Содержание к диссертации
Стр.
В в е д е н и е 5
Глава I. СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ И СРЕДСТВА
ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПЕРЕМЕННЫХ
СИГНАЛОВ 14
Вводные замечания 14
Анализ методов цифрового измерения ППС 16
Методы измерения МЗС 2І
Методы измерения СВЗС 23
Методы измерения СНЗС 26
Методы измерения активной мощности 36
Методы измерения коэффициента мощности зв
Способы построения аналоговых квадраторов 42.
Способы построения аналоговых множительных устройств 46
В ы в о д ы ц
Глава П."ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДИЧЕСКИХ ПОГРЕШНОСТЕЙ
ЦИФРОВЫХ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЯ ППС И ВОЗМОШЮСТЕЙ
ИХ МИНИМИЗАЦИИ 59
Вводные замечания 53
Анализ методических погрешностей измерения энергетических ППС на основе дискретного преобразования сигналов 60
Оценка методической погрешности измерения АН и СКЗС с перемножением одновременных интегральной и мгновенной выборок сигналов .. 61
Оценка методической погрешности измерения AM и СКЗС с перемножением разновременных интегральной и мгновенной выборок сигналов .. 66
Оценка методической погрешности измерения AM и СКЗС периодических входных сигналов произвольной формы 72.
2.3. Исследование возможностей уменьшения
методической погрешности усреднения
при измерении ППС 76
Синтез оптимальных ВФ для эффективного усреднения выходной величины ЇЇПП 78
Методика инженерного расчета параметров синтезируемой ВФ 91
Основные результаты и выводы . 34
Глава Ш. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ
ПРОМЕЖУТОЧНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ С ЛИНЕЙНОЙ
ФУНКЦИЕЙ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ №
Вводные замечания Ш
Разработка преобразователя максимального
значения в постоянное напряжение *оЗ
3.3. Разработка преобразователей мгновенного
значения сигнала в интервал времени J09
3.3.1. Разработка ИПП с индуктивным
запоминающим элементом &S
Разработка ИПП с емкостным запоминающим элементом U5
Разработка ИПП с емкостным запоминающим элементом повышенной точности
и быстродействия , 122
3.4. Разработка ЦСЙ средневыпрямленного значения
сигнала с весовым усреднением 1*0
Основные результаты и выводы ізб
Глава ІУ. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ /38
Вводные замечания &в
Разработка и исследование АМУ с перемножением одновременных интегральных выборок сигналов .... 1*э
Синтез структуры АШГ , из
Исследование методической погрешности измерения Ш на основе перемножения интегральных значений с неодинаковым
временем интегрирования Н5
4.3. Синтез структуры АМУ интегральных значений
с разновременной выборкой мз
4.4. Синтез одноканальной структуры АМУ интегральных
значений сигналов повышенного быстродействия ... і53
-ч-
4-,5. Синтез структур АМУ интегрального
и мгновенного значений сигналов 156
4.6. Синтез структур АМУ мгновенных
значений сигналов Ш
4.7. Разработка новых способов построения и структур
аналоговых квадраторов с непрерывным
преобразованием ,,, *б*
Разработка квадратичных ПІЇЧ повышенного быстродействия 1б<
Разработка аналогового квадратора
с непрерывным преобразованием входного сигнала
в постоянное напрянение І74
Основные результаты и выводы ібі
Глава У. РАЗРАБОТКА ЦСИ ПАРАМЕТРОВ ПЕРЕМЕННЫХ СИГНАЛОВ.. №
Вводные замечания ' 184
Цифровой вольтметр амплитудного значения івн
Разработка цифровых измерителей
коэффициента мощности , iss
5.3.1. Цифровой измеритель коэффициента модности
на основе ПНВ , ; 19?
5.3.2. Цифровой измеритель КМ на основе
интегрирующих дискретизаторов 200
5.4. Цифровой вольтметр СКЗС с весовые усреднением .. гоз
В ы в о д ы 207
3 А К Л Ю Ч Е Н И Е 203
литера тура га
П Р И Л 0 Ж Е Н И Е I ги
ПРИЛОЖЕНИЕ П
Введение к работе
Актуальность проблемы. В соответствии с "Основными направлениями экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года" важная роль в осуществлении программы технического перевооружения народного хозяйства, перевода его на интенсивный путь развития отводится приборостроительной отрасли.
