИП, основанных на методе переноса зарядов, наибольшее применение нашли диод-но-емкостные двойные Т-образные схемы (ДЕДТС). Нами проведен анализ существующих ДЕДТС, выявлены их недостатки, доказано, что в отдельных случаях переход на импульсное питание может существенно улучшить их метрологические характеристики и предложены схемы, позволяющие

а

Рис.5. Базовая схема ДЕДТС (а) и графики напряжений (б-д)

лучше реализовать потенциальные возможности импульсного питания. В базовой схеме (рис.5) источник импульсного напряжения е, кодненсатор с измеряемой емкостью Ст ЕД, конденсатор сравнения Сг (последние могут быть также половинами дифференциального ЕД), дифференциальный УПТ с усредняющей схемой и выходной измерительный прибор постоянного тока имеют общую точку заземления, что позволяет эффективно экранировать схему, а выходной сигнал получается непосредственно в форме постоянного тока, что является важным преимуществом схемы перед мостовыми. Конденсаторы С| и С2 заряжаются через диоды Д] и Д2 до пикового значения Е приложенного импульсного напряжения, разряжаются в течение пауз через входные сопротивления Я дифференциального УПТ на землю. Выходной сигнал ли (напряжение на входе УПТ) возникает лишь за счет разности наряжений ис и исг на конденсаторах в процессе их разряда. Таким образом, заряд измеряемого и эталонного конденсаторов происходит в оди-

наковых условиях от одного и того же импульса напряжения, что повышает точность измерения, так как значение и знак постоянной составляющей 1!о выходного напряжения ли определяются лишь разностью емкостей С; и Ср.

Проведено теоретическое исследование схемы (предполагается, что внутреннее сопротивление источника питания равно нулю, диоды имеют нулевое прямое и бесконечно большое обратное сопротивления). Напряжение Щ определяется выражением

и0 = а(с, - С2 - С,е"а1 + Сге~32), (8)

где: А = EfR; а, = (1 - у)ДиО|; а2 = (1 - у)/МС2;

f=1/T - частота следования импульсов.

При у-0,5 (питание одной поляроносгью непрерывного переменного напряжения типа прямоугольная волна)

и0 - а(с, -С2 -С,е~к' + С2е""К2) ,

где: К,=1/2КГС,; К2=1/2К^С2 .

С целью анализа влияния импульсного питания на характеристики цепи найдена зависимость чувствительности от частоты и длительности импульсов. Если изменяется только С1, а С2 и остальные параметры остаются постоянными, то чувствительность цепи с учетом выражения (8)

5 = 61)^1 = А| 1-[1 + 2(1-у) к^е"20'^"1! .

Кривые зависимости 5=ф(Ст) , построенные в относительных единицах (рис.6), показывают, что с уменьшением длительности импульсов чувствительность повышается. Участок максимальной и постоянной чувствительности расположен в области малых значений С1( при этом ширина данного участка тем больше, чем меньше длительность импульсов. Этому участку соответствуют значения параметров, при которых экспоненциальные члены в формулах (8) и (9) пренебрежимо малы. Поскольку

а1=2(1 7)к^ а2=2(1~7)к2, то при у<0,5 показатели а\ и а2 больше Кт и к2 соответственно, поэтому чем меньше у, тем экспоненциальные члены в выражении (8) меньше, чем в выражении (9). Количественно улучшение линейности с переходом на импульсное питание с у<0,5 оценивается отношением соответствующих погрешностей линейности ра и Р|<:

Ра с^3' -С2е_а2 '

Результаты расчета Ь для случая дифференциального ЕД, когда С^Со+ЛС, С2=Со-ДС при значениях Со=50 пФ, ДС =20 пФ, показывают (табл.1), что надлежащим выбором параметров и уменьшением у можно добиться существенного уменьшения нелинейности цепи при сохранении высокой ее чувствительности. Так, при указанных значениях емкостей ЕД и при Я=10б Ом, Е=30 В, Т=103 Гц чувствительность цепи составляет 60 мВ/пФ, а нелинейность 3,35% при у=0,5 и 0,05% при у =0,2.

Таблица 1. Значения показателя И при различных длительностях импульсов питания

Е, Я, 1До Значения Ь при у

Гц Ом 0 0,01 0,02 0,05 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5

103 10ь 0,1 1265 1097 951 619 303 72,6 17,4 4,17 1,00

10' 1,0 1,82 1,80 1,77 1,71 1,60 1,41 1,25 1,12 1,00

2-Ю3 10ь 0,2 35,4 33,0 30,7 24,8 17,3 8,49 4,16 2,04 1,00

10' 2,0 1,26 1,25 1,24 1,22 1,19 1,14 1,08 1,04 1,00

Исследовано влияние частоты импульсов на чувствительность цепи.

Кривые зависимости 5=9,(0, построенные в относительных единицах с помощью формулы

5 = 1{1-[1+2(1-г)4е-2(М)к1}, (10)

где В=Е/2С), показывают (рис. 7), что функция имеет максимумы. В области этих максимумов влияние частоты на чувствительность становится незначительным - изменение частоты на ±20% приводит к изменению чувствительности менее чем на 1%. С уменьшением длительности импульсов точки максимальной чувствительности смещаются в область более высоких частот. Анализ функции (10) показывает, что точки максимумов соответствуют условию 1/а1=°.558 и имеют значения, приведенные в табл.2.

Таблица 2. Значения максимальной чувствительности в относительных единицах

У 0 0,05 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5

1/к, 1,116 1,060 1,004 0,893 0,781 0,670 0,558

(5/В)тах 0,597 0,567 0,537 0,477 0,418 0,358 0,298

На основе схемы (рис.5) разработан емкостный измеритель ЕИП-1,

Рис.7. Зависимость чувствительности от частоты следования импульсов

предназначенный для измерения и регистрации линейных смещений гра-дуировочного вибрационного стенда С-004 АПЖЗ.291.001 ТУ. Стенд разработан в СОКТИ НАН РА и предназначен для динамической градуировки сейсмических приборов, регистрирующих смещение, скорость и ускорения колебательного движения в диапазоне частот от 0,2 до 20 Гц. Стенд воспроизводит незатухающие синусоидальные колебания в горизонтальной плоскости с амплитудой от 0,4 до 20 мм. Для ЕИП-1 разработан дифференциальный ЕД в виде плоского конденсатора с обкладками из медных пластин с воздушным зазором 1,78 мм между ними. Начальные емкости С}

