CC BY
57
УДК 537.8.029
ДИСТАНЦИОННАЯ КАЛИБРОВКА ИЗМЕРИТЕЛЯ КОМПЛЕКСНЫХ КОЭФФИЦИЕНТОВ ПЕРЕДАЧИ И ОТРАЖЕНИЯ У^ 25-37
Асп. ТОЛОЧКО Т. К., кандидаты техн. наук, доценты ГУСИНСКИЙ А. В., КОСТРИКИН А. М.
Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники
Назначение калибровочных лабораторий -передача размеров единиц физических величин (ФВ) через калибровку потребителям. Для того чтобы соответствовать требованиям стандарта СТБ ИСО/МЭК 17025, методы передачи размеров единиц ФВ должны непрерывно совершенствоваться [1]. Одним из путей совершенствования является калибровка средств измерений (СИ) с использованием компьютерных сетей, которая находит все большее распространение благодаря малым срокам реализации таких услуг и снижению их стоимости. В статье рассмотрен пример реализации данного подхода -дистанционная калибровка измерителя комплексных коэффициентов передачи и отражения VNA 25-37.
Измеритель изготовлен научно-исследовательской лабораторией аппаратуры и устройств СВЧ Белорусского государственного университета информатики и радиоэлектроники, которая специализируется на разработке автоматизированных средств измерений для качественной настройки и производства устройств миллиметрового диапазона длин волн, а также решает проблемы их метрологического обеспечения [2-5]. Отличительной особенностью приборов лаборатории является возможность проведения их дистанционной калибровки путем реализации технологии «клиент - сервер».
Порядок работы с системой, реализующей технологию «клиент - сервер». Технология «клиент - сервер» использует TCP/IP протокол и состоит из двух частей: серверной части программного обеспечения (ПО), устанавливаемого на персональном компьютере (ПК), входящем в состав измерителя, а также клиентской части ПО, устанавливаемого на ПК метрологической службы (МС).
Связь и взаимодействие ПК измерителя и ПК МС может осуществляться по локальной
сети, сети Internet, а также по другим сетям, физически реализующим компьютерную сеть, поддерживающую протокол TCP/IP.
Порядок работы с системой, реализующей технологию «клиент-сервер», заключается в следующем. При установке ПО на ПК, входящий в состав измерителя, указывается тип установки Custom, а при выборе компонентов -Server. При установке ПО на ПК МС указывается тип установки - Custom и выбор компонентов - Client. После установки в папке «Программы» главного меню «Пуск» появляется папка BSUIR & MWM lab, а в ней - ярлык VNA Server для серверной части ПО и ярлык VNA Client - для клиентской части ПО.
После запуска программы сервера VNA Server на ПК измерителя появляются окно и ярлык в правом нижнем углу окна, сигнализирующий о состоянии сервера и позволяющий управлять им через контекстное меню. На рис. 1 приведен внешний вид окна сервера.
II Clients lp: HirJp
Start server
Exit
□ Help
Stop server
” Auto-start server
Рис. 1. Внешний вид окна сервера
В окне сервера находятся следующие управляющие элементы:
• кнопка Start server - приведение сервера в режим ожидания;
• кнопка Stop server - остановка сервера;
• флажок Auto-start server - возможность старта сервера автоматически при запуске программы;
• кнопка Hide - скрытие окна программы, с возможностью восстановления через ярлык в правом нижнем углу;
• кнопка Exit - выход из программы с автоматической остановкой сервера;
• кнопка Help - вызов справки.
В окне сервера также располагаются информационные элемент, в том числе список Clients IP - информация об адресах подключившихся пользователей.
Для организации работы механизма «клиент -сервер» VNA со стороны сервера на ПК измерителя необходимо запустить программу VNA Server - нажать кнопку Start server.
После запуска программы VNA Client на ПК МС появляется окно (рис. 2).
I Untitled - Vector network analyzer Inlxll
File View Rate Se :rver Help
1 ^ б ■ f | H S f
Vector Network Analyzer
Рис. 2. Внешний вид окна управления измерителем комплексных коэффициентов передачи и отражения VNA 25-37
В этом окне расположено меню Server, внешний вид которого приведен на рис. 3.
Disconnect ,
Connect options
With query
Рис. З. Внешний вид меню Server
Меню Server служит для выбора параметров настройки соединения на ПК измерителя и содержит следующие пункты:
• Connect - установка соединения с сервером;
• Disconnect - разрыв соединения с сервером;
• Connect options - настройка параметров соединения.
При выборе этого пункта появляется окно, при помощи которого можно задать режим поиска сервера:
• по IP адресу - кнопка IP address;
• по имени - кнопка Name и организовать список наиболее используемых адресов и имен (рис. 4).
