CC BY
71
Висновки
1. Створена схема дае можливiсть використову-вати для оцiнки активностi радюнуклщв методи нор-мування вирахувань, оп-тимальних спектральних областей, аналiзу шюв по-вного поглинання, най-менших квадратов, максимально! правдоподiбностi, iн. Рис.2
2. Завдяки зв'язку шформацп про енергiю частки i час мiж сусiднiми актами розпаду обробку результат вимiрювань можна здiйснювати про-грамно на сучасних потужних ЕОМ за новими алгоритмами, а також без-посередньо у вщомих статистичних та математичних пакетах..
3. Проведений аналiз часових iнтервалiв пiдтверджуе експоненщаль-ний розподiл часових промiжкiв мiж актами розпаду. Вiдповiдно, на оди-ницю часу радiоактивний потiк е пуасошвським.
Л1тература
1. Низкофоновая радиометрия / Лаврухина А.К. и др. М.: Наука, 1992. - 259 с.
2. Silicon Laboratories, www.silabs.com.
3. Гольданский В.И., Куценко А.В., Подгорецкий М.И. Статистика отсчетов при регистрации ядерных частиц. - М.: Госфизматиздат. 1959. - 411 с.
4. Толстов С.А. Математическое и методическое обеспечение оценки малых активностей радионуклидов в сцинтилляционной гамма- и бета-спектрометрии. Ав-тореф. дис. канд. физ.-мат. наук. Минск, 2000. - 17 с.
Стоколос М.О., Литвиненко О.О. Глушенко В.М.
Устройство временного и спектрометрического анализа радионуклидов
Приведены результаты испытания устройства временного и спектрометрического анализа радионуклидов, для исследования низких уровней радиоактивности
Stokolos M.O., Litvinenko O.O., Glushenko V.M.
The device of the time and spectrometer analysis radioactive nuclides
Results of the spectrometer and time analysis radioactive nuclide, developed for research of low levels radio-activity, are described.
УДК 621.312
ЗАСОБИ ВИМ1РЮВАННЯ АКТИВНО! ПОТУЖНОСТ1 НА НИЗЬКИХ ТА СЕРЕДН1Х ЧАСТОТАХ "IN SITU'
Витяганець А. I., BynmecMepi Вал. С.
Наведет основт засоби вимipювання активног поmyжноcmi на низьких та середшх частотах "in situ" та визначено перспективтсть використання для цих цшей магт-торезистивних пepemвоpювачiв електромагнтного поля на оcновi феромагнтних mi-вок.
Вступ. Постановка задач1
Вимiрювання потужносл, яка е важливою енергетичною характеристи-
кою, заИмае значне м1сце в сучасн1и вимфювальнш техн1Ц1, е одним з ос-новних вид1в вим1рювань в багатьох галузях науки i техшки [1]. Особливе значення мае вимiрювання активно! потужност там, де використовуеться електромагштна енергiя в технологiчних, медичних та шших процесах, так як саме активна потужшсть обумовлюе iнтенсивнiсть таких процеЫв. Для управлiння потужнiстю використовують рiзнi нелiнiИнi та ключовi пристро!, як спотворюють, "розширюють" спектр сигналу, що погiршуе показники систем, процешв, визначае необхiднiсть постiИного контролю активно! по-тужностi в режимi "in situ", робить актуальною розробку простих вимiрюва-льних датчиюв активно! потужност в широкому дiапазонi частот.
В колах змшного струму при миттевих значеннях напруги u(t) i струму i(t) миттева потужнiсть p = u(t)i(t). Середне значення цiе!' потужност за пе-рiод i е активна потужшсть, яка шдлягае вимiрюванню:
1 Т 1 t
P=-J pdt = - J u(t) i(t) dt (1)
T 0 T 0
Засоби вимiрювання активно! потужност на низьких та середнiх частотах будемо класифжувати за принципом роботи датчика:
- помножувачi миттевих значень напруг i струмiв з усередненням;
- електродинамiчнi i феродинамiчнi ватметри;
- ватметри з перетворювачами Холла;
- магнiторезистивнi вимiрювальнi перетворювачь
Помножувачi миттевих значень напруг i CTpyMiB з усередненням
Середню потужшсть, споживану навантаженням кола змшного струму,
можна знаИти шляхом перемноження миттевих значень напруги i струму з усередненням добутку. Ця задача виршуеться схемами, що перемножу-ють - аналоговими i цифровими. Сучасна мжроелектрошка мае у своему розпорядженнi штегральт аналоговi помножувачi, якi реалiзують рiзнi ме-тоди множення: змшно! крутост^ широтно! моду-ляцi!, "логарифм - антилогарифм" та ш. Ватметри побудоваш на основi аналогових помножува-чiв [2], за звичаИ, мають цифровий вщлжовий пристрiИ (дисплей). Структурна схема подiб-ного ватметра наведена на рис. 1 i не потребуе пояснень.
