Прецизійні мости змінного струму для вимірювання імпедансу платинових термометрів опору в діапазоні частот

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна академія наук України

Інститут електродинаміки

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Спеціальність 05.11.05 - прилади та методи вимірювання електричних та магнітних величин

Прецизійні мости змінного струму для вимірювання імпедансу платинових термометрів опору в діапазоні частот

Мелещук Дмитро Вікторович

Київ - 2004

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у відділі електричних та магнітних вимірювань Інституту електродинаміки Національної академії наук України, м. Київ.

Науковий керівник - доктор технічних наук, професор, академік НАН України Гриневич Феодосій Борисович, зав. відділу електричних і магнітних вимірювань Інституту електродинаміки НАН України.

Офіційні опоненти:

- доктор технічних наук, професор Туз Юліан Михайлович, завідувач кафедри автоматизації експериментальних досліджень Національного технічного університету України “КПІ”;

- кандидат технічних наук Мартинюк Валерій Володимирович, доцент кафедри радіотехніки Хмельницького державного університету.

Провідна установа - Харківський державний НДІ “Метрологія” (відділ теплофізичних вимірювань) Держспоживстандарту України.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Ю.Ф. Тесик

Анотація

Мелещук Д.В. Прецизійні мости змінного струму для вимірювання імпедансу платинових термометрів опору в діапазоні частот. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.11.05 - прилади та методи вимірювання електричних та магнітних величин. - Інститут електродинаміки НАН України, Київ, 2004.

Дисертацію присвячено розробці прецизійних мостів змінного струму, що дозволять проводити експериментальне дослідження частотної залежності активного опору термометрів. Проведено теоретичне дослідження похибок термометрів опору та залежність цих похибок від частоти та вимірюваної температури. Розроблено структурні схеми прецизійних трансформаторних мостів, проведено аналіз їх метрологічних характеристик та запропоновано шляхи зменшення похибок цих мостів. Розроблено схеми безтрансформаторних мостів та алгоритм калібровки, що дозволяє підвищити точність таких пристроїв. Створено термометричний міст змінного струму для високоточного вимірювання опору, який разом з термометром служить для прецизійного вимірювання температури.

Ключові слова: міст, термометр опору, вимірювання, прецизійний.

Аннотация

Мелещук Д.В. Прецизионные мосты переменного тока для измерения импеданса платиновых термометров сопротивления в диапазоне частот. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.11.05 - приборы и методы измерения электрических и магнитных величин. - Институт электродинамики НАН Украины, Киев, 2004.

Диссертация посвящена разработке прецизионных мостов переменного тока, позволяющих проводить экспериментальное исследование частотной зависимости активного сопротивления платиновых термометров.

Произведен анализ проблемы перехода на переменный ток при высокоточных температурных измерениях с помощью платиновых термометров сопротивления (ПТС). При измерениях на переменном токе функция термометров W(T) (определенная МТШ 90 для постоянного тока) изменится, поскольку активная составляющая комплексного сопротивления термометра отличается от его сопротивления постоянному току. Разница между функциями термометра W(Т) для постоянного и переменного тока будет зависеть от частоты, а также от значения измеряемой температуры. Данные зависимости на сегодняшний день практически не изучены.

Сделан вывод о необходимости теоретического и экспериментального исследования частотной погрешности термометров для вывода поправочного полинома к функции термометров W(T) на переменном токе.

Проведен анализ существующих методов и средств измерения параметров комплексного сопротивления. Он показал, что для достижения поставленной цели оптимальным является мостовой метод с использованием полууравновешенных мостов.

Проведено теоретическое исследование основных источников погрешностей платиновых термометров при измерениях на переменном токе. Наиболее существенные погрешности ПТС обусловлены поверхностным эффектом в проволоке чувствительного элемента и шунтирующим влиянием каркаса чувствительного элемента термометра. Исследования показали, что данные погрешности существенно зависят от измеряемой температуры. Погрешность термометров, вызванная поверхностным эффектом, может превышать 110^-7 в области низких температур (меньше 24К) даже на частотах меньше 100 Гц. В области высоких температур (больше 600 С) становится существенной погрешность, обусловленная шунтирующим влиянием каркаса чувствительного элемента термометра. Это связано с резким уменьшением удельного сопротивления материала каркаса (кварца) при этих температурах. Предложена схема замещения термометра, учитывающая этот эффект. Рассчитаны поправочные полиномы для функции термометров W(T) при измерениях на переменном токе, учитывающие данные погрешности.

Разработаны структурные схемы прецизионных трансформаторных мостов со сравнением напряжений и со сравнением токов для измерения активного сопротивления в диапазоне частот 100-1000 Гц. Проведено теоретическое исследование метрологических характеристик разработанных мостов. Предложены структурные способы снижения их мультипликативных и аддитивных погрешностей.

