НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ “ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА”

Бойко Оксана Василівна

УДК 621.317

KОДОКЕРОВАНІ МІРИ ОПОРУ ДЛЯ МЕТРОЛОГІЧНОГО ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ЗАСОБІВ ВИМІРЮВАННЯ В ПРОМИСЛОВИХ УМОВАХ

05.11.05 – прилади та методи вимірювання електричних та

магнітних величин

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Львів – 2004

Дисертацією є рукопис

Робота виконана на кафедрі “Метрологія, стандартизація та сертифікація” Національного університету “Львівська політехніка” Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник – доктор технічних наук, професор Столярчук Петро Гаврилович, завідувач кафедри “Метрологія, стандартизація та сертифікація” Національного університету “Львівська політехніка”

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Івахів Орест Васильович, завідувач кафедри “Прилади точної механіки” Національного університету “Львівська політехніка”

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Монастирський Зеновій Ярославович, старший науковий співробітник відділу електричних і магнітних вимірювань Інституту електродинаміки НАН України

Провідна установа – Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України, відділ електричних вимірювань фізичних величин, м. Львів

Захист відбудеться 28 травня 2004 р. о 1600 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.052.08 у Національному університеті “Львівська політехніка” (79013, Львів – 13, вул. С.Бандери 12, ауд.226 головного корпусу).

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національного університету “Львівська політехніка” (79013, Львів, вул.. Професорська 1)

Автореферат розісланий 27 квітня 2004 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Луцик Я.Т.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ

Актуальність теми. Характерною особливістю сучасних промислових об'єктів є широке застосування локальних і глобальних систем автоматизації, що будуються з використанням засобів контролю та вимірювання параметрів технологічних процесів. Вірогідність правильного функціонування промислових об'єктів, особливо систем контролю, які відповідають за безпеку, повинна бути якнайвищою. Хоча засоби вимірювання періодично перевіряють у спеціальних лабораторіях, це не гарантує відсутності випадкових відмов або ж не відразу помітних спотворень. Питання забезпечення високої метрологічної надійності особливо актуальне в сучасній економіці України, яка здебільшого використовує обладнання з протермінованим ресурсом. Зважаючи на це, а також на велику кількість впливних факторів і доволі широкі межі їх зміни, виникає потреба регулярно проводити метрологічний контроль засобів вимірювання промислових об'єктів протягом їх експлуатації без зупинки технологічного процесу, що й рекомендовано ДСТУ 3921.2 – 2000. Такий контроль дозволяє зменшити економічні витрати, пов'язані з демонтажем справних засобів вимірювання чи навіть із використанням вчасно невиявлених несправних засобів вимірювання.

Під час контролю параметрів технологічних процесів, таких як температура, тиск, механічні переміщення, широко використовуються первинні резистивні перетворювачі (реостатні, тензометричні, терморезистивні, резистивно-електролітичні тощо). Вони переважно знаходяться на значній віддалі від вторинних вимірювальних перетворювачів, і вплив опорів з’єднувальних ліній є джерелом додаткових похибок, які не враховуються при перевірці в умовах метрологічних лабораторій.

Метрологічну перевірку засобів вимірювання, які працюють із різноманітними резистивними перетворювачами, доцільно проводити за методом зразкової міри з використанням багатозначних мір опору. Велика кількість вимірювальних перетворювачів на промислових об’єктах обумовлює доцільність автоматизування процедури метрологічної перевірки, тому міри опору слід будувати на основі кодокерованих активних імітаторів опору. При цьому необхідно домагатися зменшення впливу залишкових параметрів комутаційних елементів, за допомогою яких міра опору вводиться у вимірювальний канал або під’єднується до входу того чи іншого приладу.

Для підвищення метрологічної надійності вимірювальних каналів контроль вторинних вимірювальних перетворювачів доцільно проводити разом з лініями зв'язку. Однак конструктивні особливості промислових об'єктів і дія шкідливих факторів на багатьох із них не дозволяють розміщувати кодокеровану міру опору безпосередньо біля точок під'єднання. Тому кодокеровані міри опору повинні забезпечувати можливість неспотвореного передавання значення зразкового опору на віддаль, а саме: імітувати необхідне значення опору в конкретних точках контрольованого об’єкта, що при використанні існуючих мір опору вимагає здійснення додаткових заходів, пов’язаних із забезпеченням компенсації впливу з’єднувальних ліній.

У промислових умовах на вимірювальні кола діють значні завади, які в існуючих імітаторах спричиняють додаткову похибку, що суттєво спотворює значення імітованого опору. Це вимагає розроблення методів забезпечення високої завадостійкості активних імітаторів опору.