На рис. 2 зображена структурна схема цифрового ватметра, в якому митв значення u(t) i i(t) перетворюються в числовi е^валенти. Пере-
u(t)t Бндний
6лок1
W Вщний
блок!!
Рис.
0. LГ
Помножувач АЦП Цифровий дисплей
з усереднювачем
Рис. 1. Структурна схема аналогового ватметра
u(t) Вхщний
6Л0К1
АЦП I
т Вхщний
блок II
АЦП II
Г
Цифровий ■N Цифровий Цифровий
помножувач усереднювач дисплеи
Рис. 2. Структурна схема цифрового ватметра
множування отриманих чисел виконуе цифровий помножувач (за звичай -велика штегральна мжросхема). Такий ватметр характеризуеться nopiBM-но високою швидкодiею, що визначаеться характеристиками аналого-цифрових перетворювачiв i цифрового помножувача. До недолтв таких ватметрiв слiд вiднести складнiсть схеми обробки сигналу та обмежений дiапазон частот аналого-цифрових перетворювачiв.
Електродинамiчнi i феродинамiчнi ватметри
Електродинамiчнi i феродинамiчнi ватметри е найбшьш розповсюдже-ними засобами вимiрювання електрично! потужностi. У конструкци цих приладiв застосованi двi нерухомi котушки, з,еднанi i розмiщенi сшввюно на невеликiй вiдстанi одна вщ одно!. Мiж цими нерухомими котушками розмiщена рухома котушка, струм в якш дорiвнюе струмовi споживача, а струм в рухомш котушцi пропорцшний прикладенiй напрузi. Одним з не-долiкiв цього типу ватметрiв е слабке внутршне магнiтне поле, що зумов-люе низьку чутливiсть та велику залежшсть показiв вiд впливу зовтштх магнiтних полiв. Цей недолш усунений у феродинамiчних ватметрах, як фактично е рiзновидом електродинамiчних ватметрiв, вiд яких вони вiдрiз-няються не принципом ди, а конструкщею [3]. Для збiльшення чутливостi та внутршнього магнiтного поля нерухома котушка феродинамiчних ват-метрiв розмiщена на феромагштному осердi, мiж полюсами якого розмь щена рухома котушка. Наявшсть феромагнiтного осердя у феродинамiч-ному механiзмi iстотно збiльшуе внутрiшне магштне поле нерухомо! котушки i, вщповщно, обертальний момент i чутливють, а також зменшуе власне споживання приладу. Проте, з шшого боку, наявшсть феромагшт-ного осердя через нелшштсть його магнiтних характеристик знижуе точ-нiсть приладу, зокрема, збшьшуеться частотна похибка i звужуеться часто-тний дiапазон. У зв'язку з цим, феродинамiчнi ватметри мають клас точ-ностi 0,5 i застосовуються, здебiльшого, як щитовi ватметри у колах про-мислово! частоти з малими спотвореннями.
Ватметри з перетворювачами Холла
Ефект Холла реалiзуеться у перетворювачах Холла [3], що являють собою тонку напiвпровiдникову пластину, на бокових сторонах яко! нанесет контакти i встановленi затискачi для приеднання зовшшнього джерела струму i "зшмання" напруги, названо! електрорушiйною силою Холла:
1 B " —, ^, B sin а, де RX - постшна Холла (залежить вiд властиво-
EX - RX-F
n
V
a
стей натвпровщника); a, l, n - геометричш розмiри перетворювача; ^ -рухливiсть носив струму; I - струм у перетворювачц а - кут мiж вектором шдукци B i площиною перетворювача.
Основною характеристикою перетворювача Холла, як елемента вимь рювального пристрою, е його чутливють SX, пiд якою розумшть вщно-
шення EX до добутку IB. Несталють SX обумовлюеться як конструктив-ними параметрами перетворювача, так i умовами його виготовлення та за-стосування. Так, SX може змшюватися до 40 % при змш вiдношення l/ a
вiд 2 до 1, при цьому вона стае ютотно нелшшною; SX змшюеться також через змiну параметрiв ^ i RX при вiдхиленнi температури. На сталють SX iстотно впливае i технологiя виготовлення перетворювачiв.
Ц особливостi перетворювачiв Холла обмежують !х застосування у при-ладах високо! точностi. Однак ряд переваг, таких як можливють створення на !хнш основi приладiв з малим споживанням, простота, з якою досягаеться змша дiапазонiв вимiрювання обумовлюють все новi спроби створити на ос-новi цих перетворювачiв прилади для вимiрювання потужностi [1].