Исследована методическая погрешность определения величины разбаланса двухконтурных мостов при использовании вариационного метода уравновешивания. Предложены алгоритмические пути учета этой погрешности.

Разработаны структурные схемы бестрансформаторных мостов. Они построены на основе цифроаналоговых преобразователей (ЦАП), которые выполняют роль кодоуправляемых делителей напряжения. Для повышения точности бестрансформаторных мостов разработаны структурная схема и алгоритм для калибровки ЦАП. Калибровка позволяет определить весовые коэффициенты ЦАП с необходимой точностью. С помощью данных мостов можно проводить прецизионные измерения активного сопротивления и в диапазоне частот и на постоянном токе.

На основе разработанной структурной схемы трансформаторного моста со сравнением напряжений созданы термометрические мосты переменного тока. Они используются для высокоточного измерения активного сопротивления; определения частотной зависимости активного сопротивления ПТС; совместно с прецизионным платиновым термометром для высокоточного измерения температуры. Проведены экспериментальные исследования экземпляра прибора, которые доказали его высокие метрологические характеристики. По сравнению с лучшими зарубежными аналогами созданный мост в 5-10 раз меньше по массогабаритным показателем и стоимости. В настоящее время экземпляры прибора эксплуатируются в ведущих метрологических центрах Украины и России.

Ключевые слова: мост, термометр сопротивления, измерение, прецизионный.

Annotation

Meleshchuk D.V. Precision bridges of changeable current for measurement of platinum resistance thermometers impedance in frequencies diapason. - Manuscript.

The thesis for a degree of candidate of technical sciences by speciality 05.11.05 - devices and methods of electrical and magnetic value measurement. - Institute of electrodynamics of National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, 2004.

The dissertation is devoted to the elaboration of precision bridges of changeable current that permits to carry-out experimental investigation of frequent dependence of thermometers active resistance. Theoretical investigation of errors of resistance thermometers and dependence of these errors from frequency and measuring temperature were carried-out. Structural schemes for precision transformation bridges were elaborated, analysis of their metrological characteristics was carried-out and the ways of reducing of these bridges errors were proposed. Schemes for non-transformation bridges and calibration algorythm were elaborated that permits to up-grade exactitude of such appliances. Thermometric bridge of changeable current for highly exact resistance measurement was elaborated. It serves for precise temperature measurement.

Key words: bridge, resistance thermometer, measurement, precision.

1. Загальна характеристика роботи

прецизійний струм частотний опір

Актуальність теми. Згідно з Міжнародною температурною шкалою (МТШ-90) між потрійною точкою рівноважного водню (13,8033 К) та точкою твердіння срібла (961,78С) температура визначається за допомогою платинових термометрів опору (ПТО), відградуйованих у певних наборах основних реперних точок із використанням встановлених інтерполяційних формул. Традиційно вимірювання опору ПТО проводились та проводяться на даний час на постійному струмі. Для таких вимірювань використовуються прецизійні мости постійного струму таких відомих фірм, як: Guildline, Measurement International та ін. Недоліки вимірювань на постійному струмі (вплив термо-ЕРС, дрейфів, флікер-шумів) призвели до того, що у термометрії для точних вимірювань почали використовувати також і мости змінного струму. При вимірюваннях на змінному струмі вплив даних ефектів на точність визначення опору значно менший. Це пов'язано з природою цих ефектів та більш простими методами зменшення їхнього впливу на результат вимірювання у мостах змінного струму. До того ж, перехід до вимірювань на змінному струмі дозволяє створювати прецизійні мости, масогабаритні показники та вартість яких значно менші, ніж у мостів постійного струму. Перші комерційні моделі прецизійних мостів змінного струму таких фірм, як ASL та Tinsley мали робочу частоту у діапазоні (300-450) Гц. Згодом робоча частота була знижена до 25(30) та 75(90) Гц. Таким чином, у практиці останніх десятиліть для високоточної термометрії використовуються прецизійні мости змінного струму, які працюють у діапазоні частот від десятків до сотень герц.

Однак при вимірюваннях на змінному струмі активний опір термометрів відрізняється від їхнього опору постійному струму. В результаті, при переході до вимірювань на змінному струмі, функція термометрів W(T) (дорівнює відношенню опору термометра при поточній температурі С до його опору при нульовій температурі), визначена МТШ-90, зміниться та буде залежати від частоти. Крім того, різниця між функціями термометра W(Т) для постійного та змінного струму буде залежати від температури. Ця залежність на даний час також не досліджена.

