авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Элементы и устройства стабилизации мощности измерительных генераторов с колебательным контуром (развитие теории, исследования и разработка)

На правах рукописи

ЮМАГУЛОВ Николай Иванович

ЭЛЕМЕНТЫ И УСТРОЙСТВА СТАБИЛИЗАЦИИ

МОЩНОСТИ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ГЕНЕРАТОРОВ

С КОЛЕБАТЕЛЬНЫМ КОНТУРОМ

(развитие теории, исследования и разработка)

Специальность 05.13.05 – Элементы и устройства

вычислительной техники и систем управления

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Уфа - 2010

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Бирская государственная социально-педагогическая академия»

на кафедре технологического образования

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Галиев Анвар Лутфрахманович Стерлитамакская государственная педагогическая академия им. Зайнаб Биишевой

Официальные оппоненты: доктор технических наук Коровин Валерий Михайлович ОАО «Башнефтегеофизика» г.Уфы доктор технических наук, профессор Ясовеев Васих Хаматович Уфимский государственный авиаци онный технический университет Ведущее предприятие: ГОУ ВПО «Уфимский государствен ный нефтяной технический универ ситет» филиал в г. Стерлитамаке

Защита состоится «27» декабря 2010 г. в 1000 часов на заседании диссертационного совета Д-212.288.02 при Уфимском государственном авиационном техническом университете по адресу: 450000, г. Уфа-центр, ул. К. Макса, 12, УГАТУ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уфимского государственного авиационного технического университета.

Автореферат разослан «24» ноября 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, д.т.н., профессор Г.Н. Утляков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. На сегодняшний день среди большого числа решаемых задач большое внимание уделяется развитию средств измерений, кон троля и управления как источника объективной и воспроизводимой информации о величинах, характеризующих качество производственных процессов, состоя ние и свойства объектов исследования (ОИ).

Зачастую оценку состояния ОИ осуществляют через электрофизические па раметры (ЭП), как наиболее удобные для измерения, передачи и воспроизведе ния. Общепринятые методы оценки ЭП состоят в том, что в ОИ вводится элек трическая энергия в виде заданного значения электрического тока или напряже ния. Однако при исследовании теплозависимых объектов введение электриче ской энергии вызывает изменение их термодинамического состояния, прояв ляющееся в изменении их формы, структуры и ЭП. В свою очередь, изменение ЭП приводит к изменению величины протекающего через него тока или напря женности приложенного электрического поля и, соответственно, рассеиваемой в нем электрической энергии. Неопределенность вносимого возмущения, вызван ная нелинейной зависимостью изменения ЭП ОИ от приложенной электрической энергии, отражает существенный недостаток общепринятых методов измерения, выраженный плохой воспроизводимостью полученных результатов измерения и невозможностью их интерпретации.

Для получения однозначных и воспроизводимых результатов при исследо вании теплозависимых объектов в работах, проводимых под руководством Гусе ва В.Г., предложено использовать измерительные генераторы заданной мощно сти (ИГЗМ), обеспечивающие постоянство вносимого возмущения и определен ность термодинамического состояния ОИ. Ими рассмотрены структурные схемы аналоговых и цифровых ИГЗМ, принципы их построения и представлены ре зультаты теоретических и экспериментальных исследований. В работах, выпол ненных под руководством Галиева А.Л., предложен метод оценки ЭП и свойств ОИ, в котором на заданном уровне поддерживается не только мощность, но и энергия импульсов воздействия. Недостаточная разработанность вопроса техни ческой реализации устройств, обеспечивающих работу ИГЗМ в постоянном энергетическом режиме, не позволила ИГЗМ найти широкого применения на практике.

Возникшее противоречие между недостаточной разработанностью вопросов технической реализации ИГЗМ и одновременно возросшим на сегодняшний день интересом к теплозависимым объектам подталкивает к переходу от использова ния общепринятых методов измерений ЭП к дальнейшему развитию и примене нию метода, связанного с применением ИГЗМ. Решение задач диссертационной работы, связанных с использованием измерительных операций, обеспечивающих заданный энергетический режим, при правильной трактовке и интерпретации ее результатов, открывает потенциальные возможности получения большего объе ма информации относительно свойств и состояния энергозависимых объектов.

