Создание и дальнейшее совершенствование метрологического обеспечения отраслей народного хозяйства и промышленности является важной народнохозяйственной задачей, вошедшей в основные направления Государственного плана экономического и социального развития СССР на 1981;85 годы. Важность поставленной задачи вытекает из основных целей метрологического обеспечения, которыми являются [1,2]:
— повышение качества продукции, эффективности управления производством и уровня автоматизации производственных процессов;
— обеспечение взаимозаменяемости деталей, узлов и агрегатов, создание необходимых условий для кооперирования производства и развития специализации;
— повышение эффективности научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, экспериментов и испытаний;
— обеспечение достоверного учета и повышение эффективности использования материальных ценностей и энергетических ресурсов;
— повышение эффективности мероприятий по профилактике, диагностике и лечению болезней, нормированию и контролю условий труда и быта людей, охране окружающей средыоценке и рациональному использованию природных ресурсов;
— повышение уровня автоматизации управления транспортом и безопасности его движения;
— обеспечение высокого качества и надежности связи.
В соответствии с программой работ по совершенствованию эталонной базы страны в области электрических измерений, проводится дальнейшее развитие системы эталонов и методов передачи размеров единиц электрических величин переменного тока [з, 4].
В настоящее время создано метрологическое обеспечение дот средств измерений (СМ) переменного электрического напряжения, технической основой которого являются:
— государственные специальные эталоны, обеспечивающие воспроизведение размера единицы переменного напряжения с наивысшей точностью, и государственные поверочные схемы, устанавливающие передачу размера единицы переменного напряжения от государственного эталона образцовым и рабочим СИ в диапазоне частот от 20 до 3-Ю9 Гц;
— стандарты на термины и определения для данного вида измеренияна технические требования, методы и средства поверки.
Однако в информационно-измерительных системах наземной и космической связи, в радиолокационных и радионавигационных системах широко используют модулированные сигналы и, в частности, амплитудно-импульсный модулированный (ММ) сигнал, причем требуется с заданной точностью измерять его максимальное значение напряжения. В качестве рабочих СИ напряжения ММ сигнала используют электронные вольтметры подгруппы В4, измерители параметров импульсов подгруппы И4 и измерительные преобразователи с аналоговыми или цифровыми отсчетными устройствами, предназначенные для измерения максимального значения напряжения ММ сигнала. Электронные вольтметры подгруппы В4 и измерители параметров импульсов подгруппы Й4 представляют собой комбинированные приборы, предназначенные для измерения постоянного напряжения, переменного напряжения сигнала синусоидальной формы, напряжения ММ сигнала и импульсного напряжения. Периодическая поверка рассматриваемых подгрупп СИ проводится на постоянном напряжении, на переменном напряжении сигнала синусоидальной формы и на импульсном напряжении в соответствии с действующими на данный вид измерения стандартами. Стандарты или другие нормативные документы по поверке рассматриваемых СИ в режиме ММ сигнала в настоящее время отсутствуют и определение их основной и дополнительной погрешностей проводится на стадии разработки и испытаний в основном косвенными методами измерения в сочетании с расчетными. При уровнях измеряемого напряжения от 0,1 до 10 В максимального значения, на этапе разработки определяют у рассматриваемых СИ значения частотной погрешности первичного измерительного преобразователя на сигнале синусоидальной формы в рабочем диапазоне несущих частот, а значения погрешности промежуточного измерительного преобразователя с его отсчетным устройством — на импульсном сигнале в рабочем диапазоне частот следования и длительностей модулирующего импульса. Устанавливают пределы допускаемой погрешности измерения напряжения ММ сигнала для каждого типа СИ по результатам проведенных измерений на синусоидальном и импульсном сигналах и с учетом найденной теоретической зависимостью между ними и ММ сигналом. При уровнях напряжения свыше 5 В максимального значения, в рассматриваемых СИ применяют выносные фиксированные делители напряжения с высоким входным сопротивлением и значениями коэффициента деления 1:10- 1:30- 1:100. Значения коэффициента деления таких делителей напряжения определяют на этапе разработки и выпуска в соответствии с методикой, принятой для электронных вольтметров переменного напряжения подгруппы ВЗ, т. е. на постоянном напряжении и на переменном напряжении частоты градуировки при наибольших допустимых уровнях напряжения, а затем на малом уровне переменного напряжения синусоидальной формы в рабочем диапазоне несущих частот.