Задачи интенсификации и автоматизации производственных процессов, проведения все более сложных и многообразных научных и технических экспериментов требуют непрерывного совершенствования и улучшения метрологических и других технико-экономических показателей средств измерений и, в особенности, цифровых средств измерения (ЦСИ). Только с применением ЦСИ можно реализовать те огромные перспективы, которые открываются в настоящее время практически обеспеченной возможностью широкого внедрения средств вычислительной техники.
ДСИ параметров переменных сигналов (ШІС) составляют особую группу средств измерений, характеризующихся спецификой реализуемых в них методов измерительного преобразования и задач их дальнейшего развития и совершенствования. Эта специфика, прежде всего,обусловлена необходимостью выполнения в ЦСИ ППС высокоточных функциональных преобразований сигналов, так как большинство измеряемых параметров сигналов переменного тока связано с их мгновенными значениями сложными нелинейными зависимостями. Уже многие годы, несмотря на общественно-осознанную остроту проблемы и многочисленные попытки ее решения, уровень метрологических характеристик ДСИ ППС продолжает
-б-
оставаться существенно более низким по сравнению с ЦСИ сигналов постоянного тока. Положение усугубляется все увеличивающейся потребностью в подобных средствах измерения, прежде всего, в связи с ростом выработки электроэнергии и соответствующим увеличением её потребителей в самых различных отраслях народного хозяйства. Для характеристики состояния в рассматриваемой области измерений достаточно привести такой факт [і]: из-за неточности ЦСЙ ППС (в частности, счетчиков электроэнергии) неучтенная электроэнергия составляет 86 млрд. киловатт-часов в год, что примерно соответствует суммарной годовой выработке электроэнергии всеми электростанциями СССР в 1950 г.
Область применения ЦСЙ ППС далеко не ограничивается измерением разнообразных параметров (амплитудного, ередневыпрямленного, среднеквадратического значений, мощности, коэффициента мощности, энергии и т.д.) тока и напряжения в силовых электрических сетях.
Расширение номенклатуры и рост количества датчиков, измерительные цепи которых питаются напряжением переменного тока, также увеличивает потребность в высокоточных ЦСЙ ППС. Наконец, основные принципы построения и средства реализации ЦСИ ППС практически без каких-либо существенных изменений и особенностей используются в статистических измерительных приборах и системах, выпуск которых в последние годы происходит все нарастающими темпами.
Состояние проблемы и задачи исследования. Испытываемый народным хозяйством страны острый дефицит в ЦСИ ППС обусловил повышенное внимание к проблеме улучшения их метрологических и технических характеристик и вовлечение в сферу ее решения все более широкого круга специалистов. Объективным отражением
этого является практически необозримое число публикаций по данной тематике. Ни в одной другой области измерительной техники нет такого многообразия принципов и структурных и схемотехнических вариантов построения средств измерения. Надо признать, что в последние годы усилиями научных коллективов, возглавляемых Бахмутским Б.Ф., Волгиным Л.И., Витенчуком И.М., Гитисом Э.К., Кизиловым В.И., Клисториным И.Ф., Малиновским В.Н., Мартяшиным А.И., Орнатским П.П., Поповым B.C., Пасынковым Ю.А., Смоловым Б.В., Скрипником А.Ю., Тузом Ю.М., Шаховым' Э.К., Швецкиы Б.И., Шляндиным В.М. и других, достигнуты определенные успехи в разработке целого ряда ЦСИ ППС, характеристики которых близки к уровню современных требований, впервые были промышленно освоены электронные цифровые ваттметры и счетчики энергии, цифровые мультиметры переменного тока и т.п. Но тем не менее нерешенных задач остается еще достаточно много. Сохраняется разрыв примерно на два-три порядка в классах точности ЦСИ сигналов постоянного и переменного тока. О сложности возникающих при создании ЦСИ ППС проблем говорит, например, тот факт [2], что первые цифровые вольтметры средненвадратического значения (Ф48Б, Ф480 - конца 60-х гг., Ф220 - середины 70-х гг.) после непродолжительного серийного выпуска были сняты с производства как нетехнологичные, неудачей окончился и ряд других попыток серийного освоения таких вольтметров.