Рис. 4. Внешний вид окна режима поиска сервера
При установке флажка With query при измерениях на сервере появляются запросы с картинками, аналогичными тем, которые возникают на ПК МС.
Для организации работы механизма «клиент - сервер» VNA со стороны клиента необходимо:
• запустить программу VNA Client;
• выбрать в меню Server пункт Connect options и в появляющемся окне ввести или IP адрес сервера, например 194.168.0.1, или имя сервера (только для локальных сетей), например «main comp»;
• выбрать в меню Server пункт Connect.
Признаками установления соединения
служат:
• на сервере в списке Clients IP появляется адрес клиента;
• на дисплее ПК МС становятся доступными кнопки Setup, Calibration, Measurement и внизу окна в строке состояния появляется надпись вида Server IP: xxxxx, где xxxxx - имя или адрес сервера.
После этого система «клиент - сервер» VNA готова к проведению измерений.
Организация дистанционной калибровки. Дистанционная калибровка устраняет необходимость периодически посылать СИ в метрологическую службу для проведения калибровки. Вместо этого МС посылает потребителю эталонные меры и с помощью специализированного ПО, позволяющего сотруднику МС управлять СИ, проводит дистанционные измерения через компьютерные сети.
Для проведения дистанционной калибровки используются три основных компонента: СИ, ПО, эталонные меры (ЭМ).
Рассматриваемый измеритель комплексных коэффициентов передачи и отражения VNA 25-37 предназначен для автоматизированного измерения ^-параметров волноводных устройств, имеющих волноводный канал сечением 7,2х3,4 мм в диапазоне частот 25,86-37,5 ГГц с цифровым отсчетом измеряемых величин и воспроизведением их частотных характеристик на экране ПК, входящего в состав измерителя. Внешний вид измерителя приведен на рис. 5.
Рис. 5. Внешний вид измерителя комплексных коэффициентов передачи и отражения VNA 25-37
ПО, используемое в измерителе, и компьютерные сети позволяют МС управлять измерителем, выбирать режим работы, форму отображения и документирования результатов измерений.
При проведении дистанционной калибровки измерителя VNA 25-37 в качестве мер модулей коэффициентов отражения и КСВН использовались волноводные нагрузки Э9-129, а в качестве мер коэффициентов передачи - аттенюатор поляризационный Д3-36А. Меры фазового сдвига НМФС-1 разработаны лабораторией и аттестованы в Белорусском государственном институте метрологии. Они представляют со-
бой отрезки волноводов с фиксированной разностью длин, обеспечивающей разность фазовых набегов 90° и 180° на средней частоте диапазона. В диапазоне частот f = (25,86-37,5) ГГц применялись меры длиной 5,00 ± 0,01 мм и 6,60 ± 0,01 мм (для воспроизведения фазового набега 90°) и меры длиной 5,00 ± 0,01 мм и 8,23 ± 0,01 мм (для воспроизведения фазового набега 180°) [6].
Зависимости воспроизводимых фазовых сдвигов приведены на рис. 6.
25,86 27,36 28,86 30,30 31,74 33,18 34,62 36,02 37,50
f ГГц
Рис. 6. График зависимости фо(п) от частоты в диапазоне 25,86-37,5 ГГц
Результаты, полученные при дистанционной калибровке. При оформлении результатов калибровки метрологической службой составляется протокол, который содержит информацию о калибруемом СИ, эталонных СИ, условиях проведения калибровки, результаты наблюдений, расчет неопределенности результатов измерений.
Так как при калибровке в соответствии с требованиями [7] рассчитываются неопределенности результатов измерений, приведем алгоритмы и результаты отдельных расчетов для измерителя VNA 25-37.
Расчет неопределенности измерения КСВН. Математическая модель измерения при определении неопределенности измерения КСВН имеет следующий вид:
KCTU = K-CTU-a + Лэт + Лкв + Лрас, (1)
где KCTU - действительное значение КСВН; KCTUu - показание калибруемого измерителя VNA 25-37; Лэт - неопределенность, обусловленная неидеальностью меры КСВН; Лкв - неопределенность из-за конечного разрешения калибруемого измерителя VNA 25-37; Лрас -
неопределенность, обусловленная рассогласованием в измерительном тракте.
Анализ входных величин представлен в табл. 1. Результаты экспериментальных иссле-
дований приведены на рис. 7, 8. На рисунках штриховыми линиями показаны границы, в рамках которых находятся неопределенности результатов измерений.