Таким чином, при вимірюванні температури мостами змінного струму необхідно знати поправочний поліном для функції термометра W(T) (визначеної МТШ-90 для постійного струму), який залежить від частоти та вимірюваної температури. Щоб визначити цей поліном необхідно знати частотну залежність активної складової комплексного опору ПТО. Існуючі мости змінного струму працюють на різних частотах. Крім того, високоточні мости в основному закордонного виробництва, мають досить великі габарити та високу вартість. Тому необхідно розробити схемні вирішення та процеси вимірювання, які дозволять створити високоточні, малогабаритні та більш економічно вигідні прилади, що забезпечать експериментальне дослідження частотних характеристик термометрів у діапазоні частот до 1000 Гц.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася у відділі електричних та магнітних вимірювань Інституту електродинаміки НАН України згідно теми НДР: “Методи підвищення точності і швидкодії електромагнітних, оптоелектронних і віброакустичних вимірювальних перетворювачів та створення на цій основі базових апаратно-програмних засобів контролю і діагностики промислових обєктів” (№ ДР 0102U000404). Роль дисертанта у виконанні вказаної науково-дослідної роботи полягає в тому, що ним розроблені нові структурні схеми прецизійних мостів змінного струму для вимірювання імпедансу в діапазоні частот та запропоновані алгоритмічні та структурні способи підвищення точності таких мостів. Також ним проведені теоретичні дослідження імпедансу платинових термометрів опору в діапазоні частот.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є теоретичне визначення частотних похибок платинових термометрів опору та розробка прецизійних термометричних мостів змінного струму для експериментального визначення частотної залежності активного опору ПТО.

Для досягнення даної мети були поставлені і вирішені наступні задачі:

розглянути існуючі методи та засоби вимірювання параметрів комплексного опору та обрати оптимальні для вимірювання активного опору платинових термометрів на змінному струмі;

провести теоретичне визначення частотних похибок ПТО та дослідження залежності цих похибок від вимірюваної температури;

розробити структурні схеми мостів змінного струму для вимірювання активного опору;

провести аналіз похибок розроблених мостів та знайти шляхи підвищення їхньої точності;

провести експериментальне дослідження метрологічних характеристик розроблених мостів.

Об'єкт дослідження: вимірювання активного опору платинових термометрів на змінному струмі. Предмет дослідження: прецизійні мости змінного струму.

Методи дослідження. Теоретичне дослідження частотної залежності активного опору платинових термометрів здійснювалось за допомогою методів теорії функцій комплексного змінного, численних методів математичного аналізу, теорії рядів. Дослідження похибок розроблених мостів здійснювалось згідно теорії похибок вимірювань. Оцінка метрологічних характеристик створеного моста проводилась експериментальними методами. Обробка результатів експериментальних досліджень здійснювалась за допомогою методів теорії імовірності та математичної статистики.

Наукова новизна одержаних результатів полягає у наступному:

Вперше теоретично досліджено проблему залежності частотної похибки платинових термометрів опору від вимірюваної температури.

Знайдено та досліджено методичну похибку визначення величини розбалансу у двоконтурних мостах при використанні варіаційного методу врівноваження.

Знайдено новий підхід до вирішення проблеми підвищення точності вимірювання безтрансформаторних мостів, який засновано на варіаційній калібровці цифроаналогових перетворювачів.

Практичне значення одержаних результатів. На основі розроблених структурних схем та алгоритмів вимірювання створені прецизійні мости змінного струму для вимірювання активного опору у діапазоні частот. Отримані прилади використовуються:

- для високоточного вимірювання активного опору;

- для визначення частотної залежності активного опору ПТО;

- разом із прецизійним платиновим термометром для високоточного вимірювання температури.

Екземпляри розробленого на основі двоконтурного трансформаторного ланцюга термометричного моста СА300 експлуатуються у провідних метрологічних центрах України (НВО “Метрологія”) та Росії (ВНДІМ).

На основі розроблених схем безтрансформаторних мостів та алгоритму калібровки ЦАП можна створити прецизійні термометричні мости, які працюють на інфранизьких частотах та постійному струмі.

Особистий внесок здобувача. У наукових публікаціях, опублікованих у співавторстві, дисертантом виконано наступне. У роботі 1 - проведено частину розрахунків по визначенню похибки вимірювання температури, яка виникає за рахунок нагрівання робочим струмом дроту термоперетворювача, оточеного ізоляційним циліндром. У 2 - знайдено точний вираз для похибки платинових термометрів, викликаної поверхневим ефектом у дроті чуттєвого елементу, проведено оцінку величини похибки та неточності її визначення при використанні наближеної формули. У 3 - визначено точний та наближений вирази для величини розбалансу двоконтурного трансформаторного моста при його врівноваженні варіаційним методом, а також проведено оцінку похибки визначення величини розбалансу. У 4 - проведено дослідження мультиплікативної похибки трансформаторного моста та запропоновано шляхи підвищення його точності. У 5 - проведено теоретичну оцінку та експериментальне визначення метрологічних характеристик розробленого моста. У 6 - досліджено частотну похибку платинових термометрів при використанні двоелементної схеми заміщення, а також проведено оцінку похибки ПТО, зумовленої шунтуючою дією каркаса чуттєвого елемента.

