Введение к работе
Составной частью автоматизированных систем управления являются преобразователи, которые воспринимают информацию и преобразуют ее для дальнейшей обработки. Количество и разнообразие преобразователей и предъявляемых к ним требований очень велико. Так, например, при построении АСУ технологическими процессами требуются измерения тысяч физических, химических и других величии.
Одной из причин, ограничивающих распространение автоматизированных систем управления, являются их не всегда удовлетворительные метрологические и эксплуатационные характеристики.
На момент начала работ особенно остро стоял вопрос с преобразователями фазовых сдвигов. Преобразователи фазового сдвига (ПФС) нашли широкое применение в автоматике, измерительной технике, электронике. Они используются для точного преобразования кода в фазовый сдвиг, для построения цифровых калибраторов фазы, цифровых вектормеров и компенсаторов переменного напряжения, для создания автоматических компенсационных фазометров. Применяются для- конструирования линий задержки, фазосдвигающих устройств, используемых в регуляторах систем управления, а также при конструировании преобразователей параметров электрических цепей.
Использование ПФС позволяет получить наиболее высокую точность определения расстояния, разности расстояний, углов и т.п. Фазовые пеленгаторы позволяют осуществить измерение углов с предельно высокой точностью. Фазовые измерения позволяют производить точный зондаж степени зарядки аккумуляторных батарей, работающих на удаленных объектах, например, в ближнем и дальнем космосе. Измерение расхода жидкостей является актуальной задачей при автоматизации технологических процессов. Одним из наиболее эффективных методов решения этих задач является ультразвуковой метод, заключающийся в измерении разности фаз между ультразвуковыми сигналами. Фазовые преобраюішели позволяют достигать очень высокой чувствительности. Чувствительность при измерении линейных смешений достигает 0,01 мкм.
Отсутствие дискретных ПФС с хорошими метрологическими и эксплуатационными характеристиками сдерживало развитие цифровых измерительных приборов - компенсационных фазометров, компенсаторов переменного тока, вектормеров.
Большой вклад п разработку преобразователей фазового сдвига внесли С.А.Кравченко, ЕД.Колтик, О.П.Галахова, Л.Ф.Куликовский, В.Ю.Кнеллер, A.M. Мелик-Шахназаров, Н.М.Вишенчук, А.Ф.Котюк, П.Т.Смирнов, М.К.Чмых, Н.П.Орнатский, Ю.А.Скрипник,
С.М.Маевский, С.С.Кузнецкий, В.Я.Супьян, В.В.Смеляков. Из зарубежных ученых необходимо отметить большие заслуги в области фазовых измерений А.А. Ahmed, D.K. Weaver, S.D. Bedrosian, R.B. Dome, J.H. Park, G.E. Pihl. Большой вклад в развитие образцовых преобразователей фазового сдвига вносят R.S. Turel, D.T. Hess, К.К. Clarke, P.Toboia, J. Velecky, G.N. Stenbakken.
Актуальность работы
На момент начала работы практически отсутствовали преобразователи фазового сдвига с дискретным и поразрядным регулированием и с управлением цифровым кодом, что сдерживало разработку автоматизированных систем поверки фазометрической аппаратуры, автоматических цифровых измерительных приборов - компенсационных фазометров, компенсаторов переменного тока, вектормеров.
Цель работы.
Основная цель работы заключается в создании нового класса цифроуправляемых преобразователей фазового сдвига с улучшенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками - фазовращателей, калибраторов фазы (КФ), образцовых преобразователей фазового сдвига, пригодных для использования в составе цифровых автоматизированных систем и цифровых измерительных приборов.
Для достижения цели необходимо было создать ПФС с дискретным и поразрядным регулированием фазового сдвига и высокими метрологическими и эксплуатационными характеристиками, не критичные к частоте питающего напряжения, позволяющие осуществить управление от ЭВМ для использования их в автоматизированных системах, провести исследование разработанных ПФС и аттестацию. Для этого нужно было решить следующие проблемы.