Таблица 1
Входная величина
КСТШ Тип неопределенности А Вид распределения Нормальное 1 п °ценка величины КСТШ = - У Кстиш, п 1=1 где Кстии - результат /-го наблюдения; п - количество наблюдений Стандартная неотределеншелъ и(кстШ) = ] , 1Ч У (Кстии Кстии)2 Г(п -1) 1=1
Лэт Тип неопределенности В Вид распределения Прямоугольное Оценка величины 0 Интервал, в котором находится значение входной величины: ± аь из руководства по эксплуатации (РЭ) мер КСВН Стандартная неопределенность и(Аэт) = л/3
Лкв Тип неопределенности В Вид распределения Прямоугольное Оценка величины 0 Интервал, в котором находится значение входной величины: ± а2, где а2 - 1/2 единицы младшего разряда калибруемого измерителя Стандартная неопределенность и(Акв) = л/3
Лрас Тип неопределенности В Вид распределения Арксинусоидальное Оценка величины 0 Интервал, в котором находится значение входной величины: ±а3, из ГОСТ 20271.1-91 а3 Стандартная неопределенность и(Арас) = л/2
1,510
Кои
1,470
1,450
1,430
1,410,
1,390
1,370
1,350
1,330
25,86 27,36 28,86 30,3 31,74 33,18 34,62 36,02 37,5
Г, ГГц
Рис. 7. График зависимости Кети± ик (к = 1,41; р = 95 %)
от частоты в диапазоне 25,86-37,5 ГГц, эталонная мера с Ксти = 1,4
Г, ГГц
Рис. 8. График зависимости Кети ± ик (к = 1,41; р = 95 %)
от частоты в диапазоне 25,86-37,5 ГГц, эталонная мера с
КСти = 2,0
Расчет неопределенности измерения ослабления. Математическая модель измерения при определении неопределенности измерения ослабления имеет следующий вид:
А Аи + Аэт + Акв + Арас, дБ (2)
где А - действительное значение ослабления, дБ; Аи - показание калибруемого измерителя УКЛ 25-37, дБ; Аэт - неопределенность, обусловленная неидеальностью эталонного атте-
нюатора, дБ; Акв - неопределенность из-за конечного разрешения калибруемого измерителя УКЛ 25-37, дБ; Арас - неопределенность, обусловленная рассогласованием в измерительном тракте, дБ.
Анализ входных величин представлен в табл. 2.
Результаты экспериментальных исследований приведены на рис. 9, 10.
Таблица 2
Входная величина
Аи Тип неопределенности А Вид распределения Нормальное _ 1 п Оценка величины Аи = —/ Аи/, п" /=1 где Аи/ - результат /-го наблюдения, дБ; п - количество наблюдений _ 1 1 п — Стандартная неопределенность и (Аи) = У (Аи/ - Аи )2 \п( п -1) и
Аэт Тип неопределенности В Вид распределения Прямоугольное Оценка величины 0 Интервал, в котором находится значение входной величины: ±а4, из РЭ аттенюатора Стандартная неопределенность и(Аэт) = \]3
Акв Тип неопределенности В Вид распределения Прямоугольное Оценка величины 0 Интервал, в котором находится значение входной величины: ±а5, где а5 - 1/2 единицы младшего разряда калибруемого измерителя Стандартная неопределенность ЦА^) = —^ л/3
Арас Тип неопределенности В Вид распределения Арксинусоидальное Оценка величины 0 Интервал, в котором находится значение входной величины: ±а6, из ГОСТ 20271.1-91 Стандартная неопределенность и(Арас) = -а^- у2
Г, ГГц
Рис. 9. График зависимости А ± иА (к = 2,0; р = 95 %) от частоты в диапазоне 25,86-37,5 ГГц, установленное значение ослабления А = 10 дБ
Г, ГГц
Рис. 10. График зависимости А ± иА (к = 2,0; р = 95 %) от частоты в диапазоне 25,86-37,5 ГГц, установленное значение ослабления А = 30 дБ
Расчет неопределенности измерения фазы коэффициента передачи. Математическая модель измерения при определении неопределенности измерения фазы коэффициента передачи имеет следующий вид:
фп фпи + Аэт + Акв + Арас, (3)
где фп - действительное значение фазы коэффициента передачи, град; фпи - показание калибруемого измерителя УКЛ 25-37, град; Аэт -
неопределенность, обусловленная неидеально-стью МФС, град; Лкв - неопределенность из-за конечного разрешения калибруемого измерителя УКЛ 25-37, град; Лрас - неопределенность, обусловленная рассогласованием в измерительном тракте, град.
Анализ входных величин представлен в табл. 3.
Результаты экспериментальных исследований приведены на рис. 11, 12.