и С2 составляют С0=12,5 пф и меняются на ДС=±5 пФ при максимальном смещении х=20 мм платформы вибростенда. ЕД питается (рис8) от разработанного нами и описанного в диссертации стабилизированного генератора импульсов (ГИ) униполярными прямоугольными импульсами частотой f=1 МГц, пиковым значением Е=10 В и скважностью 0=5. В течение пауз питающих импульсов конденсаторы плеч ЕД разряжаются на входные сопротивления дифференциального УПТ, падения напряжения на

Рис.8. Принципиальная схема ЕИП-1: ОУ1, ОУ2-КР544УД2А, ОУЗ-КР140УД608; Э,, 0г~ КД521А; резисторы -С2-29В-

0,125+0,05%; конденсаторы -КМ

которых усиливаются в ОУ1 и ОУ2, затем вычитаются 8 ОУЗ. Фильтрация переменных составляющих указанных напряжений осуществляется конденсаторами С3. Вся схема ВИП помещена в замкнутый заземленный экран и установлена в непосредственной близости от ЕД.

При указанных значениях параметров значения показателей а) и а2 в формуле (8) не менее

_ 1-у __1-0,2_

31т1п ~ М С1тах ~ 6,81 • 103 • 106 • 17,5 ■ Ю-12 " ' поэтому экспоненциальные члены в формуле (8) составляют не более 0,1%. В этих условиях выходное напряжение УПТ

Цшх ^[^(Ст-СгИз/Кд , его размах составляет ±5 В при приращении емкостей ЕД +5 пф. Разреша-

Рис.9. Основная схема ВИП с широтно-импульсным уравновешиванием ДЕДТС (а); графики напряжений (б,в)

ющая способность ВИП 1СГ3 пф, нелинейность характеристики преобразования не более 0,2%, кратковременная нестабильность ±0,3 мВ, долговременная ±3 мВ/8ч.

Измеритель ЕИП-1 внедрен в СОКТИ НАН РА и используется на вибростенде С-004.

В главе изложены также результаты разработок ДЕДТС с амплитудно— —импульсным и широтно—импульсным уравновешиванием. Проведено теоретическое и экспериментальное исследование предложенных схем и разработанных устройств, оценены их функциональные возможности и метрологические показатели, указаны возможные области применения. В основу ВИП с широтно-импульсным уравновешиванием ДЕДТС положена схема (рис9), в которой на выходе ИЦ включен интегратор ОУ2; в нем приходящие с емкостей С, и С2 электрические заряды преобразуются в приращение напряжения и0. Это напряжение поступает на прямой вход компаратора ОУ1, где складывается с переменным напряжением источника 1. Прямоугольное переменное напряжение е на выходе компаратора становится ас-симетричным <рис.9,б,в). Если, например, неравновесие ИЦ возникло в результате увеличения емкости С^, то длительность Т, отрицательных импульсов увеличивается, а длительность Т2 положительных импульсов уменьшается. Этим способом опорное напряжение и0 (напряжение разбаланса ИЦ) восстанавливает равновесие ИЦ, изменяя соответствующим образом продолжительности заряда и разряда конденсаторов. Измерительный прибор 2 показывает разность Т1~Т2 длительностей биполярных прямоугольных импульсов; это может быть обычный вольтметр постоянного тока, который показывает среднее значение напряжения е: оно пропорционально разности

ДТ=Т1-Т2.

В равновесном состоянии ИЦ постоянная составляющая 1о ее выходного тока определяется выражением (при Я1=Яг=Р)

10 = Е* [С, - С2 + СГ2 - Т,)/В] . (11)

откуда следует функция преобразования; ДТ=(МС.

Видно, что в разработанном устройстве результат измерения не зависит от напряжения и частоты источника питания, параметров усилителя-компаратора и интегратора, к тому же результат измерения получается непосредственно в цифровой форме.

Для анализа метрологических возможностей устройства рассмотрены особенности применения и основные требования, предъявляемые интегратору в данной схеме. Поскольку здесь интегратор используется для инте-

грирования переменных сигналов, то для уменьшения его чувствительности к дрейфу напряжения сдвига ОУ и к заряду конденсатора Сз током смещения ОУ, параллельно С3 включается корректирующее сопротивление Из , которое стабилизирует режим работы ОУ2 по постоянному току. В общем случае сопротивление Яз выбирается так, чтобы обеспечить условие СЭК3>1/*. гДе ^частота напряжения е. При этом целесообразно использование больших значений КзСз: это приводит к зависимости выходного сигнала интегратора только от постоянной составляющей выходного тока ИЦ, что обеспечивает хорошие точностные характеристики при высоких частотах. Поэтому желательно выбрать значение ИзСз не менее 1^зСз=10/1 Конденсатор С4, соединяющий вход ОУ2 с заземлением, защищает ОУ от переходных импульсов, которые появляются на выходе ИЦ и передаются через цепь ОС. Обычно С4»Сз; значение С4 выбрано не менее 0,1 мкФ.

Поскольку рассматриваемый ВИП работает по методу уравновешивающего преобразования, то для него важна высокая чувствительность у нуля, т.е. чувствительность сЮо/скС цепи ОС В соответствии с выражением (11), она зависит от зарядного напряжения Е, частоты а также от сопротивления Я3 в цепи ОС, поскольку ио-1оИз (с точностью потенциала инвертирующего входа ОУ2, который виртуально заземлен):

= . ш-12 в/пф

аДС

Максимальное зарядное напряжение Е ограничивается допустимым уровнем сигнала транзисторов, используемых в ОУ, равным обычно 12 В. Частоту, к сожалению, в данной схеме невозможно брать высокой из-за ограниченных частотных возможностей существующих ОУ для их применения в качестве усилителя-компаратора ОУ1: даже высокочастотный ОУ типа КР140УД10, имеющий частоту единичного усиления ^=15 МГц, в этом качестве может работать на частотах не выше 200 кГц. Верхний предел сопротивления КЗ ограничивается условием Яз«Квх ~ сопротивления прямого входа ОУ1. Практические границы Яз в данной схеме — от 5 до 50 кОм. Таким образом, реальная чувствительность устройства на частоте ^200 кГц:

^ = 12 • 2 • 105 ■ 50 ■ 103 • 10~12 = 0,12 В/пФ с1ДС '

Стабильность чувствительности определяется этими же тремя величинами. Колебания частоты легко свести к минимуму за счет применения

кварцевого генератора (Д^К5-Ю~5). Применение прецизионных резисто-

ров, что необходимо особенно для сопротивлений от которых за-

висит уравнение шкалы, обеспечивает низкий уровень нестабильности

АЯ/В<5-10~5. Наиболее критичным параметром является напряжение питания, поскольку типовые стабилизированные источники допускают колебания выходного напряжения до 1%. Однако в рассматриваемой схеме изменения такого порядка влияют только на чувствительность ОС, не вызывая погрешности измерения.