Актуальность данной работы также подтверждается тем, что данное на правление исследований было отмечено грантом Минобразования РФ под назва нием «Измерительные генераторы заданной мгновенной электрической мощно сти», а также включено в программу сотрудничества Минобразования и Мин обороны РФ, выполненную на кафедре ИИТ УГАТУ под руководством д.т.н., профессора Гусева В.Г.

Целью диссертационной работы является исследование стабилизирующе го действия колебательного контура на рассеиваемую в нагрузке мощность, раз работка новых схемных решений с колебательным контуром, которые позволяют улучшить технические характеристики, повысить экономичность и надежность исследуемых устройств (ИГЗМ) в целом.

Для достижения цели поставлены и решены следующие задачи:

1. Выявлены области применения ИГЗМ. Обобщены известные методы и подходы оценки электрофизических параметров исследуемых объектов. Описа ны электрофизические исследования, основанные на использовании ИГЗМ с ав тономным питанием. Проведена классификация ИГЗМ. Обобщены известные способы стабилизации мощности измерительных генераторов, принципы их по строения и технические требования, предъявляемые к ним.



2. Проведен анализ и обоснование физической реализуемости, условий ста билизации мощности, рассеиваемой в нагрузке колебательного контура, с после дующей разработкой структурной и принципиальной схемы с обратной связью в системе стабилизации мощности ИГЗМ с колебательным контуром.

3. Разработана и исследована структурная и принципиальная схема про граммно-управляемого измерительного генератора с колебательным контуром и формирователем временных интервалов в системе стабилизации мощности.

4. Проведен анализ условий стабилизации мощности измерительных гене раторов с формирователем импульсов, заполненных затухающими синусоидаль ными колебаниями с автокоррекцией мощности.

5. Разработаны математические модели, позволяющие проводить оценку основных технических характеристик и возможностей ИГЗМ.

6. Проведены экспериментальные исследования разработанных ИГЗМ.

Методы исследования. Для получения научных результатов в диссертаци онной работе были использованы методы и подходы, применяемые в области теоретических основ электротехники, теории электрических цепей и электрони ки. При этом моделирование и исследование свойств рассматриваемых схем вы полнялось с помощью прикладных программных пакетов MathCad Professional и Micro Cap v.8.1.

На защиту выносятся:

1. Результаты анализа физической реализуемости и условий стабилизации мощности, рассеиваемой в нагрузке колебательного контура.

2. Структурная и принципиальная схема ИГЗМ с обратной связью, поддер живающая заданный энергетический режим воздействия на ОИ в широком диа пазоне изменения нагрузки колебательного контура.

3. Структурная и принципиальная схема программно-управляемого изме рительного генератора с колебательным контуром в системе стабилизации мощ ности.

4. Результаты анализа условий стабилизации мощности измерительных ге нераторов с формирователем импульсов, заполненных затухающими колебания ми.

5. Структурные и принципиальные схемы формирователей импульсов за данной мощности, сигнал воздействия которых заполнен синусоидальными и за тухающими колебаниями.

6. Математические модели разработанных схем ИГЗМ.

7. Результаты исследований разработанных схем ИГЗМ, полученные с по мощью их математических моделей, компьютерного моделирования и экспериментальным путем.

Научная новизна исследований, проведенных в работе, заключается в сле дующем:

впервые исследовано стабилизирующее действие колебательного конту ра на рассеиваемую в нагрузке мощность;

разработана и исследована схема ИГЗМ с обратной связью в системе ста билизации мощности измерительных генераторов с колебательным контуром;





поставлена и решена задача создания программно-управляемого измери тельного генератора с колебательным контуром в системе стабилизации мощно сти;

предложен оригинальный метод стабилизации мощности измерительных генераторов с формирователем импульсов, заполненных затухающими колеба ниями;

оценены технические возможности разработанных схем ИГЗМ.

Практическая ценность работы.

Исследовано стабилизирующее действие колебательного контура, обеспе чивающего заданный энергетическим режим воздействия на объект исследова ния в заданном диапазоне изменения сопротивления нагрузки.