Апробація результатів дисертації. Результати дисертаційних досліджень доповідались на: Міжнародній конференції “Проблеми сучасної електротехніки - 2000” (Київ, 2000 р.); третій Міжнародній науково-технічній конференції “Метрологія та вимірювальна техніка” (Харків, 2002 р.); науковому семінарі відділу електричних та магнітних вимірювань Інституту електродинаміки НАН України (Київ, 2003 р.).

Публікації. По темі дисертації опубліковано 6 робіт. З них 5 статей у фахових наукових виданнях та 1 теза доповіді на науково-технічній конференції.

Структура і обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, пяти розділів, висновків, списку використаних джерел і додатку. Повний обсяг дисертації становить 128 сторінок, в тому числі 111 сторінок основного тексту, 40 ілюстрацій, 4 таблиці, список використаних літературних джерел з 136 найменувань та 1 додаток.

2. Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність вибраної теми дисертації. Наведено відомості про її звязок з науково-дослідною роботою відділу електричних та магнітних вимірювань Інституту електродинаміки НАНУ, де вона виконувалася. Сформульовано мету, визначено обєкт, предмет і задачі досліджень, показано наукову новизну отриманих результатів та їх практичне значення. Показано особистий внесок здобувача, відомості про публікації та апробацію роботи. Висвітлено питання реалізації та впровадження отриманих результатів.

У першому розділі наведено результати аналітичного огляду сучасного стану термометрії та роль платинових термометрів опору при вимірюванні температури. Також розглянуто основні методи та засоби вимірювання параметрів комплексного опору.

Показано, що при вимірюванні температури за допомогою термометрів опору на змінному струмі існує частотна похибка. Вона обумовлена відмінністю активного опору термометрів на змінному струмі від їх опору на постійному. Таким чином, змінюється функція термометрів W(T) (визначена МТШ-90 для постійного струму). Різниця між функцією термометрів W(T) для постійного та змінного струмів залежить від частоти та вимірюваної температури. Тому необхідно знайти поправочний поліном для функції W(T) на змінному струмі, а для цього необхідно визначити частотну залежність активного опору термометрів. Існуючі прилади не забезпечують вирішення даної проблеми. Із цього виникають мета та задачі дисертації.

Огляд існуючих методів вимірювання параметрів комплексного опору показав, що оптимальним для досягнення мети роботи є мостовий метод. Для вимірювання активного опору обєктів з малою реактивною складовою (термометри опору) доцільно використовувати напівврівноважені мости, це дозволить спростити прилад при високій точності вимірювань.

У другому розділі наведено результати теоретичного дослідження основних похибок платинових термометрів опору (ПТО), їх залежність від частоти та температури.

Основними джерелами похибок термометрів на змінному струмі є поверхневий ефект в дроті чуттєвого елемента та наявність реактивної складової їх опору (складна еквівалентна схема заміщення на змінному струмі). Суттєвим є те, що ці похибки залежать не тільки від частоти робочого струму, а ще й від вимірюваної температури. Похибка _ПЕ, обумовлена поверхневим ефектом, визначається виразом:

;

де А₀, А₁ та В₀, В₁ - дійсні та уявні частини сум ₀, ₁ (1, 2).

; (1)

; (2)

де х - поточна координата по радіусу дроту; ; ? - частота робочого струму; ? - питома провідність платини; ? - абсолютна магнітна проникливість платини; ; а - радіус дроту чуттєвого елементу термометра.

Приблизно похибку _ПЕ можна визначати за формулою:

; (3)

де W - функція термометра для постійного струму (визначена МТШ-90); f - частота робочого струму; ?₀ - питома провідність платини в потрійній точці води.

Зроблені розрахунки показали, що відносна різниця між _ПЕ, розрахованими по точній і приблизній формулам, не перевищує 110^-4.

З виразу (3) видно, що _ПЕ є квадратичною функцією частоти та по зворотному квадратичному закону збільшується при зниженні вимірювальної температури. Зроблені розрахунки показали, що в області низьких температур (13-24 К), частотна похибка _ПЕ має достатньо великі значення навіть на частотах менше 100 Гц (на частоті 75 Гц вона перевищує 510^-7). Виведено функцію термометрів W_f(Т) для змінного струму, що враховує похибку _ПЕ:

;

де r - опір термометра постійному струму; R₀ - опір термометра постійному струму в потрійній точці води; W(Т) - функція термометра для постійного струму (визначена МТШ-90).

Існуюча вимірювальна техніка визначає параметри ПТО по двохелементній схемі заміщення. Для відображення реактивної складової термометрів слід застосовувати одну з трьохелементних схем, наприклад послідовно зєднані активний опір і індуктивність, а паралельно ним - ємність. Розрахунки, виконані для реальних термометрів, показують, що на частотах до 1 кГц частотна похибка термометрів, обумовлена застосуванням двохелементної схеми заміщення, не перевищує 110^-8. Невелика по значенню реактивна складова опору термометрів в реальних вимірювальних приладах несуттєво впливає на похибку вимірювань.

