Исследование и разработка методов и средств передачи размера единицы индуктивности на основе новых многозначных мер

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

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

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

В настоящее время лучшими метрологическими характеристиками обладают тороидальные катушки, имеющие замкнутое магнитное поле. Во ВНИИМ им. Д. И. Менделеева работы по созданию мер индуктивности на основе тороидальных катушек были начаты в конце 60-х годов, когда были разработаны первые опытные образцы этих мер. В 70-е и 80-е годы Ф. Е. Курочкиным на основе тороидальных катушек были созданы государственный первичный эталон единицы индуктивности на основе катушек ЭИ-1 и рабочие эталоны РЭИ-1, ЭИ-2, ЭИ-3, На основе тороидальных катушек были также созданы меры индуктивности типов Р596 и Р5101 — Р5115. Эти меры имеют номинальное значение индуктивности от 1 мкГн до 1 Гн в диапазоне частот от 80 Гц до 100 кГц. Класс точности этих мер 0,02 — 2. Меры Р596 и Р5101 — Р5115 являются однозначными и используются в наборах (25 и 16 катушек соответственно). Из этих мер путем их исследований по годовой нестабильности могут быть отобраны меры с нестабильностью 0,01 — 0,1%. Меры с такими характеристиками аттестуются в качестве рабочих эталонов 1-го и 2-го разрядов. Рабочие эталоны на основе мер Р596 и P5I01 — Р5115 обеспечили необходимую точность измерений индуктивности в диапазоне 1 мкГн -1 Гн при частотах 80 Гц — 100 кГц.

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

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

В соответствии с целью работы выбрана структура диссетрации.

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

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

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

В четвертой главе: проведены теоретические исследования частотных погрешностей ЯСи БС-АЭИисследованы способы соединений разработанных ММИ с мостовыми измерительными цепямидано описание полной структурной схемы ММИразработаны методы и приведены результаты экспериментальных исследований.

Научная новизна полученных результатов заключается в следующем.

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

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

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

4. Получены аналитические выражения, характеризующие формирование эквивалентной индуктивности и эквивалентного активного сопротивления в предложенных ЯСи 8С-структурах АЭИ, позволяющие обосновать технические требования к элементам ММИ.

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

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

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

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

Практическая значимость заключается в следующем.

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

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

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

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

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

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

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

Апробация результатов работы.

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

— Всероссийской конференции «Приборы и приборные системы », Тула, 1994 г.

— Украинской научно-технической конференции «Метрология и измерительная техника», Харьков, 1995 г.

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

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

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

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

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

На защиту выносятся следующие основные положения:

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

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

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

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

5. Разработка новых методов экспериментальных исследований ММИ на основе активных эквивалентов индуктивности и результаты экспериментальных исследований разработанных макетов ММИ.

4.4. Выводы по четвертой главе.

1. В результате теоретического исследования частотных характеристик получены аналитические выражения зависимостей Le (f) и Re (0 Для трехи двухзажим-ной RC-схемы АЭИ на основе интегратора. Получены численные значения зависимости Lc и Rc от частоты и значения частотной погрешности в диапазоне 10 Гц — 100 кГц.

2. Увеличение частотной погрешности на частотах, близких к 100 кГц, связано с уменьшением модуля коэффициента усиления ОУ и возрастающим влиянием частотозависимых параметров пассивных элементов схемы. Для рассмотренных схем в диапазоне 10 Гц — 10 кГц частотная погрешность не превышает 0,005%. Анализ частотных зависимостей параметров RC-схем АЭИ показал, что их применение возможно в диапазоне частот до 100 кГц.

3. Рассмотрены особенности включения RCи SC-схем АЭИ в мостовые измерительные цепи по трехи двухзажимной схеме. Применение этих схем позволяет строить на их основе многозначные меры индуктивности, пригодные для измерения индуктивно-емкостными и трансформаторными мостами переменного тока с любой конфигурацией измерительной цепи. Это позволяет применять их для поверки серийно выпускаемых мостов для измерения индуктивности.

4. Разработанные и исследованные принципы построения мер индуктивности на основе АЭИ были использованы для создания макета многозначной меры индуктивности (ММИ) на диапазон значений 0,1 — МО3 Гн с погрешностью 0,01 -0,1% в зависимости от номинального значения и частоты, в основу которого положена RC-схема АЭИ на основе интегратора. Для экспериментальной проверки принципов построения меры индуктивности на основе SC-схем АЭИ был разработан эквивалент индуктивности на значение 1 Гн (100 мГн), реализованный в виде отдельного узла.