Таким чином, створення кодокерованих мір опору, інваріантних до впливу з’єднувальних ліній, комутаційних елементів і завад, є актуальним.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тема дисертаційної роботи відповідає проблематиці досліджень кафедри, працівники якої розробляють теоретичні основи і технічні засоби для метрологічного забезпечення та сертифікаційних випробувань при виробництві та експлуатації промислової продукції. Основні результати роботи були використані при виконанні робіт за держбюджетними темами: “Достандартизаційні дослідження нових методів та засобів метрологічного забезпечення випробувань і контролю фізико-механічних і хімічних властивостей сучасних матеріалів та діагностика виробів і складних систем з їх застосуванням” за фаховим напрямком “Метрологія, стандартизація та сертифікація”, затвердженим наказом Міносвіти України від 13.02.97 р. № 37 “Про затвердження координаційних планів науково-дослідницьких робіт на 1997-1999 роки” та “Розроблення теоретичних засад оцінки якості енергоносіїв та створення на цій основі нових методів та засобів для індивідуального обліку спожитого тепла, води, газу та електроенергії” (номер держреєстрації 0102U001189), а також за “Угодою на проведення спільних науково-дослідних робіт” між Державним університетом “Львівська політехніка” та Спеціальним конструкторським бюро мікроелектроніки в приладобудуванні (СКБ МП) від 01.06.2000 р. Роботи в СКБ МП проводилися згідно з п.1.2.1 і п.1.3.2 “Програми розробки та освоєння виробів нової техніки ВО “Мікроприлад” і СКБ МП на 1995 – 2000 роки”, а також за іншими госпдоговірними темами.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є створення кодокерованих мір опору постійному струмові на основі активних імітаторів опору, інваріантних до впливу опорів ліній зв’язку, комутаційних елементів і завад, що призначені для метрологічного забезпечення засобів вимірювання в промислових умовах. Для досягнення поставленої мети необхідно виконати такі завдання:

- систематизувати вимоги до метрологічних характеристик кодокерованих мір опору, призначених для бездемонтажного контролю засобів вимірювання, вхідним інформативним параметром яких є опір;

- проаналізувати принципи побудови кодокерованих мір опору ;

- проаналізувати вплив опорів ліній зв’язку на похибку імітації опору в активних імітаторах опору;

- синтезувати кодокеровані міри опору, інваріантні до впливу опорів ліній зв’язку;

- розробити методи корекції похибок активних імітаторів опору;

- проаналізувати вплив завад і розробити методи його зменшення на похибку імітації опору;

- розробити і дослідити експериментальні зразки кодокерованих мір опору, впровадити їх у виробництво.

Об’єктом дослідження є кодокеровані міри опору.

Предметом дослідження є методи і засоби зменшення впливу опорів з’єднувальних ліній, комутаційних елементів та завад.

Методи дослідження базуються на використанні основних положень теорії вимірювань, теорії похибок, структурно-алгоритмічних методів підвищення точності, теорії лінійних електричних кіл, прикладних пакетів Mathcad 2000 Professional і Electronics Workbench. Теоретичні дослідження підтверджувались результатами модельного та натурного експерименту.

Наукова новизна роботи:

- Уперше запропоновано структури активних імітаторів опору, які є інваріантними до впливу опорів з’єднувальних ліній та комутаційних елементів, що дозволило передавати значення опору з нормованою точністю на необхідну відстань.

- Запропоновано комутаційний метод корекції напруги зміщення нульового рівня вузлів активних імітаторів опору, і на його основі розроблено методику метрологічної перевірки вимірювальних перетворювачів опору.

- Розроблено метод корекції адитивної і мультиплікативної систематичних похибок, що базується на визначенні дійсного коефіцієнта перетворення на підставі результатів допоміжних вимірювань і введенні поправки в кодокерований подільник напруги, що дало можливість звести похибки імітації опору до значення похибки зразкового резистора.

- На основі аналізу впливу завад на точність імітації опору запропоновано метод вирівнювання завад у лініях зв’язку за допомогою компенсаційної схеми та додаткових ємнісних зв’язків, що дозволило зменшити вплив завад нормального виду.

Практичне значення отриманих результатів. Результати проведених досліджень використано при проектуванні переносного калібратора-імітатора опору, напруги, струму типу МК4703 і кодокерованої міри опору і напруги системного призначення типу МК4704 для автоматизованої системи перевірки вимірювальних перетворювачів типу ЕП4700 – ЕП4703; низки аналогових вузлів (резистивних матриць, цифро-аналогових перетворювачів, вхідних і вихідних масштабних підсилювачів, широтно-імпульсних перетворювачів напруги) в гібридно-плівковому виконанні.

Особистий внесок здобувача. Основні результати дисертаційної роботи автор отримав самостійно, а окремі – у співавторстві, відповідно до наведеного списку літератури. У публікаціях, які написані у співавторстві, дисертантові належать:[1] – структура кодокерованої міри опору; [2] – математична модель імітованого опору з корекцією похибок; [3] – структура імітатора опору в схемі калібратора напруги, струму, опору; [4] – методика корекції адитивної складової похибки; [5] – метод компенсації впливу опорів ліній зв’язку за напругою; [7] – метод вибору діапазонів імітації опору, аналіз лінійності широтно-імпульсного подільника напруги; [8] – чотирипровідна схема під’єднання і принципова схема вхідного перетворювача струм-напруга; [9] – структурні схеми активних імітаторів з компенсацією впливу опорів ліній зв’язку, математичні моделі імітованого опору; [10] – методи та схеми компенсації впливу опорів ліній зв’язку; [11] – аналіз конструктивних особливостей промислових об’єктів, структурна схема активного імітатора опору з використанням мікропроцесора; [13] – метод вибору діапазонів імітації опору; [14] – метод компенсації впливу опорів ліній зв’язку за струмом.

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати роботи доповідалися на таких міжнародних та регіональних науково-технічних конференціях та симпозіумах:

- 6-ій Українській конференції з автоматичного управління “Автоматика – 99” (Харків, 1999р.);

- 25-ій Міжнародній конференції IMAPS (Польща, Жешув-Полянчик, 2001р.);

- 6-му Міжнародному симпозіумі “Технології мікроелектроніки та мікросистеми” (Львів, 2002р.);

- 8-ій Міжнародній конференції “Температура-2003” (Львів, 2003 р.);

- 4-ій Міжнародній науково-технічній конференції “Математичне моделювання в електротехніці, електроніці та електроенергетиці”(Львів, 2003 р).

