ПІДВИЩЕННЯ ЗАВАДОЗАХИЩЕННОСТІ ТА ЗАВАДОСТІЙКОСТІ ПРИ ПОВІРЦІ ЗАСОБІВ ВИМІРЮВАЛЬНОЇ ТЕХНІКИ ЕЛЕКТРИЧНИХ ТА МАГНІТНИХ ВЕЛИЧИН

brief description

Міністерство освіти і науки, молоді та спорту України
Національний технічний університет України
«Київський політехнічний інститут»

На правах рукопису

ТРОФИМЕНКО СЕРГІЙ ОЛЕКСІЙОВИЧ

УДК 006.91:621.317+ УДК 621.391.82

ПІДВИЩЕННЯ ЗАВАДОЗАХИЩЕННОСТІ ТА ЗАВАДОСТІЙКОСТІ ПРИ ПОВІРЦІ ЗАСОБІВ ВИМІРЮВАЛЬНОЇ ТЕХНІКИ ЕЛЕКТРИЧНИХ ТА МАГНІТНИХ ВЕЛИЧИН

05.01.02 Стандартизація, сертифікація та метрологічне забезпечення

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Науковий керівник
Яремчук Анатолій Антонович
кандидат технічних наук,
старший науковий співробітник

Київ 2012

ЗМІСТ

Перелік умовних скорочень

Вступ

5

6

Розділ 1. ВПЛИВ ЕЛЕКТРОМАГНIТНИХ ЗАВАД ПРИ ПОВIРЦІ ЗАСОБIВ ВИМІРЮВАЛЬНОЇ ТЕХНІКИ.
1.1. Вплив завад на точність вимірювань при проведенні повірки засобів вимірювальної техніки..
1.2. Основні джерела завад та аналіз електромагнітної обстановки в повірочній лабораторії
1.3. Класифікація електромагнітних завад
Висновки до розділу 1..

13

13

16
22
29

Розділ 2. ЗМЕНШЕННЯ РІВНЯ МАГНІТНОГО ПОЛЯ ЗАВАД
2.1. Головні джерела завад та створені ними магнітні поля.
2.1.1. Дослідження протяжних джерел магнітного поля...
2.1.2. Дослідження локальних джерел магнітного поля
2.2. Зменшення відтворюючих можливостей джерел полів завад
2.3. Дослідження активного екранування протяжних джерел магнітних завад....
Висновки до розділу 2...

30
30
30
35
38

42
47

Розділ 3. ЗМЕНШЕННЯ РІВНЯ ЕЛЕКТРИЧНОЇ ЗАВАДИ
3.1. Характерні риси електричної завади, як сигналу
3.2. Класифікація засобів притлумлення завад
3.3. Структурний аналіз створеного компенсатора..
3.4. Аналіз методичних та інструментальних похибок компенсатора завад...
3.5. Результати експериментальних досліджень створеного компенсатора.
Висновки до розділу 3...

48
48
49
54

56

61
62

Розділ 4. РОЗРОБКА МЕТОДОЛОГІЇ ДОСЛІДЖЕНЬ ЗАВАД ТА АНАЛІЗ СПЕЦИФІКИ ПОБУДОВИ ЗАСОБІВ ВИМІРЮВАННЯ ХАРАКТЕРИСТИК ЗАВАД
4.1. Особливості методології вимірювання завад в метрологічних лабораторіях.
4.1.1. Обстеження приміщень метрологічних лабораторій
4.1.2. Вибір трас вимірювань
4.1.3. Підготовка до вимірювань...
4.1.4. Виконання вимірювань
4.1.5. Фіксування результатів вимірювань..
4.1.6. Доповнення результатів для визначення моделі джерела
4.1.7. Розрахунок параметрів моделі джерела завади
4.2. Аналіз специфіки побудови засобів вимірювання характеристик завад
4.2.1. Аналіз впливу змінного магнітного поля Землі
4.2.2. Зменшення впливу шуму на засоби вимірювання характеристик завад.
4.2.3. Специфіка відновлення сигналів на виходах вимірювальних перетворювачів з обмеженою знизу смугою передачі...
4.2.3.1. Аналіз стабілізуючого множника
4.2.3.2. Аналіз рівняння перетворення оптимального по Вінеру пристрою відновлення
4.2.3.3. Відновлення сигналів на виходах фільтрів верхніх частот першого і другого порядків...
4.2.3.4 Відновлення сигналів на виході вимірювального каналу з індукційним перетворювачем.
4.2.3.5 Відновлення сигналів на виході вимірювального каналу з ємнісним перетворювачем...
Висновки до розділу 4..