Розглядаючи похибки термометрів, доцільно дослідити вплив каркасу чуттєвого елементу термометра.

Еквівалентна схема містить наступні елементи: R - активний опір чуттєвого елементу (2) ПТО; R₂ - опір, що враховує шунтуючу дію основи (3) каркасу; С - ємність, що враховує частково розподілені ємності C_i між дротом (2) і пластиною (1); R₁ - опір, що враховує обємні опори R_i пластини (1).

Похибка термометра _R, обумовлена шунтуючою дією каркасу, визначається наступним виразом:

; (4)

де R_p = RR₂/(R + R₂) - еквівалентний опір паралельного зєднання R і R₂.

Значення опорів R, R₁, R₂ залежать від температури. Таким чином, згідно з формулою (4), похибка _R збільшується з ростом частоти і температури. Проведені розрахунки показали, що дана похибка особо виявляється при температурах більше 800С, за рахунок значного зниження питомого опору матеріалу каркаса (кварца), навіть на постійному струмі. Частотна похибка ПТО, обумовлена шунтуючою дією каркаса, залежить від опору R₁ та ємності С і визначається виразом:

. (5)

З формули (5) видно, що частотна похибка _f росте з ростом частоти та при ?>(2-3)/R₁C практично досягає свого максимального значення, яке визначається відношенням опорів R и R₁. Також похибка _f має складну залежність від температури. При температурі, коли опір R₁=1/С похибка приймає максимальне значення: _fmax=СR_Р/2. Дослідження показали, що _f може перевищувати 110^-7 на частоті 800 Гц вже при температурі 600 С. Тому при вимірюванні за допомогою ПТО високих температур (більше 600С) необхідно враховувати дану похибку. При цьому функція термометру W_f(Т) для змінного струму матиме вигляд:

;

де W(Т) - функція термометра для постійного струму (визначена МТШ-90).

У третьому розділі представлено розроблені структурні схеми прецизійних трансформаторних мостів змінного струму для вимірювання активного опору, процеси вимірювання та врівноваження; розглянуто основні похибки мостів та запропоновано структурні шляхи зменшення цих похибок.

Розроблено структурну схему прецизійного двоконтурного трансформаторного моста з порівнянням напруг для вимірювання активного опору в діапазоні частот.

На схемі позначено: генератор напруги Г, індуктивний подільник Т1, трансформатор Т2, повторювач напруги ПН, зразкова міра опору R₀, обєкт вимірювання Z_Х, детектор рівноваги ДР, R - сумарний опір зєднувальних дротів та обмотки m31. Ланцюг містить два контури регулювання. Основний контур служить для порівняння напруги на обєкті вимірювання з напругою на обмотці m32 трансформатора Т2 та формування сигналу нерівноваги. Допоміжний контур служить для створення режиму заданого струму, що тече через R₀ и Z_Х.

При розробці вимірювального ланцюга було зроблено припущення, що еквівалентна схема заміщення обєкта вимірювання являє собою послідовне зєднання активного опору R_X та еквівалентної індуктивності L_X:

.

Розроблений міст врівноважується тільки по активній складовій опору (оскільки у термометрів інформативний параметр - активний опір, а реактивна складова незначна). Процес вимірювання здійснюється в два етапи. На першому міст врівноважується за допомогою індуктивного подільника. На другому визначається похибка врівноваження, при цьому уточнюється результат вимірювання. Такий підхід дозволяє значно зменшити масогабаритні показники приладу за рахунок зменшення розрядності індуктивного подільника. На обох етапах визначається відстань до рівноваги Р₁ та Р₂, виражена в одиницях коефіцієнта передачі індуктивного подільника, варіаційним методом за виразом:

, (6)

де ,- напруга нерівноваги до варіації і після; К_В - величина (на яку змінюється коефіцієнт передачі К₁ індуктивного подільника) варіації.

При цьому використовуються синфазна (А) та квадратурна (В) складові сигналу нерівноваги. Результат вимірювання імпедансу термометра визначається наступним чином:

.

Використання синфазної та квадратурної складових сигналу нерівноваги, варіаційного метода врівноваження та двох етапів вимірювання дозволяє проводити високоточне вимірювання активного опору термометра.

Вираз для сигналу нерівноваги вимірювального ланцюга (рис. 2):

;

де К₁, К₂ - коефіцієнти передачі трансформаторів Т1, Т2; - напруга генератора.

При рівновазі моста активний опір обєкту вимірювання визначається виразом:

.

Проведено теоретичні дослідження та оцінка основних похибок моста. Розроблено структурні способи зменшення цих похибок, що дозволять проводити мостом прецизійні вимірювання активної складової імпедансу термометрів.