Публікації. За результатами виконаних робіт опубліковано 14 робіт, 12 з них у фахових журналах. Отримано 1 патент на винахід.

Структура та обсяг робіт. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, списку літератури зі 106 найменувань та 3додатків. Загальний обсяг роботи становить 166 сторінок, зокрема 146 сторінок основного тексту, 73 рисунки і 12 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ

У вступі подано загальну характеристику дисертаційної роботи, обґрунтовано актуальність теми, сформульовано мету та завдання досліджень, охарактеризовано наукову новизну та практичну цінність одержаних результатів, наведено дані щодо апробації роботи та публікацій.

Перший розділ присвячено аналізу принципів побудови кодокерованих мір опору та особливостей їх використання для контролю вимірювальних приладів і перетворювачів опору в промислових умовах.

Контроль метрологічних характеристик засобів вимірювання на місці експлуатації дозволяє різко зменшити ймовірність експлуатації метрологічно несправного засобу вимірювання, суміщати процедуру метрологічної перевірки із зупинкою промислового об’єкта на капітальний ремонт чи профілактику, що знижує відповідні експлуатаційні витрати.

Розглянуто особливості розташування окремих складових вимірювальних каналів на промислових об’єктах і можливі способи під'єднання мір опору для проведення контролю метрологічних характеристик засобів вимірювання. Доцільним місцем під'єднання кодокерованих мір опору є комутаційні коробки в зоні під’єднання первинного перетворювача до вимірювального каналу, оскільки при цьому вторинний засіб перевіряється разом зі з'єднувальними лініями. Однак часто розташування зразкової міри в цьому місці неможливе через конструктивні особливості об’єкта і вплив дестабілізуючих факторів, таких як температура, вологість, радіація, викиди хімічних процесів та ін. Крім того, для організації контролю метрологічних характеристик засобів вимірювання необхідно забезпечити одночасне керування зразковою мірою і спостереження за значеннями вихідного сигналу вимірювального каналу. Тому зразкові міри повинні забезпечувати можливість передавання значення зразкового опору на відстань у конкретні точки контрольованого засобу з необхідною точністю.

При автоматизації процесу вимірювання широко застосовують багатоканальні вимірювальні системи та комплекси. Під’єднання міри опору до контрольованого засобу через серійний комутатор не завжди допустиме, оскільки пов’язане зі значним зниженням точності відтворення низькоомних опорів, що зумовлено наявністю перехідних опорів комутатора. У цьому випадку виникає потреба в багатоканальних мірах опору, інваріантних до впливу залишкових параметрів комутаційних елементів.

Для визначення вимог до метрологічних характеристик кодокерованиих мір опору проведено аналіз похибок серійних вимірювальних перетворювачів і мір опору. Показано, що вибір діапазонів, кратних десяти, в кодокерованих мірах опору, відповідно до рекомендації ДСТУ 3507-97, недоцільний, оскільки вимагає підвищення класу точності мір, хоча цю проблему можна розв’язати простіше. На рис.1 наведено графічні залежності допустимої відносної основної похибки від значення опору: крива 1 – для метрологічної перевірки серійних вимірювальних перетворювачів, з діапазонами перетворення відповідно до ГОСТ 13384-93, крива 2 – міри опору класу точності 0,02 із діапазонами імітації опору, кратними десяти, як вимагає ДСТУ 3507-97, крива 3 – міри опору класу точності 0,02 із запропонованими діапазонами 0..40, 40..80, 80..160, 160..320Ом. Як видно з порівняння кривих 2 та 3, запропонований вибір діапазонів забезпечує метрологічну перевірку проаналізованих вимірювальних перетворювачів на відміну від рекомендованого чинним стандартом, тобто немає необхідності у використанні мір опору вищих класів точності.

Проаналізовано існуючі методи та засоби побудови активних імітаторів опору і класифіковано їх за такими ознаками: за функцією перетворення; за способом формування коефіцієнта перетворення; за видом зв’язку між окремими колами; за способом під’єднання; за діапазоном відтворення опору; за видом керування процесом відтворення електричної величини; за характером використання. Цей аналіз дозволив встановити, що кодокеровані міри опору доцільно будувати на основі активних імітаторів, які складаються зі зразкового резистора, кодокерованого подільника напруги та двох операційних підсилювачів зі спільним джерелом живлення, оскільки вони містять мінімальну кількість елементів, легко реалізуються на серійній елементній базі та можуть забезпечити необхідні для промислових об’єктів метрологічні характеристики.

Рис.1. Залежності відносних похибок відтворення опору від значення опору.

У другому розділі синтезовано різні структури активних імітаторів опору інваріантних до впливу опорів ліній зв’язку.

Запропоновано структуру чотирипровідного активного імітатора опору, в якому для зменшення впливу опорів ліній зв’язку використано охоплення ліній зв’язку додатковими зворотними від’ємними зв’язками. При цьому функція перетворення з урахуванням впливу опорів ліній зв’язку описується виразом:

, (1)

де R0 – значення опору зразкового резистора; RL1 – значення опору лінії зв’язку під’єднаної послідовно зі зразковим резистором R0; – коефіцієнт передачі кодокерованого подільника напруги (КПН), значення якого пропорційне вхідному коду N.