Розділ 5. СТВОРЕННЯ ТА ВПРОВАДЖЕННЯ ТРИКАНАЛЬНИХ КОМПЕНСАТОРІВ ЕЛЕКТРИЧНИХ ЗАВАД.
5.1. Структура та технічні характеристики створених триканальних компенсаторів електричних завад...
5.2. Правила вимірювання технічних характеристик каналу компенсатора.
5.3. Правила вимірювання технічних характеристик інших каналів компенсатора або інших компенсаторів
5.4. Правила регулювання і настройки компенсатора...
5.5. Аналіз результатів випробувань створених компенсаторів...
Висновки до розділу 5..

ЗАГАЛЬНІ Висновки

63

63
63
64
64
65
65
65
66

67
68

70

72
74

78

85

95

105
110

112

112

126

131
131
132
134

135

Список використаних джерел

137

Додаток А. Документи, що підтверджують використання
результатів роботи.. 157

ПЕРЕЛІК УМОВНИХ СКОРОЧЕНЬ

ЕМЗ

Електромагнітна завада

ЗВТ

Засіб вимірювальної техніки

ЕМО

Електромагнітна обстановка

ЕМС

Електромагнітна сумісність

ТП

Трансформаторна підстанція

СП

Споживач

ШФП

Шини фазного проводу

ШНП

Шини нульового проводу

ОРЗ

Опір розтікання заземленню

РЩ

Розподільчий щит

П

Блок перетворювача

КП

Кабель блоку перетворювача

БПКІ

Блок підсилювання, контролю та індикації

ДП

Диференціальний підсилювач

ПН

Підсилювач напруги

ПС

Підсилювач струму

БКІ

Блок контролю та індикації

К1

Плоский джгут контуру компенсації магнітного поля

АЧХ

Амплітудно-частотна характеристика

АЦП

Аналого-цифровий перетворювач

ЦАП

Цифро-аналоговий перетворювач

СКВ

Середньоквадратичне відхилення

ОЗП

Оперативний запам’ятовувальний пристрій

ВСТУП

Актуальність теми. Більшість сучасних засобів вимірювальної техніки (ЗВТ) для вимірювання електричних і магнітних величин виготовлені із використанням мікроелектроніки, що створює певний недолік: чутливість до впливу електромагнітних завад (ЕМЗ). Більш того, з кожним роком проблема забезпечення завадозахищенності та завадостійкості обладнання, яке застосовується в повірочній лабораторії при проведенні повірки до впливу ЕМЗ стає більш гострою, тому що з одного боку підвищується чутливість ЗВТ до впливу ЕМЗ, а з іншого боку зростає рівень ЕМЗ. До основних причин росту чутливості ЗВТ для вимірювання електричних та магнітних величин до ЕМЗ можна віднести покращення метрологічних характеристик ЗВТ, розширення діапазонів вимірювань, зокрема зменшення нижньої границі діапазонів вимірювання, зменшення потужності корисних сигналів.
Особливо актуальна проблема завадозахищенності та завадостійкості обладнання, що використовується в повірочній лабораторії, при створенні повірочних лабораторій в приміщеннях на енергоємних підприємствах (електростанції, підприємства металургійної та хімічної промисловості тощо) з дуже складною електромагнітною обстановкою (ЕМО). При цьому зазвичай приходиться вирішувати більш широку задачу забезпечення електромагнітної сумісності (ЕМС). Слід зазначити, що проблема впливу ЕМЗ на ЗВТ актуальна не тільки під час проведення повірки, а також під час проведення вимірювань за межами повірочної лабораторії, наприклад, при виготовленні продукції на підприємствах зазначеної галузі. Тому на багатьох об’єктах при створенні лабораторій для повірки ЗВТ виникає необхідність покращення ЕМО, яка полягає в її оцінці в лабораторії та зменшенні рівня небезпечних для повірочного обладнання ЕМЗ до допустимого рівня.
Таким чином, проблема підвищення завадозахищенності та завадостійкості при повірці ЗВТ в лабораторіях, в умовах багаточисельних, різноманітних за фізичною природою, частотними характеристиками та енергетичним спектром ЕМЗ, є актуальною та сучасною задачею, для вирішення якої необхідні особливі, нетрадиційні підходи. Зважаючи на складність та багатоваріантність рішень комплексної проблеми ЕМС, її розділяють на групи окремих задач, що мають самостійне наукове та практичне значення. Однією з таких самостійних задач є аналіз ЕМО, визначення, які саме ЕМЗ впливають на ЗВТ та електричні схеми повірки, та визначення методів та засобів щодо захисту ЗВТ від впливу ЕМЗ.