Разработана схема измерительного генератора с обратной связью, обеспе чивающая стабильность рассеиваемой в нагрузке мощности в широком диапазо не изменения нагрузки.

Рассмотрена возможность реализации системы управления мощностью из мерительного генератора с колебательным контуром на элементах цифровой ло гики, в которых используется цифровой метод синтеза синусоидального напря жения с делителем частоты и накоплением фазы.

Разработан измерительный генератор заданной мощности и энергии с коле бательным контуром и формирователем временных интервалов, воздействую щий сигнал которого заполнен затухающими гармоническими колебаниями.

В разработанных схемах предусмотрено управление через интерфейс ком пьютера.

Апробация работы. Основные вопросы диссертации докладывались и об суждались на Всероссийской научной конференции «Современные проблемы физики и математики» (Стерлитамак, 2004), V Региональной школе конференции для студентов, аспирантов и молодых ученых по математике и фи зике (Уфа 2005), IV Региональной научно-методической конференции «ЭВТ в обучении и моделировании» (Бирск, 2005), VI Региональной научно методической конференции «ЭВТ в обучении и моделировании» (Бирск, 2007), V Международной конференции-выставке «Промышленные АСУ и контроллеры 2010: от А до Я» (Москва, 2010).

Публикации. Основные научные результаты по теме диссертации изложены в 12 статьях, опубликованных в журналах и научных сборниках, из них 3 в изда нии, из списка рекомендованном ВАК.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав основного текста, заключе ния и списка литературы. Общий объем диссертационной работы составляет лист машинописного текста. Работа содержит 84 иллюстрации, 7 таблиц и 4 при ложения. Список литературы содержит 106 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выполненной научной работы, сфор мулированы цели и задачи исследования, приведены научные результаты, выно симые на защиту, указана их научная новизна и практическая ценность.

В первой главе рассмотрены области применения ИГЗМ. Показана возмож ность использования ИГЗМ в составе контрольно-измерительной техники, обес печивающей заданный энергетический режим воздействия на ОИ.

Анализ научной литературы показал, что в процессе измерения электриче ских параметров, используемых для оценки состояния и свойств исследуемых объектов, необходимо использовать один из методов воздействия прибора на ОИ: режим заданного электрического напряжения, режим заданного электриче ского тока или режим заданной электрической мощности и энергии.

Рассмотрены и проанализированы способы и подходы стабилизации мощ ности, структурные схемы измерительных генераторов, результаты которых по зволили определить основные требования, предъявляемые к маломощным эко номичным ИГЗМ:

1. Пределы изменения мощности воздействия 0,01-10 мВт.

2. Обеспечение требуемой точности установления заданной мощности.

3. Высокая временная стабильности заданной мощности.

4. Малое время восстановления заданного энергетического режима воздей ствия при изменении сопротивления нагрузки.

5. Высокая экономичность и КПД, позволяющие работать устройству от автономных источников питания.

6. Технологичность конструкции.

7. Малый вес, габариты и доступность.

Анализ и систематизация известных методов стабилизации мощности, ис пользуемых при проектировании измерительных генераторов заданной мощно сти, позволили сформулировать основные задачи исследования, решение кото рых будет способствовать достижению поставленной цели.

Вторая глава посвящена исследованию стабилизирующего действия коле бательного контура на рассеиваемую в нагрузке мощность и решению вопроса технической реализации ИГЗМ с колебательным контуром.

Для анализа свойств колебательного контура, позволяющих стабилизиро вать рассеиваемую электрическую мощность, при изменении сопротивления ОИ удобно использовать метод эквивалентного соединения, который позволяет ем кость C колебательного контура, шунтированную сопротивлением нагрузки Rx, заменить последовательно соединенными эквивалентными емкостью Cэкв и со противлением Rэкв (рис. 1).

а) б) Рисунок 1 – Нагруженный последовательный колебательный контур (а) и его эквивалентная схема (б) (ГПН – генератор переменного напряжения) Полное сопротивление участка цепи, включающее в себя параллельное со единение емкости С и сопротивление нагрузки контура Rх (рис. 1, а) определяет ся выражением:

Rx ( jX C ) Rx X C RX j 2x C 2.

