Введение к работе
Актуальность проведенных исследований определяется большой значимостью фазовых измерений, поскольку фазовый сдвиг, наряду с амплитудой и частотой, является одним из важнейших информативных параметров гармонического напряжения. В работе ставится задача создания образцовой меры фазового сдвига, которая предназначена для поверки электронных фазометров.
Существенным является и то обстоятельство, что разработанные в диссертации калибраторы фазы позволяют автоматизировать процесс поверки фазометров.
Кроме фазовых измерений калибраторы фазы наиболее широко применяются в вектормерах, компенсаторах переменного тока. В этом случае производится измерение двух параметров, например, амплитуды и фазового сдвига. Разработанные калибраторы фазы в случае применения в автоматических измерительных приборах упрощают алгоритмы уравновешивания. Автоматические компенсаторы переменного тока необходимы для контроля и регулирования процессов разведочного бурения в комплексе с индуктивными датчиками, для исследования динамических свойств автоматических измерительных приборов.
Поскольку некоторые из разработанных калибраторов фазы достаточно просты, они могут применяться в радиоэлектронной аппаратуре.
Главными достоинствами разработанных калибраторов фазы являются их высокие метрологические характеристики, возможность поразрядного регулирования фазового сдвига, управление от ЭВМ или по заданной программе с помощью встроенного микроконтроллера.
Целью настоящей работы является:
разработка калибраторов фазы с поразрядным регулированием фазового сдвига и высокими метрологическими и эксплуатационными характеристиками, пригодными для использования как в качестве образцовых мер фазового сдвига, так и в радиоэлектронной аппаратуре с дискретным, поразрядным регулированием фазового сдвига.
создание и исследование цифрового калибратора фазы, управляемого от ЭВМ через стандартные интерфейсы, а также использующего встроенную микроЭВМ для управления его работой, в том числе в составе автоматических систем управления.
расширение области применения цифровых калибраторов фазы за счет снижения дополнительных погрешностей, возникающих при подключении комплексных нагрузок к выходам калибраторов фазы.
создание алгоритма и программного обеспечения для работы цифрового калибратора фазы.
исследование разработанных цифровых калибраторов фазы и их аттестация.
Работа выполнялась в рамках Координационного плана АН СССР по проблеме "Измерительные процессы и системы". Название темы: "Обеспечение единства измерений в измерительно-информационных системах на основе технических и профаммных средств" (шифры 321022 и 630097) № гос.регистр01860130410, а также по хозяйственным договорам с центром метрологии, стандартизации и сертификации Республики Башкортостан Госстандарта России, ВНИИЭП министерства приборостроения, средств автоматизации и систем управления СССР.
Методы исследования . Поставленные в работе задачи решены с использованием классической теории электрических сигналов и цепей. Применен математический аппарат теории комплексного переменного, классические разделы' математического анализа, теории специальных функций, булева алгебра. Проверка результатов теоретических исследований проводилась посредством натурных исследований, использования математических и компьютерных моделей.
Научная новизна исследований, проведенных в работе, заключается в следующем:
-
Предложены новые технические решения построения дискретных калибраторов фазы, исключающие методические пофешно-сти и использующие вычислительную технику.
-
Разработаны и исследованы принципы построения цифрового калибратора фазы с регулированием фазового сдвига большим числом разрядов в диапазоне инфранизких и звуковых частот.
-
Разработан цифровой калибратор фазы, выполненный на базе современных элементов вычислительной техники, в котором за счет введения обратных связей достигается повышение точности и уменьшение дискретности воспроизведения фазового сдвига в широком диапазоне частот.
-
Разработаны алгоритмы и профаммное обеспечение для реализации (создания) цифрового калибратора фазы, обеспечивающие быстродействие и высокие метрологические характеристики прибора.
Результаты научных исследований составили теоретическую и практическую основу для создания цифровых калибраторов фазы и образцовых мер фазового сдвига, имеющих высокие метрологические ха-
рактеристики, широкие функциональные возможности.
Новизна выполненных работ подтверждена тремя авторскими свидетельствами на изобретение устройств цифровых калибраторов фазы.
Практическая ценность работы. Предложенные технические решения построения калибраторов фазы с применением средств вычислительной техники позволяют эффективно решать задачи создания образцовых мер фазового сдвига, обладающих высокими метрологическими характеристиками.
Показана возможность построения калибратора фазы на базе управляемых цифроаналоговых преобразователей без методической погрешности.
Проведены исследования по применению ЭВМ и системы КАМАК для построения цифровых калибраторов фазы.
Разработан калибратор фазы со встроенной микроЭВМ на основе цифровых двухфазных генераторов со ступенчатой аппроксимацией гармонических колебаний через равные интервалы, где исключается влияние быстродействия микроЭВМ на выходные параметры калибратора фазы.
Разработан способ устранения погрешностей цифрового калибратора фазы со ступенчатой аппроксимацией гармонических колебаний, вызванных смещением нулевого уровня колебаний и появлением дополнительного фазового сдвига при подключении различных нагрузок к выходам калибратора фазы.
Представленные в диссертации практические задачи решались в тесном сотрудничестве с Башкирским Центром стандартизации, метрологии и сертификации (БЦСМиС).
Один из разработанных калибраторов фазы внедрен в БЦСМиС в качестве образцовой меры фазового сдвига 1-го разряда.
Для калибраторов фазы на базе двухфазных цифровых генераторов разработаны принципиальные схемы основных узлов и блоков с применением однокристальной микроЭВМ, микропроцессорного комплекта и персонального компьютера типа IBM/PC. Для микроЭВМ разработан пакет программ на Ассемблере, обеспечивающий полную работоспособность прибора.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на Международной научно-технической конференции "Проблемы нефтегазового комплекса России" (г. Уфа, 13-15 мая 1998 г.), на VII
Всесоюзной конференции молодых ученых и специалистов Госстандарта СССР (г. Казань, 28-30 октября 1987 г.), на научно-технической конференции с участием зарубежных специалистов «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления» (Датчик-96,Датчик-97) (г. Москва, МИЭМ,1996и 1997г.).
Публикации. Основные -положения диссертационной работы изложены в 15 печатных работах. На основные схемотехнические решения получены три авторских свидетельства СССР.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, изложенных на 170 страницах машинописного текста, 52 иллюстрации, списка использованной литературы из 279 наименований.
На защиту выносятся:
1. Разработка и исследование цифроуправляемого калибратора
фазы, в котором за счет использования математических методов исклю
чены методические погрешности воспроизведения фазового сдвига и
амплитуды выходных напряжений.
-
Способ построения цифрового калибратора фазы, который позволяет исключить влияние вычислительной мощности встроенной МИКРОЭВМ на выходные характеристики прибора.
-
Разработка и исследование двухфазного цифрового сигнального процессора с высокими метрологическими характеристиками за счет коррекции постоянной составляющей выходных сигналов и начального фазового сдвига.
-
Алгоритм и программное обеспечение цифрового калибратора фазы, обеспечивающие быстродействие и точность прибора.