Широке дослідження питання ЕМС було розпочате з розвитком приладів на напівпровідниковій мікроелектронній базі з 60-х років минулого сторіччя. З інтенсивним розвитком промисловості ці дослідження дістали ще більшого поширення. З робіт вітчизняних науковців, які досліджували питання ЕМС, слід виділити праці АполлонськогоС.М., АфанасьеваЮ.В., ВербінаВ.С., ГріневичаФ.Б., ГринбергаІ.П., ГорськогоА.Н., ЗімінаЕ.Ф., КочановаЕ.С., ПілінськогоВ.В., КрасноваІ.П., ОрнатськогоП.П., РозоваВ.Ю., ТарабанаМ.Є., ШуляковськогоЕ.А., ХаркевичаА.А., ЯремчукаА.А. та інших науковців.
Роботи цих авторів стосуються теоретичних та практичних досліджень ЕМС, оцінки ЕМО, класифікації ЕМЗ, визначення джерел ЕМЗ, засобів та методів притлумлення ЕМЗ на різноманітних об’єктах в різних галузях промисловості, пошуку нових шляхів боротьби з ЕМЗ.
Серед зарубіжних вчених, які зосереджують увагу на зазначених питаннях ЕМС, слід виділити таких, як Ван ТрисГ., ВасилескуГ., ВаттсД., А.Ван дер Зил, ДженкинсГ., ЛенцДж., ОттГ., СтирнзС., УидроуБ., ФіллоуДж. та ін.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційне дослідження виконано на кафедрі автоматизації експериментальних досліджень згідно з науковим планом кафедри відповідно до договорів на створення науково-технічної продукції, зокрема договору № 100/2009 від 27 жовтня 2009 року за темою «Розробка та випробування компенсаторів промислових завад на шинах підводу та в схемах вимірювання», шифр «Завада-1».
Мета і завдання дослідження. Метою дисертаційного дослідження є створення методів та засобів притлумлення ЕМЗ для зменшення впливу цих завад при проведенні повірки ЗВТ.
Реалізація поставленої мети зумовила необхідність вирішити наступні завдання:
- проаналізувати вплив ЕМЗ, визначити їх основні джерела в повірочній лабораторії при проведенні повірки ЗВТ та проаналізувати класифікації ЕМЗ;
- дослідити просторові джерела завад, визначити шляхи зменшення можливостей відтворення полів джерел, що створюють поля завад;
- розробити та дослідити засіб активного екранування промислових магнітних завад, визначити основні фактори, що обмежують притлумлення завад цим засобом;
- визначити специфіку мережевої завади, що діє на електричну схему повірки та виконати класифікацію засобів притлумлення завад для їх урахування при проектуванні цих засобів;
- для впровадження теоретичних здобутків розробити та виготовити компенсатор завад, запропонувати найбільш оптимальне його підстроювання, проаналізувати рівняння перетворення та визначити його повну методичну похибку та її складові, а також провести його експериментальне дослідження;
- визначити фактори, що обмежують точність вимірювань параметрів ЕМЗ та запропонувати шляхи зменшення впливу цих факторів;
- проаналізувати рівняння перетворення пристроїв відновлення характеристик завад, визначити критерій оптимальності пристрою відновлення та надати рекомендації по вибору функції частотної корекції.
- запропонувати функції частотної корекції для передаточних функцій пристроїв відновлення для зниження з відповідною завадостійкістю нижньої граничної частоти смуги пропускання вимірювального каналу при невеликому співвідношенні сигнал/шум.
- розробити структурну схему триканального компенсатора електричних завад, яка відрізняється від відомих компенсаторів новими технічними рішеннями збільшення коефіцієнта притлумлення завад, виготовити і провести випробування та впровадити триканальний компенсатор електричних завад на основі структурної схеми, що була розроблена.
Об’єктом дисертаційного дослідження є ЕМО в повірочній лабораторії, вплив ЕМЗ та їх джерел на ЗВТ при проведенні повірки.
Предметом даного дослідження є апаратні методи та засоби для притлумлення електромагнітних завад.