Проведено дослідження методичної похибки визначення величини розбалансу моста. Врівноваження мостового вимірювального ланцюга (МВЛ) (рис. 2) здійснюється варіаційним методом. Наявність в ланцюгу двох взаємоповязаних контурів регулювання призводить до появи методичної похибки визначення величини розбалансу моста. Ця похибка викликана залежністю робочого струму від відстані Р до рівноваги. Вона ускладнює алгоритм врівноваження моста та знижує точність вимірювання при визначенні залишкової нерівноваги.

Знайдено точний вираз для відстані Р до точки рівноваги (по активній складовій комплексного опору) вимірювального ланцюга:

;

де - функція напруг нерівноваги.

При використанні виразу (6) похибка визначення відстані до точки рівноваги має вигляд:

.

Для дванадцятирозрядного індуктивного подільника ця похибка може перевищувати 110^-2. Тому для вимірювань з похибкою менш ніж 110^-7 необхідно проводити три процедури врівноваження при використанні формули (6).

Розроблено трансформаторний міст з порівнянням струмів. За допомогою даного моста також можна проводити вимірювання активного опору в діапазоні частот з високою точністю.

Зображені наступні елементи: генератор струму Г, обєкт вимірювання Z_X, трансформатор Т1, індуктивний подільник Т2, зразкова міра опору R₀, диференційний підсилювач ДП, резистор R₀^*, резистор R - сумарний опір підєднуючих дротів та обмотки m01, детектор рівноваги ДР.

При врівноваженні МВЛ шляхом зміни кількості витків первинної обмотки m2 індуктивного подільника Т2 досягається рівність струму вторинної обмотки m3 з сумарним струмом, що протікає по зразковій мірі та резистору R₀^*. Вираз для сигналу нерівноваги (струму, що протікає по детектору рівноваги) даного ланцюга має наступний вигляд:

;

де - струм генератора; - коефіцієнт передачі струму трансформатора Т1; - коефіцієнт передачі струму індуктивного подільника Т2; К_ДП - коефіцієнт підсилення ДП.

При рівновазі ланцюга (=0) активний опір обєкта вимірювання визначається виразом: . Це справедливо при умовах: К_ДП=1, R₀^*=R₀.

Для запропонованого моста процеси врівноваження та вимірювання такі, як і у трансформаторного моста з порівнянням напруг (рис. 2). Також для даного ланцюга запропоновано структурні способи зменшення мультиплікативної похибки.

У четвертому розділі наведено результати розробок структурних схем безтрансформаторних мостів для вимірювання активного опору в діапазоні частот; розроблено структурну схему та алгоритм калібровки цифроаналогових перетворювачів, що використовуються в безтрансформаторних мостах.

Розроблено структурну схему безтрансформаторного моста з порівнянням напруг. В цьому мості роль кодокерівного подільника виконує цифроаналоговий перетворювач, тому він придатний для вимірювання імпедансу на низьких частотах і постійному струмі. Схема містить: зразкову міру опору R₀, обєкт вимірювання Z_Х, цифроаналоговий перетворювач ЦАП1, генератор напруги Г, ключ S₁ та детектор рівноваги ДР. Через R_ПД позначений опір підєднуючих дротів до R₀ и Z_X.

Врівноваження МВЛ здійснюється зміною коефіцієнта перетворення К_Ц цифроаналогового перетворювача, при цьому досягається нульове показання ДР. Для усунення впливу опору R_ПД на результат вимірювання необхідно проводити два вимірювання.

При першому вимірюванні ДР підєднаний до точки А (ключ S₁ в нижньому положенні). При цьому вираз для сигналу нерівноваги має наступний вигляд:

.

При рівновазі () моста активний опір R_X (інформаційний параметр ПТО) визначається наступним чином: ; де К_Ц1 - коефіцієнт К_Ц при рівновазі в точці А.

При другому вимірювання ДР підєднаний до точки Б (ключ S₁ у верхньому положенні). Вираз для сигналу нерівноваги має вигляд:

.

При рівновазі МВЛ в точці Б: ; де К_Ц2 - коефіцієнт К_Ц при рівновазі в точці Б.

В результаті двох вимірювань отримуємо вираз для R_X, що не залежить від опору R_ПР:

.

Однак можливі випадки, коли за час між двома вимірюваннями активний опір R_X термометра зміниться на величину, більшу ніж чутливість засобу вимірювання. Цього недоліку позбавлений наступний вимірювальний ланцюг. Ця схема відрізняється від схеми, додатковими елементами: повторювачем напруги ПН та другим цифроаналоговим перетворювачем ЦАП2. ПН подає на вхід ЦАП2 сигнал, рівний напрузі в точці Б. ЦАП2 ідентичний ЦАП1 і має той самий керуючий код. На ДР поступає сигнал нерівноваги, як різниця між напругою в точці А та зміненою в К_Ц раз напругою в точці Б. Таким чином, при рівновазі ланцюга результат вимірювання не залежить від опору R_ПР (при ідеальності ПН і ідентичності АЦП1 та АЦП2):

.