Аналогичным образом, можно оценить дрейф нулевого уровня выходного сигнала. На основании расчетов установлено, что максимальный

ДСд = 0007 ДС 10

дрейф при чувствительности 0,1 В/пФ и значении ДС=10 пФ за период 8 ч.

эквивалентен изменению ДСд=0,007 пФ, что составляет

Проведено разностороннее экспериментальное исследование устройства при различных значениях напряжения и частоты импульсов питания и

Я3 49 к

0,07%

Рис.10. Принципиальная схема измерителя ЕИП-2: ОУ1-КР140УД10; ОУ2—КР544УД2А; ОУЗ-КР140УД608; Р,. Р2-КД521А; Р5-СП-5;

резисторы-С2-29В-0,125±0,05%; конденсаторы-Ш

параметров схемы, результаты которых подтвердили правильность теоретических положений.

На основе ВИП (рис.9) разработано емкостное измерительное устройство ЕИП—2 для измерения линейных перемещений в диапазоне

0-г± 20 мм в комплекте с дифференциальным ЕД. ЕИП—2 состоит из пяти основных узлов (рис.10): генератора синусоидальных колебаний (Г), выполненного по схеме моста Вина, ДЕДТС с дифференциальным ЕД, компаратора (ОУ1), УПТ и выходного указателя. УПТ состоит из последовательного соединения интегратора (ОУ2) и инвертирующего усилителя (ОУЗ). Глубина ОС регулируется переменным резистором R5. ОУ компаратора питается от одного стабилизированного источника с помощью резистивного делителя с заземленной средней точкой, чтобы при изменении напряжения источника положительные и отрицательные пиковые значения импульсов на выходе компаратора не отличались друг от друга. В

этих условиях изменение напряжения питания ОУ (±15 В) в пределах ±10%

вызывает изменеие ДТ порядка 0,6%. Испытания показали, что поскольку в

качестве выходного сигнала измеряется не ДТ, а среднее значение напряжения последовательности выходных импульсов компаратора, то погрешность от изменения напряжения питания уменьшается примерно на 40%. Это объясняется тем, что при нарушении равенства пиковых значений импульсов положительной и отрицательной полярностей система автоматически меняет длительности Ti и Т2 так, чтобы баланс ИЦ не нарушался: при этом сохраняется постоянным среднее значение напряжения последовательности импульсов.

В результате испытаний установлено, что чувствительность ЕИП-2

составляет 0,05 мкс/пФ или 50 мВ/мм, ДТ изменяется линейно в пределах 0+0,5 мкс, нелинейность характеристики преобразования не превышает

0,3%, выходное напряжение меняется линейно в пределах ±1 В, временная

нестабильность ± 1 мВ/8ч, разрешающая способность ~6 мкм.

Четвертая глава посвящена разработке и исследованию ИИУ для измерения параметров постоянных, переменных и импульсных электрических сигналов. Кратко рассмотрены основы бесконтактного измерения электрических токов, принципы построения бесконтактных преобразователей тока (БПТ). Описаны и исследованы предложенные нами электромеханические БПТ с применением: метода коммутационного инвертирования с частотно-импульсной модуляцией; автогенераторного метода с частотной модуляцией; метода развертывющего преобразования с широтно—импульсной мо-

дуляцией. Изложены принципы построения магнитомодуляционных БПТ (МБПТ), особенности и преимущества их импульсного питания. Известные МБПТ, предназначенные для измерения постоянных токов, имеют разветвленные магнитопроеоды и многочисленные (как минимум, четыре) обмотки, соединенные дифференциально. Этим путем достигается важная цель: на выходе МБПТ остается только ЭДС полезного сигнала, содержащего информацию об измеряемом токе, а составляющая ЭДС, содержащая нечетные гармоники, главным образом - гармонику частоты поля возбуждения, подавляется схемным способом. Однако в результате такого конструктивного решения усложняются форма и конструкция магнитопровода, который становится нетехнологичным и плохо воспроизводимым, увеличивается число обмоток, часть которых приходится выполнять способом закрытой намотки в узких щелях составных фигурных магнитопроводов, увеличиваются аддитивные погрешности, обусловленные неидентичностью половин обмоток и магнитопровода. С целью устранения отмеченных недостатков нами разработан бесконтактный измеритель постоянного тока (БИПТ), в котором МБПТ содержит разъемный неразветвленный магнитопровод и намотанную на нем единственную обмотку у/е, предназначенную для возбуждения магнитопровода (рис.11,а). Измеряемый постоянный ток I подмагни-чивает магнитопровод, в результате чего форма тока возбуждения искажается: нарушается равенство амплитуд его положительной и отрицательной полуволн. Падение напряжения иН-^д этого тока на дополнительном сопротивлении Яд, включенном последовательно с обмоткой щ, подается на вход пикового детектора, представляющего собой ДЕДТС при С,=С2=С, на выходе которого появляется постоянная составляющая напряжения

и п _ АШЯН и0 = Юкн = --

где: к =

1 И2С

+ -

2f Я + Кн

г^ + гОс '

f — частота тока возбуждения;

ли=1Г,п—1!"т - разность амплитуд положительной и отрицательной полуволн напряжения II.