Методи дослідження. При вирішенні поставлених задач використовувались положення теорії електричних кіл, фундаментальної фізики, математичного аналізу, електромагнітних полів, електромагнітної сумісності, методи екранування та компенсації, методи математичного моделювання та комп’ютерного моделювання, експериментальні дослідження.
Наукова новизна одержаних результатів дисертаційного дослідження полягає в подальшому розвитку методів та засобів притлумлення ЕМЗ, які дозволяють зменшити вплив цих завад на ЗВТ та підвищити завадозахищенність та завадостійкість при проведенні повірки. Для цього в роботі здійснено:
1. Вперше досліджено просторові джерела завад в повірочній лабораторії та створені ними електромагнітні поля, запропоновано математичну модель джерела, що відповідає багатокутному просторовому контуру.
2. Удосконалено положення теорії побудови засобів активного екранування, вперше застосовано коректор фазового зсуву при побудові засобів активного екранування промислових магнітних завад, що використовуються при повірці ЗВТ електричних та магнітних величин.
3. Розвинуто методи теорії побудови компенсаторів електричних завад, вперше зроблено класифікацію засобів притлумлення мережевої завади, вперше проведено аналіз щодо вибору найбільш оптимального засобу притлумлення мережевої завади, досліджено рівняння перетворення та домінуючи похибки цих компенсаторів.
4. Одержала подальший розвиток теорія побудови пристроїв відновлення характеристик електромагнітних завад із застосуванням критеріїв оптимальності по Вінеру, що дозволило в 16,6 разів підвищити завадостійкість вимірювачів характеристик електромагнітних завад.
Практичне значення одержаних результатів.
1. В дисертаційній роботі запропоновано комплекс науково-методичного забезпечення вирішення актуальної науково-практичної задачі, пов’язаної з метрологічним забезпеченням ЗВТ електричних та магнітних величин, що дозволяє підвищити завадозахищенность та завадостійкость при повірці ЗВТ електричних та магнітних величин.
2. За участі автора було створено та досліджено засіб активного екранування промислових магнітних завад, в якому досягнуто коефіцієнт притлумлення завад, що перевищує 8,5.
3. На основі розроблених методів побудови компенсаторів електричних завад створено, випробувано та впроваджено триканальний компенсатор електричних завад, в якому коефіцієнт притлумлення перевищує 100 разів.
Особистий внесок здобувача. Всі дослідження, представлені в дисертації, проведені особисто здобувачем та найшли відображення у трьох наукових працях без співавторів [1; 9; 10]. В інших наукових працях, опублікованих у співавторстві, особистим вкладом здобувача є:
- аналіз розподілу індукованої напруженості електричного поля та екрануючих властивостей мікросфери [2];
- класифікація пристроїв притлумлення мережевих завад при повірці засобів вимірювань, виконано аналіз зміни коефіцієнту притлумлення завади в період проведення повірки під час застосування компенсатора мережевої завади [3];
- аналіз мультиплікативної та адитивної складової похибки компонентів вимірювального каналу, запропоновано підхід для визначення похибок реєстрації параметрів режимів електричних мереж під час повірки [4];
- запропоновано та реалізовано схему випробувань реєструючого приладу для визначення абсолютної похибки прив’язки переходу через нуль синусоїдального сигналу до шкали часу [5];
- запропоновано метрологічне забезпечення для визначення метрологічних характеристик засобів системи моніторингу перехідних режимів енергосистем [6];
- запропоновано підходи для оцінки електромагнітної обстановки, класифікації завад та визначення джерела завад [7].
- доведено недоцільність використання складних автоматизованих установок для повірки лічильників електричної енергії під час перевірки роботи лічильника без навантаження та перевірки порогу чутливості лічильника [8