Z 2 (1) Rx jX C Rx X C Rx X C Сопоставляя (1) с полным сопротивлением соответствующего участка цепи на рис. 1, б Z Rэкв jX Cэкв, можно определить эквивалентные сопротивление и емкость конденсатора:

Rx и C экв C 1 R экв (CR ) 2.

1 CR x н Учитывая, что работа колебательного контура предполагается в довольно широком диапазоне сопротивления нагрузки, для которого справедливо соотно шение R, и коэффициент передачи колебательного контура определяется x добротностью Rx Qэкв, R1 Rэкв R1Rx можно выразить мощность, рассеиваемую на сопротивление ОИ:

U Г Qэкв 2 U Г 2 Rx Pх, (2) ( R1Rх 2 ) Rx где L C экв – характеристическое сопротивление контура, R1 – сопротивле ние потерь контура, Rx – сопротивление ОИ.

а) б) Рисунок 2 – График зависимости мощности Рх от сопротивления нагрузки Rх для трех значений резонансной частоты при UГ = 1 В, С=0,15 мкФ и R1 = 50 Ом (а) и различных параметров контура при UГ = 1 В и R1 = 50 Ом (б) Анализ физической реализуемости стабилизирующего действия колеба тельного контура на мощность (рис. 2 и 3) показал, что колебательный контур можно использовать в качестве простого высокоэкономичного устройства кон троля и измерения, обеспечивающего требуемый энергетическим режим воздей ствия на ОИ в заданном диапазоне изменения нагрузки.

В ходе исследования характеристик разработанных устройств определено минимальное количество параметров, влияющих на стабильность рассеиваемой мощности. Установлено, что заданное значение мощности целесообразно под держивать путем управления входного напряжения колебательного контура (рис.

3, а), а коррекцию мощности осуществлять изменением сопротивления потерь контура (рис. 3, б).

а) б) Рисунок 3 – График зависимости рассеиваемой в ОИ мощности Рх от сопротивления Rx для двух значений напряжений ГПН UГ при R1=100 Ом (а) и трех значений R1 при UГ=1 В (б), выполненный для контура с L=0,17 Гн и С=0,15 мкФ Из выражения (2) получены функции управления напряжения UГ, подавае мого на вход контура, и сопротивления потерь контура R1, при выполнении ко торых обеспечивается постоянство мощности, выделяемой в ОИ:

U Г R x Px 2 Px Р x R1 R х 2 Рx UГ и R.

Q экв Rx Rx Px R x Для реализации функции управления, обеспечивающей постоянство рассеи ваемой мощности в широком диапазоне изменения нагрузки, необходимо ис пользовать измерительные генераторы с обратной связью, осуществляющие ка либровку устройства, измерение сопротивления ОИ и выставление требуемого значения напряжения, подаваемого на вход колебательного контура.

На рис. 4 представлена структурная схема измерительного генератора с об ратной связью, в котором стабильность рассеиваемой в нагрузке мощности Рх обеспечивается управляющим сигналом опорного канала Uупр1 устройства кон троля и обработки информации (УКОИ), а для коррекции мощности использует ся сигнал Uупр2.

Рисунок 4 – Измерительный генератор заданной мощности с цепью ОС (УУ – узел управления, К - ключ) Управляющие сигналы формируются по величине сопротивления ОИ и эта лонного сопротивления, для измерения которого разработан измеритель высоко омного сопротивления (рис. 5, а), входящий в состав УКОИ. Установлено, что погрешность измерения сопротивления ОИ (рис. 5, б) при выполнении условия Rх Rос (при Rx 100 кОм) не зависит от приложенного к ОИ напряжения, что позволяет с высокой точностью по измеренному значению сопротивления Rx вы ставить напряжение колебательного контура, обеспечивающее заданное значе ние мощности.