В результате теоретического и экспериментального исследования схемы установлено, что при прямоугольно-импульсной форме волны и оптимальных значениях параметров чувствительность МБПТ почти в 2 раза выше, чем при синусоидальной форме волны поля возбуждения. Однако характеристика преобразования по схеме рис11,а получается нелинейной, к

тому же изменения напряжения и частоты источника возбуждения вызывают погрешности измерения. Поэтому разработанный БИПТ построен по методу амплитудно-импульсного уравновешивания (рис.11,6). Здесь постоянная составляющая 1о выходного тока пикового детектора преобразуется посредством интегратора (ОУ2) и УПТ (ОУЗ) в постоянное напряжение и0, которое поступает на прямой вход дифференциального усилителя (ОУ1), преобразуется на его выходе в ток (постоянный) и, протекая (совместно с импульсным током возбуждения) по обмотке \л/в МБПТ, компенсирует влияние на магнитопровод измеряемого тока I, восстанавливая тем самым

Рис. 11. Принципиальные схемы БИПТ прямого преобразования (а) и с амплитудно—импульсным уравновешиванием (б): ОУ1, ОУЗ— КР140УД608; ОУ2-КР544УД2А; ТК-токоизмерительные клещи Ц91; 01# 02~0311; С^С2=0.5 мкФ; С3=0,5 мкФ; С4=0,25 мкФ; ^=^2=465 Ом; (^=1^=^=3,3 кОм; Н5=Я7=К8=5,1 кОм; Я6=1

кОм; Н9=100 кОм (СП-5); резисторы - С2-29В-0,125±0,05%; конденсаторы - КМ

равновесие пикового детектора; выходной прибор (V) измеряет значение постоянного напряжения 1)о:

Ив + Кг

и0

А

I ,

где: (^-сопротивление постоянному току обмотки возбуждения;

Кз

% + й7

коэффициент усиления дифференциального усилителя по прямому входу.

БИПТ питается от разработанного ГИ, который выполнен на цифровых элементах; 1и=0,25 мс. При значениях уув=5000, ^=250 Ом в диапазоне измерения 1=0-И0 А БИПТ обеспечивает постоянную чувствительность 300 мВ/А

Описаны и исследованы предложенный способ и БПТ для измерения токов в проводниках, недоступных для охвата, ИИУ для измерения мгновенного и амплитудного значений переменных и импульсных токов с чувствительными элементами на ТМП, высокочувствительный автокомпенса-

К,

Кз А1 г к4 Да к5

К2

-ф-

Рис12. Принципиальная (а) и структурная (б) схемы фотогальвано-метрического компенсатора с термоэлектрической ОС

ционный измеритель среднеквадратического значений слабых переменных и импульсных сигналов с использованием входного термоэлектрического преобразователя (ТЭП). В существующих аналогичных измерителях ЭДС ТЭП измеряется с помощью фотогальванометрического компенсатора постоянного тока, где она компенсируется падением напряжения на резисторе обратной связи. Им присущи существенные недостатки: нелинейная функция преобразования, поскольку термо—ЭДС ТЭП пропорциональна квадрату среднеквадратического значения 1х измеряемого тока, протекающего через его нагреватель, а компенсирующее напряжение пропорционально выходному току I компенсатора, а также возникновение погрешности измерения от изменения температуры свободных концов термопары ТЭП.

В разработанном нами измерителе резисторная обратная связь фотогальванометрического компенсатора заменена термоэлектрической обратной связью посредством второго ТЭП 2 (рис.12). Выбирая ТЭП 1 и 2 по мере возможности одинаковыми, помещая их рядом, чтобы воздействия внешних факторов были на них одинаковыми, можно обеспечить значительно более высокую точность измерения. С учетом функций преобразования

звеньев ЕХ=К,1Х2, Ек=К21к2, Ди= Ех-Ек , Д!г=К3Ли=ди/(г1+гг+г2),

Да=1<4.Д1г=(ВБ\л//\Л/м)Д1г, НК5ДСС, получаем функцию преобразования устройства:

1 = #Г/К2 ,

где: Г1 и г2-внутренние сопротивления термопар соответствующих ТЭП; гг—сопротивление рамки гальванометра;

В$№~потокосцепление, Б—площадь, число витков рамки гальванометра;

В-магнитная индукция в воздушном зазоре, \Л/м-удельный механический противодействующий момент растяжек гальванометра.

Погрешность некомпенсации (статизма) у обусловлена механическим моментом \Л/М, действующим на рамку гальванометра:

' .. УУМ ^ УУМ

К, К3 К4 К5 |2 В5ууК5г0 щ ' г,+гг+г2

где: г0=Ех/1-эквивалентное внутреннее сопротивление устройства;

\А/э--удельный электрический противодействующий момент, действующий на рамку гальванометра в системе компенсатора. С целью уменьшения погрешности некомпенсации параметры звеньев выбираются так, чтобы обеспечилось условие \Л/Э»\Л/М. Разработан и изго-

товлен опытный образец устройства, предназначенного для диапазонов измерения 1х=0*0,5 мА и 1х=0^5 мА (с шунтом). В нем использованы ТЭП типа ТВБ-1 с номинальными параметрами: ток нагревателя 1 мА, термо-ЭДС 2,5 мВ, сопротивления нагревателя и термопары 600 Ом и 40 Ом соКу = ^ = К4К5 = 24-103,

ответственно. В качестве фотогальванометрического усилителя использован усилитель Ф117/7 с параметрами: В5\л/=1,3-10~2 Вебер-виток, \Л/м=1,15-10-7 Н-м/рад., гг=50 Ом, К5=0,21 А/рад., коэффициент усиления

максимальный фототок ±2,5 мА при сопротивлении 3,0 кОм выходной цепи. Полученные параметры измерителя: Ех=Ек=0-г-0,625 мВ, г0=1,25 Ом,

\Л/э=262-.10~7 Нм/рад, у=0,44%. Разработанный прибор имеет высокие метрологические показатели и может применяться для измерения среднеква-дратического значения слабых переменных и импульсных сигналов любой формы с частотным диапазоном измеряемого сигнала вплоть до 20 МГц

