CC BY
104
вьев A.A. / Под ред. О.В. Алексеева. - М.: Связь, 1978.
- 304 с.
13. Титов A.A. Экономичный сверхширокополосный усилитель мощности с защитой от перегрузок // Приборы и техника эксперимента. - 2002. - № 2. -С. 71-73.
14. Зааль Р. Справочник по расчету фильтров: Пер. с нем.
- М.: Радио и связь, 1983. - 752 с.
15. Рэд Э. Справочное пособие по высокочастотной схемотехнике: Схемы, блоки, 50-омная техника: Пер. с нем. - М.: Мир, 1990. - 256 с.
16. ГОСТ Р 50890-96. Передатчики телевизионные маломощные. Основные параметры. Технические требования. Методы измерений. - М.: Издательство стандартов, 1996. - 36 с.
17. Иванов В.К. Оборудование радиотелевизионных передающих станций. - М.: Радио и связь, 1989. -336 с.
18. Disman R.I. Dynamic range performance of microwave transistor amplifier // Microwave J. - 1971. - V. 14. -№ 8. - P. 48, 50, 58.
УДК 621.317.727
ЭТАЛОННЫЙ ИНДУКТИВНЫЙ ДЕЛИТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ
В.Л. Ким, М.С. Ройтман
Томский политехнический университет Е-таН: [email protected]
Проведен расчет погрешности индуктивного делителя напряжения, обусловленной взаимовлиянием декад. Использование двухступенчатой технологии изготовления декад и выполнение двух декад на общем ферромагнитном сердечнике жгутами из проводов разных диаметров позволили создать эталонный шестидекадный делитель с относительной погрешностью коэффициента передачи 3-Ю'7 Кп~> в диапазоне частот 0,4.-2 кГц.
В измерительной технике, системах контроля и управления широко применяются масштабные измерительные преобразователи - делители напряжения емкостного, резистивного и индуктивного (трансформаторного) типов.
Улучшение характеристик делителя невозможно без совершенствования и создания эффективных методов и средств метрологического обеспечения (МО) преобразователей (особенно на переменном токе). Наибольшее развитие получили методы определения характеристик на постоянном токе и в сравнительно узком диапазоне частот - 0,4... 1,0 кГц [1-3]. Известны работы [4,5], в которых классифицируются методы и средства МО делителей на переменном токе. Из экспериментальных методов сличения коэффициентов преобразований поверяемого и эталонного делителей широко используется метод сравнения с эталонным многокаскадным индуктивным делителем напряжения (ИДН) [6, 7]. Данный метод отличается простотой, высокой производительностью, возможностью проведения комплектной поверки в широком диапазоне частот, низкой чувствительностью к температурным изменениям.
Анализ и сравнение метрологических характеристик делителей напряжения переменного тока с ручным и программным управлением показывает, что наибольшей точностью (10-3...Ю"4 %) эти преобразователи обладают на частотах 0,4...2,0 кГц во всем диапазоне изменения коэффициента передачи Кп = = ишуивх (где 11вх - входное, (1ВШ - выходное напряжение делителя). Аттестация со столь высокой точностью возможна при наличии эталонных ИДН и соответствующей нормативно-технической доку-
ментации. Принципы построения высокоточных преобразователей известны и реализованы в многодекадных ИДН, используемых в NBS (США), NPL (Великобритания), РТВ (Германия) в качестве эталонов отношения. В этих делителях каждая декада представляет собой двухступенчатый (two-stage) ИДН, который имеет значительно меньшие погрешности преобразования по сравнению с другими типами делителей [8, 9]. Аттестация ИДН осуществляется расчетно-экспериментальными методами -опорного потенциала и "захватывания в вилку" [Ю, 11].
