Введение к работе
Актуальность темы Параметры электрических цепей (ЭЦ) - модуль и аргумент, активная и реактивная составляющие комплексного сопротивления (КС) и проводимости (КП), параметры элементов схем замещения различных объектов, представляемых в виде электрических цепей, - образуют большую группу измеряемых величин, несут информацию о физико-химических свойствах сырья и материалов, в том числе полупроводниковых структур, ходе технологических процессов, качестве готовой продукции и являются выходными сигналами обширного класса параметрических датчиков.
Большой вклад в решение проблемы измерения параметров электрических цепей внесли Ф. Б Гриневич, К Б Карандеев, В Ю Кнел-лер, А И Мартяшин, А М Мелик-Шахназаров, А Д Нестеренко, В М Шляндин, Г А Штамбергер, С Л Эпштейн и их ученики
Наиболее точными и универсальными средствами измерения параметров ЭЦ являются мосты переменного тока, которые, однако, остаются наиболее сложными и дорогими приборами с двумя системами уравновешивания, многозначными мерами сопротивления и емкости или мерами отношения на базе трансформаторов с тесной индуктивной связью
Стремление к упрощению и повышению быстродействия мостов переменного тока привело к разработке преобразователей параметров ЭЦ в активные скалярные величины, удобные для восприятия и последующих преобразований Основным узлом таких устройств является активный преобразователь (АП) на базе операционного усилителя
Актуальность и народнохозяйственное значение разработки таких преобразователей заключаются в том, что на их базе с использованием уже имеющихся серийных измерителей скалярных величин можно создать целый ряд специализированных, узко ориентированных измерителей параметров комплексных величин, потребность в которых велика и непрерывно растет До последнего времени основное внимание уделялось разработке преобразователей параметров электрических цепей с активными преобразователями в направлении увеличения функциональных возможностей, в результате чего разработано, в том числе и с участием автора, множество структур преобразователей с широкими функциональными возможностями Вместе
с тем остаются мало исследованными вопросы, связанные с обеспечением требуемой точности активного преобразователя, являющегося основным узлом преобразователей рассматриваемого класса Это сдерживает внедрение преобразователей рассматриваемого класса в практику измерения параметров электрических цепей.
Вопросы обеспечения требуемой точности должны быть, прежде всего, решены для наиболее распространенных и важных в практическом отношении задач преобразования модуля и аргумента, активной и реактивной составляющих комплексного сопротивления (проводимости) или элементов электрических цепей, представляемых двухэлементной схемой замещения Решение указанных вопросов является также необходимой базой и для соответствующих исследований преобразователей параметров многоэлементных двухполюсников
Особое место среди элементов электрических цепей занимают резисторы, которые являются наиболее распространенными и точными
Прецизионные резисторы являются неотъемлемой частью большинства измерительных приборов, где используются в качестве опорных элементов
В области прецизионного резисторостроения к середине 80-х гг созданы резисторы с допускаемым отклонением сопротивления ±(0,005 0,001) %, нестабильностью до ±0,0005 % за 2000 ч и ТКС до ±(0,5 0,3) Ю-6 С"1 Измерение таких характеристик предполагает учет большого числа факторов, влияющих на погрешность, наличие прецизионного термостатирующего оборудования, статистическую обработку результатов многократных наблюдений при измерениях, жесткую регламентацию условий и процедуры выполнения измерений, т е требует создания соответствующего автоматизированного оборудования. Работы по созданию такого оборудования проводились с начала 80-х гг в НИИЭМП (г Пенза) при непосредственном участии автора в качестве ведущего специалиста
Дальнейшее улучшение характеристик прецизионных резисторов ограничено существующей эталонной базой
С внедрением в практику измерения сопротивления квантового эффекта Холла в нашей стране и за рубежом создан ряд установок компарирования сопротивления холловского датчика и традиционных мер сопротивления с погрешностью (2-3) 10~8, созданы переходные меры передачи размера сопротивлений 6453,2, 12906,4 Ом к
мерам сопротивления с десятично-кратными значениями Все это позволяет осуществлять контроль стабильности традиционных мер сопротивления, отобрать меры с годовой нестабильностью ±(1-2) 1(Г7 и создает предпосылки для разработки и производства прецизионных резисторов с нестабильностью ±(0,0001-0,0002) % Последнее также требует создания соответствующего автоматизированного оборудования
Цель работы Разработка методов повышения точности измерения параметров электрических цепей за счет структурной коррекции погрешностей
Для достижения данной цели в работе поставлены следующие задачи
выявление общих закономерностей образования погрешностей, вносимых активным преобразователем, и сравнительный анализ разработанных к настоящему времени обобщенных структур преобразователей,
разработка, теоретическое и экспериментальное исследование структурных методов повышения точности активных преобразователей,
разработка основ методики инженерного проектирования активных преобразователей по заданным точностным характеристикам,
разработка приборов для измерения параметров электрических цепей, построенных по принципу преобразования комплексного сопротивления в напряжение переменного тока,
разработка автоматизированных средств измерения сопротивления и ТКС наивысшей точности
Методы исследования Основные научные результаты получены с использованием методов теории линейных электрических цепей, теории автоматического регулирования, теории чувствительности и теории погрешностей При экспериментальных исследованиях использованы элементы теории вероятностей и математической статистики
Научная новизна работы состоит в следующем
разработаны основы новой методики проектирования АП по заданным точностным характеристикам с использованием в качестве показателя точности векторной погрешности,
разработаны новые структуры квазиуравновешенных преобразователей параметров ЭЦ с АП, проведен сравнительный анализ и
выявлены общие закономерности образования погрешностей, вносимых АП, всех разработанных на сегодня обобщенных структур преобразователей,
разработаны, теоретически и экспериментально исследованы новые структуры АП с коррекцией методической погрешности,
разработаны модели погрешности резистора и погрешностей измерения сопротивления, временной стабильности и температурного коэффициента сопротивления резисторов,
впервые разработаны, теоретически и экспериментально исследованы автоматизированные рабочие средства измерения сопротивления и ТКС прецизионных резисторов наивысшей точности
Новизна результатов работы подтверждается патентом РФ и 7 авторскими свидетельствами
Практическая ценность заключается.