Разработать новые принципы построения ПФС. Основная проблема для решения этой задачи заключалась в необходимости создания цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП) для воспроизведении нелинейных зависимостей и построения на их основе ПФС с дискретным и поразрядным регулированием. Необходимо было найти оптимальные технические решения для построения ПФС и исследовать их метрологические характеристики, найти способы построения ПФС с управлением кодовым сигналом, найти принципы построения исключающие или сводящие к минимуму методические погрешности, возникающие при поразрядном регулировании фазового сдвига.
Для расширения области применения ПФС необходимо было снизить дополнительные погрешности, возникающие при отклонении частоты питающего напряжения от номинальной, создать квадратурные устройства, сохраняющие 90-градуспый фазовый сдвиг и равенст-
-I
ко модулей напряжений в широком диапазоне частот. Необходимо было создать ПФС, управляемые от ЭВМ через стандартный интерфейс, а также использующие встроенные микроконтроллеры для управления их работой в том числе в составе автоматических систем управления и в автоматических измерительных и поверочных устройствах.
Работа выполнялась в рамках Координационного плана АН СССР по проблеме «Измерительные процессы и системы». Название темы: «Обеспечение единства измерений в измерительно-информационных системах.на основе технических и программных средств» (шифры 321022 и 630097) № гос. per. 01860130410, а также по хозяйственным договорам с Центром метрологии, стандартизации и сертификации республики Башкортостан Госстандарта России, ВНИИЭП министерства приборостроения, средств автоматизации и систем управления СССР (г. Ленинград), Азербайджанским институтом нефти и химик им. Азизбскова (г. Баку).
Методы исследований основаны на теории электрических сигналов и цепей. Использованы математический аппарат теории комплексного переменного, классические разделы математическою анализа, теория специальных функций, булева алгебра. Проверка результатов теоретических исследований проводилась посредством натурных исследований, использования математических и компьютерных моделей.
Научная новизна
Впервые разработан и исследован новый класс преобразователей фазовою сдвига с цифровым, дискретным и поразрядным регулированием фазового сдвига. Разработаны, научно обоснованы, исследованы принципы построения, технические решения дискретных фазовращателей, КФ, образцовых преобразователей фазового сдвига. Модно выделить следующие крупные положения.
-
Впервые предложены принципы построения ПФС, фазовращателей, КФ, основанные на аппроксимации функциональных зависимостей фазового сдвига от изменения регулируемой величины отрезками прямых и степенными рядами.
-
Впервые разработан принцип построения дискретных ПФС, основанный на последовательном суммировании двух колебаний с фазовым сдвигом, равным дискретности соответствующего разряда.
-
Исследованы метрологические и технические характеристики впервые предложенных и разработанных ПФС и показана возмож-
ность построения на их основе образцовых преобразователей фазо вого сдвига и рабочих эталонов фазового сдвига.
-
Предложены и изучены способы построения квадратурных уст ройств на базе комплексного использования фазопостоянных и часто тонезависимых цепей.
-
Определены условия использования широкополосных фазораз ностных цепей для построения КФ и фазовращателей. Исследовань их частотные характеристики, выполнены математическая и компью терная модели. Экспериментально и теоретически показана возмож ность построения квадратурных устройств с отклонением ± 0,1 о номинального значения при десятикратном изменении частоты.
-
Разработаны технические решения построения КФ, основан иые на аппроксимации гармонических колебаний с помощью ступен чато-синусоидальных напряжений, и применение для этих целеї микроконтроллеров и микроЭВМ. Исследованы их методические по грешности и способы исключения дополнительных погрешностей Показана возможность применения таких устройств в качестве образ новых мер фазового сдвига 1-го разряда.
Достоверность результатов.