Опорами ліній зв’язку, які увімкнені послідовно з високоомними входами вхідного і вихідного операційних підсилювачів, та опором з’єднувальної лінії, під’єднаної послідовно з вихідним опором вихідного підсилювача, можна знехтувати.

Систематичні похибки (абсолютна та відносна) від впливу опорів ліній зв’язку залежать тільки від опору з’єднувальної лінії RL1, а саме:

і . (2)

Для оцінювання ефективності чотирипровідної схеми активного імітатора опору порівняно з двопровідною, абсолютна похибка якої дорівнює 2RL, запропоновано ввести коефіцієнт послаблення впливу опорів ліній зв’язку Кп, виражений у децибелах:

. (3)

Як видно з виразу (3), збільшення коефіцієнта послаблення можливе у разі збільшення значення опору зразкового резистора R0. При цьому необхідно ввести додатковий резистивний подільник напруги (ДПН) з коефіцієнтом передачі д між виходом кодокерованого подільника напруги і входом операційного підсилювача DA2 (рис.2). Відповідно функція перетворення і коефіцієнт послаблення впливу опорів ліній зв’язку описуватимуться виразами:

та . (4)

Традиційно вибір діапазонів імітації опору здійснюється комутуванням відповідного зразкового резистора R0. Для підвищення ефективності послаблення впливу опорів ліній зв'язку пропонується вибір діапазонів імітації опору проводити комбінованим вибором значення R0 і д. При цьому зменшується кількість високоточних зразкових резисторів. Точність резисторів додаткового подільника може бути нижчою, оскільки точність передачі подільника визначається лише точністю відношення його резисторів, яка легко забезпечується використанням методу відношення в гібридно-плівковій технології.

Для компенсації впливу опору лінії зв’язку RL1 запропоновано компенсаційні схеми на операційних підсилювачах як за напругою, так і за струмом.

Компенсація за напругою полягає у виділенні спаду напруги на лінії зв’язку RL1 і відніманні його від вихідної напруги вхідного підсилювача. Коефіцієнт послаблення впливу опорів ліній у цьому випадку визначається таким виразом:

, (5)

де k1, k2 – коефіцієнти передачі прямого та компенсаційного каналів відповідно.

Рис.2. Структурна схема чотирипровідного активного імітатора опору.

Умовою компенсації впливу опорів ліній зв’язку є забезпечення рівності k1=k2=kн, де kн – номінальне значення коефіцієнтів передачі каналів. Точність компенсації визначається відхиленням коефіцієнтів передачі k1 і k2 від номінального значення. При цьому значення мінімального коефіцієнта послаблення становить:

, (6)

де , – значення відносної похибки коефіцієнтів k1 і k2, відповідно.

Компенсація за струмом полягає у формуванні компенсаційного струму Ik, пропорційного спаду напруги на опорі лінії зв’язку. Запропонована структурна схема активного імітатора з компенсацією впливу опору ліній зв’язку за струмом наведена на рис.3.

Схема компенсації сформована на операційному підсилювачі DA2 з резисторами R1, R2 і R3. Функція перетворення описується виразом:

. (7)

Компенсація впливу опорів ліній зв’язку здійснюється при виконанні рівності R2R0=R3R1.

Рис.3. Структурна схема активного імітатора опору з компенсацією опорів ліній зв’язку за струмом.

Коефіцієнт послаблення впливу опорів ліній зв’язку визначається похибками ?R0, дR1, дR2, дR3 резисторів R0, R1, R2, R3, відповідно, і, за умови що значення модулів відносних похибок резисторів не перевищують нормованого значення ?, його мінімальне значення становитиме:

. (8)

На рис. 4 наведені графічні залежності коефіцієнта послаблення впливу опорів ліній зв’язку Кп від ?: 1 – при застосуванні чотирипровідної схеми під'єднання, 2 – при застосуванні додаткового подільника напруги з д = 0.1, 3 – при застосуванні додаткового подільника напруги з д = 0.01, 4 – у випадку застосування компенсаційної схеми за струмом при похибці резисторів 0,02%. У першому випадку отримаємо послаблення впливу опорів ліній зв'язку понад 6дБ (2 рази), у другому випадку – понад 26 дБ (20 разів), у третьому випадку – понад 46 дБ (120 разів) і понад 68 дБ (2,5 103 разів) в останньому випадку.

Запропоновано структури активних імітаторів опору з функцією передачі Rім=R0(1-), у яких для компенсації впливу опорів ліній зв’язку також використано чотирипровідну схему під’єднання та компенсаційні схеми.

На основі структурних схем активних імітаторів із компенсацією впливу опорів ліній зв’язку запропоновано багатодіапазонні схеми активних імітаторів опору з компенсацією впливу залишкових опорів комутаційних елементів, які використовуються при виборі діапазонів імітації опору, а також при введенні міри опору у вимірювальний канал. Для зменшення кількості комутаційних елементів запропоновано комбінований вибір діапазонів із використанням додаткового подільника напруги.

Рис.4. Залежності Кп від .

У третьому розділі проаналізовано вплив різних джерел похибок і завад на точність імітації опору.