При уровнях напряжения от 5 до 150 В максимального значения, He’s о сущих частотах от 4*10° до 3*10° Гц, длительностях модулирущего fi 2 4 импульса от 10 до 5*10 С и скважности не более Iе 10', возможна комплектная поверка в режиме ММ сигнала путем непосредственного сличения с образцовым диодным компенсационным вольтметром.
В4−11 или В4−19, технические характеристики которых приведены в табл.1.1, но ВЧ-П снят с производства в конце 70-х годов, а ВЧ-19 промышленностью не освоен и его выпуск не планируется даже в ХП пятилетке. Следовательно, в настоящее время отсутствует в полном объеме метрологическое обеспечение разработки и выпуска СИ напряжения ШЖ сигнала, в особенности при уровнях напряжения 0,1 -г- 5 В, а также отсутствуют методы оценивания в статическом и динамическом режимах погрешности рассогласования, возникащей при измерении и поверке СИ напряжения ШМ сигнала, что часто приводит к необоснованным оценкам погрешности измерения рассматриваемых СИ, снижает достоверность измерения ими и сдерживает дальнейший рост повышения их точности, а это, в свою очередь, отражается на качестве и надежности работы в режиме АЙМ сигнала систем наземной и космической связи, радиолокационных и радионавигационных систем. В соответствии с Комплексной межотраслевой программой метрологического обеспечения в области электрических измерений на 1981;85 годы, основной задачей в области измерения напряжения ШМ сигнала является разработка методов и образцовых СИ, способных с наивысшей точностью обеспечить измерение и поверку рабочих СИ напряжения ШМ сигнала в диапазоне несущих частот, уровней напряжения, длительностей и частот следования. Решение этой задачи является технической основкой для создания метрологического обеспечения СИ напряжения АИМ сигнала, без которого невозможна разработка промышленностью в ХП пятилетке нового электронного вольтметра повышенной точности, которым планируется заменить все выпускаемые в настоящее время рабочие СИ подгрупп^ Ш и Й4. Решение этой общей задачи, с учетом прогноза развития рабочих СИ напряжения ШМ сигнала на ХП пятилетку, приведенным в табл. 1.2, складывается из решений следующих частных задач: — разработки и исследования метода, обеспечивающего с наивысшей.
— 8 точностью измерение максимального значения напряжения ММ сигнала в диапазоне несущих частот от 100 кГц до 1000 МГц при значениях напряжения 0,01−10 В, длительностях модулирующего импульса от 50 не до 50 мс и частоте следования от 20 Гц до I МГцI.
— разработки методов оценивания в статическом и динамическом режимах погрешности рассогласования, возникающей при измерении и поверке' СИ напряжения ММ сигнала;
— разработки структур построения образцовых СИ напряжения ММ сигнала;
— разработки и экспериментального исследования образцовых СИ напряжения ММ сигнала.
Целью данной диссертационной работы является разработка и исследование методов и образцовых СИ напряжения ММ сигнала в диапазоне несущих частот от 100 кГц до 1000 МГц, необходимых для решения важной народнохозяйственной задачи метрологического обеспечения данного вида измерения в соответствии с Комплексной программой метрологического обеспечения в области электрических измерений на 1981;85 годы.
В соответствии с целью работы выбрана структура построения диссертации.