С 1982 года в Томском политехническом университете ведутся работы по созданию эталонных ИДН, по своим метрологическим характеристикам не уступающих зарубежным аналогам [12, 13]. Так, в че-тырехдекадном ИДН ДИ-4 [14] относительная погрешность Кп не превышает 10 6 К,,"1 в диапазоне частот 0,4... 1,0 кГц (данные приведены по результатам аттестации делителя во ВНИИФТРИ).
Применение новых конструктивно-технологических способов повышения точности, сравнительно простых, но строгих методов поверки в совокупности с научно-обоснованными методиками расчета результирующей погрешности Кп позволяет улучшить метрологические характеристики эталонных ИДН.
Следует отметить, что в ИДН, как и в других многозначных мерах, повышение точности позволяет увеличить разрядность и, следовательно, разрешающую способность делителей. Однако, традиционные способы расширения диапазона изменения Кп путем добавления декад, размещенных на отдельных ферромагнитных сердечниках, приводят к
росту массогабаритных показателей и стоимости. В этом случае может быть эффективно использован метод выполнения двух каскадов (декад) на общем сердечнике, позволяющий вдвое снизить количество требуемых сердечников при создании многокаскадных ИДН [15].
Двухкаскадный ИДН, декады которого соединены по схеме Кельвина-Варлея, приведен на рис. 1. Для повышения точности делитель выполнен по двухступенчатой технологии, при которой используются два соосно расположенных тороидальных
^последующим ( каскадам
сердечника ТУ1 и ТУ2. На первом сердечнике наматывается намагничивающая обмотка Ц. Первая Ь2 и вторая Ь5 декадные обмотки выполняются двумя одиннадцатипроводными жгутами, наматываемыми на оба сердечника. При этом одиннадцатые провода жгутов образуют опорные обмотки 1_4 и Ь6 и используются при проведении самоповерки первой и второй декад соответственно. Кроме этого на сердечниках размещается обмотка связи Ь3, соединяемая с обмоткой намагничивания последующего каскада. Коммутация отводов декад осуществляется многопозиционными переключателями и Б2. Для правильной работы делителя соблюдается следующее соотношение числа витков обмоток W1=W2=10W5=10W4=100Wз=100W6. Общая погрешность ИДН определяется точностью декад и взаимовлиянием их. Как известно, двухступенчатый способ позволяет снизить погрешности ненагру-женных декад. Для анализа погрешностей, обусловленных взаимодействием декад, представим ИДН в виде линейной эквивалентной схемы (рис. 2), справедливой в области низких и средних частот, где можно пренебречь емкостными проводимостями. На рис. 2 приняты следующие обозначения: 2и = ги + 7'соЪъ = г21 +]а112, - полные сопротивления верхнего и нижнего подводящих проводов первой (/-ой) декады (ги и гъ - активные сопротивления, и 1й1 - индуктивности рассеяния);
= у'соД. - индуктивное сопротивление первой декады; Ъы = гш + усо/5Ш - полное сопротивление секции первой декады;
"'21+1
= г;
2/+1
+ М:
полные сопротивления под-
Рис. 1. Принципиальная схема ИДН с самоповеркой
водящих проводов второй (/+1-ой) декады;
+1 = гом + Уа>/,0,+1 - полное сопротивление секции второй декады; Ё,,.,Ё21. - источники входных напряжений, поступающих на низко- и высокопотенциальный входы ИДН соответственно; ¿,, ё2 - ЭДС, наводимые в декадных обмотках током намагничивающей обмотки.
о 10
Рис. 2. Эквивалентная схема двухдекадного ИДН
Так как на частотах до 2 кГц индуктивные составляющие полных сопротивлений подводящих проводов, секций первой и второй декад существенно меньше активных составляющих, то с целью упрощения пренебрегаем влиянием индуктивностей рассеяния. Тогда е, определяется в виде
ё\ = (Ё2, ~Ё„ )
1-
Г Л2
с
где гн,Ьн- активное сопротивление провода и индуктивность намагничивающей обмотки.