Выпускаемый с 1978 года цифровой мультиметр Ф4-852 [З] имеет весьма узкий, а главное, ограниченный сверху частотный диапазон (не выше 5 кГц), причем класс его точности 0,2) в режиме измерения средненвадратического значения напряжения и тока далеко не удовлетворяет возросшим требованиям.
Вполне естественно, что не в лучшем состоянии находится и метрологическое обеспечение измерений ППС U].
Как уже отмечалось, актуальность рассматриваемой проблемы стимулировала поиск ее принципиально новых решений. Можно утверждать, что в настоящее время не существует известных физических эффектов, которые с учетом сложности их воспроизведения техническими средствами не были бы взяты на вооружение разработчиками ЦСИ ППС. Поэтому принципы их построения характеризуются определенной устойчивостью (они почти не обновляются). В таких условиях возможность прогресса зависит лишь от уровня элементной базы. На современном этапе общеизвестные успехи в совершенствовании элементной базы (главным образом, появление линейных и цифровых ИМС и повышение степени их интеграции) открыли совершенно новые возможности реализации известных, а в ряде случаев "хорошо забытых" принципов построения ЦСИ ППС. Только этим объясняется тот заметный качественный скачок в развитии ЦСИ ППС, о котором говорилось выше. Однако представившиеся возможности реализованы еще далеко не в полной мере, остается значительный резерв улучшения метрологических характеристик ЦСИ ППС путем более полного использования алгоритмических и структурных методов. В этом смысле особенно перспективным представляется применение указанных методов для построения ЦСИ ППС, основанных на дискретном во времени функциональном преобразовании входных сигналов, причем необходимые операции могут осуществляться как с их мгновенными, так и в особенности с интегральными выборками. Предпочтительность оперирования с интегральными выборками объясняется двумя причинами. Во-первых, в большинстве случаев при измерениях на переменном токе определению подлежат интегральные
-э-
параметры сигналов (исключение составляют лишь мгновенные и экстремальные их значения). Во-вторых, преобразователи интегральных значений сигналов отличаются наиболее высокой точностью, простотой схемы и формой представления информации (частота, интервал времени), весьма удобной для реализации последующих функциональных преобразований. Б ряде случаев оказывается возможным и совмещение в интегрирующем преобразователе обеих указанных операций, т.е. преобразования формы информации и реализации требуемой функциональной зависимости между входной и выходной величинами.
Улучшение метрологических характеристик ЦСИ ППС с дискретным преобразованием требует решения ряда теоретических и практических задач. Б числе теоретических следует выделить две главные задачи.
Основными операциями функционального преобразования в ЦСИ энергетических ППС являются операции умножения и квадратирова-ния, причем последняя операция в ЦСИ ППС с дискретным преобразованием, как правило, также сводится к умножению. Дискретный характер процесса преобразования порождает методическую погрешность измерения ППС. Поэтому первой из упомянутых задач теоретического исследования является оценка методической погрешности при различных сочетаниях характера перемножаемых выборок сигналов (мгновенных и интегральных), их взаимном расположении во времени (одновременная и разновременная выборка) и возможных формах входных сигналов (гармонической и произвольной). В известных работах, посвященных данному вопросу, например, [3,5,6] рассмотрены далеко не все практически встречающиеся сочетания указанных условий.
Другой важной операцией, осуществляемой в ЦСИ ППС при изме-
рении любых параметров (не только энергетических), является операция усреднения, определяющая такой важный показатель, как время измерения. В последние годы в связи с повышением точности аналогового интегрирования при выполнении операции усреднения все чаще традиционному методу фильтрации предпочитают метод весового интегрирования как обеспечивающий более высокое быстродействие. В связи с этим возникает вторая и достаточно сложная теоретическая проблема - синтез оптимальных весовых функций в классе, наиболее удобном для их точного воспроизведения в ЦСИ ППС. Исследования в этом направлении находятся в начальной стадии, хотя синтезу весовых функций по другим критериям посвящено достаточно много работ [2,7-10].