В главе разработаны и иследованы также ряд БИТ, предназначенных для измерения больших переменных токов,позволяющих увеличить верхний предел измерения без увеличения массы магнитопровода,и для измерения больших постоянных и переменных токов без магнитопровода с непосредственным преоброзованием измеряемого тока в частотно-импульсный сигнал.Выпускаемые промышленностью электроизмерительные клещи (ЭК) переменного тока используют в качестве БПТ трансформатор тока с разъемным магнитопроводом. Их верхний предел измерения ограничивается двумя факторами: нелинейностью кривой намагничивания магнитопровода при больших индукциях и недопустимым увеличением силы разжатия клещей: последняя пропорциональна квадрату индукции в магнитопроводе и ограничивается значением 100 Н на ручке клещей, где она примерно в 5-6 раз больше (в зависимости от конструкции рычажной передачи), чем в стыке магнитопровода. Поэтому увеличение верхнего предела измерения тока не должно сопровождаться увеличением индукции в магнитопроводе ЭК. Это возможно путем применения компенсационного метода измерения, что однако связано с трудностями создания в магнитопроводе компенсирующего поля, требующего, помимо дополнительной обмотки, еще и усилитель с источником питания, фазосогласующую цепь. Поэтому в выпускаемых промышленностью ЭК переменного тока компенсационный метод не применяется. Нами разработан способ частичного решения данной задачи применением дополнительной короткозамкнутой (КЗ) обмотки, установленной на магнитопровод. Она оказывает размагничивающее действие на ма-гнитопровод и тем самым позволяет минимальными затратами довольно

существенно увеличить верхний предел измерения. Представлены результаты теоретического и экспериментального исследования способа, зависимости значения верхнего предела измерения, основных и дополнительных погрешностей от параметров КЗ обмотки: при надлежащем выборе параметров КЗ обмотки погрешности БПТ существенно уменьшаются. На базе ЭК типа Ц91 разработаны клещи, в которых верхний предел измерения увеличен вдвое и с 500 А дове-ден до 1000 А (без увеличения индукции в ма-гнитопроводе) добавлением КЗ обмотки из 310 витков медного провода диаметром 0,49 мм, масса которой составляет всего 30 г.

Характерным для современных технологических процессов является не только общий рост потребления электроэнергии, но и увеличение значений используемых токов, что требует измерений токов в десятки и сотни кило-ампер, чаще всего - бесконтактным способом. Для таких измерений наличие магнитопровода БПТ нежелательно из-за нелинейности кривой намагничивания, явления гистерезиса и, особенно, большой массы. Применение метода уравновешивания хотя и позволяет значительно снизить массу магнитопровода, все же она остается большой. Немагнитные интегрирующие контуры, состоящие из ряда преобразователей, окружающих проводник с измеряемым током, также не лишены недостатков: наличие большого числа (10-20) преобразователей, обычно на эффекте Холла, значительные погрешности от неидентичности их характеристик, аддитивные погрешности, температурный дрейф характеристик преобразователей. В главе разработан и исследован новый способ бесконтактного измерения больших токов, преимущественно - постоянных, сущность которого следующая: по замкнутому

Рис.13. Устройство (а) и электрическая схема (б) БПТ с вращающимся магнитом

'I

немагнитному контуру, охватывающему проводник с измеряемым током, вращают чувствительную к воздействию магнитного поля материальную точку и по значению средней за оборот скорости ее вращения определяют силу измеряемого тока. В разработанном устройстве, реализующего способ, проводник 1 с измеряемым током I (рис.13) охвачен замкнутым контуром -трубчатой направляющей 2 из стекла, во внутренней полости - канале которой помещена подвижная часть - постоянный магнит 3 эллипсоидальной формы, намагниченный по длинной оси. С помощью двух распределенных вдоль окружности трубчатого кольца обмоток 4 и 5, выполненных в виде последовательно соединенных секций с возрастающим порядком витков и питаемых чередующимися импульсами тока, магнит приводится во вращательное движение по каналу направляющей за счет градиента управляющего магнитного поля. Для управления токами обмоток на кольце установлены (в диаметрально противоположных точках) фотоэлектрические датчики 6, 7, импульсами которых управляются (через формирователи импульсов и Ф2) тиристоры О] и 02 в цепях обмоток 4 и 5.

Если в отсутствие измеряемого тока магнит движется по окружности радиуса Я с установившейся скоростью \/0, то под действием тока 1 скорость врашения увеличивается до значения

где: к=|1оМ/2ятН;

М- магнитный момент, т -масса магнита.

В значении средней за оборот скорости V содержится суммарное влияние измерямого тока во всех без исключения точках контура, т.е. естественным образом происходит интегрирование влияния тока вдоль всего контура. Если вместо постоянного магнита использовать ферромагнитний шарик (в этом случае можно измерять как постоянные, так и переменные токи), то

где: кш=цаО/4к2Н2т;

ц.а - абсолютная магнитная проницаемость материала шарика на линейном участке кривой намагничивания; объем шарика.

Скорость V определяется путем измерения интервала времени между соседними импульсами датчика б (или 7).

Исследованы метрологические характеристики БПТ. Характеристика

преобразования А\/=\/-У0=Ц\), определяемая из формулы (12), в широком

(12)

v = /v¿+кш р.

диапазоне измеряемых токов нелинейна. Для реализованного образца (И=75-10~3 м; магнит эллипсоидальной формы из альнико марки ЮН13ДК24С, размерами осей 2,5Ю"3 м и 1,510-3 м, т=0,2Ю-3 кг, М=30,6Ю~9 Тлм3) с диапазоном измерения 0+2400 А, при У0=5 м/с и Л\/=2,5 м/с нелинейность характеристики преобразования не превышает 0,8%.

Разработана обшая теория и получены формулы для определения методических погрешностей. В реализованном образце при смещении проводника с током от геометрического центра окружности кольца на ЗОЮ 3 м относительная погрешность измерения составляет 0,25% при токе 1=500 А и 0,45% при 1=1000 А Погрешность от влияния тока помехи 1п, удаленного от центра окружности кольца на 115-10~3 м, составляет 0,4% при 1п=1=500 А и 0,65% при 1„=1=1000 А Обе погрешности существенно уменьшаются с увеличением начальной скорости \/0 движения магнита.

Описанный принципиально новый способ бесконтактного измерения больших постоянных и переменных токов, основанный на применении немагнитного интегрирующего контура с вращающимся чувствительным элементом и время-импульсным выходным сигналом, может стать основой нового направления в области бесконтактного измерения токов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результатом работы является создание на единой теоретической основе новых способов и принципов построения измерительных устройств с различными видами импульсного преобразования сигналов и реализация на их основе измерителей параметров электрических цепей и сигналов, предназначенных для систем автоматизации. Положения работы применимы как к аналоговой, так и к цифровой реализации, как структурными методами, так и аппаратными средствами.