Достоверность результатов, полученных при создании ПФС, ос нована на теоретических исследованиях метрологических характери стик с учетом большого разнообразия влияющих факторов и подтвер ждена как использованием классических методов исследовани (экспериментами с применением цифровых вольтметров постоянног и переменного тока, цифровых фазометров, индикаторов квадратуры' а также применением специальных методик индикации 90-градусног фазового сдвига, основанных на суммировании и вычитании вектора напряжений.
Погрешности воспроизведения зависимостей фазового сдвига с изменения регулируемой величины, методические погрешности, CBJ занные с аппроксимацией этих зависимостей, были экспериментальн подтверждены а ряде случаев измерениями их коэффициентов перед; чи на постоянном токе, где используемые приборы имеют более вь со кую точность.
Было проведено моделирование на ЭВМ широкополосной фазе разностной цепи и сравнение с экспериментально полученными р< зультатами. Эти исследования подтвердили достоверность сделаннь выводов.
Реализация ряда схем проведена на элементной базе ЦАП, co/iej жашей ОУ, ключи и прецизионные резисторы, в значительной стеги ни по своим метрологическим характеристикам аналогичной извес
ным, благодаря чему реализация на них новых технических решений не вызывает дополнительных погрешностей.
Достоверноегь полученных результатов подтверждена также аттестацией разработанных КФ в НПО «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева». На представленные приборы были выданы Свидетельства о пригодности их для применения в качестве образцовых средств измерений 1-го и 2-го разряда.
Основные положения, выносимые на защиту
На защиіу выносятся принципы построения и технические решения нового класса преобразователей фазового сдвига, не критичных к частоте питающего напряжения, основанные на аппроксимации функциональных зависимостей фазового сдвига от изменения регулируемой величины и поразрядном суммировании. Здесь можно выделить следующие основные крупные положения.
1. Разработанные общие принципы построения дискретных ПФС,
использующие:
— аппроксимацию фазового сдвига от изменения регулируемой
величины отрезками прямых и степенными рядами;
— последовательное суммирование двух напряжении с фазовым
сдвигом, равным величине соответствующего разряда.
-
Технические решения калибраторов фазы, образцовых мер фазового сдвига и результаты исследования их метрологических характеристик.
-
Разработанные принципы построения квадратурных устройств па основе комплексною использования фазопостояниых и частотоне-зависимых цепей и фазоразностных цепей.
-
Разработанные технические решения и результаты исследований двухфазных генераторов квазисинусоидальных напряжений со ступенчатой аппроксимацией и их отдельных узлов со встроенными микроконтроллерами и с управлением от внешних ЭВМ.
Практическая значимость работы.
Систематизированы и обобщены схемотехнические решения фазовращателей на базе элементарного делителя напряжения (измерительного преобразователя), что позволило пыяшпь их общие характеристики и синтезировать новый фазовращатель.
Разработаны способы построения дискретных аналогов синусного и косинусного потенциометров, в которых для увеличения разрядности регулирования функциональной зависимости использованы линейные ЦАП. Это позволило значительно расширить области их применения, в частности, использовать для разработки автоматических
цифровых измерительных приборов и определило общий подход воспроизведению нелинейных зависимостей с помощью ЦАП.
Разработаны и изучены технические решения, реализующие с по мощью ЦАП функциональные зависимости фазового сдвига от изме нения регулируемой величины.
Разработаны и изучены КФ с линейным преобразованием управ ляющего кода в фазовый сдвиг, в котором используется представле ние синусной и косинусной функциональных зависимостей степен ными рядами и техническая реализация этих рядов каскадно вклю ценными ЦАП. Проведенные исследования позволили минимизиро вать погрешности и уже при семи членах разложения получить мето дическую погрешность воспроизведения фазового сдвига, равную 0,003 град, а методическую погрешность амплитуды - 0,005 %.
Предложен и изучен КФ, выполненный на сумматорах, которы формируют последовательно два напряжения с фазовым сдвигом равным величине соответствующего разряда. Этот КФ позволяет ис ключить методические погрешности, которые возникают при пораз рядном регулировании фазового сдвига.