Таблица 3
Входная величина
фпи Тип неопределенности А Вид распределения Нормальное 1 п Оценка величины фпи = - У фпи/, п /=1 где фпи/ - результат /-го наблюдения, град; п - количество наблюдений Стандартная неопределенность и (фпи ) = У (фпи/ фпи )2 Р(п - 1) И
Лэт Тип неопределенности В Вид распределения Прямоугольное Оценка величины 0 Интервал, в котором находится значение входной величины: ±а7, из РЭ МФС Стандартная неопределенность и(Аэт) = >/3
Лкв Тип неопределенности В Вид распределения Прямоугольное Оценка величины 0 Интервал, в котором находится значение входной величины: ±а8, где а8 - 1/2 единицы младшего разряда калибруемого измерителя Стандартная неопределенность и(Акв) = —^ л/3
Лрас Тип неопределенности В Вид распределения Арксинусоидальное Оценка величины 0 Интервал, в котором находится значение входной величины: ±а9, из ГОСТ 20271.1-91 Стандартная неопределенность и(Арас) = -а^- л/2
Г, ГГц
Рис. 11. График зависимости ф ± и% (к = 1,65; р = 95 %)
от частоты в диапазоне 25,86-37,5 ГГц при воспроизведении фазового набега 90° на средней частоте
240.000 ф,град
200.000 180,000 160,000
140.000
120.000 100,000
25,86 27,36 28,86 30,3 31,74 33,18 34,62 36,02 37,5
Г, ГГц
Рис. 12. График зависимости ф ± и% (к = 1,65; р = 95 %)
от частоты в диапазоне 25,86-37,5 ГГц при воспроизведении фазового набега 180° на средней частоте
В Ы В О Д
Реализация метода дистанционной калибровки средств измерений предоставляет возможность оперативного проведения метрологических работ, повышает производительность за счет уменьшения времени калибровки и одновременной калибровки нескольких средств измерений, автоматизирует и систематизирует учет реального состояния средств измерений.
Вопрос разработки нормативных документов для дистанционной калибровки приобретает актуальность как на уровне национального метрологического законодательства, так и через внедрение специальных требований в международные и региональные стандарты.
Л И Т Е Р А Т У Р А
1. Общие требования к компетентности испытательных и калибровочных лабораторий: СТБ ИСО/МЭК 17025.
2. Новые средства радиоизмерений в миллиметровом диапазоне длин волн / А. В. Гусинский [и др.] // Метрология и приборостроение. - 2004. - № 1. - С. 38-43.
3. Гомодинные анализаторы СВЧ цепей коротковолновой части миллиметрового диапазона длин волн / А. В. Гусинский [и др.] // Известия Белорусской инженерной академии. - 1999. - № 1 (7)/1. - С. 41-43.
4. Измеритель коэффициентов передачи и отражения трехмиллиметрового диапазона длин волн / А. В. Гусинский [и др.] // Известия Белорусской инженерной академии. - 2002. - № 2 (14)/2. - С. 18-19.
5. Свирид, М. С. Автоматическая калибровка векторного анализатора цепей / М. С. Свирид, А. В. Гусинский, А. М. Кострикин // СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии: материалы 14-й Междунар. конф. - Се-вастопаль, 2004. - С. 628-629.
6. Галыго, А. В. Метрологическое обеспечение векторных анализаторов цепей в диапазоне частот (25,86-37,5) ГГц. / А. В. Галыго // Метрология и измерительная техника: материалы конф. - Харьков, 2006. -Т. 1. - С. 247-255.
7. Ефремова, Н. Ю. Оценка неопределенности в измерениях / Н. Ю. Ефремова. - Минск: БелГИМ, 2003.
Поступила 9.06.2007
УДК 621.319.4
ЭЛЕКТРОЕМКОСТНЫЕ ДАТЧИКИ С КОЛЬЦЕВЫМИ ЭЛЕКТРОДАМИ
Канд. техн. наук, доц. ДЖЕЖОРА А. А.
Витебский государственный технологический университет
Датчики (первичные преобразователи) являются основной частью любого измерительного устройства. Обоснованный выбор конструкции и параметров первичного преобразователя позволяет определять метрологические характеристики всего измерительного устройства, решает вопросы осуществимости технического решения поставленной задачи. Исследование первичных преобразователей, оптимизация их конструкций возможны либо физическим, либо математическим моделированием преобразователя и объекта контроля. Эти исследования часто характеризуются значительным объемом,
трудоемкостью и затратностью, что с учетом сложности структуры объектов контроля делает физическое моделирование трудноосуществимым. Поэтому основная нагрузка накладывается на математическое моделирование. Математическое моделирование неразрывно связано с широким использованием различных методов и средств математики, с огромным количеством вычислений и расчетов, использованием специализированных программ.
В статье дается расчет математической модели кольцевого первичного преобразователя для достаточно общего случая, когда объектом