а) б) Рисунок 5 – Упрощенная схема узла измерения сопротивления ОИ (а) и зависи мость погрешности измерения УИС Rх от сопротивления ОИ (б) (ТГ – тактовый генератор, СЧ – счетчик, ПУУ – программно-управляемый уси литель, ПВ – прецизионный выпрямитель, СР – компаратор, УУСОИ – узел управления системой обработки информации) Анализ работы узла измерения сопротивления (УИС) показал, что измери тель высокоомного сопротивления представляет собой аналого-цифровой преоб разователь, преобразующий временной интервал в код числа, равный отноше нию N=Rx/Rос и выраженный в кОм.

Калибровка прибора осуществляется с помощью сопротивления RЭ путем последовательного подбора значений сопротивления потерь контура R1, в каче стве которого можно использовать управляемый канал р-типа полевого транзи стора с р–п-переходом. Управление источником переменного напряжения, обес печивающее заданное значение мощности, предложено осуществлять программ но-управляемым усилителем и сумматором, которые выполнены на операцион ном усилителе (ОУ).

Третья глава посвящена разработке и исследованию методов, способст вующих повышению стабильности мощности измерительных генераторов с ко лебательным контуром. Предложены структурные схемы ИГЗМ, в которых ста бильность мощности обеспечивается с помощью систем с программным управ лением и цифровой обработкой данных.

Рисунок 6 – Структурная схема измерительного генератора с системой управления мощностью и формирователем временных интервалов (LC – колебательный контур, ПА – программный аттенюатор) Разработана и исследована система управления мощностью ИГЗМ с колеба тельным контуром и формирователем временных интервалов (ФВИ) (рис. 6), вы полненная на базе интегральных микросхем КМОП-структуры и микромощных ОУ, расчетная мощность потребления которой (при напряжении 3 В и без учета мощности потребления блока индикации и цепи ОИ) не превышает 10 мВт.

В ходе проведенных исследований было установлено, что погрешность за дания мощности в значительной степени определяется погрешностью измерения сопротивления ОИ. Анализ работы ИГЗМ (рис. 6) позволил выделить несколько «источников» погрешности измерения сопротивления ОИ Rx. Установлено, что основная погрешность измерения вызвана порогом чувствительности компара тора U узла ФВИ (рис. 7).

Рисунок 7 – Структурная схема формирователя временного интервала Чувствительность компаратора влияет на процесс определения длительно сти разряда эталонного конденсатора С t 2U e U к x t к ln, t 2U e U к x которая приводит к погрешности измерения сопротивления ОИ Rx:

t 2U e U к x R x R к ln, t 2U e U к x где к R к C 2, Rк – сопротивление калибровочного сопротивления цепи разряда конденсатора C2.

Как показывают расчеты, увеличение порога чувствительности компаратора приводит к линейному возрастанию t / (рис. 8, а) и увеличению погрешности к измерения Rx (рис. 8, б).

а) б) Рисунок 8 – Зависимости погрешности времени разряда эталонного конденсатора С2 (а) и погрешности измерения сопротивления Rx от U (б) Из рис. 8 видно, что крутизна зависимости t / к f (U ) при Ux=10 В, С2=10 нФ и Rк=100 кОм составляет 0,03 %/мВ и для типичного значения U = 10 мВ погрешность определения “временных ворот” (открытого состояния ЭК5) не превышает 0,2 %. Абсолютная погрешность измерения Rх линейно зави сит от U и с повышением сопротивления ОИ крутизна кривой Rх(U) увели чивается. Для стандартного значения U=0,01 В погрешность измерения сопро тивления Rх составляет не более 200 Ом при Rх=100 кОм.

В ходе исследований характеристик формирователя установлено, что путем подбора оптимального значения порога чувствительности компаратора можно добиться требуемого значения погрешности измерения Rx.

Показана возможность технической реализации ИГ, обеспечивающего ра боту контрольно-измерительных приборов в постоянном энергетическом режи ме, при воздействии на ОИ энергией заряженного конденсатора.

На рис. 9 приведена структурная схема разработанного формирователя за тухающих колебаний заданной энергии и мощности, принцип которого основан на постоянстве энергии заряженного конденсатора и зависимости времени зату хания колебаний контура от сопротивления ОИ.

Рисунок 9 – Структурная схема формирователя затухающих колебаний с постоянной энергией и мощностью Анализ работы формирователя показал, что воздействие на ОИ в режиме «измерения» осуществляется средней энергией Wср, абсолютное и относительное изменение величины которой представлено на рис. 10.

