CC BY
59
УДК 621.317.727.1
ПРЕЦИЗИОННЫЕ НИЗКОЧАСТОТНЫЕ СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ ГОСУДАРСТВЕННОГО ПЕРВИЧНОГО ЭТАЛОНА ЕДИНИЦЫ ОСЛАБЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ КОЛЕБАНИЙ
В.Л. Ким, В.И. Пругло*, С.В. Меркулов, Д.С. Чебуренко, М.Л. Иванов
Томский политехнический университет *ВНИИ физико-технических и радиотехнических измерений, г. Москва E-mail: [email protected]
Приведено описание разработанных шести- и семидекадных эталонных индуктивных делителей напряжения с погрешностью 3-10Г5 % на частоте 1кГц и0,01 % на частоте 100 кГц. Делители, как исходные меры ослабления, идифференциальный указатель с чувствительностью 10 нВ, обеспечивают воспроизведение единицы ослабления в диапазоне частот от 0 до 178 ГГц с наивысшей точностью.
Ключевые слова:
Государственный первичный эталон, единица ослабления, индуктивный делитель напряжения.
Key words:
National primary standard, attenuation unit, inductive voltage divider.
В 2011г. в Всероссийском научно-исследовательском институте физико-технических и радиотехнических измерений завершилась работа по созданию Государственного первичного эталона единицы ослабления электромагнитных колебаний (ГЭТОЭМК) в диапазоне частот 0...178 ГГц.
Состав эталона и поверочная схема были рассмотрены и утверждены научно-технической комиссией Росстандарта в феврале 2012 г. С этого момента де-факто создан один из важнейших государственных эталонов относительной (безразмерной) величины - первичный эталон единицы ослабления - децибел (дБ). Этот эталон, наряду с такими первичными эталонами размерных величин, как эталон единицы массы килограмм, эталон единицы длины метр, эталон единицы времени секунда и др., составляет основу эталонной базы страны.
Напомним, что государственный первичный эталон предназначен для воспроизведения и/или хранения единицы величины и передачи её размера с наивысшей точностью, достижимой в данной области измерений. В соответствие с государственной системой обеспечения единства измерений государственная поверочная схема, оформляемая в виде государственного стандарта, устанавливает соподчинение средств измерений, участвующих в многоступенчатой передаче размера единицы от первичного эталона рабочим средствам измерений с указанием методов и погрешности при передаче.
В настоящее время ВНИИФТРИ готовит к изданию ГОСТ Р «Государственная система обеспечения единства измерений. Государственная поверочная схема для средств измерений ослабления в диапазоне частот от 0 до 178 ГГц». После опубликования этого документа де-юре действие эталона вступит в законную силу.
В статье рассматриваются элементы двух верхних уровней системы передачи размера единицы ослабления ГЭТОЭМК (рис. 1). Описание других уровней будет изложено в последующих статьях.
В основе концепции создания этой системы лежит метод сравнения с мерой - эталонным индуктивным делителем напряжения (ИДН). Как известно, такие делители обеспечивают наивысшую точность деления напряжения на частотах сотни герц - единицы килогерц [1]. Например, погрешность коэффициента передачи Кп шестидекадного ИДН типа 7924 (ИРЬ, Великобритания) и семидекадного делителя 6340А (БипШЕМ Со., Япония) на частоте 1 кГц равна +540-7 К/1.
На верхнем уровне иерархии используется исходная мера ослабления - эталонный индуктивный делитель напряжения с рабочей частотой 1 кГц (ЭИДН1) типа ДИ-6м, а на втором - широкополосный индуктивный делитель (ЭИДН2) типа ДИ-3м.
Передача размера единицы ослабления от ЭИДН1 к ЭИДН2 и от последнего к нижестоящим устройствам производится прибором сравнения -дифференциальным указателем ДУ-2010 [2], краткое описание которого приведено ниже.