Пусть Ё„ = Е(а„. + Д,). К -Е(я2; + ]ЪЬ.), где Ьи « аи, ¿2, << (¡2г Напряжения зависимых источников Ё^ и Ё21. определяются выражениями:
Ч,=г/„ = Е„ +
(4.
А+ё.Н
Е '21=иь=ии+ё1 +
г„. + г1{ + /0)1,
Е «.+;<). (Ё2г-Ё
ги + гь + ум!, = Е (4+К),
(1)
где
с'и - аи + А,Д2Азх {(¡-Д^ДД-О + ДДДз+А,)"
<.=й1|.+Д1Д2Д3х {Дз^-^+ЛЛК+ЛзЬ^-Д,];
где ег
и^-йи'
10
Югп,.
Г01 + 1,41 + Г2Ш + 10Г0,Ч1
Представим напряжение ё2 в виде . 1/,,-С/,,
10
^(1 + ДЛ+7А?А6),
(3)
гдеД^'
Выходные напряжения первой декады на отводах К и К+1 определяются в виде:
Ё/с — Ё|; + (Ё2, Ё|; ё2У
Кг,,,
Го,Кг\я
-Ё|, +¿2 +(Ёг; - ¿2 ) ^ ^ •
Эти выражения с учетом (1-3) после преобразований приводятся к виду:
Е*=Е
с' +
А7Л>0/ ,
1-^(1 + ДА -Д?Д6Д,)
+
+7
4 + А7
9гш.+/г
^-^(Дз + дХ + ДАМ
К(4)
с'21=с'и + А2х х [1 - Д, Д4 Д5 (А, + Д4) + Д, Д4 (1 - А, Д4)];
сГь - + Д2 х
X [ д5 + А, д4 ( Д, + д4) + Д, д4 (1 - Д, д4) д5 ];
г
. А, >>
Ь,
г + у*
Д = ^ Г21 . Д = -I/,
Для учета влияния последующей декады на предыдущую преобразуем участок цепи, заключенной между точками К и К+1, в эквивалентную последовательную цепь, содержащую активное сопротивление И и зависимый источник напряжения ё'2. При этом
,_ГоДг,,Ч1+?-2,ч,+10г0|Ч1) _ . ,
А:+1 ~~ Е
<1 + А1
10
ъ I! Кг01 + я
:(1 + Д,Д6-АбД.А?)-
</,', +Д7
'о; 10
Кг01 + Я 9 г0,+Д
1 + <4, +* у
^ +
:(Д8 + Д^А6 + Д,Д6Д8) +Д ^^
Напряжение холостого хода отвода К:
Е£=Е
(5)
Из сравнения формул (4) и (5) видно, что уменьшение влияния (шунтирования) второй декады на первую достигается при выполнении условия
lim
г„,->0
9 r0l+R
1
То-
Аналогичное условие можно получить и для отвода К+1.
Таким образом, для повышения точности необходимо обеспечить существенно большее значение активного сопротивления провода обмотки второй декады по сравнению с активным сопротивлением провода секции обмотки первой декады.
Полученные результаты легли в основу построения шестидекадного ИДН ДИ-6, в котором первая, третья и пятая декады намотаны жгутами из проводов марки ПЭВ-2 диаметра 0,33 мм, а остальные - проводов марки ПЭВ-2 диаметра 0,12 мм. При этом первая и вторая, третья и четвертая, пятая и шестая декады выполнены аналогично по схеме, приведенной на рис. 1. Число витков \¥,=\У2=300, а \У3=30. Материал сердечников - пермаллой 79 НМ (толщина ленты 0,05 мм, максимальная индукция Вт = 4000 Гс, относительная магнитная проницаемость цг= 110000), размеры торов -70x30x15 мм. Индуктивности обмоток Ц = 2 Гн, Ь2 = 4 Гн.