Основними джерелами похибок активних імітаторів опору є похибки зразкового резистора R0 і коефіцієнта передачі кодокерованого подільника напруги , неідеальність характеристик операційних підсилювачів, термоелектричні та контактні е.р.с., опори з’єднувальних ліній

Загальна похибка зразкового резистора залежить від точності підгонки його значення до номінального, від зміни зовнішньої температури, від зміни температури при проходженні вхідного струму і від зміни опору з часом. Похибка резистивних кодокерованих подільників напруги визначається точністю відношень значень резисторів і залишковими параметрами елементів комутації. Основними джерелами похибок, які виникають через неідеальність характеристик операційних підсилювачів, є еквівалентна напруга зміщення нульового рівня, вхідні струми, вхідні й вихідні опори, обмежені значення коефіцієнта підсилення й коефіцієнта послаблення синфазного сигналу.

Показано, що у разі нехтування похибками від впливу вхідних струмів, вхідних і вихідних опорів адитивна і мультиплікативна систематичні похибки описуються виразами:

, (9)

, (10)

де e1, e2, eКПН – напруги зміщення операційних підсилювачів і КПН відповідно; k1, k2 – коефіцієнти підсилення операційних підсилювачів; ?R0 – похибка зразкового резистора; ?м – похибка коефіцієнта передачі КПН; Mсф – коефіцієнт послаблення синфазного сигналу вихідного операційного підсилювача.

При використанні операційних підсилювачів з коефіцієнтом підсилення понад 100 тисяч і коефіцієнтом послаблення синфазного сигналу від 100 дБ похибками від коефіцієнта підсилення і коефіцієнта послаблення синфазного сигналу для активних імітаторів опору класу точності 0,01-0,05% можна також знехтувати. При цьому адитивна похибка в основному виникає від напруги зміщення нульового рівня операційних підсилювачів.

Для корекції адитивної складової похибки імітації опору запропоновано використання комутаційного методу, суть якого полягає в усередненні двох значень імітованого опору при зміні напрямку проходження вхідного струму. Оскільки знак адитивної похибки залежить від напрямку вхідного струму, то

, або (11)

і при усередненні двох значень імітованого опору усувається систематична складова похибки від напруги зміщення нульового рівня. На основі цієї властивості розроблено методику метрологічної перевірки резистивних вимірювальних перетворювачів активними імітаторами опору.

Запропоновано метод узагальненої корекції систематичних похибок з аналого-цифровим перетворенням напруги в точках а, б, 1 та на виході операційного підсилювача DA1 (рис.5) і наступною обробкою на мікропроцесорі. При цьому дійсна функція перетворення активного імітатора опору описується виразом:

, (12)

де Ua, Uб, U1, UDA1 – значення напруги в точках а, б, 1 і на виході операційного підсилювача DA1, відповідно; д – дійсний коефіцієнт передачі.

При неідентичності дійсного д і заданого з коефіцієнтів передачі запропоновано проводити адитивну, мультиплікативну або комбіновану корекцію.

При адитивній корекції після кожної зміни вхідного коду на додатковий аналоговий вхід КПН вводиться напруга корекції

. (13)

При мультиплікативній корекції на вхід КПН подається скоригований код , де k – коригуючий коефіцієнт, який обчислюється за формулою:

. (14)

Рис.5. Структурна схема активного імітатора опору з аналого-цифровою корекцією коефіцієнта передачі: АЦП – аналого-цифровий перетворювач, ДЗН – джерело зразкової напруги, ЦАП – цифро-аналоговий перетворювач, МП – мікропроцесор, ІБ – інтерфейсний блок.

Встановлено, що найбільш оптимальним варіантом є адитивна корекція на початку діапазону і мультиплікативна - в кінці діапазону.

Якщо похибки результатів всіх вимірювань попарно некорельовані, то похибка імітації опору визначатиметься похибками зразкового резистора R0 і АЦП АЦП, а саме:

. (15)

При використанні АЦП з нехтовно малими значеннями випадкової похибки і похибки нелінійності систематичні похибки АЦП компенсуються і похибка імітації опору визначатиметься в основному похибкою зразкового резистора.

Для зменшення випадкових похибок мікропроцесор забезпечує усереднення результатів окремих вимірювань і обчислює дійсний коефіцієнт передачі за формулою:

, (16)

де n – кількість вимірювань.

Перевагою запропонованого методу є можливість проведення корекції без від’єднання активного імітатора опору від об'єкта і без переривання процесу перевірки.

Проаналізовано також вплив завад в активних імітаторах опору, оскільки вони можуть значно впливати на похибку відтворення опору.

Окремі з’єднувальні лінії мають різні паразитні зв’язки з джерелами завад, унаслідок чого в кожній лінії можуть наводитися завади нормального виду різних значень. При одночасному наведенні завад в усіх лініях зв’язку абсолютна похибка від впливу завад дорівнює:

, (17)

де ез1, ез2, ез3, ез4 – значення напруги завад у відповідних лініях; k – коефіцієнт підсилення операційного підсилювача DA2.

Послаблення завад у третій лінії забезпечується завдяки зворотному зв’язку вихідного підсилювача, в колі якого знаходиться ця лінія, а отже, ефективність послаблення завад залежить лише від коефіцієнта підсилення вихідного підсилювача. При рівності завад у першій, другій і четвертій лініях відбувається повна компенсація впливу завад нормального виду. Для цього необхідно домагатися рівності параметрів гальванічних зв’язків між джерелом завад і окремими лініями зв’язку.

Для вирівнювання промислових синусоїдальних завад нормального виду запропоновано схему, наведену на рис.6.

Рис. 6. Еквівалентна структурна схема з компенсацією впливу завад нормального виду.