bibliography

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

Розглянуто вплив та визначено основні джерела ЕМЗ, проведено теоретичний розрахунок ЕМО при проведенні повірки ЗВТ, визначено класифікаційні ознаки ЕМЗ.
Досліджено головні складові просторових джерел завад, запропоновано модель джерела, що дає можливість дослідити поле локальних та просторових джерел завад. Визначено шляхи зменшення відтворюючих можливостей джерел полів завад та надано обмеження в використаннях цих шляхів.
На основі удосконалених автором положень теорії побудови засобів активного екранування розроблено та досліджено засіб активного екранування промислових магнітних завад. Визначено, що головними факторами, що обмежують притлумлення завад є наявність фазового зсуву між полем завад і полем компенсації та обмежена можливість створити відповідність поля просторового джерела завад і поля вибраного контуру активної компенсації цього поля.
Визначено специфіку мережевої завади, що діє на електричну схему повірки, виконано класифікацію засобів притлумлення завад, на підставі чого визначено найбільш оптимальне підстроювання цих засобів: це сполучення безперервного підстроювання частоти і фази з циклічним підстроюванням амплітуди.
Розроблено та виготовлено компенсатор завад, який додатково до вибраних підстроюваннь має синхронне накопичення періоду завади, що здійснюється до приходу корисної складової сигналу, тобто сигналу повірки. Проаналізовано рівняння перетворення створеного компенсатора, визначено повну методичну похибку та її складові. Проведено експериментальне дослідження створеного компенсатора, яке довело відповідність теоретичним дослідженням, надано рекомендації щодо обмеження часу вимірювань при повірці для збереження коефіцієнта притлумлення завади до 100 разів.
Визначено фактори, що обмежують точність вимірювань параметрів ЕМЗ, запропоновано оптимізацію амплітудно-частотної характеристики засобів вимірювання параметрів ЕМЗ для зменшення впливу цих факторів.
Зроблено аналіз рівняння перетворення оптимального по Вінеру пристрою відновлення індукції електромагнітного поля, що дозволило сформувати рекомендації по вибору комплексної функції частотної корекції АЧХ вимірювального каналу.
Запропоновано функції частотної корекції для передаточних функцій пристроїв відновлення сигналів: на виходах фільтрів верхніх частот першого порядку; на виході вимірювального каналу, що містить ємнісний перетворювач; на виході вимірювального каналу, що містить індукційний перетворювач і фільтри нижніх частот. Це дозволило до 6 16,6 разів з відповідною завадостійкістю понизити нижню граничну частоту смуги пропускання вимірювального каналу при невеликому співвідношенні сигнал/шум.
Запропоновано та проаналізовано структурну схему триканального компенсатора завад, яка відрізняється від відомих компенсаторів введеним регулюванням коректуючого випередження для зменшення фактичного запізнювання напруги компенсації завади. Запропоновані компенсатори було виготовлено, випробувано та впроваджено, що свідчить о достатньому практичному виході результатів теоретичних досліджень дисертаційної роботи. По результатам випробувань було визначено, що введення регулювання коректуючого випередження збільшило максимальний коефіцієнт притлумлення до К = 212, що більше ніж в 2 рази у порівнянні із запропонованими раніше компенсаторами. Для подальшого підвищення коефіцієнтів притлумлення завад пропонується введення регулювання випередження для корекції в кожний канал компенсатора та зміну коректуючого випередження для корекції в кожному каналі при зміні оточуючих параметрів.