а) б) Рисунок 10 – Зависимость абсолютного (а) и относительного (б) изменения средней рассеиваемой энергии в нагрузке от сопротивления ОИ Rx Согласно графику, представленному на рис. 10, б, средняя энергия импульса воздействия на ОИ, заполненного гармоническими колебаниями, составляет от 92 до 99% от максимальной энергии, запасаемой конденсатором.

В четвертой главе приводятся результаты экспериментальных исследова ний параметров и характеристик узлов и элементов разработанных измеритель ных генераторов, которые подтверждают основные положения, полученные при теоретическом анализе. Расчетные и экспериментальные кривые совпадают в пределах погрешности эксперимента (не более 5 %).

Экспериментальные исследования колебательного контура показали, что зависимость рассеиваемой мощности от величины сопротивления ОИ имеет не линейный характер (рис. 11). Поэтому диапазон возможных значений сопротив ления ОИ целесообразно разбить на отдельные поддиапазоны, в пределах кото рых стабильность рассеиваемой мощности поддерживается в заданных пределах, не превышающая 5 %.

а) б) Рисунок 11 – Графики зависимости рассеиваемой в нагрузке мощности Px от сопротивления ОИ Rх и сопротивления потерь контура R1 (а), от сопротивления ОИ Rх и напряжения ГПН UГ (б) При повышенных требованиях, предъявляемых к ИГЗМ, необходимо ис пользовать систему автокоррекции и управления мощностью. Из графиков, при веденных на рис. 11, видно, что для обеспечения заданного значения мощности требуется управление сопротивлением потерь и напряжением, подаваемым на вход колебательного контура.

Исследования измерительного генератора, функциональная схема которого представлена на рис. 12, показали, что использование в схеме цепи обратной свя зи (ЦОС) и устройства управления (УУ) уровня напряжения, подаваемого на вход колебательного контура, позволяет достичь более высоких метрологиче ских параметров.

Установлено, что для обеспечения мощности с отклонением от среднеза данного значения не более чем на 3%, необходимо диапазон изменения нагрузки от 10 до 1000 кОм разделить на 18 поддиапазонов.

Рисунок 12 – Функциональная схема ИГ с цепью обратной связи Исследования измерительного генератора, структурная схема которого при ведена на рис. 4, подтвердили результаты теоретических расчетов. Дальнейшие исследования возможностей повышения точности измерения Rx показали, что использование неинвертирующего сумматора в качестве ПУУ (рис. 5, а) позво ляет в диапазоне изменения нагрузки от 10 до 1000 кОм уменьшить погрешность измерения до 1% (рис. 13).

Рисунок 13 – График расчета погрешности измерения сопротивления Rx при ис пользовании метода одновременной подачи напряжений Ux и Uос Экспериментальное исследование измерительного генератора с колебатель ным контуром и ФВИ (рис. 6) показало, что погрешность поддержания средней рассеиваемой в ОИ мощности путем установки соответствующего напряжения на выходе ПА не превышает 4 %. Выявлены основные источники погрешности измерения сопротивления ОИ. Установлено, что основная погрешность измере ния возникает за счет «потерянных» импульсов, по числу которых определяется сопротивление Rx. Показано, что применение амплитудно-частотного преобразо вания позволяет снизить погрешность измерения значения сопротивления ОИ до 11,5 %.

Исследования ИГ с формирователем импульсов, заполненных затухающими колебаниями (рис. 9), показали, что предложенная схема ИГЗМ обеспечивает не только стабильность задания мощности, но и энергии, вводимой в ОИ.

Показано, что погрешность задания мощности, как и в предыдущих схемах, определяется погрешностью измерения сопротивления ОИ. Выявлены несколько «источников» погрешности измерения Rx, среди которых основной вклад вносят погрешности, вызванные чувствительностью компаратора и изменением темпе ратуры окружающей среды.