Реально похибка вимірювання, обумовлена наявністю R_ПР, може бути меншою ніж 110^-7.

Основним джерелом похибки розроблених безтрансформаторних мостів є ЦАП. Похибка його коефіцієнта перетворення обумовлена неідеальністю резисторної матриці та операційного підсилювача. Похибку, що вносить підсилювач, можна зменшити, побудувавши його по ітераційній схемі.

Для зменшення похибки, що вносить резисторна матриця, розроблено структурну схему та алгоритм калібровки.

Схема містить: два однакових цифроаналогових перетворювача ЦАП1 (що калібрується) та ЦАП2 (допоміжний), резистори R₀ та R₃=R₂, ключ S1, аналогоцифровий перетворювач АЦП, генератор напруги Г та пристрій керування ПК. Калібровка ЦАП полягає в послідовному визначенні вагових коефіцієнтів всіх розрядів перетворювача. Вони визначаються відносно зразкового співвідношення резисторів: R₂/R₀=2^-b; де b - кількість розрядів ЦАП. ЦАП2 служить для створення напруги зміщення, щоб на вході АЦП при калібровці максимальний сигнал відповідав одиниці молодшого розряду ЦАП. Після калібровки вагові коефіцієнти ЦАП запамятовуються і потім використовуються при обчислюванні результатів вимірювань. Частота калібровок обирається в залежності від короткочасної стабільності опорів резисторної матриці.

У пятому розділі наведено опис та технічні характеристики і можливості створеного термометричного моста змінного струму; надано результати експериментальних досліджень метрологічних характеристик даного пристрою.

Розроблено термометричний міст змінного струму СА300, що дозволяє проводити вимірювання активного опору з чутливістю менш ніж 110^-7 (рис. 1). Робоча частота в екземплярах пристрою може бути встановлена з діапазону 125 - 975 Гц. Таким чином, за допомогою розробленого пристрою можна проводити експериментальні дослідження частотних похибок ПТО в діапазоні частот. Разом з ПТО пристрій придатний до високоточного вимірювання температури.

Рис. 1. Функційна схема моста СА300

На функційній схемі моста (рис. 1) позначено: генератор (Г), мостовий вимірювальний ланцюг (МВЛ), підсилювач (П), комутатори (К1, К2), синхронні детектори (СД1, СД2), фазообертаючий ланцюг (ФЛ), інтегратори (Інт1, Інт2), аналогоцифровий перетворювач (АЦП).

В основу пристрою покладено розроблений мостовий вимірювальний ланцюг. Міст має дванадцятирозрядний індуктивний поділювач, який входить в МВЛ. Після врівноваження моста за допомогою індуктивного поділювача визначається його залишкова нерівновага. При використанні дванадцятирозрядного АЦП результат вимірювання визначається двадцятьма чотирма двоїчними розрядами. Процеси вимірювання та врівноваження, закладені в розробленому мості, описані у третьому розділі.

Проведено експериментальні дослідження основних похибок моста, що довели теоретично розраховані високі метрологічні характеристики приладу.

Таблиця 1. Характеристики прецизійних термометричних мостів

	ASL F18	ASL F900	Guildline 6675A	Measur. Int. 6015T	СА300
Похибка	110-7	210-8	110-7	210-8	310-8
Чутливість	310-9	0.510-9	110-9	110-9	110-8
Частота, Гц	25 чи 75	25 чи 75	-	-	125
Лінійність	110-8	-	110-9	110-8	210-7
Розміри, мм	326527459	-	178483413	266451306	290120320
Маса, кг	46	-	25	22.7	5
Потужність, ВА	-	100	180	40	15
Час вимірюв., с	30	20	-	20	3

Наведена в табл. 1 порівняльна характеристика прецизійних термометричних мостів ведучих закордонних фірм та СА300 показує, що наш прилад не поступає по метрологічним характеристикам закордонним аналогам і має кращі техніко-економічні показники.

Висновки

Для прецизійних вимірювань температури в діапазоні 13 - 1300 К використовуються платинові термоперетворювачі опору. Вимірювання опору ПТО здійснюється на постійному та змінному струмі. Частотна залежність активної складової комплексного опору платинових термометрів практично не вивчена ні теоретично, ні експериментально. Існуючі прецизійні мости змінного струму не дозволяють визначити частотну залежність активної складової опору ПТО в діапазоні частот (0-1000 Гц). Тому необхідно розробити нові структурні схеми та принципи роботи мостових вимірювальних ланцюгів для створення вітчизняних малогабаритних прецизійних мостів змінного струму, які працюють у діапазоні частот.