В первой главе проведена систематизация и анализ точных методов и средств измерений напряжения ММ сигнала в диапазоне несущих частот от 100 кГц до 1000 МГц, позволившие для измерения максимального значения напряжения ММ сигнала выбрать метод сраввыполцение нения с мерой переменного напряжения, так как он обеспечивает большинства. технических требований, за исключением погрешности измеренияпоэтому показано, что требуется его разработка в части исключения систематической погрешности, вызванной изменением коэффициента преобразования первичного преобразователя измери тельного прибора сравнения при переходе от ШМ сигнала к сигналу синусоидальной формы.
Во второй главе проведена разработка метода сравнения с мерой переменного напряжения для измерения максимального значения напряжения в! сигнала, в котором, для исключения систематической погрешности первичного преобразователя измерительного прибора сравнения, предложено производить предварительное квантование по времени ШМ сигнала и сигнала меры, а затем сравнивать максимальное значение напряжения сигнала выборки, взятой из измеряемого ШМ сигнала, с максимальным значением напряжения сигнала выборки, взятой из сигнала меры переменного напряженияпомимо этого, проведен теоретический анализ погрешности рассогласования, возникающей при передаче размера единицы переменного напряжения, а получе ченные аналитические выражения позволяют получить ее оценки либо путем определения поправок, либо в виде пределов допускаемых относительных погрешностей.
В третьей главе проведена разработка методов оценивания в статическом и динамическом режимах погрешности рассогласования при измерении и поверке СИ напряжения ШМ сигнала, получены аналитические выражения, позволявшие получить ее оценку либо путем определения поправок, либо в виде пределов допускаемых относительных погрешностей.
В четвертой главе приведены особенности разработанных образцовых СИ на основе предложенных структур их построения, а также результаты их экспериментальных исследований и разработан проект дополнений к государственной по^верочной схеме по ГОСТ 8.072−82.
Научная новизна полученных результатов заключается в том, что:
— систематизированы методы измерения и структуры построения СИ напряжения ММ сигнала;
— разработан метод, обеспечивающий наивысшую точность измерения максимального значения напряжения АИМ сигнала;
— получены аналитические выражения, позволяющие производить оценку погрешности рассогласования при измерении и передаче размера единицы переменного напряжения;
— разработаны методы оценивания погрешности рассогласования в статическом и динамическом режимах измерения и поверки СИ напряжения ШМ сигнала, позволяющие, с помощью полученных аналитических выражений для всех встречающихся на практике случаев измерений, учитывать ее путем введения поправок либо определять ее оценки в виде пределов допускаемых относительных погрешностей;
— предложены новые структуры построения образцовых СИ напряжения в диапазоне частот 100 кГц * 1000 МГцприборов.
— разработаны методики метрологической аттестации в качестве образцовых СИ напряжения ШМ сигнала в диапазоне частот 100 кГц-г г 1000 МГц;
— разработан проект дополнений к государственной поверочной схеме по ГОСТ 8.072−82, в котором обеспечивается связь размера единицы напряжения ШМ сигнала с размером единицы переменного напряжения, воспроизводимых ГСЭ, и его передача рабочим СИ практически без потери точности.
Практическая значимость заключается в том, что: I. Разработан, исследован и внедрен в метрологическую практику комплекс СИ напряжения ШМ сигнала, аттестованных в качестве образцовых, и включающий в себя:
— установки УПВ-50−1 и УПВ-100−1А, предназначенные для поверки измерительных преобразователей и электронных вольтметров ШМ сиг.
5 8 нала в диапазоне несущих частот от 10й до 10й Гц, длительностях.
7 —4 модулирующего импульса от 5−10″ «' до 5*10 с, частоте следования от 4'10* до 1*10^ Гц, значениях напряжения от 1СГ* до 10 В и с пределами допускаемых относительных погрешностей±(2т11)Ю~?
— установки УПВ-ИМ, предназначенные для воспроизведения максимального значения напряжения ШМ сигнала и поверки СИ напряжения ШМ сигнала, работающих в согласованных трактах, в диапао о зоне несущих частот от 3*10и до 1*1(г Гц, длительностях моду.