Чувствительность компаратора U определяет неопределенность времени t нахождения электронного ключа ЭК3 (рис. 9) в открытом состоянии, что при водит к появлению погрешности измерения сопротивления ОИ. В ходе проведе ния экспериментов было установлено, что для типичного значения чувствитель ности, равного U=10 мВ, погрешность измерения сопротивления при UГ = 10 В не превышает 0,5 %. Показано, что путем подбора оптимального значения поро га чувствительности компаратора и напряжения UГ можно добиться требуемого значения погрешности измерения Rx.

Установлено, что путем управления значением сопротивления потерь кон тура можно скомпенсировать изменение мощности, вызванное температурной зависимостью активного сопротивления катушки индуктивности.

На основе результатов теоретических и экспериментальных исследований разработанных схем предложены рекомендации повышения стабильности рас сеиваемой в ОИ мощности.

В заключении подводятся итоги проведенного исследования.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ В ходе теоретических и экспериментальных исследований, выполненных в диссертационной работе, получены следующие основные научные и практиче ские результаты и выводы:

1. Впервые исследовано стабилизирующее действие колебательного конту ра на рассеиваемую в нагрузке мощность. Установлено, что колебательный кон тур без применения дополнительных устройств контроля и обработки информа ции может быть использован в качестве простейшего высокоэкономичного ИГ, который в заданных диапазонах сопротивления нагрузки обеспечивает приемле мое постоянство рассеиваемой в нагрузке мощности.

2. Анализ условий стабилизации рассеиваемой в нагрузке мощности пока зал, что управление мощностью оптимально осуществлять путем изменения на пряжения, подаваемого на вход колебательного контура, а коррекцию – сопро тивлением потерь контура. В данной работе используется измерительный гене ратор заданной мощности, который позволяет разбить диапазон сопротивлений нагрузки от 10 до 1000 кОм на 10 поддиапазонов, в пределах каждого из которых стабильность рассеиваемой мощности не превышает 3 % от среднезаданного значения.

Установлено, что для обеспечения стабильной мощности в широком диапа зоне изменения нагрузки необходимо в схему измерительного генератора вво дить устройство калибровки, измеритель сопротивления и узел управления на пряжением, подаваемым на вход колебательного контура. В соответствии с ГОСТ 13607-68 предложен измеритель сопротивления, использующий метод промежуточного преобразования напряжения во временной интервал, погреш ность измерения которого в диапазоне изменения сопротивления нагрузки от до 1000 кОм не превышает 1 %.

3. Разработана и исследована система управления мощностью ИГЗМ с ко лебательным контуром и ФВИ, выполненная на базе интегральных микросхем КМОП-структуры и микромощных ОУ, расчетная мощность потребления кото рой (при напряжении 3 В и без учета мощности потребления БИ и цепи ОИ) не превышает 10 мВт. В ходе теоретических и экспериментальных исследований ИГЗМ установлено, что путем установки оптимального значения порога чувст вительности компаратора можно добиться заданного значения погрешности из мерения сопротивления ОИ.

4. Анализ измерительного генератора с формирователем импульсов, запол ненных затухающими колебаниями, показал, что энергия и мощность форми руемого им сигнала определяется приложенным напряжением и емкостью кон денсатора. Установлено, что средняя энергия воздействующего сигнала состав ляет от 92 до 99 % от максимальной величины энергии, запасаемой конденсато ром.

5. Разработаны математические модели ИГ со схемой стабилизации мощ ности, исследованы их основные характеристики, установлены факторы, влияющие на погрешность задания мощности. Проведены экспериментальные исследования и компьютерное моделирование предложенных схем ИГЗМ, кото рые подтвердили справедливость теоретических положений и допущений, при нятых при разработке математических моделей. Предложены рекомендации по повышению стабильности заданной мощности.

По теме диссертации опубликованы следующие работы В издании из перечня ВАК 1. Измерительный генератор заданной мощности с цифровым управлением / Галиев А.Л., Юмагулов Н.И. // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. – 2010. – №4. – 68 с., С. 58-59.

2. Измерительный генератор с колебательным контуром и автокоррекцией мощности / Галиев А.Л., Юмагулов Н.И., Орлов А.В. // Приборы и системы.

Управление, контроль, диагностика. – 2010. – №5. – 76 с., С. 62-65.

