CC BY
13
ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ПОГРЕШНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ДОПОЛНИТЕЛЬНОГО НАПРЯЖЕНИЯ НА ТОЧНОСТЬ
ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ГАРМОНИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ* Мелентьев Владимир Сергеевич, д.т.н., профессор, зав. кафедрой Самарский государственный технический университет
Исследуется новый метод определения параметров гармонических сигналов, при реализации которого используется формирование только одного дополнительного напряжения, что уменьшает погрешность измерения.
* Работа выполнена при поддержке РФФИ (грант № 13-08-00173)
Среди периодических сигналов особо выделяют гармонические, которые из-за простоты модели часто применяются в измерительной технике для анализа и синтеза периодических сигналов. В настоящее время широкое распространение получило направление, связанное с разработкой методов и средств измерения параметров гармонических сигналов (ПГС) по отдельным мгновенным значениям, не связанным с периодом сигнала [1].
Это предполагает два основных способа разделения мгновенных значений сигналов: во времени и в пространстве [2].
Второй способ требует формирования дополнительных сигналов напряжения и тока, сдвинутых по фазе относительно входных, и обеспечивает сокращение времени измерения [3].
Упрощение алгоритма измерения и аппаратной реализации обеспечивают методы, использующие в качестве дополнительных -ортогональные составляющие сигналов. Однако возможность возникновения частотной погрешности фазосдвигающих блоков (ФСБ), осуществляющих формирование ортогональных составляющих сигналов, ограничивает использование такого подхода [4].
Поэтому наиболее перспективными являются методы измерения ПГС по мгновенным значениям входных и дополнительных сигналов, сдвинутых относительно входных на произвольный угол [5]. Однако при реализация таких методов может возникнуть погрешность, обусловленная отличием углов сдвига фаз дополнительных сигналов в каналах напряжения и тока.
В [6] авторами предложен новый метод измерения ПГС, который предусматривает формирование только дополнительного сигнала напряжения.
Метод основан на том, что в произвольный момент времени одновременно измеряют мгновенные значения входного напряжения и тока, а также дополнительного напряжения, сдвинутого по фазе относительно входного на угол Да. В момент перехода входного напряжения через ноль одновременно измеряют мгновенные значения дополнительного напряжения и тока. ПГС определяют по измеренным мгновенным значениям.
Временные диаграммы, поясняющие метод, представлены на рис.1.
Для гармонических входного напряжения ) Umsinrnt и тока i(t) = Im sin (t + ф)
и
u2 (() = Um sin(cot + Aa)
дополнительного
сигнала
напряжения
в произвольным момент времени ^ выражения для мгновенных значений примут вид:
где U m
U11 = Um Sin ai- U21 = Um Sin(ai +Aa) • I11 = Im Sin(ai + Ф)
? ? *
Im
т - амплитудные значения сигналов напряжения и тока; ю -угловая частота входного сигнала; ф - угол сдвига фаз между напряжением а
и током; 1 - начальная фаза входного напряжения в момент времени и.
Рис. 1. Временные диаграммы, поясняющие метод
В момент перехода входного напряжения через ноль (момент времени t2) мгновенные значения сигналов будут равны:
U22 = Um Sin Aa • I12 = Im Sin ф
?
Используя мгновенные значения сигналов, после преобразований можно получить выражения для определения основных ПГС:
- среднеквадратические значения (СКЗ) напряжения и тока
= Щ uuU 21U 2
U,
22
СК 3
4U21U22 -((221 - U121 + U22 )
I
СК 3
1
I
12
2
+
2U21U22111 - I12 (и222 - U121 + U2
2
4Uhu-((222 - U121 + U21)
активная (АМ) и реактивная (РМ) мощности
= U11U21U221[2InU21U22 - I12 (U222 - ЦГП + U221 )j 4U221U222 -(( - U¡1 + U21 ) •
(1)
(2)
P =
б =
1122\Ц
Ь112 и 22 "(и222 - ^ + и22! )
Средство измерения (СИ), реализующее метод, приведено на рис. 2.
(4)
АЦП1
л
ППН ФСБ1
АЦП2
ППТ
ИГ"
1Е
АЦПЗ
НО
Прерывание
кнт
ШУ шд
Рис. 2. СИ, реализующее метод
В состав СИ входят: первичные преобразователи напряжения ППН и тока ППТ, аналого-цифровые преобразователи АЦП1 - АЦП3, фазосдвигающий блок ФСБ1, контроллер КНТ, шины управления ШУ и данных ШД.