7 ^ лирущего импульса от 5*10 до 2*10 с, частоте следования от 2'Ю2 до 1*105 Гц, значениях напряжения от 2″ КГ1 до 5 В и с пределами допускаемых относительных погрешностей!^1т1,5) 10″? которые работают совместно с системой ПК «Метролог2», обеспечивающей получение прямого отсчета и обработку результатов наблюдений.
2. Разработаны и внедрены в метрологическую практику методы оценивания погрешности рассогласования в статическом и динамическом режимах измерения и поверки СИ переменного напряжения и напряжения ШМ сигнала.
3. Разработан проект дополнений к государственной поверочной схеме по ГОСТ 8.072−82, в котором обеспечивается связь размера единицы напряжения ММ сигнала с размером единицы переменного напряжения, воспроизводимым ГСЭ, и его передача рабочим СИ практически без потери точности.
Результаты работ, выполненныхпод научным руководством и при непосредственном участии автора, внедрены на шести предприятиях, в том числе и в НПО «ВНИИМ им. Д.И.Менделеева». Согласно актам состоявшегося внедрения суммарный годовой экономический эффект составляет 105 тыс. руб.
Основные положения диссертации и отдельные ее результаты доложены и обсуждены:
— на научно-техническом семинаре «Метрология в радиоэлектронике», г. Москва, 1970 г.;
— на ХХХШ, ХХХУ, ХХХИ, ХХХУП, ХХХУШ областных научно-технических конференциях по узловым проблемам радиотехники, электроники и связи, г. Ленинград, 1978, 1980, 1981, 1982, 1983 г. г.;
— на Всесоюзном совещании «Точные измерения энергетических величин», г. Ленинград, 1982 г.;
— на научно-технических семинарах НПО «ЕНИИМ им. Д. И. Менделеева?
По теме диссертации опубликовано 15 печатных работ, включая 4 авторских свидетельствав том числе 6 печатных работ и 3 авторских свидетельства без соавторов.
На защиту выносятся следующие основные положения:
1. Метод измерения максимального значения напряжения ММ сигнала, основанный на сравнении с мерой переменного напряжения путем предварительного квантования по времени измеряемого АИМ сигнала и сигнала меры.
2. Методы оценивания погрешности рассогласования в статическом и динамическом режимах измерения и поверки СИ переменного напряжения и напряжения АИМ сигнала.
3. Новые структуры построения образцовых СИ напряжения АИМ сигнала в диапазоне частот 100 кГц * 1000 МГц.
Выводы по л.4.3:
Разработан проект дополнений к государственной поверочной схеме по ГОСТ 8.072−82, в котором обеспечивается связь размера единицы напряжения АИМ сигнала с размером единицы переменного напряжения воспроизводимых ГСЭ и его передача рабочим СИ.
Анализируя полученные выше результаты, можно сделать следующие ОКОНЧАТЕЛЬНЫЕ ВЫВОД! ПО ГЛАВЕ 4:
I. Предложены структуры построения поверочных установок для измерительных устройств напряжения АИМ сигнала, у которых первичный диодный измерительный преобразователь расположен в выносном пробнике и его ¿-Г ¿-у ^о •.
2. Результаты аппаратурной реализации предложенной структуры построения поверочной установки для измерительных устройств напряжения ММ сигнала при 1/14 0,1 В показали, что пределы допускаемых относительных погрешностей измерения могут составлять! (6−8)-Ю" 3 при значениях напряжения от 10~2 до.
I В, в диапазоне несущих частот от 10^ до Ю8 Гц, длительнос.
7 -Л тях модулирующего импульса от 5−10 до 5*10 с и частоте т ч следования от 4"10 до 1*10 .
3. Разработаны, исследованы и внедрены в метрологическую практику поверочные установки УПВ-50−1 и УПВ-Ю0−1А, реализующие предложенные структуры построения и обеспечивающие поверку измерительных преобразователей и электронных вольтметров ММ с 8 сигнала в диапазоне несущих частот от 10й до 10 Гц, длитель.