5. Экспериментальное исследование частотных характеристик индуктивности ММИ показало, что для всех номиналов в диапазоне частот 200 Гц — 10 кГц частотная зависимость практически отсутствует. Увеличение частотной погрешности наблюдается при частотах выше 10 кГц и при частоте 100 кГц достигает значения 0,3 — 0,4%, что согласуется с теоретическими данными. Увеличение погрешности при частотах выше 10 кГц не является недостатком меры, т.к. индуктивности с номиналами 0,1 — 1000 Гн, как правило, используются в частотном диапазоне до 10 кГц.

6. Экспериментальные исследования временной нестабильности макетов в течение года показали, что при температуре 20 ± 0,5 °С нестабильность индуктивности меры v < ± 0,01%, а при 20 ± 2 °C v < ± 0,05%.

7. Экспериментально определен температурный коэффициент индуктивности (ТКИ) макета ММИ, составляющий 210 41/К.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований, в диссертационной работе решены следующие задачи:

1. Систематизированы материалы научных исследований по активным эквивалентам индуктивности. Разработана классификация схем АЭИ. Предложен классификационный код, позволяющий точно определить тип, назначение и место каждого АЭИ в классификационной схеме.

2. Предложены структуры АЭИ на основе активных ЯС-схем и активных схем на переключаемых конденсаторах (8С-схем), обеспечивающие создание наиболее оптимальных по характеристикам двухи трехзажимных многозначных мер индуктивности для значений 0,1 — 1000 Гн, частоты 40 Гц — 10 кГц (100 кГц) с погрешностью 0,01 — 0,1%. .

3. Получены аналитические выражения, характеризующие формирование эквивалентной индуктивности и эквивалентного активного сопротивления в предложенных ЯСи БС-структурах АЭИ, позволяющие обосновать технические требования к элементам меры индуктивности. Предложен эффективный метод перестраивания трехзажимных ЯСи БС-АЭИ в двухзажимные без замены элементов цепи формирования эквивалентной индуктивности, позволяющий создать универсальные многозначные меры индуктивности для любых конфигураций мостовых измерительных цепей.

4. Предложен, теоретически обоснован и исследован принцип построения новых многозначных двухи трехзажимных мер индуктивности на основе схем АЭИ с переключаемыми конденсаторами, позволяющий повысить добротность меры до 1Т03 с наименьшими требованиями к компенсации активного сопротивления без значительного усложнения схемы по сравнению с активными ЯС-схемами АЭИ. Показано, что 8С-схемы перспективны для создания высокодобротных мер индуктивности в интегральном исполнении.

5. Проведен теоретический анализ источников погрешностей разработанных мер индуктивности. Получены выражения для расчета основных составляющих и суммарной погрешности мер индуктивности. Показано, что наибольшее влияние имеют погрешности от наличия ТКС и ТКЕ резисторов и конденсаторов при случайных изменениях температуры в пределах нормальной области температур и погрешность от наличия собственного коэффициента усиления ОУ. Показаны пути уменьшения составляющих погрешности и обосновано получение суммарной погрешности в пределах от 0,01% до 0,05%.

6. Проведен уточненный анализ влияния паразитных емкостей на результат формирования эквивалентной индуктивности для АЭИ на основе схем с переключаемыми конденсаторами. Рассмотрены схемотехнические методы исключения влияния паразитных емкостей. Предложены схемы двухи трехзажимного БС-АЭИ, нечувствительные к влиянию паразитных емкостей.

7. Исследованы факторы, влияющие на значение добротности ЯСи БС-схем АЭИ, и показаны способы ее увеличения. Анализ фазовых соотношений показал, что добротность БС-схем АЭИ на порядок выше, чем у ЯС-схем.

8. Разработаны методы экспериментальных исследований мер индуктивности на основе АЭИ с помощью мостовых измерительных цепей переменного тока, в которых учтены особенности включения ЯСи БС-схем АЭИ по двухи трехза-жимной схеме.

9. Экспериментальные исследования макета многозначной меры индуктивности подтвердили результаты теоретических исследований и показали, что погрешность меры, определяемая ее годовой нестабильностью составляет 0,01 — 0,05%. Теоретический и экспериментальный анализ частотных зависимостей многозначной меры показал, что ее применение возможно в диапазоне частот до 100 кГц.

10. Полученные в диссертационной работе результаты внедрены в практику, что подтверждается прилагаемыми актами внедрения.