На основі нових теоретичних та експериментальних результатів, одержаних в дисертації, вирішена нова актуальна наукова задача - створення сучасних прецизійних мостів змінного струму для вимірювання активного опору в діапазоні частот, що дозволить проводити експериментальні дослідження частотної похибки термометрів опору.

Основні наукові та практичні результати роботи полягають в наступному:

1. Вперше досліджено залежність частотної похибки платинових термометрів від вимірюваної температури. При зменшенні вимірюваної температури частотна похибка ПТО, викликана поверхневим ефектом у дроті чуттєвого елементу, збільшується. Це викликано зменшенням питомого опору платини. При вимірюванні високих температур стає суттєвою частотна похибка термометрів, викликана шунтуючим впливом каркасу, оскільки із збільшенням температури зменшується питомий опір матеріалу каркасу.

Частотні похибки ПТО, викликані даними ефектами, можуть досягати суттєвих значень у використовуваному для вимірювань частотному діапазоні. Тому ці похибки необхідно визначати та враховувати при прецизійних вимірюваннях температури за допомогою ПТО.

2. Розроблено структурні схеми трансформаторних мостів, які дозволяють проводити прецизійні вимірювання активного опору термометрів у діапазоні частот. Проведено дослідження основних похибок вимірювання даних мостів та запропоновано шляхи підвищення їхньої точності.

3. Знайдено та досліджено методичну похибку визначення відстані до точки рівноваги у двоконтурних трансформаторних мостах при використанні варіаційного методу врівноваження. Знайдено шляхи зниження цієї похибки та точний вираз для визначення точки рівноваги таких мостів.

4. Розроблено структурні схеми безтрансформаторних мостів, за допомогою яких можна проводити прецизійні вимірювання опору ПТО на інфранизьких частотах та на постійному струмі.

5. Знайдено новий підхід до вирішення проблеми підвищення точності коефіцієнту перетворення цифроаналогових перетворювачів. Він заснований на варіаційній калібровці ЦАП. В результаті стала можливою побудова прецизійних безтрансформаторних мостів на основі цифроаналогових перетворювачів.

6. Розроблено алгоритм калібровки ЦАП безтрансформаторних мостів, який дозволяє підвищити точність його коефіцієнту перетворення на декілька порядків.

7. На основі розроблених структурних схем створено прецизійні трансформаторні термометричні мости змінного струму. Отримані прилади використовуються: для високоточного вимірювання активного опору; для визначення частотної залежності активного опору ПТО; разом з прецизійним платиновим термометром для високоточного вимірювання температури. Створені мости по метрологічним характеристиках відповідають кращим аналогічним приладам провідних у даній області виробництва закордонних фірм. При цьому їхні масогабаритні показники та вартість значно нижчі, ніж у аналогів.

8. Проведено експериментальні дослідження створених приладів. Результати експериментів підтвердили їхні високі метрологічні характеристики. Екземпляри розробленого на основі двоконтурного трансформаторного ланцюга термометричного моста СА300 експлуатуються у провідних метрологічних центрах України (НВО “Метрологія”) та Росії (ВНДІМ).

На основі розроблених схем безтрансформаторних мостів та алгоритму калібровки ЦАП, можна створити прецизійні термометричні мости, які працюють на інфранизьких частотах та постійному струмі.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Гриневич Ф.Б., Мелещук Д.В. Особливості і метрологічні характеристики платинових термоперетворювачів опору // Технічна електродинаміка. - 2001.- № 6. - С. 66-68.

2. Мелещук Д.В., Михаль А.А. Погрешность платиновых термометров сопротивления, вызванная поверхностным эффектом в проводе чувствительного элемента // Технічна електродинаміка. - 2004. - № 2. - С. 69-71.

3. Мелещук Д.В., Сурду М.Н., Михаль А.А. Пути снижения методической погрешности измерения в термометрических мостах переменного тока со сравнением напряжений // Технічна електродинаміка.- 2001.- № 3. - С. 65-69.

4. Мелещук Д.В., Сурду М.Н., Швец Т.В. Двухконтурный трансформаторный мост переменного тока со сравнением напряжений // Технічна електродинаміка. - 2003.- № 3. - С. 59-62.

5. Гриневич Ф.Б., Сурду М.Н., Михаль А.А., Швец Т.В., Кромпляс Б.А., Мелещук Д.В. Прецизионный мост переменного тока для работы в диапазоне частот 125-925 Гц // Технічна електродинаміка. Тем. випуск "Проблеми сучасної електротехніки". - 2000. - Ч. З. - С. 76-78.

6. Мелещук Д.В., Михаль А.А., Походун А.И., Сурду М.Н. Особенности измерения параметров термометров сопротивления в диапазоне частот // Труды ІІІ Международной научно-технической конференции "Метрологія та вимірювальна техніка". - Харьков: ГНПО “Метрология”. - 2002. - С. 240-243.

Размещено на Allbest.ru

...