При вимiрюваннi потужност в перетворювачi варто забезпечити залеж-нiсть одше! iз вхiдних величин вщ падiння напруги на навантаженш, а ш-шо! - вщ струму через не!. На практищ це можна досягнути тодi, коли обмотка, що створюе магнггне поле, обтiкаеться струмом через навантажен-ня, а струм через перетворювач пропорцiйний падiнню напруги на нш.
Ватметри з перетворювачем Холла конструктивно складаються з трьох елементiв: перетворювача або помножуючого пристрою, магштно! системи i вимiрювально! системи, що складаеться, у свою чергу, з первинних пере-творювачiв i з вимiрювального приладу постiйного струму. Кожному з елеменлв таких ватметрiв властивi похибки вшх трьох груп.
До похибок зумовлених магштопроводом варто вiднести похибки, що обумовлюються залежшстю магштно! проникносл вiд частоти, втратами на вихровi струми i перемагнiчування, через появу яких вщбуваеться зсув фаз мiж магнiтним потоком i струмом, що намагшчуе.
Похибки самих перетворювачiв Холла включають похибки внаслщок нелiнiйноl залежносл вихiдноl електрорушiйноl сили вiд магштного поля та похибки, що обумовлеш власним полем перетворювача. Бiльш деталь-ний розгляд похибок перетворювачiв Холла показуе, що на 1хнш основi можуть бути створенi ватметри з похибкою 0,2 - 0,5 % [1]. Але значна по-хибка, яку дае терморушшна сила та випрямляючi контакти в натвпровь дниках за невелико! чутливосп ефекту зводить нашвець переваги перетво-рювачiв Холла. Однак, основними перевагами цих перетворювачiв зали-шаються можливiсть використання !х при бiльших струмах, тому що вщ-падае ряд труднощiв, що виникають при створенш трансформаторiв струму i шунтiв на широкий дiапазон частот, а також використання при сильно перекручених формах кривих i при малих коефiцiентах потужность Магн1торезистивн1 перетворювач1 електричноУ потужност1 1ншим типом для вимiрювання активно! потужнос^ е конструкцiя, яка включае магшторезистори MICRO-R фiрми "American Aerospace Controls" (США) [4].
При шдмагшчувант сильним постшним магнiтним полем В0 в слабких магнiтних полях Вх 0(0), створенних струмом ¡(?), що проходить через на-вантаження, можна лшеаризувати загальну функцiю перетворення шдук-цн в прирiст магнiтоопору, якщо використовувати два магнiторезистора, один з яких знаходиться в магштному полi з шдукщею (В0+Вх), а другий з шдукщею (Вд-Вх). При перетворент рiзницi вiдносних приростiв АЯМ1 i АЯм2, отримаемо: (АЯМ1 - АЯМ2)1(и(()) = 4 КМ В0 Вх 1(и(0), де КМ - магшто-резистивна постiйна, яка повинна бути однаковою для обох магшторезис-торiв, 1(и(0) - струм, пропорцiйний напрузi у лши. Цей принцип покладений в основу реашзаци помножуючого пристрою з похибкою 0,2 % в частотному даапазот вх1дних сигналiв до 10 кГц [4]. Нелшйшсть множення не бiльше 0,1 %, температурна похибка 0,01 % / °С, частотний диапазон до 1 МГц. Недолшом подобного вимiрювача е те, що дуже важко щщбрати два магшторезисгори з одна-ковими параметрами та 1х правильне розташування, а також значна терморушшна сила та випрямляюч контакти в напiвпровiдниках, що обмежуе область його за-стосування.
Недолжи розглянутого помножувача усуненi в магшторезистивному помножувачi основаному на гальваномагнiтних явищах у феромагнiтних плiвках, типу аномального ефекту Холла i магнiтоопору. Цей вид помножувача мае два незалежних входи. Електричний вхiд пов'язаний з попере-чним електричним полем у лши передачi або з напругою, прикладеною до перетворювача i магнiтний вхiд, який пов'язаний з поперечним магштним полем лши передачi або зi струмом, який протжае у схемi. Сигнал параме-тричного множення зшмаеться з кiнцiв магшторезистора. Загальна теорiя помножувача розроблена в [6]. Тополопя i електрична схема помножувача представлеш на рис. 3. Бона складаеть-ся з двох симетричних магшторезисти-вних петлеподiбних гшок, якi виготов-ленi електронним напилюванням магш-торезистивного (80М20^е) i провщни-кового (Си) матерiалiв на дiелектричну шдкладку з наступним багатошаровим процесом мшролггографн. Довжина пет- Рис. 3
лi 2.8 мм, ширина смужки 50 мкм, товщини плiвок 60 нм i 500 нм, вщповь дно. Розмiри пiдкладки 7.5x5.0x0.5 мм. Для низько! частоти i показаного на рис. 3 геометричного сшввщношення векторiв, вихiдний сигнал постiйного струму У0 пов'язаний з комплексними ампштудами вхщних змiнних сигна-лiв Vi И як [5]:
Ар 1
У0 =■
р н
-Яе(УИ*),
(1)
де Ар / р - ашзотротя магтторезистивносл матерiалу магнiторезистора, Н0 - штенсившсть магнiтного поля змiщення.