3. Система автокоррекции длительности импульсов в генераторе заданной мощности / Галиев А.Л., Орлов А.В., Юмагулов Н.И. // Приборы и системы.

Управление, контроль, диагностика. – 2010. –№6. – 72 с., С. 43-46.

В других изданиях 4. Анализ влияния параметров усилительных элементов на КПД электрон ных устройств с импульсной обработкой сигналов / Галиев А.Л., Орлов А.В., Юмагулов Н.И. //Современные проблемы физики и математики: Труды Всерос сийской научной конференции. – Уфа: Гилем, 2004. – 203 c., С. 196-199.

5. Аналитическая модель униполярного транзистора при низких напряже ниях питания / Галиев А.Л., Орлов А.В., Юмагулов Н.И. // Современные пробле мы физики и математики: Труды Всероссийской научной конференции. – Уфа:

Гилем, 2004. – 203 c., С. 193-195.

6. Экономичный генератор заданного значения электрического тока для систем с автономным питанием / Юмагулов Н.И. // V Региональная школа конференция для студентов, аспирантов и молодых ученых по математике и фи зике: материалы конференции. – Уфа: РИО БашГУ, 2005. – 181 с., С. 61.

7. Генератор заданного значения мощности для измерительных устройств, исследующих свойства термодинамической системы / Юмагулов Н.И. // ЭВТ в обучении и моделировании: Сб. научн. трудов в 2 ч. IV Регион. научно-методич.

конф. 16-17 декабря 2005 г. – Бирск: Бирск. гос. соц.-пед акад., 2005 – Ч.1. – 318 с., С. 162-167.

8. Экономичный генератор заданного значения мощности электрического тока / Галиев А.Л., Юмагулов Н.И. // Труды кафедры экспериментальной и тео ритической физики. Вып. 2. – Уфа: Гилем, 2006. – 204 с., С. 114-119.

9. О стабилизации выходной мощности измерительного генератора с помо щью колебательного контура / Юмагулов Н.И. // Труды Стерлитамакского фи лиала АН РБ. Серия «Физико-математические и технические науки». Выпуск 4. – Уфа: Гилем, 2006. – 184 с., С. 132-135.

10. Экономичный измерительный генератор с цифровым управлением / Га лиев А.Л., Юмагулов Н.И. // ЭВТ в обучении и моделировании: Сб. научн. тру дов: VI Всероссийская научно-методич. конф. 20-21 апреля 2007 г. – Бирск:

Бирск. гос. соц.-пед. акад., 2007. – 320 с., С. 38-40.

11. Устройство программного управления мощностью измерительного ге нератора / Галиев А.Л., Юмагулов Н.И. // Вузовская наука: инновационные под ходы и разработки: Сборник науч. трудов проф.-препод. состава Стерлитамак ской государственной педагогической академии им. Зайнаб Биишевой. – Стерли тамак: Стерлитамак. гос. пед. академия, 2008. – 160 с., С. 5-8.

12. Стабилизирующее действие колебательного контура на рассеиваемую в нагрузке мощность / Галиев А.Л., Юмагулов Н.И. // Электроника, автоматика и измерительные системы: межвузовский научный сборник. – Уфа: Уфимский го сударственный авиационный технический университет, 2009. – 208 с., С. 13-17.

ЮМАГУЛОВ Николай Иванович ЭЛЕМЕНТЫ И УСТРОЙСТВА СТАБИЛИЗАЦИИ МОЩНОСТИ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ГЕНЕРАТОРОВ С КОЛЕБАТЕЛЬНЫМ КОНТУРОМ (развитие теории, исследования и разработка) Специальность 05.13.05 – Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Подписано в печать 22. 11.2010 г.

Гарнитура «Times». Печать на ризографе с оригинала.

Формат 6084 1/16. Усл.-печ.л. 1,16.

Бумага писчая. Тираж 100 экз. Заказ № 98.

Цена договорная.

452453, Республика Башкортостан, г. Бирск, ул. Интернациональная, д. 10.

ГОУ ВПО «Бирская государственная социально-педагогическая академия».

Отдел множительной техники БирГСПА.



 

Похожие работы:





 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.