Эталонный делитель ДИ-6м представляет собой шестидекадный делитель с ручным управлением, выполненный по двухступенчатой технологии [1]. При изготовлении каждой декады (рис. 2) используются два соосно расположенных тороидальных ферромагнитных сердечника ТУ1 и ТУ2. На первом сердечнике наматывается намагничивающая обмотка Ь1. Декадная делительная обмотка Ь2 выполняется одиннадцатипроводным жгутом, наматываемыми на оба сердечника. При этом одиннадцатый провод жгута образует опорную обмотку Ь3 и используется при проведении самоповерки декады. Кроме этого на сердечниках размещается обмотка связи Ь4, соединяемая с обмоткой намагничивания последующего каскада. Коммутация отводов декады осуществляется многопозиционным переключателем Б1. Для правильной работы делителя соблюдается следующее соотношение числа витков обмоток: ^=^2=10^=10^4.
Рис 1. Схема воспроизведения единицы ослабления Государственного первичного эталона единицы ослабления электромагнитных колебаний в диапазоне частот 0... 178 ГГц
Отличительной особенностью этого делителя является выполнение первой декады в виде ИДН с симметрирующей обмоткой, когда средний отвод намагничивающей обмотки Ы соединяется со средним (пятым) отводом делительной обмотки 12 [1]. Такая модификация двухступенчатого делителя позволяет при сохранении точности уменьшить его выходное активное сопротивление.
Относительные погрешности коэффициента передачи Кп отдельных декад определяются методом опорного потенциала [3], используя формулу
1 П ( П Л
8 к=-— XI10 -ли-Хли
П 'Цвх /=1 ^ ¡=1 )
где ЛЦ=и-и0 разностное напряжение между напряжением г-й секции и и напряжением опорной обмотки и0; п=0,10 - номер отвода декадной обмотки.
Предел допускаемой относительной погрешности коэффициента передачи у-й декады рассчитывается по формулам
8КУ = 8К. +8
пЕ . щ тах пп. ’
8 . =—^пп—,
пп/ к. .и
п. тт вх
где 8Куша - максимальное значение из относительных погрешностей коэффициентов передач у-й декады; 8щ - погрешность коэффициента передачи,
обусловленная напряжением «прямого прохождения» иш; КпутП - минимальное значение коэффициента передачи у-й декады.
Заметим, что напряжение «прямого прохождения», обуславливающее аддитивную погрешность, представляет собой напряжение на выходе ИДН при нулевом значении его коэффициента передачи. Измерение этого напряжения, как и разностного напряжения ЛЦ производится дифференциальным указателем ДУ-2010.
Дифференциальный указатель представляет собой устройство, обеспечивающее сравнение значений двух напряжений одной частоты, поступающих с поверяемых средств измерений. Указатель позволяет определять разность напряжений по мгновенному значению в диапазоне частот 0,02...100 кГц с разрешающей способностью 10 нВ. Такая высокая чувствительность достигается синхронным детектированием разностного напряжения с использованием синфазного напряжения, поступающего с генератора синусоидального напряжения ГСН-2010.
Генератор выполнен по двухканальной структуре [4], состоящей из независимых низкочастотного и высокочастотного задающих генераторов. Общий выходной усилитель мощности обеспечивает напряжение в нагрузке 10 В среднеквадратического значения. Высокочастотный задающий генератор представляет собой функциональный генератор, воспроизводящий синусоидальный сигнал 1,25 В среднеквадратического значения в диапазоне частот 20. 100 кГц. Низкочастотный генератор построен по классической схеме инвертора и двух интеграторов. При этом в цепях стабилизации амплитуды используются пиковый детектор, усилитель ошибки и регулирующий элемент на основе аналогового перемножителя. Такая структура позволяет обеспечить высокую стабильность выходного напряжения и его малые нелинейные искажения (коэффициент гармоник менее 0,2 %) в диапазоне частот 0,02.20 кГц.
Генератор и дифференциальный указатель (технические характеристики приведены в [5]) входят в состав низкочастотной компарирующей установки ГЭТОЭМК (рис. 3). Наряду с своим основным назначением - передачей размера единицы ослабления на промежуточных частотах, эта установка имеет широкий спектр применения: калибровка и поверка масштабных измерительных преобразователей (делителей напряжения и усилителей), калибраторов напряжения, трансформаторов напряжения, ЦАП, АЦП и других средств измерений и устройств, используемых в электроэнергетике, электронике, связи в нормальных условиях эксплуатации.