Припустимо, що помножувач з'еднаний з частиною лши передач^ де змшна напруга U i струм I. Крiм того, припустимо, що вони пов'язаш iз вхiдними сигналами помножувача спiввiдношеннями V = kVU i h = kII, де kV, kI - вiдноснi комплекснi коефiцiенти передачi напруги i струму вщповь дно. Отже, зпдно (1), вихiдний сигнал постшного струму помножувача
Ар 1 *
Vo=Re(KS), де K = 2--kVk* - комплексна чутливють помножувача,
Р H0
S=0,5(UI*)=P+jQ - комплексна потужнiсть, що проходить через попере-чний перерiз лши передач^ P - активна потужшсть, Q -реактивна потуж-нiсть. Для досягнення щеальних характеристик необхiдно, щоб чутливють помножувача була дiйсною величиною. Це не можливо, чутливють мае комплексне значення, яке може бути записане в експонентнш формi як K= K0exp(jА), де K0 - абсолютне значення чутливостi i А - фаза чутливостi. Дь апазон ±А дорiвнюе частковiй похибщ вимiрювання активно! потужностi в присутност реактивно! потужностi тiе! ж величини.
Головною перевагою магшторезистивного перетворювача на феромаг-нiтних плiвках е використання металевих структур, якi на вщмшу вiд на-пiвпровiдникiв, мають на 2 порядки вищу чутливють, на 3 порядки меншу термоелектрорушiйну силу та вщсутшсть випрямляючих контактiв. Це на-дае переваги (над нашвпровщниками) по спiввiдношенню сигнал-завада на 5 порядюв, що е пiдставою для вибору магшторезистивного перетворювача для подальшого дослщження.
Висновки
Запропонована конструкцiя магшторезистивного вимiрювального перетворювача електрично! потужнос^ середнiх частот вiдрiзняеться малими розмiрами, можливiстю використання методiв мiкроелектронно! технологи, високим сшввщношення сигнал-завада. Основш напрямки дослiджен-ня таких перетворювачiв: дослiдження магнiторезистивного перетворювача при вимiрюваннi рiзних спiввiдношень гармонiк вхщного сигналу (основно! i вищих) та реакци на комплексне навантаження; виведення формули вимiрювання перетворювача, яка встановлюватиме зв'язок комплексного кое-фщента перетворення з похибкою вимiрювання при рiзних спiввiдношеннях активно! i реактивно! потужностей; дослiдження частотно! залежност^ перетворювача при рiзних пiдмагнiчуючих полях.
Лггература
1. Безикович А. Я., Шапиро Е. З. Измерение электрической мощности в звуковом
диапазоне частот. - Л.: Энергия, 1980. - 168 с.
2. Основи метрологи та вим1рювально! техшки/ М. Дорожовець, В. Мотало, Б. Ста-
дник. ш. Льв1в: Льв1вська пол1техн1ка, 2005. Т. 2: Вим1рювальна техн1ка. - 656 с.
3. Мейзда Ф. Электронные измерительные приборы и методы измерений. М.: Мир,
1990. - 535 с.
4. Strieker S., Even R. K., Rogowski Z. Magnetoresi stance multiplier for the accurate measurement of power in the audio frequency range // IEEE. Trans. on Instrum. and Meas. - 1971. - № 4. - P. 301-307.
5. Vountesmeri V. Audio frequency magnetoresistive watt-converter // IEEE. Trans. Instrum. and Meas. - 2002. - № 51. - P. 63-66.
6. Vountesmeri V., Martynyuk A. Magnetoresistive thin film sensor for active RF power
// Sensors and Actuators: A Physical. - 1998. - № 69. - P. 21-26.
Вытяганец А.И.
Средства измерения активной мощности на низких и средних частотах "IN SITU"
Приведены основные способы измерения активноИ мощности на низких и средних частотах "in situ" и определена перспективность использования для этих целеИ магниторезистивных преобразователеИ электромагнитного поля на основе ферромагнитных пленок._
Vytyaganets A.I.
Means of measurement of active capacity on low and average frequencies "IN SITU"
The basic ways of measurement of active capacity on low and average frequencies "in situ" are given and perspectives of use for these purposes of magnetoresistive converters of an electromagnetic field on basis ferromagnetic tapes is determined. The list of tasks of further research these tapes are determined._