В рамках решения данной проблемы получены следующие научные и практические результаты.

1. На основе существующей теории импульсных систем автоматического управления разработаны теоретические положения для исследования статических и динамических процессов в измерительных устройствах с различными видами импульсного преобразования сигналов, построенных по методу как прямого, так и уравновешивающего преобразования измеряемой величины.

2. Установлены теоретические соотношения между параметрами импульсов, помехозащищенностью, точностью и быстродействием измерительных устройств с импульсным преобразованием сигналов, даны рекомендации к практическому использованию этих соотношений.

3. Разработана обобщенная методика структурного анализа погрешностей, оценки и расчета метрологических характеристик измерительных устройств с импульсным преобразованием сигналов.

4. Предложены и разработаны новые структуры для реализации методов амплитудно—импульсного и широтно-импульсного уравновешивания электрических цепей с резистивными и емкостными датчиками, указаны теоретически достижимые пределы улучшения их метрологических характеристик.

5. Разработан и исследован метод импульсного уравновешивания автокомпенсационных устройств с унифицированной следящей системой, реагирующей на интегральные характеристики управляющих сигналов и помехи. Развит импульсный метод переноса зарядов с целью построения вторичных измерительных преобразователей для измерения малых емкостей емкостных датчиков, предложены новые структурные и схемные решения для реализации метода, обеспечивающие улучшенные метрологические характеристики.

6. Предложены принципиально новые способы и импульсные измерительные устройства для измерения параметров постоянных, переменных, и импульсных сигналов, разработана их теория, методика проектирования и расчета, определены пути их дальнейшего развития.

7. В соответствии с общим улучшением точностных характеристик в результате применения импульсного преобразования сигналов исследованы пути снижения инструментальных погрешностей устройств для измерения параметров цепей и сигналов.

8. Развиты методы премирования и конструирования отдельных узлов и импульсных измерительных устройств в целом, указаны пути оптимального выбора их параметров.

9. Полученные в работе результаты теоретических и экспериментальных исследований использованы в разработках ГСКБ ПЭА (г.Ереван) и СОКТИ НАН РА (г.Гюмри) по созданию измерительных устройств систем автоматизации. Разработаны и изготовлены импульсные измерительные устройства, использование которых на производстве дает значительный экономический эффект.

Основные научные результаты диссертации опубликованы в следующих работах :

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ас 461300 (СССР). Трансформаторный преобразователь угловых перемещений / Б.М.Мамиконян.- Опубл. в БИ, 197Б, ГМо 7.

2. A.c. 606096 (СССР). Двухкоординатный датчик угловых перемещений / Б.М.Мамиконян, Л.СТоноян,- Опубл. в БИ, 1978, No 17.

3. A.c. 694881 (СССР). Трансформаторный преобразователь угла поворота вала в код / БММамиконян.— Опубл. в БИ, 1979, No 40.

4. A.c. 741328 (СССР). Трансформаторный преобразователь линейных перемещений / Б.М.Мамиконян - Опубл. в БИ, 1980, No 22.

5. A.c. 781556 (СССР). Двухкоординатный преобразователь угловых перемещений / Б.М.Мамиконян, Л.С.Тоноян, П.АДавтян.- Опубл. в БИ, 1980, No 43.

6. A.c. 789922 (СССР). Магнитный мост постоянного потока / Б.М.Мамиконян- Опубл. в БИ, 1980, No 47.

7. А.с 813332 (СССР). Магнитный мост постоянного потока / Б.М.Мамиконян.- Опубл. в БИ, 1981, No 10.

8. А.с 815482 (СССР). Трансформаторный преобразователь угловых перемещений / Б.М.Мамиконян.- Опубл. в Б И, 1981, No 11.

9. A.c. 855397 (СССР). Преобразователь угла поворота вала во временной интервал / Б.М.Мамиконян, Я.М.Погосян, СО.Варданян,- Опубл. в БИ, 1981, No 30.

10. A.c. 1095675 (СССР). Способ получения магнитных пленок в вакууме / Б.М.Мамиконян, СО.Варданян (публикации не подлежит) - 1984.

11. A.c. 1607077 (СССР). Преобразователь угла поворота /Б.М.Мамиконян-Опубл. в БИ, 1990, No 42.

12. A.c. 1796881 (СССР). Электромагнитный датчик линейных перемещений / Б.М.Мамиконян,- Опубл. в БИ, 1993, No 7.

13. А.с 972543 (СССР). Двухотсчетный датчик угла / Б.М.Мамиконян, СО. Варданян - Опубл. в БИ, 1982, No 41.

14. A.c. 1739313 (СССР). Устройство для измерения емкосги / Б.М.Мамиконян- Опубл. в БИ, 1992, No 21.

15. A.c. по заявке 4784899/21 (СССР). Устройство для измерения емкости / Б.М.Мамиконян- Решение от 02.09.1991.

16. A.c. 976392 (СССР). Преобразователь амплитуды переменного тока в импульсный сигнал / Б.М.Мамиконян, СО.Варданян,- Опубл. в БИ, 1982, No 43.

17. А.с 1004889 (СССР). Устройство для бесконтактного измерения тока / Б.М.Мамиконян - Опубл. в БИ, 1983, No 10.

18. A.c. 1185253 (СССР). Измеритель электрического тока в проводнике / Б.М.Мамиконян- Опубл. в БИ, 1985, No 38.

19. A.c. 1191835 (СССР). Датчик больших токов / Б.М.Мамиконян - Опубл. в БИ, 1985, No 42.

20. Ас. 1206722 (СССР). Устройство для измерения больших токов / Б.М.Мамиконян.- Опубл. в БИ, 1986, No 3.

21. A.c. 1394151 (СССР). Устройство для бесконтактного измерения токов / ААГеворкян, Б.М.Мамиконян, САМаркосян,- Опубл. в БИ, 1988, No 17.

22. A.c. 1656480 (СССР). Преобразователь амплитуды переменного тока в импульсный сигнал/Б.М.Мамиконян, М.А.Манукян.— Опубл. в БИ, 1991, No 22.

23.Геворкян A.A., Гедакян МА, Мамиконян Б.М., Манукян М.А. Бесконтактный измеритель больших токов // Промышленность Армении.-1987.-No 7.-С.35-36.