Основные практические задачи исследований сводятся к разработке функциональных преобразователей дискретного действия, обеспечивающих уменьшение методических и инструментальных погрешностей измерения ППС, на основе алгоритмических и структурных методов, в частности, путем так называемого разделения функций [ill. При этом, как указывалось, наиболее предпочтительным представляется их построение на базе интегрирующих преобразователей. Применением последних эффективно решен целый ряд задач измерения ППС в диапазоне инфранизких и низких частот (примеры - цифровой мулыиметр Ф4852, электронные ваттметры Е848, счетчики энергии Ф650, Ф65І, Ф604, Ф605 и др.). Поэтому весьма важной является задача расширения частотного диапазона подобных ЦСИ в сторону более высоких частот, тем более, что потенциально такая возможность существует.
Акцентируя основное внимание на ЦСИ ППС дискретного действия, не следует забывать, что в области высоких частот альтернативы методам непрерывного преобразования практически не су-
-iJ-
ществует, если не считать возможности применения ЦСИ со стохастической дискретизацией. Поэтому часть разделов работы посвящена исследованию вопросов повышения точности функциональных преобразователей непрерывного действия.
Структура и краткое содержание диссертации. Работа включает введение, 5 глав, заключение, перечень литературы и приложение.
В первой главе систематизирование изложены методы цифрового измерения ППС, их сравнительная оценка, области применения, на этой основе сформулированы основные задачи исследования.
Во второй главе работы проводится анализ и оценка методических погрешностей ЦСИ ППС с дискретным функциональным преобразованием, решается задача синтеза оптимальных весовых функций, предназначенных для реализации в ЦСИ ППС операции усреднения результатов преобразований.
Третья глава посвящена разработке и исследованию линейных измерительных преобразователей, используемых в составе ЦСИ ППС.
Четвертая глава посвящена разработке и исследованию функциональных измерительных преобразователей дискретного и непрерывного действия,
В пятой главе приводится описание выполненных разработок ЦСИ ППС, в том числе получивших практическое внедрение.
В Приложение вынесены копии документов, подтверждающих практическое внедрение результатов работы.
На защиту выносятся:
I. Результаты анализа и оценки методических погрешностей ЦСИ ППС с дискретным функциональным преобразованием (умножением, квадратированием) при различном характере перемножаемых выборок сигналов, их взаимном временном расположении для слу-
чаев измерения гармонических и произвольной формы периодических сигналов.
Способ синтеза оптимальных (в смысле минимальной длительности при заданной погрешности усреднения) весовых функций (ВФ), результаты его применения для конкретных условий и задач измерения ШГС, инженерная методика расчета параметров оптимальных ВФ в классе ступенчатых функций, как наиболее просто реализуемых на практике.
Ряд новых способов и реализующих их структур линейных измерительных преобразователей, используемых при построении ЦСИ ШЇС, в том числе: способ и устройство преобразования амплитуды (максимального значения) переменной составляющей пульсирующего входного сигнала в постоянное напряжение, не требующее применения фильтрующих устройств, что обеспечивает его более высокое быстродействие; преобразователи мгновенных значений сигнала в интервал времени, отличающиеся от известных возможностью произвольного задания моментов отсчетов и реализуемые без применения прецизионных коммутационных элементов; преобразователь СВЗС в интервал времени, в котором впервые полностью исключена методическая погрешность от краевых эффектов.
Новые структуры аналоговых множительных устройств, в которых исключены или существенно уменьшены свойственные известным техническим решениям методические погрешности от разновременности, перемножаемых выборок (для устройств дискретного действия) и погрешности от неидеальности и нестабильности элементов с управляемой проводимостью (для устройств непрерывного действия).
Структуры аналоговых квадраторов повышенного быстродействия, позволяющие примерно на порядок увеличить верхнюю границу частотного диапазона ЦСЙ ППС.
Структуры цифровых средств измерения параметров переменных сигналов, реализованных с применением линейных и функциональных измерительных преобразователей, с улучшенными метрологическими (в особенности по быстродействию) и техническими характеристиками.
По результатам исследований и разработок, выполненных в процессе работы над диссертацией, опубликовано 25 работ. , в том числе 15 авторских свидетельств на изобретения.
Основные результаты диссертационной работы были доложены и обсуждены на б всесоюзных и республиканских конференциях и семинарах, а также на ряде конференций профессорско-преподавательского состава Пензенского политехнического института.
Автор выракает искреннюю благодарность своим учителям -научному руководителю д.т.н., профессору В.М. Шляндину и д.т.н.,профессору Э.К. Шахову за постоянное внимание, консультации и конструктивную критику.
-й-