Состав компарирующей установки изменяется в зависимости от решаемых задач. Так, при определении коэффициента передачи делителей напряжения, измерении ослабления аттенюаторов и магазинов затухания до 140 дБ с наивысшей точностью установка работает в диапазоне частот
0,4.2 кГц. В этом случае роль меры играет программируемый семидекадный делитель ДИП-2011.
При работе компарирующей установки в полосе частот 0,02.100 кГц используется другой эталон - широкополосный делитель ДИ-3м. Такой состав приборов позволяет исследовать АЧХ поверяемых средств измерений, определять их входной и выходной импедансы. Например, при определении неравномерности АЧХ, как показано на рис. 3, выходное напряжение генератора иген поступает на входы эталонного ИДН, поверяемого аттенюатора и опорный вход Цоп дифференциального указателя. На измерительные входы Цэт и Цп последнего поступают соответствующие напряжения с выходов эталона и аттенюатора. Разностное напряжение Ли=ип-К,т преобразуется в указателе в напряжение постоянного тока. Это напряжение индицируется на стрелочном приборе и одновременно в цифровом виде передается в ЭВМ для последующей обработки и визуализации.
Погрешность определения метрологических характеристик поверяемых средств измерений зависит от разрешающей способности дифференциального указателя и точности эталонных ИДН.
Рис. 3. Структурная схема компарирующей установки
Широкополосный делитель ДИ-3м построен по многоканальному принципу [1] в виде двух син-хроннопереключаемых шестидекадных делителей напряжения, работающих в диапазонах частот 0,02.20 кГц и 20.100 кГц. Для расширения динамического диапазона до 160 дБ используются понижающие автотрансформаторы с коэффициентами трансформации 0,1 и 0,01, подключаемые к выходам делителей. Такое техническое решение обеспечивает дискретность выходного напряжения 100 нВ (при номинальном входном напряжении 10 В среднеквадратического значения). По частотному и динамическому диапазонам ДИ-3м находится на уровне лучшего зарубежного аналога -широкополосного ИДН, используемого в ЫРЬ в качестве национального эталона ослабления [1].
Программируемый делитель ДИП-2011 состоит из двух подсистем - аналоговой и цифровой (рис. 4).
Аналоговая подсистема предназначена для деления входного напряжения в соответствие со значением коэффициента передачи, устанавливаемым цифровой подсистемой. В состав аналоговой подсистемы входят многодекадный автотрансформаторный ИДН (АИДН), модуль релейной коммутации (МРК) и модуль электронных ключей (МЭК). Модуль микроконтроллерного управления (ММУ), модуль клавиатуры (МК), модуль управления индикаторами (МУИ), модуль индикации (МИ) и интерфейсный модуль (ИМ) образуют цифровую подсистему.
Коммутация отводов АИДН осуществляется контактами электромагнитных реле, входящих в МРК. В свою очередь коммутация обмоток реле производится электронными ключами МЭК. Управляющие сигналы на вход МЭК поступают от ММУ. Последний позволяет работать делителю в двух режимах - местное и дистанционное. В первом режиме требуемое значение коэффициента передачи устанавливается посредством МК и индицируется на МИ. Семисегментный код на цифровые индикаторы поступает от МУИ. В дистанционном режиме коэффициент передачи задается на верхнем уровне с помощью ЭВМ. Связь микроконтроллера ММУ с ЭВМ осуществляется по интерфейсу USB посредством ИМ. Последний аналогичен интерфейсным модулям генератора и дифференциального указателя.
Рис 4. Структурная схема делителя ДИП-2011
АИДН представляет собой семидекадный ИДН автотрансформаторного типа, выполненный по четырехкаскадной схеме. Первый каскад представля-
ет собой однодекадный делитель, аналогичный рассмотренному ранее (рис. 2), последующие -двухдекадные ИДН, выполненные способом размещения двух декад на общем сердечнике [6].
В цифровой подсистеме использованы микроконтроллер Atmega 128 и программируемая логическая схема EPM3512AQC208 (в модуле микроконтроллерного управления), преобразователь интерфейса FT232RL (в интерфейсном модуле), цифровая клавиатура AK304NWWB (в модуле клавиатуры), преобразователь кода 74LS247DW (в модуле управления индикаторами) и индикаторы SA39-11SRWA (в модуле индикаторов).