24.Геворкян АА, Мамиконян Б.М., Гедакян М.А. Об одном случае бесконтактного измерения электрических токов // Известия АН Республики Армения, серия TH.-1984.-No 4.-С.46-49.

25. Куликовский Л.Ф., Мамиконян Б.М. Исследование измерительной цепи с термосопротивлением при импульсном питании // Автометрия- 1969. -No 5,—с.107—109.

26.Лихтциндер Б.Я., Мамиконян Б.М. Один из способов повышения помехоустойчивости автоматических мостов // Приборы и системы управления. - 1969.—No 11—с37—39.

27.Лихтциндер Б.Я., Мамиконян Б.М., Манукян М.А. Исследование переходных процессов в автоматическом мосте с импульсным уравновешиванием // Промышленность Армении,- 1959.-No 3.-с53-54.

28. Мамиконян Б.М. Общие положения для расчета трансформаторных преобразователей перемещений одного класса // Известия АН Республики Армения, серия ТН.- 1974,-No 1.-C.22-27.

29.Мамиконян Б.М. Трансформаторный преобразователь угловых перемещений // Известия АН Республики Армения, серия ТН- 1975.—No 2.— с.59-64.

30.Мамиконян Б.М. К расчету комплексного магнитного сопротивления ма-гнитомягких материалов// Известия АН Республики Армения, серия ТН.— 1976- No б-с.41-49.

31.Мамиконян Б.М. Применение магнитного моста для преобразования угловых и линейных перемещений // Промышленность Армении.-1977 - No 4.-С42-45.

32. Мамиконян Б.М., Тоноян Л.С Расчет магнитного сопротивления ферромагнитного шарового экрана // Известия АН Республики Армения, серия ТН - 1978 - No З-с.24-27.

33.Мамиконян Б.М. Трансформаторный преобразователь больших линейных перемещений // Промышленность Армении- 1979- N0 8,-с.39-40.

34.Мамиконян Б.М. Электромагнитный преобразователь в режиме холостого хода // Промышленность Армении.- 1980.- N0 3.-с36-38.

35.Мамиконян Б.М. О чувствительности электромагнитного преобразователя больших линейных перемещений // Известия АН Республики Армения, серия ТН.~ 1980 - N0 6.~с.42-44.

36.Мамиконян Б.М. Сопоставление чувствителькосгей электромагнитных преобразователей перемещений одного класса // Измерительная техника- 1981.- N0 7.-с.31-32.

37.Мамиконян Б.М., Варданян СО. Тонкопленочный бесконтактный преобразователь тока // Известия АН Республики Армения, серия ТН - 1983-N0 6.-С.34—37.

38.Мамиконян Б.М. Измерительные магнитные мосты.- Ереван: Айастан. 1985.—13бс

ЗЭ.Мамиконян Б.М. Тонкие ферромагнитные пленш в измерительной технике- Ереван: АрмНИИНТИ. 1986.-68с.

40.Мамиконян Б.М., Манукян МА, Давтян П.А. О расширении диапазона измерения электроизмерительных клещей переменного тока // Измерительная техника,- 1989.—N0 б.-с38-39.

41.Мамиконян Б.М. Импульсное питание нелинейного четырехполюсника с емкостным датчиком // Доклады АН Республики Армения.- 1990.— N0 4. —сЛ61—167.

42.Мамиконян Б.М. Аналого-цифровой преобразователь амплитуды переменного тока // Известия АН Республики Армения, серия 7Н- 1990.— N0 4.—с.193—197.

43.Мамиконян Б.М. Емкостная измерительная цепь с импульсным питанием // Измерительная техника,- 1990.— N0 11.-с55-56.

44.Мамиконян Б.М. Резистивный преобразователь угла поворота // Известия АН Республики Армения, серия ТН - 1990 - N0 6 - с286-290.

45.Мамиконян Б.М. Исследование измерительной цепи для емкостных датчиков // Известия вузов, приборостроение- 1991.No 9,-с54-58.

46.Мамиконян Б.М. Устройство для измерения емкости // Измерительная техника.- 1995.- N0 4.-с.48-49.

47.Мамиконян Б.М. Преобразователь больших линейных перемещений // Известия НАН РА и ГИУА.- 1995.~1Мо 1.-с51-55.

48.Мамиконян Б.М., Геворкян АА Об одном способе бесконтактного измерения больших токов // Доклады НАН Армении.-1996.-Мо 1- с.50-55.

49. Патент 273 (АМ). Фотогэльванометрический измеритель переменного тока / Б.М.Мамиконян, ААГеворкян, А.В.Зилфимян, АГ.Кюрегян, М.Г.Ча-макян.- Опубл. в БИ, 1996.No 1.

50. Патент 272 (АМ). Измеритель приращения сопротивления/ Б.М.Мамиконян, Х.Б.Мамиконян,— Опубл. в БИ,1996,Ыо 1.

51.Патент по заявке 000369 (АМ). Измеритель сопротивления / Б.М.Мамиконян, Х.Б.Мамиконян.- Решение от 30.06.1995.

52.Патент 2052822 (РФ). Способ бесконтактного измерения тока / Б.М.Мамиконян, ААГеворкян - Опубл. в БИ, 1996, N0 2.

53.Патент по заявке 4947034/10 (РФ). Устройство для измерения постоянного тока / Б.М.Мамиконян.- Решение от 24.05.1994.

54.Патент по заявке 96007 (АМ). Измеритель приращения сопротивления / Б.М.Мамиконян, Х.Б.Мамиконян.-Решение от 04.07.1997.

Личный вклад автора Все основные результаты, составляющие содержание диссертации, получены соискателем самостоятельно.