При реализации метода возможно возникновение погрешности по напряжению (погрешности по модулю) ФСБ. Наличие данного вида погрешности приводит к тому, что амплитудное значение входного сигнала будет отличаться от амплитуды выходного сигнала ФСБ.
В случае, если амплитудное значение напряжения на выходе ФСБ1 отличается от амплитуды входного на величину Дит, то мгновенные значения дополнительного напряжения примут вид:
и21 = (( + Аит )К + Да) и и22 = (^ + Дит )вт Да .
При этом выражения (1) - (4) преобразуются к виду:
_ 42\ипи 2и 221
и,
СК 3
Ь121и22 -(21 - и2 + и22 )2
I
СК 3
I
12
2и221ц -112 (и222 - и21 + и 22
2
р
2
4и22и22 -(22 - и2 + и21 ) |и11и^1и22|[21„и21и22 -112 (и22 - и2 + и22)]
б
4и 21и222 -(22 - и21 + и 21)
_112 ии11и 21и 22!_
Ьи2?и22 -(22 - и2 + и21 )2
(5)
(6)
(7)
(8)
Для оценки погрешности можно использовать методику оценки погрешности результата измерения ПГС как функции, аргументы которой
заданы приближенно с погрешностью, соответствующей отклонению модели от реального сигнала [7]. Если считать, что абсолютные погрешности аргументов соответствуют отклонению мгновенных значений дополнительного напряжения на Дит, а мгновенные значения входного сигнала были измерены без погрешности, то, используя (5) - (8), можно найти предельные значения абсолютных погрешностей измерения ПГС:
AU,
СКЗ
^скз —
AP
dUСКЗ + dUСКЗ
dU21 dU22
d1 СКЗ + d1 СКЗ
dU 21 dU 22 L
AUm
AUm
дР
dU.
21
+
дР
dU.
22
AUm
; (9)
(10) (11) (12)
С учетом абсолютных погрешностей (9) - (12) и выражений для ПГС (5) - (8) можно определить относительные погрешности измерения СКЗ напряжения и тока и приведенные погрешности измерения АМ и РМ:
hU |cos а1 |[jcos Aa| + |cos(a1 + Aa)|]
AQ —
dQ
dU
21
+
dQ
dU
22
AUm
Y р -
UcK3 |sin а 1 sin Aa sin (a 1 + Aa ) ;
?
hU Icos ф cos(a1 + 9)[cos Aa| + |cos(a1 + Aa)]
o r — —-----—---
1СК3
2h
(13)
U
sin a1 sin Aa sin(a1 + Aa) ' (14)
{(sin a1 sin ф cos Aa - 2 cos ф cos(a1 + Aa) +
+
sin a1 sin Aa sin(a1 + Aa) |sin a1 [sin (a1 +Aa + ф)^- sin (a1 + Aa)cos ф]- 2cos ф cos Aa|}. (15) hU |sin ф|[sin a1 + cos(a1 + Aa) + |cos a1 cos(a1 + Aa)]
Y Q
hU — AUm / Um
|sin a1 sin Aa sin(a1 + Aa)
(16)
где ' и
Анализ выражений (13) - (16) показывает, что погрешности измерения
гу
ПГС зависят от угла сдвига фазы ФСБ Да и начальной фазы 1, зависящей от момента начала измерения. Кроме того, погрешности измерения СКЗ тока, АМ и РМ зависят также и от угла сдвига фаз ф.
На рис. 3 приведены графики зависимости относительной погрешности
а
измерения СКЗ напряжения от 1 и Аа при
На рис. 4 и 5 приведены графики зависимости относительной погрешности измерения СКЗ тока и приведенной погрешности
hU — 0,1%
а
определения АМ от 1 и Aa при
hU — 0,1%
и ф=0с
Из выражения (16) видно, что при угле сдвига фаз между напряжением и током ф=0о приведенная погрешность измерения РМ равна нулю.
Ъискз> %
80 90
Рис. 3. Графики зависимости Ьискз от щ и Да
Рис. 4. Графики зависимости 5/сю от а1 и Да при ф=0с
ъ > %
80 90
Рис. 5. Графики зависимости уР от а1 и Аа при ф=0с
Из рис. 3-5 следует, что существуют значения Да, при которых относительная погрешность измерения СКЗ сигналов и приведенная погрешность определения АМ значительно снижаются.
Проведенный дополнительный анализ показывает, что с увеличением угла сдвига фаз ф погрешности измерения СКЗ тока, АМ и РМ уменьшаются.
Полученные результаты позволяют оптимально выбирать углы сдвига фазы ФСБ в зависимости от требований по точности и времени измерения.