Схема формування компенсаційного струму (СФКС) формує струм, при якому забезпечується рівність ез1-ез2=ІkR0. СФКС можна реалізувати на операційному підсилювачі з резисторами у зворотному зв’язку, як показано на рис.3. При цьому похибка від різниці завад у першій і другій лініях визначається похибкою формування струму. Для компенсації похибки від різниці завад у другій і четвертій з’єднувальних лініях введено додатковий ємнісний зв’язок між точками імітації опору, а також у зворотному зв’язку операційного підсилювача DA1.

Коефіцієнт послаблення завад дорівнює:

, (18)

де - кругова частота завади.

Показано, що коефіцієнт послаблення зростає на 20дБ при збільшенні значення опору додаткового резистора або ємності конденсатора С1 на порядок, а також що оптимальне значення ємності конденсатора С2 становить 10 Ф (рис.7).

Додаткові ємнісні зв’язки впливають на час встановлення вихідного сигналу. Він збільшується при збільшенні значення опору додаткового резистора та ємності конденсаторів (рис.8). Розраховано, що при R=100 кОм, C1=10Ф, C2=10 Ф час встановлення дорівнює 4,27 с, при R=10 кОм, C1=10Ф, C2=100 Ф – 4,56 с, при R=10 кОм, C1=100 Ф,C2=10 Ф – 0,72 с, а при R=10 кОм, C1=10 Ф,C2=10 Ф – 0,44 с.

На основі аналізу проходження завад спільного виду через вимірювальні кола активних імітаторів показано, що для зменшення їх впливу необхідно точку об’єкта з більшим значенням завади під’єднувати до виходу вихідного підсилювача. Проаналізовано ефективність застосування гальванічного розділення аналогової і цифрової частин в активних імітаторах опору для зменшення впливу завад спільного виду. У чотирипровідних активних імітаторах опір контуру проходження струму від завад спільного виду визначається вихідним опором джерела завад, опором з’єднувальної лінії RL1 і зразкового резистора, а також опором між аналоговою і цифровою частинами імітатора. При цьому коефіцієнт послаблення завад, виражений у децибелах, визначається:

, (19)

де Xc – ємнісний опір між аналоговою і цифровою частинами імітатора опору, Rвих.е – еквівалентне значення вихідного опору джерел завад.

Коефіцієнт послаблення завад залежить переважно від значення ємності між аналоговою і цифровою частинам, а також від значення опору зразкового резистора. При ємності від 10 до 1000 пФ і значенні опору зразкового резистора R0 =1кОм забезпечується послаблення від 70 до 110 дБ, а при R0 =10кОм – від 50 до 90 дБ.

Четвертий розділ містить аналіз практичного впровадження основних результатів дисертаційної роботи.

Отримані результати використано при проектуванні в СКБ Мікроелектроніки в приладобудуванні (м. Львів) переносного калібратора-імітатора типу МК4703 і кодокерованої міри типу МК4704.

Переносний калібратор – імітатор опору, напруги та струму МК4703 призначений для імітування сигналів первинних терморезистивних, термоелектричних перетворювачів температури при ремонтно – налагоджувальних роботах і перевірці теплотехнічних засобів вимірювання, регулювання і сигналізації в міських теплоелектромережах, а також для імітації сигналів резистивних перетворювачів, зокрема тензометричних, для налагодження і перевірки інформаційно-вимірювальних систем, що використовуються в експериментальній аеродинаміці при випробовуваннях в аеродинамічних трубах. У цьому калібраторі використано чотирипровідне під’єднання для зменшення впливу опорів ліній зв’язку, комбінований вибір діапазонів за допомогою зразкового резистора і додаткового подільника напруги, метод корекції адитивної похибки. Калібратор має чотири діапазони 10, 100, 1000 і 10000 Ом. Значення граничної допустимої зведеної похибки на діапазоні 0..10 Ом дорівнює 0,05% і 0,02% на інших діапазонах. На діапазоні 0..10 Ом коефіцієнт послаблення впливу опорів ліній зв’язку становить 50 дБ.

Кодокерована міра опору та напруги МК4704 призначена для автоматизованої системи контролю і повірки основних метрологічних характеристик вимірювальних перетворювачів ЕП4700 АС, ЕП4701 АС, ЕП4702 і ЕП4703. Для компенсації впливу опорів ліній зв’язку і комутаційних елементів застосовано чотирипровідну схему під’єднання зі схемою компенсації за струмом. Калібратор має чотири діапазони 0..40, 40..80, 80..160, 160..320 Ом. Значення граничної допустимої похибки на цих діапазонах нормується при зміні опору ліній зв’язку від 0 до 10 Ом і становить 0,02; 0,015; 0,015; 0,01%, відповідно.

Результати досліджень були використанні також при розробці калібраторів–імітаторів у гібридноплівковому виконанні в СКБ МП. З метою уніфікації низка вузлів, зокрема, резистивні матриці, цифроаналоговий перетворювач, масштабний підсилювач і підсилювачінвертор, виконано у вигляді інтегральних гібридних мікросхем, виробництво яких налагоджено на ВО “Мікроприлад”.

ВИСНОВКИ

1. На основі аналізу умов застосування вимірювальних перетворювачів опору і вимірювальних каналів загалом на промислових об’єктах систематизовано основні вимоги до метрологічних характеристик мір опору, призначених для бездемонтажного контролю засобів вимірювання. Показано необхідність розробки кодокерованих мір опору, інваріантних до впливу опорів з’єднувальних ліній, комутаційних елементів і завад.