в разработке основ методики инженерного проектирования АП по заданным точностным характеристикам;
в разработке АП с коррекцией методической погрешности, обладающих повышенной точностью в широком диапазоне частот,
в создании приборов для регистрации вольт-фарадных характеристик полупроводниковых структур, не уступающих зарубежным аналогам,
в создании промышленного автоматизированного оборудования наивысшей точности для измерения характеристик прецизионных резисторов установки измерения ТКС 13АС - 1/10 - 009-072 и УИЭ РПП - 0,05 10"6 - ОН, установки измерения сопротивления УВК РПЭ-900-028 и УИЭ РПЭ - 1 10"4 - 043
Реализация результатов работы Результаты выполненных исследований использованы при разработке приборов АМЦ1515, АМЦ1531 для измерения и регистрации вольт-фарадных характеристик полупроводниковых структур, выпускаемых Пензенским НИИ «Контрольприбор» по заказам предприятий страны и позволяющих увеличить выход годных при производстве полупроводниковых структур
Прибор АМЦ1515 демонстрировался на ВДНХ СССР и на выставке «Достижения советской науки и техники» в г. Будапеште. На ВДНХ СССР удостоен бронзовой медали
Результаты настоящего исследования также использованы в ряде НИР и ОКР по разработке автоматизированного оборудования для измерения сопротивления и ТКС новейших типов прецизионных резисторов, в том числе «Температура-1», «Температура-2», «Система-2», «Система-4», «Номинал-1» и др вНИИЭМП(г Пенза)
Автоматизированные установки измерения ТКС внедрены на предприятиях прецизионного резисторостроения гг Пензы, Белгород-Днестровского и Учкекена
На защиту выносятся
основы методики анализа и синтеза активных преобразователей с использованием векторной погрешности,
результаты анализа обобщенных структур квазиуравновешенных преобразователей параметров электрических цепей,
методы построения двухканальных активных преобразователей со структурной коррекцией погрешностей, имеющих существенные преимущества по сравнению с одноканальными активными преобразователями по точности, а по сравнению с автокомпенсационными мостовыми устройствами - по быстродействию,
модели погрешностей резистора и средств измерения сопротивления, ТКС и временной стабильности, раскрывающие механизм образования результирующей погрешности и являющиеся основой анализа и синтеза,
разработанные установки измерения сопротивления и ТКС прецизионных резисторов, не уступающие зарубежным аналогам по точности и существенно превосходящие их по производительности
Апробация работы Основные положения диссертационной работы докладывались на международных конференциях «Методы и средства измерений в системах измерения и контроля» (г Пенза, 1998 г , 2002 г ), «Проблемы автоматизации и управления в системах измерения и контроля» (г Пенза, 2004 г), «Континуальные алгебраические логики, исчисления и нейроинформатика в науке и технике» (г Ульяновск, 2004 г, 2006 г.), на Международном симпозиуме «Надежность и качество» (г Пенза, 2006 г, 2007 г ), на всесоюзных конференциях «Методы и средства аналогового преобразования параметров электрических сигналов и цепей» (г Ульяновск, 1978 г), «Состояние элементной базы, технологии производства и контроля изделий электронной техники» (г Пенза, 1991 г), на республикан-
ских конференциях «Структурные методы повышения точности, быстродействия и чувствительности измерительных устройств и систем» (г. Киев, 1981 г), «Развитие элементной базы приборостроения» (г Кишинев, 1986 г.), на научно-технических семинарах «Измерительные системы нефтяной и газовой промышленности филиала Научного Совета по проблеме «Кибернетика» при Западном центре АН УССР» (г. Ивано-Франковск, 1981 г.), «Автоматизация производственных процессов и установок» (г Пенза, 1975 г), «Методы и средства измерений механических параметров» (г Пенза, 1995 г ), на ежегодных конференциях профессорско-преподавательского состава Пензенского политехнического института и Пензенского государственного университета в 1974-1983 гг., 1994-2006 гг.
Публикации По теме диссертации опубликованы 36 печатных работ, из них 11 в изданиях, рекомендованных ВАК, 7 авторских свидетельств СССР и один патент РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 212 наименований, трех приложений. Работа содержит 299 страниц основного текста, иллюстрируемого 73 рисунками и таблицами на 25 страницах Общий объем диссертации составляет 352 страницы