Построены квадратурные устройства, которые при отклонениі частоты входного напряжения на +(5^-10) % сохраняют равенство мо дулей и 90 фазовый сдвиг в заданных пределах (соответственно 0,1 Я и 0,1).
Созданы квадратурные устройства с десятикратным nepeKpbrraeh частотного диапазона при погрешности воспроизведения 90 градусного фазового сдвига 0,1-0,2 град. Разработана компьютерная модель, позволяющая рассчитывать и анализировать эти схемы.
Разработаны схемы и метолі,! построения двухфазных генераторої со ступенчатой аппроксимацией гармонических колебаний, которы* используют микроконтроллеры и микроЭВМ для управления их рабо той.
В результате выполнения работы создан ряд КФ для поверки фа зометрической аппаратуры, которые прошли аттестацию в НПС «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева» и получили Свидетельства о воз можности их применения в качестве образцовых мер фазового сдвиг; 1-го и 2-го разряда.
Реализация результатов работы.
По результатам работ были изготовлены два КФ (дискретный фа зовращатель № А и № М) по заказ}' Центра стандартизации метрологии и сертификаци республики Башкортостан Госстандарта России Эги КФ были представлены для аттестации в НПО «ВНИИМ им Д.И. Менделеева» и аттестованы в качестве образцовых средств измерений фазового сдвига 1-го разряда и 2-го разряда.
По заданию ВНИИЭП Министерства приборостроения, средств автоматизации и систем управления СССР был изготовлен КФ Ф7089. Этот КФ предназначен для автоматической поверки фазометров с управлением от ЭВМ. аттестован в качестве образцовой меры фазового сдвига 1-го разряда и внедрен во ВНИИЭП.
Круговой потенциомстрический фазовращатель (а.с. 280655) внедрен на Всрх-Исетском металлургическом заводе Свердловской области в 1976 г. (Письмо от 6.01.78 г. № 233-00-19 Управления по охране прав изобретателей и централизованной выплате вознаграждения Госкомитета Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий).
Функциональный счетчик (а.с. 1069170) и широкополосное фа-зоразностное квадратурное устройство внедрены в учебный процесс.
Апробация работы.
По теме диссертации сделаны доклады на Межвузовской конференции «Разработка и применение средств информационно-измерительной и вычислительной техники», г. Пенза, 1967 г.; на Всесоюзной конференции по автоматическому контролю и методам электрических измерений, г. Новосибирск, 1966 г.; Межвузовской конференции «Разработка и применение средств информационно-измерительной и вычислительной техники», г. Куйбышев, 1965 г.; на республиканской научно-технической конференции работников нефтегазовой, нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности Башкирии, г. Уфа, 1970 т.; Всесоюзном научно-техническом семинаре «Вопросы теории и проектирования аналоговых измерительных преобразователей параметров электрических сигналов и цепей», г. Ульяновск, 197S г.; на Всесоюзной конференции «Информационно-измерительные системы ИИС-79», г. Ленинград, 1979 г.; на VI Всесоюзной науч.-техн. конференции «Информационно-измерительные системы ИИС-83», г. Куйбышев, 1983 г.; на Всесоюзной научно-технической конференции «Проблемы метрологического обеспечения научных исследований и учебною процесса г. вузах», г. Ленинград, 1984 г.; на конференции с участием зарубежных специалистов «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления «Датчик-96», М.: МГИЭМ,
1996 г.; на научно-практической конференции по программам Гос
комвуза России, г. Уфа, 1997 г.; Российской научно-технической
конференции «Радио и волоконно-оптическая связь», г. Воронеж,
1997 г.; на конференции с участием зарубежных специалистов
«Датчики и преобразователи информации систем измерения, контро
ля и управления «Датчик-97», М.: МГИЭМ, 1997 г.
Публикации. По теме диссертации опубликована 61 работа, среда которых 1 монография, учебное пособие, 32 статьи, 14 авторских свидетельств.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, приложения, текст изложен на 279 страницах, библ. 301 наименование.