В разработанной методике метрологической аттестации ДИ-6 определение суммарной погрешности Кп производится путем определения составляющих погрешности, обусловленных: погрешностью отдельных декад в режиме холостого хода; взаимным влиянием декад; паразитными связями, навод-
ками и напряжением прямого прохождения . Относительные погрешности Кп отдельных декад определяются методом опорного потенциала, используя формулу [151:
уК,=
1
iU,
вх У=1
lOAt/,
м
■ U0 - разностное напряжение меж-
где =
ду напряжением у-ой секции и напряжением опорной обмотки, измеряемое с помощью дифференциального указателя ДУ-12А (Ф7239).
Составляющие погрешностей Кп каждой предыдущей декады, обусловленные влиянием всех последующих декад, определяются методом опорного потенциала при комплектном включении ИДН.
Определение аддитивной составляющей погрешности производится путем прямого измерения напряжения дифференциальным указателем на выходе делителя при коэффициенте передачи, равном нулю.
Результирующая погрешность Кп рассчитывается простым арифметическим суммированием по модулю всех составляющих.
Аттестация ДИ-6, проведенная во ВНИИФТРИ, показала, что в диапазоне частот 0,4...2 кГц относительная погрешность Кп не превышает 3-Ю"7 при Кп=10-'...1; Ю-6 при Кп=10-3...10-1; 10 5 при КП=10-4...Ю-3; 5-Ю-4 при КП=10-5..Л0-4; 5-Ю"3 при
кп=ю-6...ю-5.
С 1986 года ДИ-6 используется во ВНИИФТРИ в составе установки высшей точности для измерения электромагнитных колебаний УВТ 52-А-87 [16], являющейся исходным эталоном для Российской Федерации.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Вострокнутов Н.И. Испытания и поверка цифровых измерительных устройств. - М.: Изд-во стандартов, 1977,- 140 с.
2. Туз Ю.М., Володарский Е.Т., Сергеев И.Ю. и др. Установка для автоматизированного измерения и контроля параметров аналого-цифровых и цифро-ана-логовых преобразователей // Приборы и техника эксперимента. - 1983. - № 6. - С. 197.
3. Данилов A.A. Методы и средства оценивания нелинейности функции преобразования измерительных преобразователей. - Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та. 2001.- 140 с.
4. Гореликов Н.И., Полищук Е.С., Рылик М.Г., Рыш-ковский А.П. Методы и средства метрологического обеспечения прецизионных масштабных преобразователей напряжения. - М: ЦНИИТЭИ приборостроения, 1984. - 56 с.
5. Байков В.М., Галахова О.П. Оценка погрешностей резисторных делителей напряжения в звуковом диапазоне частот // Труды метрологических ин-тов СССР. - Вып. 115 (175). - Л.: Энергия, 1971. -С. 112-117.
6. Байков В.М. Методы аттестации делителей напряжения переменного тока // Труды НПО "ВНИИМ им.
Д.И. Менделеева". - Л.: Изд-во ВНИИМ, 1980. -С. 15-20.
7. Векслер М.С., Кофман Н.И. Проблемы метрологического обеспечения индуктивных делителей // Труды ВНИИЭП "Метрологическое обеспечение средств электроизмерительной техники". - Л.: Изд-во ВНИИЭП, 1980. - С. 3-15.
8. Deacon Т.А., Hill J.J. Two-stage inductive voltage divider // Proc. IEEE. - 1968. - V. 115, № 6. - P. 888-892.
9. Deacon T.A., Hill J.J. Improvements in or relative to inductive voltage dividers. Патент Великобритании № 1244212, H1T(H01F, 31/00). - Опубл. 25.08.1971.
10. Nakase Т. Isolated-section inductive divider and its self-calibration // IEEE Trans. Instrum. and Measur. - 1970. -V.IM-19,№4.-P. 312-317.
11. Braun A., Richer H., Danneberg H. Determination of voltage transformer error by means of a parallel-series step-up method // IEEE Trans. Instrum and Measur. -1980. - V. IM - 29, № 4. - P. 492-495.