2. Проведено аналіз існуючих принципів побудови кодокерованих мір опору на основі активних імітаторів опору, визначено їх основні переваги та недоліки, класифіковано відомі структури активних імітаторів опору і визначено напрямки їх побудови та вдосконалення.

3. На основі порівняльного аналізу метрологічних характеристик серійних мір опору та резистивних перетворювачів показано, що найпростішим методом досягнення точності, необхідної для перевірки вимірювальних перетворювачів, є раціональний вибір діапазонів.

4. Синтезовано і досліджено різні структури активних імітаторів опору, інваріантних до впливу опорів ліній зв’язку і комутаційних елементів. Для повної компенсації впливу опорів ліній зв’язку і комутаційних елементів запропоновано відповідні компенсаційні схеми за напругою, за струмом і комбіновані.

5. Отримано аналітичні вирази для оцінювання ефективності послаблення впливу опорів ліній зв’язку. Показано, що застосування в чотирипровідних активних імітаторах опору додаткових резистивних подільників напруги дозволяє зменшити вплив опорів ліній зв’язку щонайменше на 26 дБ (20 разів), а застосування компенсаційних схем– щонайменше на 68 дБ (2,5103 разів).

6. Показано, що зміну діапазонів імітації опору доцільно здійснювати комбінованим вибором зразкового резистора і коефіцієнта ділення додаткового подільника. При цьому досягається зменшення кількості високоточних резисторів і комутаційних елементів.

7. Для корекції адитивної систематичної складової похибки запропоновано структурні схеми з автоматичною корекцію напруг зміщення нульового рівня операційних підсилювачів, а також зі зміною напрямку проходження струму.

8. Розроблено методику метрологічної перевірки вторинних вимірювальних перетворювачів на основі активних імітаторів опору зі зміною полярності вхідного струму, яка суттєво спрощує процес перевірки.

9. Запропоновано метод корекції адитивної і мультиплікативної систематичних похибок, що базується на визначенні дійсного коефіцієнта перетворення на підставі результатів допоміжних вимірювань і введенні поправки в кодокерований подільник напруги, що дало можливість звести похибки імітації опору до значення похибки зразкового резистора.

10. Показано, що застосування компенсаційної схеми за струмом зменшує вплив завад нормального виду в першій лінії зв’язку. Поєднання компенсаційної схеми і додаткових ємнісних зв’язків зменшує вплив завад в усіх лініях. При цьому досягається послаблення завад 30-50дБ.

11. Показано, що коефіцієнт послаблення завад спільного виду в чотирипровідних активних імітаторах опору визначається значенням опору зразкового резистора і ємності між аналоговою і цифровою частинами імітатора. Для забезпечення послаблення завад понад 60 дБ значення ємності не повинно перевищувати 800 пФ.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Бойко О.В., Столярчук П.Г., Яцук В.О. Переносна багатозначна міра опору // Вимірювальна техніка та метрологія. – 1999. – №54. – С. 39-42.

2. Бойко О.В., Столярчук П.Г., Яцук В.О. Кодокерована міра провідності // Вісник ДУ “Львівська політехніка”, “Автоматика, вимірювання та керування”. – 1999. – №366. – С. 167-170.

3. Лилак В.І., Бойко О.В., Яцук В.О. Переносні багатозначні калібратори для перевірки температурних каналів технічних систем на місці експлуатації // Вестник Харьковского Государственного Политехнического Университета. – 1999. – Выпуск 71. – С. 94-96.

4. Бойко О.В., Столярчук П.Г., Яцук В.О., Матвіїв В.І. Покращання метрологічних характеристик серійних переносних калібраторів опору, напруги, струму // Вимірювальна техніка та метрологія. – 2000. – №56. – С.78-81.

5. Бойко О.В., Столярчук П.Г., Яцук В.О. Імітатори опору, інваріантні до впливу опорів ліній зв’язку // Вимірювальна техніка та метрологія. – 2000. – №57. – С. 43-46.

6. Бойко О.В. Компенсація впливу опорів ліній зв’язку в кодокерованих мірах опору // Вимірювальна техніка та метрологія. – 2001. – №58. – С.59-62.

7. Бойко О., Готра О., Каліта В. Активний імітатор зразкового опору з часо-імпульсним перетворенням в гібридно-плівковому виконанні // Вимірювальна техніка та метрологія. – 2001. – №58. – С. 113-116.

8. Бойко О., Готра О. Мікроелектронна багатозначна міра опору, напруги та струму // Вісник НУ “Львівська політехніка”, “Електроніка”. – 2001. – №423. – С. 31-35.

9. Бойко О.В., Столярчук П.Г. Компенсація впливу опорів ліній зв’язку в активних імітаторах опору з функцією передачі Rім=R0(1-) // Вісник НУ “Львівська політехніка”, “Автоматика, вимірювання та керування”. – 2002. – №445. – С. 167-171.

10. Boyko О., Hotra О., Stolyarchuk Р. Structure methods of compensation of communication lines influence by current in active resistance simulators // Вісник НУ “Львівська політехніка”, “Елементи теорії та прилади твердотілої електроніки”. – 2002. – №458. – С. 218-223.

11. Бойко О.В., Столярчук П.Г., Яцук В.О., Крохмальний Б.І. Підвищення метрологічної надійності вимірювальних каналів енергетичних об’єктів // Вісник НУ “Львівська політехніка”, “Електроенергетичні та електромеханічні системи”. – 2003. – №487. – С. 33-36.