Программное обеспечение ДИП-2011 как и ГСН-2010, ДУ-2010 разработано на языке СИ++ и в среде объектно-ориентированного программирования Delphi 7.
Основные технические характеристики индуктивных делителей напряжения, входящих в состав Государственного первичного эталона единицы электромагнитных колебаний:
Индуктивный делитель напряжения ДИ-3м
Диапазон частот, кГц.....................0,02.100
Диапазон
коэффициента
передачи Кп..............0.1 с дискретностью 10-6
Пределы допускаемой основной погрешности:
• на частоте 1 кГц .........±(5-10-6+Н0-7/К„)
• на частоте
0,02 кГц и 100 кГц ......±(Н0-4+3-10-7/К„)
Выходной импеданс:
• активное сопротивление, Ом................5
• индуктивность, мкГн.......................5
Входной импеданс, кОм .......................1.50
Индуктивный делитель напряжения ДИ-6м
Диапазон частот, кГц .......................0,4.2
Диапазон
коэффициента
передачи Кп.................0.1 с дискретностью 10-6
Пределы допускаемой основной
погрешности ............±(а+2-10-8Ь;/К„) при К„>10-5
±(а+2-10-7Ь/К„) при К<10-5 где /=1-6 - номер декады а1=3-10 7; а2=а3=5-10-7 а4=а5=а6=5-10-6; Ь;=Ь2=0,2 Ь3=Ь4=0,03; Ь5=Ь6=0,02
Выходной импеданс:
• активное сопротивление, Ом...............10
• индуктивность, мкГн......................15
Входной импеданс, кОм .........................20
Программно-управляемый делитель напряжения ДИП-2011:
Диапазон частот, кГц .......................0,4.2
Максимальное входное напряжение, В.............10
Входное полное сопротивление, кОм .............30
Выходной импеданс:
• активное сопротивление, Ом...............15
• индуктивность, мкГн......................15
Пределы допускаемой основной погрешности Коэффициент передачи К„ Дискрет- ность
+3-10-7 <1,0000000 0,1000000
±3'10-6 <0,1000000 0,0100000
±3.10-5 <0,0100000 0,0010000
±3.10-4 <0,0010000 0,0001000
±310-3 <0,0001000 0,0000100
±310-2 <0,0000100 0,0000010
±2'10-1 <0,0000010 0,0000001
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ким В.Л. Методы и средства повышения точности индуктивных делителей напряжения. - Томск: Изд-во ТПУ, 2009. -214 с.
2. Бориков В.Н., Баранов П.Ф., Цимбалист Э.И., Ким В.Л. Устройство для испытаний и поверки индуктивных делителей напряжения // Контроль, диагностика. - 2011. - № 11. -C. 41-45.
3. Nakase T Isolated-Section Inductive Divider and Its Self-Calibration // IEEE Trans. Instrum. and Meas. - 1970. - V. IM-19. -№ 4. - P. 312-317.
Выводы
1. Разработаны шести- и семидекадные индуктивные делители напряжения с ручным и программным управлением с погрешностью ±3.10-5% в диапазоне частот 0,4.2 кГц и 0,01 % на частоте 100 кГц, используемые в качестве исходных мер ослабления высшей точности в составе Государственного первичного эталона единицы ослабления электромагнитных колебаний в диапазоне частот 0.178 ГГц.
2. Прецизионные индуктивные делители напряжения и дифференциальный указатель с чувствительностью 10 нВ позволили создать основу высокоточной системы передачи размера единицы ослабления от исходного эталона до рабочих эталонов и средств измерений, не уступающей по частотному и динамическому диапазонам зарубежным аналогам.
4. Бориков В.Н., Ким В.Л., Меркулов С.В. Генераторы тестовых сигналов // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. - 2010. - № 1. - С. 23-26.
5. Ким В.Л., Пругло В.И. Автоматизированная установка для исследования масштабных измерительных преобразователей // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. -2011. - №4. - С. 48-50.
6. Ким В.Л., Ройтман М.С. Эталонный индуктивный делитель напряжения // Известия Томского политехнического университета. - 2003. - Т. 306. - № 5. - С. 88-92.
Поступила 13.03.2012 г.