7 4 ностях модулирующего импульса от 5* 10″ «' до 5−10 с, частоте тс т следования от 4*10 до 1*10 Гц, значениях напряжения от 10 до 10 В и с пределами допускаемых относительных погрешностей ± (2*11)-КГ3.
4. Предложены структуры построения многозначных мер напряжения ММ сигнала, предназначенных для воспроизведения максимального значения напряжения и поверки СИ напряжения ММ сигнала, работающих в согласованных трактах.
5. Разработаны, исследованы и внедрены в метрологическую практику образцовые установки УПВ-ИМ, представляющие собой многозначные меры напряжения ММ сигнала, предназначенные для воспроизведения максимального значения напряжения и поверки СИ напряжения ММ сигнала, работающих в согласованных трактах, в о о диапазоне несущих частот от 3-Ю до 1*10 Гц, при длительнос.
7 5 тях модулирующего импульса от 5*10™ до 2*10 с, частоте следования от 2*10^ до 1*10^ Гц, значениях напряжения от ' 2*10~^ до 5 В и с пределами допускаемых относительных погреш-ностей±(1 * 1,5).10″ ^.
6. Результаты аппаратурной реализации предложенной структуры построения многозначной меры напряжения ММ сигнала в диапазоне несущих частот от Iе 10^ до 3-Ю8 Гц показали, что пределы допускаемых относительных погрешностей воспроизведения о напряжения могут составлять±-(5 -5- I 5) «10 при значениях напряжения от I до 3 В, длительностях модулирующего импульса от 5"КГ7 до 5*10» 4 с, частоте следования от 4*10* до 1"105 Гц.
7. Разработан проект дополнений к государственной поверочной схеме по ГОСТ 8.072−82, в котором обеспечивается связь размера единицы напряжения ММ сигнала с размером единицы переменного напряжения, воспроизводимых ГСЭ, и его передача рабочим СИ.
ЗМЛКЯЕНИЕ.
В диссертационной работе дано решение актуальной задачи, имещей существенное значение для обеспечения единства и правильности измерений напряжения ММ сигнала в широком диапазоне частот. Особое внимание уделено вопросам повышения точности измерения и поверки СИ напряжения ММ сигнала и оценивания погрешности рассогласования в статическом и динамическом режимах измерения. В результате теоретических и экспериментальных исследований в диссертации решен ряд конкретных задач и обоснованы следующие выводы и положения:
1. Разработан метод сравнения с мерой переменного напряжения для измерения максимального значения напряжения ММ сигнала, в котором производится предварительное квантование по времени ММ сигнала и сигнала меры, а затем сравнивается максимальное значение напряжения сигнала выборки, взятой из измеряемого ММ сигнала, с максимальным значением напряжения сигнала выборки, взятой из гармонического сигнала, воспроизводимого мерой, частота которого соответствует несущей частоте ММ сигнала, при этом систематические погрешности измерения напряжения ММ сигнала в основном определяются систематическими погрешностями образцовых средств измерений переменного напряжения и погрешностью рассогласования при передаче размера единицы переменного напряжения, что позволяет реализовать разработанный метод измерения напряжения ММ сигнала в рабочем диапазоне частот образцовых средств измерений переменного напряжения, связав размер единицы напряжения ММ сигнала с размером единицы переменного напряжения, воспроизводимого Государственными специальными эталонами.
2. Получены аналитические выражения, доведенные до расчетных формул, позволившие получить оценки погрешности рассогласования для всех случаев измерения переменного напряжения, встречающихся в метрологической практике, в виде поправок, если известны фазовые соотношения или нагрузки чисто активны, либо в виде пределов допускаемой относительной погрешности, при этом наименьшая потеря точности, вследствие рассогласования измерительного тракта, достигается при:
— измерении переменного напряжения меры сличением с мерой посредством измерительного прибора сравнения;
— измерении переменного напряжения меры с? ях~ ® ПРИ помощи измерительного устройства напряжения;
— поверке измерительного устройства переменного напряжения с коаксиальным электрическим соединителем на входе по измерительному устройству переменного напряжения с аналогичным соединителем на входе, путем непосредственного сличения их показаний посредством тройникового соединителя у которого ~ ($ 23 -в22) = I;
— поверке измерительного устройства переменного напряжения (электронного вольтметра), первичный измерительный преобразователь которого расположен в выносном пробнике, у которого «по измерительному устройству переменного напряжения с аналогичной структурой построения входной цепи, путем непосредственного сличения их показаний, когда они включены в одном сечении линии передачи, $ 1 < I, а /У ЫО9 Гц.