12. Бойко О. Вплив завад у чотирипровідних активних імітаторах опору // Вимірювальна техніка та метрологія. – 2003. – №62. – С. 28-31.

13. Hotra О., Boyko О. Active simulator of standard resistance with time-pulse transformation in hybrid film performance // Proceedings of the XXV International conference IMAPS. – Poland. – 2001. – P. 305-308.

14. Деклараційний патент на винахід № 47170 Україна, G01R27/00. Імітатор електричного опору / Бойко О.В., Столярчук П.Г., Яцук В.О. – №2001085761; Заявл.14.08.2001; Опубл. 17.06.2002, Бюл.№6. – 3 с.

АНОТАЦІЯ

Бойко О.В. Кодокеровані міри опору для метрологічного забезпечення засобів вимірювання в промислових умовах. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.11.05 – прилади та методи вимірювання електричних та магнітних величин. – Національний університет “Львівська політехніка”, Львів, 2004.

Дисертаційна робота присвячена розробці кодокерованих мір опору на основі активних імітаторів опору, інваріантних до впливу опорів ліній зв’язку, комутаційних елементів і завад. Для компенсації впливу опорів ліній зв’язку на похибку імітації опору запропоновано компенсаційні схеми за напругою, струмом і комбіновані. Показано, що застосування додаткових резистивних подільників напруги дозволяє зменшити вплив опорів ліній зв’язку щонайменше на 26 дБ (20 разів), а застосування компенсаційних схем – щонайменше на 68 дБ (2,5103 разів). Запропоновано структурні схеми з автоматичною корекцією напруг зміщення, а також зі зміною напрямку протікання струму для корекції адитивної складової похибки. Введення компенсаційної схеми і додаткових ємнісних зв’язків дозволяє зменшити вплив завад нормального виду.

Ключові слова: міра опору, активний імітатор, інваріантність, корекція похибок, коефіцієнт послаблення.

АННОТАЦИЯ

Бойко О.В. Кодоуправляемые меры сопротивления для метрологического обеспечения средств измерений в промышленных условиях. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.11.05 – приборы и методы измерения электрических и магнитных величин. - Национальный университет “Львивська политэхника”, Львов, 2004.

Диссертационная работа посвящена разработке кодоуправляемых мер сопротивления на базе активных имитаторов сопротивления, инвариантных к влиянию сопротивлений линий связи, коммутационных элементов и помех. Для обеспечения высокой надежности промышленных средств измерения необходимо эффективное метрологическое обеспечение, основу которого составляют образцовые средства поверки. Контроль метрологических характеристик средств измерения на месте эксплуатации резко снижает вероятность эксплуатации метрологически неисправного средства измерения, позволяет учесть основные факторы погрешностей, а также уменьшить экономические затраты, связанные с демонтажом средств измерения. При этом из-за конструктивных особенностей объекта, влияния остаточных параметров коммутационных элементов и влияющих факторов, кодоуправляемые меры сопротивления должны осуществлять передачу единиц электрического сопротивления на расстояние с необходимой точностью.

Для компенсации влияния сопротивлений линий связи предложены компенсационные схемы по току, по напряжению и комбинированные. Получены аналитические выражения для оценки эффективности предложенных структур. Показано, что применение дополнительных делителей напряжения обеспечивает уменьшение влияния сопротивлений линий связи минимум на 26дБ (20 раз), а применение компенсационных схем – на 68 дБ (2,5103 раз).

Предложен способ коррекции аддитивной систематической погрешности изменением направления прохождения тока. На его основе разработана методика поверки измерительных преобразователей сопротивления.

Предложен способ коррекции аддитивной и мультипликативной систематической погрешности, который основывается на определении действительного коэффициента преобразования активного имитатора сопротивления по результатам измерения напряжения в определенных точках и введении поправки в кодоуправляемый делитель напряжения. При этом погрешность имитации сопротивления определяется, в основном, погрешностью образцового резистора.

Для подавления помех нормального вида предложено использование компенсационной схемы и дополнительных емкостных связей.

Показано, что коэффициент подавления помех общего вида в четырехпроводных активных имитаторах сопротивления в основном определяется значением сопротивления образцового резистора и значением емкости между аналоговой и цифровой частями. Для обеспечения коэффициента подавления помех более 60 дБ значение емкости не должно превышать 800 пФ.

Спроектированы, исследованы и внедрены в промышленную эксплуатацию калибраторы – имитаторы сопротивления, напряжения и тока МК4703 и МК4704.

Ключевые слова: мера сопротивления, активный имитатор, инвариантность, коррекция погрешностей, коэффициент подавления.

ABSTRACT

Boyko O.V. Code-controlled resistance measures for measuring instrument metrological assurance in industrial conditions. – Manuscript.

The dissertation on competition of a scientific degree of the candidate of engineering science by speciality 05.11.05 - devices and methods for measurement of electrical and magnetic sizes. - National University " Lvivska Politechnika ", Lviv, 2004.

The dissertation is devoted to designing code-controlled resistance measure on the base of active resistance simulators, which are invariant both to the wire and switches resistance and the noise influence. For compensation of the resistance simulation error, caused by the wire resistance influence, the voltage, current and combined compensation circuits are proposed. It is shown that the application of the additional resistance voltage dividers allows to decrease the influence of wire