12. Ройтман M.C., Калиниченко Н.П. Индуктивные делители напряжения // Измерения, контроль, автоматизация: Научно-техн. сб. обзоров / ЦНИИТЭИ приборостроения. - М., 1978. - Вып. 2 (14). -С. 24-32.
13. Ройтман М.С., Ким В.Л., Калиниченко Н.П. Кодо-управляемые прецизионные делители напряжения
// Измерения, контроль, автоматизация: Научно-техн.: Сб. обзоров / ЦНИИТЭИ приборостроения. - М., 1986. - Вып. 1(57). - С. 3-17.
14. Ройтман М.С., Ким B.JI., Калиниченко Н.П., Бек-керов В.П. Прецизионный индуктивный делитель напряжения ДИ-4 // Метрология в радиоэлектронике: Тез. докл. VI Всесоюзн. науч.-техн. конф. -16 окт. 1984 г. - М„ 1984. - С. 217-218.
15. А. с. 1249622 СССР. МКИ^ H01F 21/12. Индуктивный делитель напряжения / М.С. Ройтман, Н.П. Калиниченко, B.JI. Ким. - Опубл. 07.08.86, Бюлл. № 29. -8 с.
16. Установка высшей точности для измерения ослабления электромагнитных колебаний на фиксированных частотах в диапазоне частот 0-100 МГц УВТ 52-А-87. http: //www.vniiftri.ru/standards/stand212.htmlp.
УДК 681.586.773: 535
Эффективность применения пьезоэлектрических систем, обеспечивающих перемещение и позиционирование объектов управления в диапазоне 0,01... 1 мм (с погрешностью - до долей мкм; быстродействием - до Ю-3 с и силой воздействия до 1 Н), рассмотрена в [1, 2]. Их использование в прецизионных автоматических системах управления [3-6] позволяет обеспечить заданную точность по-
Стабилизированное
МНОГОМЕРНОКООРДИНАТНЫЙ ПРИВОД МИКРОУПРАВЛЕНИЯ
С.М.Слободян
Инновационный центр "Тест", г. Томск E-mail: [email protected]
Описан системный пьезоэлектрический привод для пространственного (по углам наклона с продольным сдвигом) управления зеркалом корректора фронта адаптивной следящей системы. Эффективность привода подтверждена экспериментом.
зиционирования объекта, обычно осуществляемого в пространственной трехмерной координатной системе. Особенно важно трехмерное управление объектом в задачах повышения качества изображения, в оптико-телевизионных системах, звездных и солнечных телескопах, системах адаптивной оптики. Решение этой задачи достигается путем введения в системы дополнительных контуров управления компенсацией влияния случайных искажений волнового фронта принимаемого излучения. Компенсация случайных искажений производится на основе сигналов, вырабатываемых следящими датчиками углового положения [3-5] и прогиба волнового фронта [6] адаптивно-оптической системы и, после соответствующего алгоритмического преобразования и фильтрации, подаваемых на пьезоэлектрические тяговые толкатели зеркала. Для обеспечения многокоординатного управляемого движения зеркала в трехмерном пространстве возможны два варианта: использование набора однокоорди-натных приводов и оптимизированного под решение конкретной задачи пьезопривода с распределенным независимым по каждой из координатных осей управлением.
Настоящая работа посвящена описанию и анализу системного пьезопривода для трехкоординат-ного управления объектом. Для полноты раскрытия потенциальных возможностей привода принцип его функционирования рассмотрен на примере более сложной, по жесткости точностных требований предъявляемых к пьезоприводу, задачи - как исполнительного звена устройства компенсации случайных смещений изображения, выполняющего функции корректора волнового фронта адаптивно-оп-Устройство системного пьезоэлектрического приво- тической системы да
Рис. 1. Структурная схема устройства с пьезоприводом
Рис.2.