3. В динамическом режиме, вследствие рассогласования измерительного тракта, искажается форда огибающей ММ сигнала, так как увеличивается время установления и восстановления сигнала в зависимости от расстояния между сечениями входных и выходных электрических соединителей и значений коэффициентов отражений средств измерений, а также увеличивается неравномерность в области вершины и паузы в зависимости от значений коэффициентов отражений средств измерений.
4. Получены аналитические выражения, позволившие получить оценки погрешности рассогласования в статическом и динамическом режимах измерения и поверки средств измерений напряжения ММ сигнала, в виде поправок, если известны временные и фазовые соотношения или входные и выходные сопротивления средств измерений чисто активные, либо в виде пределов допускаемых относительных погрешностей, при этом наименьшую потерю точности, вследствии рассогласования измерительного тракта, получим при измерении напряжения меры ММ сигнала сличением с мерой переменного напряжения или напряжения ММ сигнала, и при поверке измерительного устройства напряжения АИМ сигнала, первичный измерительный преобразователь которого расположен в выносном пробнике, у которого по измерительному устройству переменного напряжения или напряжения ММ сигнала с аналогичной структурой построения входной цепи, путем непосредственного сличения их показаний, когда они включены в одном сечении линии передачи,в I, ^? 1-Ю9 Гц.
5. Предложены структуры построения поверочных установок для измерительных устройств напряжения ММ сигнала, у которых первичных диодный измерительный преобразователь расположен в выносном пробнике и его .
6. Разработаны, исследованы и внедрены в метрологическую практику поверочные установки УПВ-50−1 и УПВ-Ю0−1А, реализующие предложенные структуры построения и обеспечивающие поверку измерительных преобразователей и электронных вольтметров АИМ сигнала с о в диапазоне несущих частот от 10° до 10° Гц, длительностях моду.
7 4 лирушцего импульса от 5*10' до 5*10 с, частоте следования от те т.
4−10х до 1*10° Гц, значениях напряжения от 10 до 10 В и с прео делами допускаемых относительных погрешностей!(2*11)•10 .
7. Предложены структуры построения многозначных мер напряжения ММ сигнала, предназначенных для воспроизведения максимального значения напряжения и поверки СМ напряжения ММ сигнала, работающих в согласованных трактах.
8. Разработаны, исследованы и внедрены в метрологическую практику образцовые установки УПВ-ИМ, представляющие собой многозначные меры напряжения ММ сигнала предназначенные для воспроизведения максимального значения напряжения и поверки СИ напряжения.
ММ сигнала, работающих в согласованных трактах, в диапазоне не.
8 9 сущих частот от 3*10 до Iе 10 Гц>при длительностях модулирующего импульса от 5*10~7 до 2″ 10″ «^ с, частоте следования от 2"1с£ до с т.
1*10° Гц, значениях напряжения от 2"10 до 5 В и с пределами допускаемых относительных погрешностей^ * 1,5) •10″ ^.
9. Разработан проект дополнений к государственной поверочной схеме по ГОСТ 8.072−82, в котором обеспечивается связь размера единицы напряжения ММ сигнала с размером единицы переменного напряжения, воспроизводимого ГСЭ, и передача его рабочим СИ практически без потери точности.
10. Новизна технических решений подтверждается 5 авторскими свидетельствами на изобретения.
11. Созданные СИ внедрены и используются для решения народнохозяйственных задач, что подтверждается прилагаемыми актами внедрения, согласно которым суммарный годовой экономический эффект от внедрения составляет 105 тыс. руб.