Список литературы
1. Мелентьев В.С., Батищев В.И., Камышникова А.Н., Рудаков Д.В. Совершенствование методов измерений интегральных характеристик гармонических сигналов // Измерительная техника. - 2011. - №4. - С. 32-34.
2. Мелентьев В.С., Батищев В.И. Аппроксимационные методы и системы измерения и контроля параметров периодических сигналов. - М.: Физматлит, 2011. - 240 с.
3. Мелентьев В.С., Иванов Ю.М., Синицын А.Е. Методы измерения интегральных характеристик на основе формирования дополнительных сигналов // Вестник Самар. гос. техн. ун-та. Серия «Технические науки». - 2013. - № 2 (38). - С. 56-63.
4. Мелентьев В.С., Муратова В.В., Ярославкина Е.Е. Метод и система измерения интегральных характеристик с использованием ортогональных составляющих сигналов // Вестник Самар. гос. техн. ун-та. Серия «Технические науки». - 2013. - № 4 (40). - С. 206-209.
5. Мелентьев В.С., Иванов Ю.М., Муратова В.В. Синтез и анализ методов оперативного измерения параметров периодических процессов на основе формирования дополнительных сигналов / Проблемы управления и моделирования в сложных системах: Труды XVI междунар. конф. - Самара: Самарский научный центр РАН, 2014. - С. 717-722.
6. Мелентьев В.С., Иванов Ю.М., Муратова В.В. Исследование метода измерения интегральных характеристик по мгновенным значениям сигналов, разделенным в пространстве // Известия Волгоградского государственного технического университета. Серия «Электроника, измерительная техника, радиотехника и связь». - 2014. - Т.9, № 10 (137). - С. 52-55.
7. Мелентьев В.С., Батищев В.И., Муратова В.В. Оценка влияния погрешности, обусловленной формированием дополнительных сигналов, на результат измерения параметров гармонических сигналов / Методы, средства и технологии получения и обработки измерительной информации: сб. науч. ст. Междунар. науч.-техн. конф. «Шляндинские чтения - 2014». - Пенза: Изд-во ПГУ, 2014. - С. 12-15.
К ВОПРОСУ О ПОВЫШЕНИИ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ СВАРКИ В УГЛЕКИСЛОМ ГАЗЕ Накарякова Вера Ильинична, старший преподаватель Российский государственный профессионально-педагогический университет, г.Екатеринбург
Статья посвящена вопросу повышения производительности труда сварщиков, используя покрытие, защищающая изделия от налипания сварочных брызг. Приводится состав покрытия и преимущества от его применения.
В последние годы в Свердловской области так и в Российской Федерации отмечаются, несомненно, объективно положительные макроэкономические тенденции. Россия восстанавливает статус мощной экономической финансовой державы, подтверждая свое право находиться в числе крупнейших стран - мировых лидеров, как по динамике развития, так и по масштабам экономики.
Однако сегодняшние качественные характеристики российской экономики не позволяют ей использовать преимущества глобальной конкуренции, оставаясь слабо диверсифицированной и, в силу этого, уязвимой к колебаниям конъюнктуры мировых рынков углеводородов и сырья, характеризуются низким уровнем инноваций. Россия ставит перед собой амбициозные, но достижимые цели долгосрочного развития, заключающиеся в обеспечении высокого уровня благосостояния населения и закреплении геополитической роли страны как одного из лидеров, определяющих мировую политическую повестку дня. Единственным возможным способом достижения этих целей является переход экономики на инновационную социально ориентированную модель развития, о чем и говорится в принятой Распоряжением Правительства РФ от 8 декабря 2011 г. № 2227-р «О Стратегии инновационного развития РФ на период до 2020 г.» [1].
Мировой экономический кризис 2008 - 2009 годов осложнил реализацию поставленных целей, привел к сокращению расходов частного бизнеса на инновации и замедлил развитие российской инновационной системы.
Тем не менее сложная экономическая ситуация в краткосрочной перспективе не означает необходимости пересмотра целей долгосрочного развития, а обусловливает повышение требований к темпу и качеству экономического развития в период до 2020 года.
Задачи посткризисного восстановления и ускорения перехода на инновационный путь развития придется решать в условиях увеличения масштабов внешних и внутренних вызовов, с которыми сталкивается Россия и которые требуют еще большей интенсификации усилий по решению накопленных в российской экономике и инновационной системе проблем.
Ключевыми из внешних вызовов в части инновационного развития являются: ускорение технологического развития экономики. Реальными конкурентами России становятся не только страны - лидеры в сфере иннова-