По работам, опубликованным в соавторстве, личный вклад состоит в

следующем:

- в работах [2,5,9,10,13,16,22,32,37,40,49-54] — научная постановка и

основные теоретические результаты;

- в работах [21,23-27,48] - основные теоретические результаты;

1ШФЛФ14<*ЬР

U2|utuuiuiüpQ Giflip4ujá t шЬиш1|шй U фпрйОш^ьий hhwiuqnwnipjni.Gûbpfi hfiiîuiû ijpui luqrçu^UJGGbpji inujppbp inbuujljfi |iiiujruiuuijfiG ЙЬшфп(иш.й'йЬрп4 шфлпйинпшдйшС hiuüuiljiupqbpfi ¿шф^ uujpgbpfi l|umrugüuiG ûnp Ьг\шСш1|0Ьрр L ul^qpruDgGbpfi umbrióÚLUÚQ: иг^шшшСвЬ OPmjpûbpQ 1фриипЬ[|1 bû {iG^aihu Gúuiüiuljuijiiü, lujûiqbu tL рф^шйифй jipuiljUiüuigüujQ huiüuup, fiGjiqbu ^инзтдЦшбЕШ^О úbpnr(úbpn4, tujüiqbu t¡_ шицшршшш)^ йЬдпдОЬрпф St(]uj|. hfiúüujjiiürjpfi [гиббшй 2П2ш0ш1)йЬрт0 итшдф[ bO hhrnUjuii qfim¡jjl|wG U qnpóQujl¡mCi uuprjjniGpGbpp:

Щтпйшт 1)шпш|[шрйшй Jiütqnui_umjfiú qjijnipjnLÜ rnQbgnq

uibumpjujû htiúuiü 1{рш Ü2Ujl|iibi bO шЬиш^шО rjpnijpfibp uiqqtuÜ2UiGGbpti шшррЬр 1лЬиш1)(1 |ii5u^nL[UujjfiG 01шфп|гзт|5йЬрп4 uiuppbpfi итштЭДш^шй L

r¡¡iüuií5}il)iul|ujü nbd¡ii3Dbp¡i hbiniuqnmúujCi huiúiup, лрпОр pGrjhuiGpuigiJuJÓ ЬО ¿шффш óbónipjuiü fiü¿iijbu тгфг}, цубщЬи ty Ьш^шишра^ш^ йЬшфгфлЗшй ùbpnrçnij Цшшидфиб uujpßbph huiúujp: UiuhúiuGilbL bû тЬишЦшй iunG¿mpjniQGbp jiúiqni|uGbp[i iqiupoiûbwpbp|i, uiupßf» (ишЬдшрпн5ши(шг1Л11|ш04ш0п1р{шй1 62innipjuiQ L ujpuiqujqnpórupjiuü äjiglt, piuguihuijimfbi ЬО uyrç LunG^nLpjruCGbpfi qnpáúuíljaiD oqinuiqnpàiïwû шг2шОйОшЬш1л1)П1р]П1ййЬрр: l^wliUkl t fíúujniicLLijfilj ¿шф^ tiujpgbpf? ujuujjübpfi ^шптд^шдрш^О ilhpimômpjujD, ¿шфшршйш^шй pürupiuqpbpfj qGtuhmmüiuö ti Иш^шр^ QÜqhuiüpuiqilwö йЬрпфЦш:

11пш2шр1|4Ь1 ¡i bö гф0шг]рш^шй L niGuifyuyfiü hiuju)Gfi¿Obpfi ¿шфишО

¿qpujübpfi ш0и^штг|ш[ш1цгп[иафй U [иуйифйщпцишфй НшфиишриЛййбшО úbpnqGbpfv {тршЦшйшдйшй ûnp liumrug^urôgGbp, лрпгЦЬ^ bö GpuiGg ¿шфшршйш'цшй pGtuptuqpbp|i ршрЬ[шф5шй шЬищЦшйпрЬй hujutuGb|jî uuihilujGGbpQ: и^ш^Ь! U hbinaiqnmi|bL t ЦитшфирйшО LuqrniiG2UJÜ¡i (i шгр5п.1ф (lDinbqpuiiuijfiG pGntpujqpbp|iG hiuljLuqqnri ú|ioptiGuiljuiGu]gt(iuá hbuiLnq hiuiÎLul(aipqm{ }1йрОшНшйш1<2Ги5шО uiupßbpfi fiiíu|nLLumjfiü Ьшфиишрш^тЗшО ilbpni)p: Stupquigifbl t Lfigpbpfi шЬгцифл^иЗшй [иЗщпцишфй dfcpnrçp' nLGmljijUjfiû huijuiGfaGbpfi фпрр niGuijni.pjmGGbpti ¿шфйшй hiudiup bpl|pnpqiujfiG ¿шфодш^шО áüu^nfufi¿Gbpfi Цшшидйшй Giquiwujtjnit, iuntuoujplji[bL Ьй йЬрпгф (1рш1)шйшд|5шй ljujnnigt{ujágujjhü U и(иЬбшфО Gnp liuöntüObp, npntiß iuuiujhn4niú Ьй ршрЬциЦфиб ¿шфшршйшЦшй püntpuiqpbp:

Uiîiugiuptjilbi. bO utjqpnLÜpnpbü ûnp bquiüuiljübp L Jii5uini|uuijfiû ишррЬ

huiuinuiinmD, фпфп(иш1)шС U tiúu¡nnuaijfiü iuqrçui02ujûûbpfi iquipiuúhinpbpfi ¿шфйи Ьшйшр, Ú2UJlj'4bl t Gpiuüg mbunipjruöQ, üuijuuiqöüuiö U hui24u>pl)h úfapnrtfiljui uaihúuiütlbi bD йршйд hbinuiqiu quipqujgúujG ruqhtibpp: UqquiÜ2tuDühpfi бЬшфп^йшй 2ÖnpJifi!| итшдфщ ¿uufiuipuiDiuljuiü pOrupiuqpbpfj рй^шйги piupbiuii[ûuj!în tiuiduiu|uiuiuiufuujû hbuiiuqnm4bt bö ¿ripLuDhpfi Ь luqqwDzurtiQbp ujuipuiúbinpbpli ¿шфйшй uuippbpti q.np<S|ißui}}iü и^ацйЬрф фгфршдбшй mr\^ûbp! Diupqiugilbi. bD fiôujni.|uuijtiû ¿шф[1£ uujppbp)i U Оршйд lunuiDöfiü hujüqnijgübp üaifuiuqóiíujíj U tynüumpniijtnaRinptfujG úbpnnübpo, gmjg bD uipi(b[ GpuiG-ujiupiuäbmpbpti (uii(ujqruj(i Qûtnpnipjmû тгфОЬрп:

Pbpi[uiá bO ú ¿tuquió uujppbpl* фпр0шр1}йшй U oqmtuqnpáúuiü ujpqjiuGpGUpj; лрпйр hujuinaiumü Ьй ОршОд ui2Íuiuinruüujljnipjni.D[] L ¿шфшрш0ш1)ш1 pDrupuiqpbpn: