Методика измерения петли Фаза-Ноль — Электролаборатория

1.Цель проведения измерения.

       Измерение сопротивления петли  “фаза-нуль” проводится с целью проверки срабатывания защиты электрооборудования и отключения аварийного участка при замыкании фазы на корпус. По измеренному полному сопротивлению петли  “фаза-нуль” определяется ток однофазного короткого замыкания. Полученная расчетом величина тока сравнивает с номинальным током защитного аппарата.

2.Меры безопасности.

Пред началом работ необходимо:

• Получить наряд (разрешение) на производство работ
• Подготовить рабочее место в соответствии с характером работы: убедиться в достаточности принятых мер безопасности со стороны допускающего (при работах по наряду), либо принять все меры безопасности самостоятельно (при работах по распоряжению).
• Подготовить необходимый инструмент и приборы.
• При выполнении работ действовать в соответствии с программами (методиками) по испытанию электрооборудования типовыми или на конкретное присоединение.
• При окончании работ на электрооборудовании убрать рабочее место, восстановив нарушенные в процессе работы коммутационные соединения (если таковое имело место).
• Сдать наряд (сообщить об окончании работ руководителю или оперативному персоналу).
• Оформить протокол на проведённые работы

Измерения сопротивления петли «фаза – нуль» необходимо производить, пользуясь диэлектрическими перчатками, предварительно необходимо обесточить испытуемую цепь. Только после отключения напряжения необходимо проводить подключение прибора с последующей подачей напряжения и проведением измерения.

3.Нормируемые величины.

      Измерения сопротивления петли “фаза-нуль” проводится в сроки, устанавливаемые графиком планово-предупредительного ремонта (ППР). По сопротивлению петли “ фаза-нуль”  Z_фо (Ом) ток короткого замыкания I_кз (А) определяется по формуле  I_кз=U_ср/Z_фо

      где U_ср — среднее значение питающего напряжения, В.

      В электроустановках до 1кВ с глухим заземленной нейтралью с целью обеспечения автоматического отключения аварийного участка проводимость фазных и нулевых защитных проводников должна быть выбрана такой, чтобы при замыкании на корпус или на нулевой защитный проводник возникал ток КЗ, превышающий не менее чем:

• в 3 раза номинальный ток плавкого элемента ближайшего предохранителя;
• в 3 раза номинальный ток нерегулируемого расцепителя или уставку тока регулируемого расцепителя автоматического выключателя, имеющего обратно зависимую от тока характеристику.

    При защите сетей автоматическими выключателями, имеющими только электромагнитный расцепитель (отсечку), проводимость указанных проводников должна обеспечивать ток не ниже уставки тока мгновенного срабатывания, умноженной на коэффициент, учитывающий разброс(по заводским данным), и на коэффициент запаса 1,1.

4.Определяемые характеристики.

Согласно ПУЭ в электроустановках до 1000В с глухозаземлённой нейтралью с целью обеспечения автоматического отключения аварийного участка проводимость фазных и нулевых рабочих и нулевых защитных проводников должна быть выбрана такой, чтобы при замыкании на корпус или на нулевой проводник возникал ток короткого замыкания, который обеспечивает время автоматического отключения питания не превышающего значений, указанных в табл. 1.7.1.

Таблица 1.7.1 Наибольшее допустимое время защитного автоматического отключения для системы TN

Номинальное фазное напряжение U0, В	Время отключения, с
127	0,8
220	0,4
380	0,2
Более 380	0,1

Приведенные значения времени отключения считаются достаточными для обеспечения электробезопасности, в том числе в групповых цепях, питающих передвижные и переносные электроприемники и ручной электроинструмент класса 1. В цепях, питающих распределительные, групповые, этажные и др. щиты и щитки, время отключения не должно превышать 5 с.

Допускаются значения времени отключения более указанных в табл. 1.7.1, но не более 5 с в цепях, питающих только стационарные электроприемники от распределительных щитов или щитков при выполнении одного из следующих условий:

1) полное сопротивление, защитного проводника между главной заземляющей шиной и распределительным щитом или щитком не превышает значения, Ом:

 

50=Zц/U0,

 

где Zц — полное сопротивление цепи «фаза-нуль», Ом;

U₀ — номинальное фазное напряжение цепи, В;

50 — падение напряжения на участке защитного проводника между главной заземляющей шиной и распределительным щитом или щитком, В;

2) к шине РЕ распределительного щита или щитка присоединена дополнительная система уравнивания потенциалов, охватывающая те же сторонние проводящие части, что и основная система уравнивания потенциалов.

Допускается применение УЗО, реагирующих на дифференциальный ток.

А также ток возникающий при однофазном КЗ во взрывоопасных зонах должен превышать:

В 6 раз номинальный ток автоматического выключателя с обратнозависимой характеристикой

во взрывоопасном помещении.

В 4 раза номинальный ток плавкой вставки во взрывоопасном помещении

При защите автоматическими выключателями имеющими только электромагнитный расцепитель время отключения должно соответствовать данным таблицы 1.7.1

Для расчёта тока однофазного КЗ по результатам измерения сопротивления петли «фаза–нуль» используют следующую формулу:

Z = U / I,

 

где Z— сопротивление петли «фаза—нуль», Ом;

U — измеренное испытательное напряжение, В ;

I — измеренный испытательный ток, А..

По рассчитанному току однофазного КЗ определяют пригодность аппарата защиты установленного в цепи питания электроприёмника.

В системе IT время автоматического отключения питания при двойном замыкании на открытые проводящие части должно соответствовать табл. 1.7.2.

Таблица 1.7.2 Наибольшее допустимое время защитного автоматического отключения для системы IT

Номинальное линейное напряжение U0, В	Время отключения, с
220	0,8
380	0,4
660	0,2
Более 660	0,1

Для определения времени отключения аппарата защиты после измерения сопротивления петли «фаза-нуль» и расчёта тока однофазного КЗ необходимо использовать время-токовые характеристики данного аппарата (смотри «Методику проведения испытаний автоматических выключателей и аппаратов управления напряжением 0,4кВ»).

5.Условия испытаний и измерений

Измерение сопротивления петли «фаза – нуль» следует производить при положительной температуре окружающего воздуха, в сухую, спокойную погоду. Атмосферное давление особого влияние на качество проводимых испытаний не оказывает, но фиксируется для занесения данных в протокол.

Влияние нагрева проводников на результаты измерений:

а) Рассмотрение повышения сопротивления проводников, вызванного повышением температуры.

Когда измерения проведены при комнатной температуре и малых токах, чтобы принять в расчет повышение сопротивления проводников в связи с повышением температуры, вызванного током замыкания, и убедиться для системы TN в соответствии измеренной величины сопротивления петли «фаза—нуль» требованиям таблицы 1.7.1, может быть применена нижеприведенная методика.

Считают, что требования таблицы 1.7.1 выполнимы, если петля «фаза—нуль» удовлетворяет следующему уравнению

                       Z _S(m)≤ 2U₀ / 3Ia,                       

 

Где Z_S(m) — измеренная величина сопротивления петли «фаза—нуль», Ом;

U₀ — фазное напряжение. В;

Ia — ток, вызывающий автоматическое срабатывание аппаратов защиты в течение времени, указанного в таблице 1.7.1., или в течение 5 с для стационарных электроприёмников

Если измеренная величина сопротивления петли «фаза—нуль» превышает 2 U₀/3Iа, более точную оценку соответствия требованиям таблицы 1.7.1 можно сделать путем измерения величины сопротивления петли «фаза—нуль» в следующей последовательности:

— сначала измеряют сопротивление петли «фаза—нуль» источника питания на вводе электроустановки Ze;

— измеряют сопротивление фазного и защитного проводников сети от ввода до распределительного пункта или щита управления;

— измеряют сопротивление фазного и защитного проводников от распределительного пункта или щита управления до электроприемника;

— величины сопротивлений фазного и нулевого защитного проводников увеличивают для учета повышения температуры проводников при протекании по ним тока замыкания. При этом необходимо учитывать величину тока срабатывания аппаратов защиты;

— эти увеличенные значения сопротивления добавляют к величине сопротивления петли «фаза—нуль» источника питания Ze и в результате получают реальную величину ZS в условиях замыкания.

6. Применяемые приборы, инструменты и аппараты.

      Измерения проводятся специальным приборами типа EurotestXE 2,5 кВ MI 3102H, позволяющим определять полное сопротивление петли “фаза-нуль” при наличии напряжения на источнике питания в электроустановках напряжением 380 В с глухозаземленной нейтралью питающего трансформатора. Во время работы применяют инструмент с изолированными ручками и индикатор напряжения.

7. Методика проведения измерения.

      7.1 Полное сопротивление контура и предполагаемый ток короткого замыкания

В данной функции доступны две подфункции измерения полного сопротивления контура: Подфункция Z LOOP применяется для измерения полного сопротивления контура в системах питания без встроенного УЗО. Подфункция Zs (узо) – функция блокировки срабатывания УЗО – применяется для измерения полного сопротивления контура в системах питания со встроенным УЗО.

 

7.1.1. Полное сопротивление контура

Полное сопротивление контура представляет собой полное сопротивление контура  повреждения при возникновении короткого замыкания на открытых проводящих частях (замыкание между фазным проводником и защитным проводником заземления).

7.1.2. Порядок проведения измерения полного сопротивления контура

Шаг 1.  С помощью переключателя функций выберите функцию Контур. Используя кнопки, выберите подфункцию полного сопротивления контура Z LOOP. Подключите измерительный кабель к прибору EurotestХЕ 2,5 кВ.

Шаг 2. Установите следующие параметры измерения:

􀂉 Тип предохранителя,

􀂉 Номинальный ток предохранителя,

􀂉 Время срабатывания предохранителя,

􀂉 Масштабный коэффициент IPSC

Шаг 3. Для измерения полного сопротивления контура подключите прибор к испытываемому объекту в соответствии со схемой соединения, приведенной на рисунке 1.

Рисунок 1: Подключение измерительного кабеля с вилкой и 3-проводного измерительного кабеля

 

Шаг 4.  Перед началом измерения проверьте отображаемые на дисплее предупреждения и оперативное напряжение / выходной монитор. Если измерение разрешено, нажмите кнопку TEST. После завершения измерения на дисплее отображаются результаты измерений и оценка результата.

Отображаемые результаты:

Z ………….Полное сопротивление контура,

ISC ………..Предполагаемый ток короткого замыкания,

Lim ………Минимальный предел предполагаемого тока короткого замыкания (если применяется).

Примечания:

􀂉 Измерительные выводы L и N автоматически заменяются в следующих случаях: если измерительные провода L/L1 и N/L2 (3-проводный измерительный кабель) подключены в обратном порядке, если выходы сетевой вилки перепутаны или если щуп «commander» перевернут.

􀂉 Минимальный предел тока короткого замыкания зависит от типа предохранителя, номинального тока и времени срабатывания предохранителя, а также от масштабного коэффициента IPSC.

􀂉 Указанная погрешность измеренных параметров действительна только тогда, когда сетевое напряжение стабильно во время измерений. 􀂉 Измерение полного сопротивления контура в подфункции Z LOOP приводит к срабатыванию УЗО.

 

7.1.3. Функция блокировки срабатывания УЗО

В данной подфункции Zs (узо) измерение полного сопротивления контура не вызывает срабатывания УЗО, благодаря низкому измерительному току. Данная подфункция также может применяться для измерения полного сопротивления контура в электроустановках, оснащенных УЗО с номинальным током срабатывания 10 мA.

 

7.1.4. Порядок проведения измерения полного сопротивления контура в функции блокировки срабатывания УЗО

Шаг 1. С помощью переключателя функций выберите функцию Контур. Используя кнопки, выберите подфункцию блокировки срабатывания УЗО Zs (узо). Подключите измерительный кабель к прибору EurotestХЕ 2,5 кВ.

Шаг 2. Установите следующие параметры измерения:

􀂉 Тип предохранителя,

􀂉 Номинальный ток предохранителя,

􀂉 Время срабатывания предохранителя,

􀂉 Масштабный коэффициент IPSC

Шаг 3. Для измерения полного сопротивления контура в функции блокировки срабатывания УЗО подключите прибор к испытываемому объекту в соответствии со схемой соединения, приведенной на рисунке 1. При необходимости воспользуйтесь меню помощи.

Шаг 4.  Перед началом измерения проверьте отображаемые на дисплее предупреждения и оперативное напряжение / выходной монитор. Если измерение разрешено, нажмите кнопку TEST. После завершения измерения на дисплее отображаются результаты измерений и оценка

результата.

Отображаемые результаты:

Z ………….Полное сопротивление контура,

ISC ………..Предполагаемый ток короткого замыкания,

Lim ………Минимальный предел предполагаемого тока короткого замыкания (если применяется). Сохраните отображенные результаты с целью дальнейшего документирования.

 

Примечания:

􀂉 При проведении измерения полного сопротивления контура в функции блокировки срабатывания УЗО, срабатывания УЗО, как правило, не происходит. Однако срабатывание УЗО может произойти вследствие протекания тока утечки по РЕ-проводнику или в случае наличия емкостного соединения между фазным и защитным проводниками.

􀂉Указанная погрешность измеренных параметров действительна только тогда, когда сетевое напряжение стабильно во время измерений.

 

7.2. Полное сопротивление линии и предполагаемый ток короткого замыкания

Полное сопротивление линии – это полное сопротивление токовой петли при возникновении короткого замыкания между фазным и нулевым проводниками в однофазной системе или между двумя фазными проводниками в трехфазной системе.

 

7.2.1Порядок проведения измерения полного сопротивления линии

Шаг 1. С помощью переключателя функций выберите функцию Линия.

Подключите измерительный кабель к прибору EurotestХЕ 2,5 кВ.

Шаг 2. Установите следующие параметры измерения:

􀂉 Тип предохранителя,

􀂉 Номинальный ток предохранителя,

􀂉 Время срабатывания предохранителя,

􀂉 Масштабный коэффициент IPSC

Шаг 3.Для измерения сопротивления линии фаза – фаза или фаза – нейтраль подключите прибор к испытываемому объекту согласно схеме соединений, приведенной на рисунке 2.

Рисунок 2: Подключение измерительного кабеля с вилкой или 3-проводного измерительного кабеля при измерении полного сопротивления линии

Шаг 4 Перед началом измерения проверьте отображаемые на дисплее предупреждения и оперативное напряжение / выходной монитор. Если измерение разрешено, нажмите кнопку TEST. После завершения измерения на дисплее отображаются результаты измерений и оценка результата

Отображаемые результаты:

Z ………….Полное сопротивление линии,

ISC ………..Предполагаемый ток короткого замыкания,

Lim ………Минимальный предел предполагаемого тока короткого

замыкания (если применяется).

Примечания:

􀂉 Минимальный предел тока короткого замыкания зависит от типа предохранителя, номинального тока и времени срабатывания предохранителя, а также от масштабного коэффициента IPSC.

􀂉 Указанная погрешность измеренных параметров действительна только тогда, когда сетевое напряжение стабильно во время измерений.

 8.Оформление результатов измерений.

Первичные записи рабочей тетради должны содержать следующие данные:

-дату измерений

-температуру,

-влажность и давление

-наименование, тип, заводской номер оборудования

-номинальные данные объекта испытаний

-результаты испытаний

-используемую схему

По данным испытаний и измерений производятся соответствующие расчёты и сравнения. Вычислив ток однофазного КЗ необходимо определить время срабатывания защитного аппарата по его время-токовой характеристике, и затем дать заключение о времени срабатывания выключателя и его соответствии требованиям ПУЭ. Пример работы с время- токовой характеристикой автоматического выключателя, выполненного в соответствии с ГОСТ Р 50345-99 представлен на рисунке 5. Определённый (измеренный, рассчитанный) ток однофазного КЗ откладывается на время-токовой характеристике в виде вертикальной прямой линии. Токи правее зоны срабатывания обеспечивает срабатывание автоматического выключателя со временем менее 0,4 с. Токи внутри зоны срабатывания обеспечивают отключение автоматического выключателя со временем менее 5 с. Таким образом считаем, что для обеспечения требуемого времени срабатывания автоматического выключателя в пределах менее 0,4 с, ток КЗ должен превышать 10Iн для автоматического выключателя с характеристикой типа С (работает электромагнитный расцепитель).

Рисунок 3. Работа с время-токовой характеристикой автоматического выключателя с характеристикой типа С

Если время срабатывания автоматического выключателя должно быть не более 5 с, то в этом случае считаем, что наиболее вероятно срабатывание обратнозависимого расцепителя, поэтому для определения зоны срабатывания необходимо пользоваться индивидуальной время-токовой характеристикой конкретного автоматического выключателя. На рисунке 5 индивидуальная время-токовая характеристика построена черной линией, принципы построения данной индивидуальной характеристики описаны в «Методике проведения испытаний автоматических выключателей и аппаратов управления напряжением 0,4кВ». При работе с время токовой характеристикой автоматических выключателей промышленного исполнения уставка электромагнитного расцепителя считается основой для определения времени срабатывания. Соответственно при величине однофазного тока КЗ, превышающем уставку электромагнитного расцепителя, считаем, что автоматический выключатель отключится за время меньше 0,4 с. Для определения тока однофазного КЗ при котором автоматический выключатель отключится с временем не более 5 с необходимо, как и в первом случае, пользоваться индивидуальной время-токовой характеристикой для конкретного автоматического выключателя. Цепи с применением УЗО в качестве дополнительных защитных устройств также необходимо проверять на соответствие полного сопротивления петли «фаза-нуль» и времени срабатывания защитных аппаратов, реагирующих на сверхток.

Измерение петли фаза-ноль | Заметки электрика

Уважаемые, посетители!!!

Приветствую Вас на своем ресурсе «Заметки электрика».

В прошлой статье мы узнали с Вами, что такое петля фаза-ноль и для чего нужно проводить измерение сопротивления петли фаза-ноль.

Сегодняшняя статья будет посвящена теме измерения петли фаза-ноль, т.е. разберем пошагово и подробно как самостоятельно произвести измерение. Измерение будем проводить в 2 этапа:

1. Внешний осмотр

Проводим тщательный внешний осмотр:

2. Измерение петли фаза-ноль

Перед измерением необходимо проверить плотность соединения проводов к аппаратам защиты. Если провода не протянуты — то смысла измерения нет, т.к. полученные показатели получатся не достоверными.

Цель  — это выяснить соответствие номинального тока аппаратов защиты и сечение проводов измеряемой цепи.

Замер петли фаза-ноль производим на самой удаленной точке измеряемой линии.

Если же проблематично определить самую дальнюю точку линии, то проводим измерение по всем точкам этой линии.

Измеренные величины записываем в блокнот.

 

Методика измерения петли фаза-ноль. Как провести замер?

 Существует несколько методов измерения:

• метод падения напряжения в отключенной цепи

• метод падения напряжения на нагрузочном сопротивлении

• метод короткого замыкания цепи

Наша электролаборатория использует для измерения петли фаза-ноль электроизмерительный прибор MZC-300 от фирмы Sonel, который работает по методу падения напряжения на нагрузочном сопротивлении. Этот метод рекомендуется к использованию ГОСТом  50571.16-99 (приложение D1).

Данный метод измерения я считаю более удобным, а главное безопасным. 

Измерение в рабочей цепи А (L1) — N

Измерение в защитной цепи А (L1) — PE

Проверка защиты от замыкания на корпус электрооборудования в системе заземления TN

Проверка защиты от замыкания на корпус электрооборудования в системе заземления TT

Более подробно видах систем заземления читайте в статьях:  TN-C, TN-C-S, TN-S и TT.

Измерение сопротивления петли мы проводим на электроустановке, которая находится под напряжением.

Как пользоваться прибором MZC-300, более подробно, можно узнать в руководстве по эксплуатации данного прибора.

Периодичность проведения измерений

Согласно нормативно-технического документа ПТЭЭП, измерение петли фаза-ноль проводится с определенной периодичностью, установленной системой ППР организации. Система ППР, включающая в себя циклы текущих и капитальных ремонтов электрооборудования,  утверждается техническим руководителем организации.

Для электроустановок во взрывоопасных зонах, не менее 1 раза в 2 года.

При отказе устройств защиты электроустановок должны выполняться внеплановые электрические измерения.

 

Как сделать заключение?

Выполнив замер петли фаза-ноль по вышеприведенным  схемам, на дисплее прибора отразится величина однофазного тока короткого замыкания.

Это значение сравниваем по время-токовым характеристикам с током срабатывания расцепителя автоматического выключателя или с плавкой вставкой предохранителя, и делаем соответствующее заключение.

Чтобы сделать правильное и верное заключение необходимо внимательно прочитать выдержки из ПТЭЭП и ПУЭ 7 издания. Я их совместил для Вашего удобства в одну картинку.

(для увеличения нажмите на картинку)

Для более наглядного представления, как сделать правильное заключение при измерении ПФО, приведу Вам пример из личного опыта.

Пример:

Производили замер петли фаза-ноль в помещении библиотеки. Измеряемая линия питается от силовой сборки ЩС автоматическим выключателем с номинальным током 16 (А) и характеристикой С (подробнее о всех видах характеристиках).

Как я уже говорил в статье, измерение проводим на самой отдаленной точке этой линии, в нашем случае это розетка, расположенная в самом дальнем углу библиотеки.

Электроснабжение библиотеки выполнено системой заземления TN-C. Поэтому измерение производим в рабочей цепи (фаза — ноль).

Измеренный ток однофазного короткого замыкания, который показал нам прибор, составлял 87 (А).

Внимательно читаем информацию, приведенную на картинке выше.

В данном примере воспользуюсь пунктом из ПТЭЭП. Т.е. ток однофазного замыкания

должен быть не менее, чем 1,1 * 16 * 10 = 176 (А). А у нас ток получился 87 (А) —  условие не выполняется.

При токе 87 (А) электромагнитная защита автоматического выключателя не сработает, а сработает тепловая защита, выдержка времени которой составит несколько секунд (больше, чем 0,4 секунды — ПУЭ). За это время есть большой риск возникновения воспламенения или пожара электропроводки.

Вывод:

В моем примере условие не удовлетворяет требованиям ПТЭЭП и ПУЭ. Поэтому необходимо:

• увеличить сечение проводов, измеряемой линии (при увеличении сечения провода уменьшается его сопротивление, а значит и увеличится ток однофазного замыкания, который пройдет по нашим условиям)
• установить автоматический выключатель с меньшим номинальным током (при уменьшении номинала автомата мы тем самым жертвуем мощностью линии)

 

Форма протокола измерения петли фаза-ноль

Самым последним этапом является занесение величин измерений в протокол.

(для увеличения нажмите на картинку)

(для увеличения нажмите на картинку)

P.S. Если у Вас в процессе изучения материала появились какие-нибудь вопросы, то смело задавайте их в комментариях. А сейчас смотрите видеоролик про «Измерение петли фаза-ноль в мастерской», который я приготовил специально для Вас. 

Если статья была Вам полезна, то поделитесь ей со своими друзьями:

Замер петли фаза-нуль | Центр Энерго Экспертизы

Петля фаза ноль это контур, состоящий из соединения фазного и нулевого проводника. Данное испытание необходимо для проверки соответствия уставки токовой отсечки аппарата защиты току  короткого замыкания, то есть нам необходимо знать, за какое время аппарат защиты отключит поврежденную линию и отключит ли вообще. Измерения проводят на самом удаленном участке линии. Потому что чем больше протяженность, тем хуже будут показатели, ниже ток короткого замыкания. Сопротивление петли фаза ноль зависит от сечения жил кабеля, его протяженности, переходных сопротивлений в соединительных коробках данной линии. Далее по полученным значениям производится расчет тока возможного короткого замыкания и производится сравнение со значением отсечки 

автоматического выключателя.

Со временем показатели могут увеличиваться из-за ухудшения переходных контактов в цепи фазного и нулевого проводника, поэтому данный параметр необходимо контролировать регулярно.

Так как при увеличении сопротивления петли фаза ноль, уменьшается возможный ток короткого замыкания, и как следствие аппарат защиты может не отключить поврежденную линию. Своевременное проведение проверки позволит предотвратить возникновение нештатных ситуаций и перегрев проводников.

На картинке пример измерения прибором metrel mi3102H SE. Полученное значение : 0,77 Ом, прибор сразу показывает какой ток КЗ возникнет на линии: 299 ампер, этого будет достаточно чтобы автомат категории С на 16 ампер сработал.

Периодичность проведения испытаний

Это испытание проводится при вводе электрооборудования в эксплуатацию, в обязательном порядке, при приёмо-сдаточных испытаниях в 100% объеме.

Это позволяет установить, насколько качественно выполнен монтаж, подобраны аппараты защиты. После этого проверка производится раз в три года, и  согласно ГОСТ Р 50571-16 2007 рекомендовано к включению в объем  эксплуатационных испытаний. По усмотрению ответственного за электрохозяйство испытания можно проводить чаще.

Кто проводит замер петли фаза ноль

Измерения проводят специальные электролаборатории, деятельность которых аккредитована федеральной службой по экологическому, технологическому и атомному надзору. Право на проведение этого вида работ указывается в свидетельстве о регистрации электролаборатории в перечне работ.

Какими приборами производятся измерения

Измерения производятся при помощи приборов, имеющихся у электролабораторий. Современные приборы создают искусственное короткое замыкание в месте измерения внутри прибора и сразу производят расчет  сопротивления петли фаза ноль,  и тока короткого замыкания.

В нашей компании есть все необходимое оборудование, которое позволяет быстро и качественно провести проверку.

Видео как проводится измерение сопротивления петли фаза-ноль

Электробезопасность — Измерение цепи фаза-нуль

---

ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЦЕПИ ФАЗА-НУЛЬ, ПОЛНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ, ТОКОВ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ И ЗАЩИТНОГО ОТКЛЮЧЕНИЯ

---

Петлёй «ФАЗА-НУЛЬ» принято называть цепь, состоящую из фазы трансформатора и проводников — нулевого и фазного.
По измеренному полному сопротивлению петли «ФАЗА-НУЛЬ» производится расчет тока однофазного короткого замыкания. Основной целью является проверка временных параметров срабатывания аппаратов защиты от cверхтоков при замыкании фазы на корпус. Данная проверка так же подверждает непрерывность PE цепи. Время срабатывания аппаратов защиты должно удовлетворять требованиям п.1.7.79 ПУЭ.
Надёжность срабатывания защиты от сверхтоков является одним из основных требований как при проектировании, так и при монтаже и требует расчетной и натурной проверки.

Поскольку речь идёт о замыкании на корпус, то под нулевым проводником мы понимаем совокупность защитных (PE) и защитно-рабочих (PEN) проводников от «корпуса» до трансформатора. Таким образом, проверка петли «ФАЗА-НУЛЬ» позволяет оценить и качество защитной цепи.

---

ИЗМЕРЕНИЯ

Существует несколько методик измерения сопротивления петли «ФАЗА-НУЛЬ» и токов короткого замыкания, как с отключением напряжения линии, так и без.
В настоящее время в основном применяются современные микропроцессорные измерительные приборы, реализующие методику измерения полного сопротивления петли «ФАЗА-НУЛЬ» без отключения напряжения, и автоматического расчета тока короткого замыкания на основании значения сопротивления петли. Применение данных приборов упрощает процесс испытаний. Кроме того, испытания оказываются более щадящими по отношению к испытываемым линиям и аппаратам защиты. Некоторые из этих приборов позволяют проводить измерения без искючения из испытываемой линии УЗО и не вызывают их срабатывания, что представляется достаточно важным и удобным, поскольку измерения проводятся между фазным проводником и нулевым защитным проводником. Измерения проводятся на концах проводников, защищаемых аппаратами защиты от сверхтока.

Результаты измерений оформляются протоколом установленного образца.

Перед проведением измерений петли «ФАЗА-НУЛЬ» рекомендуется провести измерение сопротивлений защитных проводников, проверку их непрерывности (проверка металлосвязи, проверка заземления).

---

УСТРАНЕНИЕ ДЕФЕКТОВ

Если при проведении измерений петли «ФАЗА-НУЛЬ» в действующей электроустановке получены неудовлетворительные результаты, то требуется срочное устранение дефекта. Как правило, бывает достаточно заменить аппарат защиты от сверхтоков на другой, с более подходящими характеристиками. Но иногда требуется замена существующего кабеля на кабель с другим сечением жил. Подобные случаи, как правило, сложнее с точки зрения монтажа.

---

РАСЧЁТ ПЕТЛИ «ФАЗА-НУЛЬ»

С целью своевременного согласования параметров кабельных линий и аппаратов защиты от сверхтоков необходимо производить расчёты петли «ФАЗА-НУЛЬ» на стадии проектных работ. Подобные расчеты удобно проводить в комплексе: мощность нагрузки; cos φ; длина кабельной линии; сечение жилы; вид монтажа; падение напряжения на линии; расчетное полное сопротивление петли; прогнозируемый ток короткого замыкания; номинальный ток аппарата защиты; характеристика аппарата защиты. Расчет петли «ФАЗА-НУЛЬ» является одним из наиболее сложных, поскольку требует принятия во внимание ряда трудно учитываемых параметров.

 

---

ВРЕМЯ-ТОКОВЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ АВТОМАТИЧЕСКИХ ВЫКЛЮЧАТЕЛЕЙ

Согласно ГОСТа Р 50345-99, п.3.5.17 — это наименьшая величина тока, при котором автоматический выключатель сработает (отключится) без выдержки времени, т.е. его электромагнитная защита.

В этом же ГОСТе Р 50345-99, п.5.3.5., говорится, что всего существует три стандартные характеристики (типы мгновенного расцепления):

B — от 3·In до 5·In
C — от 5·In до 10·In
D — от 10·In до 20·In (встречаются от 10·In до 50·In)
In – номинальный ток автоматического выключателя.

Рассмотрим каждый вид характеристики на примере модульного автоматического выключателя ВА47-29.

---

Время-токовая характеристика типа В

На графике (кривой) показана зависимость времени отключения автоматического выключателя от протекающего через него тока. Ось Х — это кратность тока в цепи к номинальному току автомата (I/In). Ось У — время срабатывания, в секундах.

График разделен двумя линиями, которые и определяют разброс времени срабатывания тепловой и электромагнитной защит автомата. Нижняя линия — это горячее состояние автомата (после срабатывания), а верхняя линия — это холодное состояние.

 

Характеристики практически всех автоматов изображаются при температуре +30°С. 

На представленных время-токовых характеристиках (сокращенно, ВТХ) пунктирная линия — это верхняя граница (предел) для автоматов с номинальным током меньше 32 (А).

По графику видно:

1. Если через автоматический выключатель будет проходить ток, равный 3·In, то он должен отключиться за время 0,02 секунды в горячем состоянии, до 35 секунд в холодном состоянии (для автоматов менее 32А) и до 80 секунд в холодном состоянии 

2. Если через автоматический выключатель будет проходить ток, равный 5·In, то он должен отключиться за 0,01 секунду в горячем состоянии или за 0,04 секунды в холодном.(для автоматов более 32А). 

Автоматы с характеристикой В применяются в основном для защиты потребителей с преимущественно активной нагрузкой, например, электрические печи, электрические обогреватели, цепи освещения.

Правда, в магазинах их количество почему то всегда ограничено, т.к. распространенным видом является характеристика С. И кто так решил? Вполне целесообразно на автоматы групповых линий для освещения и розеток ставить именно тип В, а на вводной автомат — тип С. Так будет соблюдена селективность, и при коротком замыкании где нибудь в линии не будет отключаться вводной автомат и «гасить» всю квартиру.

---

Время-токовая характеристика типа С

Вот ее график:

1. Если через автоматический выключатель будет проходить ток, равный 5·In, то он должен отключиться за время 0,02 секунды в горячем состоянии, до 11 секунд в холодном состоянии (для автоматов менее 32А) и до 25 секунд в холодном состоянии (для автоматов более 32А).

2. Если через автоматический выключатель будет проходить ток, равный 10·In, то он должен отключиться за 0,01 секунду в горячем состоянии или за 0,03 секунды в холодном.

Автоматы с характеристикой С применяются в основном для защиты трансформаторов и двигателей с малыми пусковыми токами. Также их можно использовать для питания цепей освещения. Нашли они достаточно широкое распространение в жилом фонде, хотя свое мнение об этом я высказал чуть выше.

---

Время-токовая характеристика типа D

График:

1. Если через автоматический выключатель будет проходить ток, равный 10·In, то он должен отключиться за время 0,02 секунды в горячем состоянии, до 3 секунд в холодном состоянии (для автоматов менее 32А) и до 7 секунд в холодном состоянии (для автоматов более 32А).

2. Если через автоматический выключатель будет проходить ток, равный 20·In, то он должен отключиться за 0,009 секунд в горячем состоянии или за 0,02 секунды в холодном.

Автоматы с характеристикой D применяются в основном для защиты электрических двигателей с частыми запусками или значительными пусковыми токами (тяжелый пуск).

---

ПЛАВКИЕ ПРЕДОХРАНИТЕЛИ

Плавкие предохранители — это электрические аппараты, защищающие установки от перегрузок и токов короткого замыкания.
Основными элементами предохранителя являются плавкая вставка, включаемая в рассечку защищаемой цепи, и дугогасительное устройство, гасящее дугу, возникающую после плавления вставки.

К предохранителям предъявляются следующие требования:

1. Времятоковая характеристика предохранителя должна проходить ниже, но возможно ближе к времятоковой характеристике защищаемого объекта.
2. При коротком замыкании предохранители должны работать селективно.
3. Время срабатывания предохранителя при коротком замыкании должно быть минимально возможным, особенно при защите полупроводниковых приборов. Предохранители должны работать с токоограничением.
4. Характеристики предохранителя должны быть стабильными. Разброс параметров из-за производственных отклонений не должен нарушать защитные свойства предохранителя.
5. В связи с возросшей мощностью установок предохранители должны иметь высокую отключающую способность.
6. Замена сгоревшего предохранителя или плавкой вставки не должна требовать много времени.

В промышленности наибольшее распространение получили предохранители типа и ПН-2.

---

ВРЕМЯ-ТОКОВЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРЕДОХРАНИТЕЛЕЙ СЕРИИ ПН2

---

Устройство предохранителей ПН-2

Эти предохранители более совершенны, чем предохранители ПР-2. Корпус квадратного сечения №1 предохранителя типа ПН-2 изготавливается из прочного фарфора или стеатита. Внутри корпуса расположены ленточные плавкие вставки №2 и наполнитель — кварцевый песок №3. Плавкие вставки привариваются к диску №4, который крепится к пластинам №5, связанным с ножевыми контактами №9. Пластины №5 крепятся к корпусу винтами.

В качестве наполнителя в предохранителях ПН-2 используется кварцевый песок с содержанием SiO2 не менее 98 %, с зернами размером (0,2—0,4)10-3 м и влажностью не выше 3 %. Перед засыпкой песок тщательно просушивается при температуре 120—180 °С. Зерна кварцевого песка имеют высокую теплопроводность и хорошо развитую охлаждающую поверхность.

Плавкая вставка предохранителей ПН-2 выполняется из медной ленты толщиной 0,1— 0,2 мм. Для получения токоограничения вставка имеет суженные сечения №8. Плавкая вставка разделена на три параллельных ветви для более полного использования наполнителя. Применение тонкой ленты, эффективный теплоотвод от суженных участков позволяют выбрать небольшое минимальное сечение вставки для данного номинального тока, что обеспечивает высокую токоограничивающую способность. Соединение нескольких суженных участков по-следовательно способствует замедлению роста тока после плавления вставки, так как возрастает напряжение на дуге предохранителя. Для снижения температуры плавления на вставки наносятся оловянные полоски №7 (металлургический эффект).

---

Принцип действия предохранителя ПН-2

При коротком замыкании плавкая вставка предохранителя ПН-2 сгорает и дуга горит в канале, образованном зернами наполнителя. Из-за горения в узкой щели при токах выше 100 А дуга имеет возрастающую вольт-амперную характеристику. Градиент напряжения на дуге очень высок и достигает (2—6)104 В/м. Этим обеспечивается гашение дуги за несколько миллисекунд.

После срабатывания предохранителя плавкие вставки вместе с диском №4 заменяются, после чего патрон засыпается песком. Для герметизации патрона под пластины №5 кладется асбестовая прокладка №6 что предохраняет песок от увлажнения. При номинальном токе 40 А и ниже предохранитель имеет более простую конструкцию.

---

Технические характеристики предохранителей ПН-2

Предохранители ПН-2 выполняются на номинальный ток до 630 А. Предельный отключаемый ток короткого замыкания, который может отключаться предохранителем, достигает 50 кА (действующее значение тока металлического короткого замыкания сети, в которой устанавливается предохранитель).
Малые габариты, незначительная затрата дефицитных материалов, высокая токоограничивающая способность являются достоинствами плавкого предохранителя ПН-2.

---

Материал плавких вставок предохранителей

Плавкие вставки изготовляются из меди, цинка, свинца или серебра.

В современных наиболее совершенных предохранителях отдают предпочтение медным вставкам с оловянным растворителем. Широко распространены также цинковые вставки.
Медные вставки для предохранителей наиболее удобны, просты и дешевы. Улучшение их характеристик достигается наплавлением оловянного шарика в определенном месте, примерно в середине вставки. Такие вставки применяются, например, в упомянутой серии насыпных предохранителей ПН2. Олово плавится при температуре 232°, значительно меньшей, чем температура плавления меди, и растворяет медь вставки в месте соприкосновения с нею. Появляющаяся при этом дуга уже расплавляет всю вставку и гасится. Цепь тока оказывается отключенной.
Таким образом, наплавление оловянного шарика приводит к следующему.
Во-первых, медные вставки начинают реагировать с выдержкой времени на столь малые перегрузки, на которые они при отсутствии растворителя вовсе не реагировали бы. Например, медная проволока диаметром 0,25 мм с .растворителем расплавилась при температуре 280° за 120 мин.

Во-вторых, при одной и той же достаточно большой температуре (т. е. при одинаковой нагрузке) вставки с растворителем реагируют много быстрее, чем вставки без растворителя.
Например, медная проволока диаметром 0,25 мм без растворителя при средней температуре 1 000° расплавилась за 120 мин, а такая же проволока, но с растворителем при средней температуре только 650°, расплавилась всего за 4 мин.

Применение оловянного растворителя позволяет иметь надежные и дешевые медные вставки, работающие при сравнительно низкой эксплуатационной температуре, имеющие относительно малый объем и вес металла (что благоприятствует коммутационной способности предохранителя) и в то же время обладающие большим быстродействием при больших перегрузках и реагирующие с выдержкой времени на относительно малые перегрузки.

Цинк часто используется для изготовления плавких вставок. В частности, такие вставки применяются в упомянутой серии предохранителей ПР-2.
Вставки из цинка более устойчивы против коррозии. Поэтому, несмотря на относительно малую температуру плавления, для них, вообще говоря, можно было бы допустить такую же предельную эксплуатационную температуру, как для меди (250°), и конструировать вставки с меньшим сечением. Однако электрическое сопротивление цинка примерно в 3,4 раза больше, чем у меди.
Чтобы сохранить ту же температуру, надо уменьшить потери энергии в ней, соответственно увеличив ее сечение. Вставка получается значительно более массивной. Это при прочих равных условиях приводит к понижению коммутационной способности предохранителя. Кроме того, при массивной вставке с температурой 250° не удалось бы в тех же габаритах удержать на допустимом уровне температуру патрона и контактов.
Все это заставляет снизить предельную температуру цинковых вставок до 200°, а для этого — еще больше увеличивать сечение вставки. В итоге предохранители с цинковыми вставками при тех же размерах обладают значительно меньшей устойчивостью к токам короткого замыкания, чем предохранители с медными вставками и оловянными растворителями.

Измерение петли «фаза-нуль» — Цена измерения сопротивления петли «фаза-нуль»

Повреждения электроустановок, дефекты изоляции электропроводки (короткое замыкание, перегрузка и прочее) могут вызвать серьезные негативные последствия. Утечки электрического тока могут нанести вред жизни и здоровью людей, вызвать возгорание и стать причиной серьезного материального ущерба.

С течением времени кабельные коммуникации и электрооборудование изнашиваются, в них появляются дефекты, которые можно обнаружить только путем измерения определенных показателей. Одной из таких проверок является замер сопротивления петли (контура) фаза-нуль, которое должно проводиться специализированным оборудованием.

Регулярные профилактические замеры петли фаза-нуль – гарантия электробезопасности объекта. Они должны проводиться квалифицированными специалистами по профессиональным методикам.

Что дают замеры сопротивление петли фаза-нуль

Петля фаза-нуль представляет собой электроконтур, который создается при замыкании фазного провода на нулевой. В нее входят кабельные линии, коммутационные аппараты, электрооборудование. Показатель сопротивления контура измеряется мегаомметром.

Измерение сопротивления петли позволяет проверить, как будут срабатывать защитные устройства при коротком замыкании в электросистемах с глухозаземленной нейтралью. Если показатель сопротивление петли маленький, то в этом контуре будет наибольший ток короткого замыкания и защитные аппараты сработают правильно.

Измерение сопротивления контура фаза-нуль позволяет рассчитать время срабатывания защитных автоматов. Если оно укладывается в нормативы, то электросистема удовлетворяет требованиям электробезопасности. Это значит, что автоматы обеспечат защиту от поражения электрическим током и возгорания электропроводки в случае короткого замыкания или утечек.

Периодичность проведения измерений сопротивления петли

Замеры сопротивления петли фаза-нуль производят в следующих ситуациях:

• пуско-наладочные испытания перед вводом в эксплуатацию;
• по завершении текущего или капитального ремонта, модернизации электросистемы;
• в плановом порядке с периодичностью, установленной отраслевыми нормативами;
• при возникновении аварийных ситуаций в целях диагностики;
• по предписаниям контролирующих органов.

Обычно в комплексе с замерами контура фаза-нуль проводят измерения сопротивления изоляции, заземляющих устройств, параметров автоматических выключателей. Комплексные электроизмерения позволяют оценить состояние электросистемы и сделать вывод о необходимости ее ремонта или модернизации.

Методика измерения сопротивления петли

Существует три способа замера сопротивления контура фаза-нуль:

• методика короткого замыкания – основана на создании искусственного короткого замыкания на дальнем участке электропотребления, измерении силы тока и времени срабатывания защитных автоматов;
• способ амперметра-вольтметра – заключается в замерах питающего электронапряжения и последующем замыкании фазы на корпус электроустановки с использованием понижающего трансформатора переменного тока;
• методика падения электронапряжения – основана на использовании нагрузочного сопротивления определенной величины.

Профессиональные измерения контура фаза-нуль проводят по методу падения напряжения на нагрузочном сопротивлении. Такая методика утверждена отраслевыми стандартами и характеризуется высокой точностью, простотой использования и безопасностью.

Современные прибора рассчитаны на измерения характеристик контура любого масштаба и сложности. Устройство автоматически производит вычисления и выдает на дисплей требуемые показатели.

Показания прибора сравниваются по току срабатывания и временным параметрам с нормативными значениями. Эти результаты являются основой для составления соответствующего заключения.

Если полученные данные замеров петли фаза-нуль не удовлетворяют нормам, указанным в ПУЭ и ПТЭЭП, то специалист укажет в документе рекомендации по устранению неисправностей. Для приведения показателей сопротивления контура фаза-нуль к нормативным значениям, то требуется:

• заменить провода измеряемой силовой линии электропроводку большего сечения;
• смонтировать автомат с более низким номинальным током.

Увеличение сечения кабеля уменьшит его сопротивление, а это, в свою очередь, увеличит ток короткого замыкания, который пройдет по контуру. Уменьшение номинала автоматического выключателя снизится мощность электролинии и повысит ток.

Преимущества заказа измерений в «ТеплоЭлектроСервис»

Для выявления и предупреждения неисправностей нужно регулярно проверять работоспособность электросистем путем измерения сопротивления петли фаза-нуль и других показателей. Замеры петли фаза-нуль должны проводить только аккредитованные компании, обладающие необходимой материально-технической и документальной базой.

Электролаборатория «ТеплоЭлектроСервис» имеет разрешения и лицензии на проведение замеров петли фаза-нуль и других видов электроизмерений. Обращаясь к нам, вы получаете полное и объективное заключение о состоянии вашей электросистемы.

Мы проводим измерения сопротивления петли фаза-нуль с использованием современных измерительных приборов, которые прошли поверку и обладают высокой точностью. Наша электролаборатория располагает штатом аттестованных специалистов, имеющих профильное образование и все необходимые допуски для проведения измерений петли фаза-нуль на объектах любой категории.

К преимуществам сотрудничества с нашей электролабораторией можно отнести:

• проверка объектов любого масштаба и сложности;
• выполнение электрических измерений в любое время, оговоренное заказчиком;
• подготовка официального заключения в сжатые сроки;
• низкие цены и гибкая система скидок для постоянных клиентов и оптовых заказчиков.

Если по результатам измерений петли фаза-нуль были выявлены критические дефекты, то эксплуатировать электроустановку не представляется возможным. По желанию заказчика наши специалисты могут выполнить оперативный ремонт оборудования и восстановить его работоспособность. Если же устранить дефекты на месте не представляется возможным, то мы можем провести ремонтные работы на базе нашего сервисного центра. Таким образом, вам не придется искать исполнителя для ремонта электрооборудования, что значительно уменьшает время простоя и минимизирует финансовые потери.

Электролаборатория «ТеплоЭлектроСервис» производит измерения сопротивления петли фаза-нуль для уже сданных в эксплуатацию и строящихся объектов:

• жилых комплексов;
• торговых заведений;
• офисных помещений;
• бизнес-центров;
• торговых комплексов;
• отелей и гостиниц;
• автосалонов;
• автосервисов и СТО;
• кафе и ресторанов;
• учебных заведений;
• медицинских учреждений;
• производственных предприятий;
• спортивных комплексов;
• любых других объектов.

Проведение измерений параметров электроустановок осуществляется на основании официального договора. В нем имеется перечень предоставляемых услуг и подробная смета с расценками. Стоимость измерений просчитывается отдельно для каждого объекта на основании базового прайса.

Чтобы выполнение измерений не нарушило рабочие процессы вашей компании, мы можем запланировать выезд на объект в выходные или праздничные дни, в нерабочее время в будни. Оплата услуг электролаборатории производится по факту выполнения измерений, передачи заключения и ведомости выявленных дефектов, которые могут стать причиной возгораний или травм персонала электрическим током.

Своевременно проведенные измерения параметров электросистемы позволят не подвергать риску здоровье и жизнь людей, дорогостоящее электрооборудование. Они помогут:

• провести приемо-сдаточные испытания;
• подготовиться к проверкам контролирующих органов;
• проверить качество ремонтных и электромонтажных работ;
• оценить электробезопасность объекта.

Хотите узнать реальное состояние вашей электросистемы? Оставьте заявку на сайте или по телефону и закажите бесплатный выезд специалиста на объект по телефону для просчета стоимости измерений параметров электробезопасности.

 

как измерить, сопротивление и проверка петли

Нередко в домашней электрической проводке и силовых подстанциях возникают неполадки, в результате которых происходит естественный перекос фаз по нейтральной электроцепи. В таком случае, чтобы предотвратить проблему, делают измерение петли фазы ноль. Что это такое, как правильно произвести замер петли фаза нуль, какие приборы для этого использовать? Об этом и другом далее.

Что это такое

Петля фаза ноль — параметр, который по техническим нормативам должен проверяться в силовых установках, имеющих глухозаземленную нейтраль и напряжение до тысячи вольт. Это величина, которая нужна, чтобы предотвратить появление тока в электроцепи нейтрали из-за естественного фазного перекоса. Она образуется при подключении фазного провода к проводнику защитного или нулевого типа. В конечно итоге, образуется контур, имеющий собственное сопротивление с перемещающимся по нему электрическому току. Этот контур может состоять из защитного автомата, клеммов и других связующих.

Петля фаза ноль

Измерить самостоятельно петлю сложно из-за имеющихся недостатков. Так, сложно подсчитать все коммутационные элементы на выключателях, рубильниках, которые могли измениться при сетевой эксплуатации. Кроме того, нереально сделать расчет влияния аварии на значение сопротивления. Лучшим при этом методом будет замер поверенным аппаратом с учитыванием погрешностей.

Определение из пособия

Как проверить петлю

Проверка петли нужна для профилактики, а также для того, чтобы обеспечить корректную работу защитного оборудования с автоматическими выключателями, УЗО и диффавтоматами. Самой распространенной проблемой подключения чайника или другого электроприбора является отключение нагрузки автомата.

Обратите внимание! Ложное срабатывание защиты с нагревом кабелей и пожаром является большой показатель сопротивления.

Проверка делается для того, чтобы успешно работали удаленные и более массивные электрические приемники, но не больше 10% от всего числа. Проверка создается с помощью формулы Zпет = Zп + Zт / 3 где Zп является полным сопротивлением проводов петли фазы-ноль, а Zт считается показателем полного сопротивления трансформаторного питания.

Формула для проверки

Испытуемое электрооборудование отключается от сети. Потом создается на трансформаторной установке искусственный вид замыкания первого фазного провода на электроприемный корпус. После того, как будет подано напряжение, измеряется сила тока и напряжения вольтметром.

Обратите внимание! Сопротивление петли будет равно делению показателя напряжения на силу тока. Приобретенный результат должен быть арифметически сложен с полным сопротивлением трансформатора, поделенного на цифру 3.

Как делают замеры

Замеры нужно проводить по нормативному техническому документу ПТЭЭП, в соответствии с конкретной периодичностью — 1 раз в несколько лет. Система ППР прописывает необходимость текущего и капитального ремонта электрического оборудования. Это нужно, чтобы работало оборудование исправно.

Приборы для замеров

Учитывая тот факт, что результаты измерений петли востребованы, в качестве измерительных приборов применяется обычно мультиметр. Из других приборов используются наиболее часто:

• М-417 — стрелочное удобное и простое в эксплуатации устройство, которое основано на калибруемой схеме мостового типа. Работает без необходимости снятия напряжения величиной до 380 вольт.
• МZC-300 — современный измерительный аппарат, имеющий цифровую обработку измеряемых параметров с отображением на дисплее. Чтобы измерять напряжение до 250 вольт, можно использовать контрольный вид сопротивления в 10 Ом.
• ИФН-200 — прибор, работающий под напряжением до 250 вольт, который может быть применен в качестве тестера. Однако при петлевых замерах, диапазон значений сопротивления ниже 1000 Ом.

Стоит отметить, что параметровое петлевое измерение сопротивления петли фаза нуль простое. Все что нужно, это присоединить щупы к контактным местам, которые нужно предварительным образом почистить при помощи наждака или напильника, чтобы минимизировать контактное сопротивление. После этого включается оборудование и на табло появляется результат.

Проверка мультиметром

Рассчет петли фаза-ноль

Перед тем, как измерить петлю фаза-ноль, необходима проверка плотности проводного соединения к защитным аппаратам. Если не остаются протянутыми провода, то смысла в измерении нет, поскольку точные данные не будут получены.

Обратите внимание! Цель расчета в выяснении соответствия номинального тока защиты с проводным сечением электроцепи. Замер должен быть произведен на самой удаленной точки линии измерения.

Сделав замер полного сопротивления цепи фаза нуль по предложенной схеме, на приборном дисплее будет отражена величина тока короткого замыкания. Этот показатель нужно сравнить по характеристике времени и току с расцепительным током срабатывания выключателя иди с предохранительной вставкой.

По нормативным требованиям расчет петли должен быть произведен в электролаборатории. Чтобы произвести данные работы, нужно получить наряд-допуск. При этом испытания могут производить взрослые люди с необходимыми знаниями в месте, не отличающейся повышенной опасностью или высокой влажностью.

Подсчет фазы-ноль

Сопротивление в петли фаза-ноль

Для подсчета полного сетевого сопротивления электроустановки, нужно определить показатель электродвижущей силы, создающейся на трансформаторных обмотках. При этом замер напряжения должен быть под нагрузкой, в дополнение к теме проверка петля фаза ноль требования. Для этого следует подключить в розетки какой-либо расчетный прибор. Это может быть лампочкой. Делается замер напряжения и силы тока. Затем по закону Ома можно сделать определение полного сопротивления петли. Нужно учесть, что напряжение, которое замеряется в розетке, может отклоняться от номинального при нагрузке. Проверять оборудование следует, принимая во внимание этот факт.

Сопротивление

Обратите внимание! Показание полного сопротивления проводниковой защиты между шиной и корпусом должно быть удовлетворено требованию: ZPE=U0/Zф0≤50В

В целом, петля фаза ноль — это контур, образующийся в момент соединения фазного проводника и нулевого рабочего защитного проводника. Проверяется она при помощи специальной формулы или измерительного прибора. При этом для вычисления петли и возобновления работы электросистемы, необходимо знать величину ее сопротивления, которую также можно найти профессиональным оборудованием.

Измерение петли фаза-ноль, замер полного сопротивления цепи фаза-нуль

Измерение цепи фаза-нуль

2.00 Br

Мы проводим измерение петли фаза-ноль, работаем с любыми объектами на всей территории Республики Беларусь. Оперативно и качественно выполняем проверку, быстро оформляем протоколы и гарантируем честные цены.

Стоимость можно рассчитать онлайн в нашем Калькуляторе. Не забудьте нажать на кнопку «Получить предложение», чтобы коммерческое предложение с уникальной скидкой пришло на вашу электронную почту.

Рассчитать цену онлайн

Заказать обратный звонок

Заказать обратный звонок

Описание

Есть такое явление как короткое замыкание.  Когда оно возникает на оборудовании, петля фаза-нуль  дает определенное сопротивление для срабатывания защиты оборудования. Измерения сопротивления петли фаза-нуль  проводятся для того, чтобы обеспечить безопасную работу оборудования и определить соответствие параметров щитка с автоматом и проводки.

Когда нужно делать измерение цепи фаза-нуль?

Замер полного сопротивления цепи фаза-нуль входит в обязательный список мероприятий ЭФИ. Периодичность установлена в ТКП 181-2009 – 1 раз в 6 лет. После процедур специалисты должны оформить и выдать протокол установленного образца.

Сделать замеры можно лишь с помощью профессионального оборудования.

Как проводят измерения петли фаза-нуль?

Измерения проводятся на самом отдаленном объекте. Прибором измеряется полное сопротивление цепи фаза-нуль, потом рассчитывается ток короткого замыкания, время срабатывания и другие параметры.

Бывают случаи, когда автоматы срабатывают только от короткого замыкания, но не срабатывают от теплового тока. Тогда специалисты проверяют полное сопротивление цепи фаза-нуль, чтобы автомат срабатывал в двух случаях.

Стоимость измерений сопротивления цепи фаза-нуль?

Цена рассчитывается индивидуально после получения информации о количестве точек на объекте. Обратитесь к нашему специалисту, даже если не знаете количество точек. Менеджер уточнит всю необходимую информацию и подготовит ценовое предложение.

Помните, проверка сопротивления  петли фаза-нуль позволяет определить корректность работы эксплуатируемых сетей и оценить надежность защитного оборудования. Позаботьтесь о своей безопасности, позвоните нам!

Мы выезжаем на объекты в Минске и за его пределами – работаем по всей территории Беларуси.

Ридли Инжиниринг | — [077] Интерпретация измерений усиления контура

Как считывать критические области измерения коэффициента усиления и фазы контура.

Введение

За последние 20 лет в разработке источников питания произошло много кардинальных изменений, но измерение коэффициента усиления контура остается ключом к устойчивой и агрессивной работе системы. Понимание того, как читать усиление контура, важно.

Измерение коэффициента усиления в современных системах управления

Несколько лет назад я закончил колледж и начал заниматься проектированием коммерческих источников питания.Я изучил микропроцессоры, теорию оптимального управления, обратную связь с несколькими состояниями, и я был готов заняться реальным оборудованием и применить все, что, как мне казалось, я знал, на практике. Это было время, когда управление текущим режимом только начинало использоваться, и я мог видеть, что текущий режим был классическим примером обратной связи с несколькими состояниями. Все, что нам нужно было сделать, это определить правильные значения прироста от каждого состояния, и мы могли размещать полюса замкнутого контура там, где мы хотели, — прямо как в колледже!

Но возникла проблема.Никто на работе не знал, о чем я говорю. И, в отличие от набора задач в курсах колледжа, никто не мог сказать мне, где они хотели, чтобы полюса замкнутого контура были. Все они говорили странными терминами, такими как выходное сопротивление, усиление контура, чувствительность к звуку, и было непонятно, что делать дальше.

Я четко помню три вещи из знаменитого курса аналоговой электроники Миддлбрука: как работает Cuk с нулевой пульсацией, новый способ решения квадратного уравнения и необходимость измерения коэффициента усиления контура в источниках питания.

Затем я посетил знаменитый курс Миддлбрука по проектированию аналоговых схем. Это было давно, но из этого курса я отчетливо помню три вещи:

Во-первых, он измерил коэффициенты усиления контура для всех своих источников питания и других аналоговых примеров и ввел в контур с помощью токового пробника, выведенного в обратном направлении от генератора. Очень изящный трюк, все, что вам нужно было сделать, это вставить петлю провода в тракт обратной связи и закрепить токовый пробник.

Второе, что я запомнил, это преобразователь Cuk с нулевой пульсацией.Была прозрачность (дни до Powerpoint!), Где он вращал изображение связанных сердечников, и по мере того, как зазор в сердечнике изменялся, ток пульсаций на входе и выходе выравнивался до нуля. Это был отличный визуальный ряд, который действительно убедил нас в этом.

И, наконец, он показал, что классическое решение квадратного уравнения с использованием обычного радикала b2 — 4ac численно неточно, и дал гораздо лучшее решение.

С тех пор я не использовал его квадратичное решение и не проектировал преобразователь Cuk со связанной индуктивностью.Но как только я покинул его курс, я начал измерять и понимать коэффициенты усиления контура и обнаружил, что они никогда не выходили из моды для импульсных источников питания. Хотя в то время они казались мне архаичными, они просто лучший способ оптимизировать обратную связь с вашим источником питания. Даже если вы используете цифровой контроллер, аналоговое усиление контура — просто лучший способ убедиться, что система обратной связи спроектирована и работает должным образом.

Если вы знаете, как правильно интерпретировать петли, они — все, что вам нужно для анализа устойчивости.В учебниках рассказывается о графиках Найквиста и характеристических уравнениях, но в реальном мире нам нужно использовать невероятно мощный инструмент для инженеров, который дал нам мистер Боде. Это удивительно — с помощью пары штрихов на бумаге, показывающих усиление и фазу контура, мы можем определить стабильность систем практически любого порядка. Какой мощный инженерный инструмент, без математики, без расчетов, только лабораторные измерения! Это был большой вклад Боде.

Большой вклад Боде состоял в том, что он позволил инженерам нарисовать пару линий на листе бумаги и объявить, является ли очень сложная нелинейная система высокого порядка стабильной или нет! Нет совпадений, никаких расчетов не требуется.Чего еще мы могли желать?

Мир аэрокосмического дизайна, вероятно, наиболее строг в создании полных наборов графиков Боде для входного импеданса, выходного импеданса, аудиовосприимчивости и петлевого усиления. За пределами аэрокосмического мира выполнение этого полного набора измерений менее распространено. Большинство опытных проектировщиков будут проводить измерения коэффициента усиления контура, поскольку они обнаруживают, что это очень чувствительное измерение практически всего в силовом каскаде и тракте обратной связи. Если какой-то компонент имеет неправильное значение или что-то построено неправильно, усиление контура, скорее всего, покажет, что есть проблема.

Критические области измерения коэффициента усиления контура в режиме напряжения

Говоря о коэффициентах усиления контура, большинство статей ссылаются только на частоту кроссовера и запас по фазе на этой частоте. На самом деле петлевое усиление — это гораздо больше, и если вы хотите получить максимальную пользу от проведения этих измерений, важно понимать, где искать.

На рисунке 1 показано типичное усиление контура для источника питания в режиме напряжения. График на Рисунке 1 начинается с 10 Гц. Это рекомендуется всегда, независимо от частоты переключения вашей энергосистемы.Очень часто в первое десятилетие измерений наблюдается значительный шум (люди, работающие со звуком, болезненно осознают это в отношении гула), и вы должны быть в состоянии убедиться, что у вас высокое усиление в низкочастотных областях, чтобы отклонить линии и другие низкочастотные помехи. частотный шум. Эта область показана на рис.1 заштрихованной синим цветом. Анализатор частотной характеристики AP300 [2, 3] может измерять усиление, превышающее 90 дБ, в присутствии высокого уровня шума, и это имеет решающее значение для правильного определения характеристик высокопроизводительных систем.

Рисунок 1: Коэффициент усиления и фаза контура в режиме напряжения с указанием основных областей измерения.

(PDF) Прямое измерение коэффициента усиления и ширины полосы ФАПЧ

084704-5 Ye et al. Rev. Sci. Instrum. 88, 084704 (2017)

РИС. 7. Результаты моделирования и измерения конечного коэффициента усиления системы ФАПЧ. Кривая

(i): измеренное усиление сигнала модуляции, прошедшего через ФАПЧ и фазовый детектор

.Кривая (ii): измеренная передаточная функция петлевого фильтра F (s). Кривая

(iii): измеренное усиление контура ФАПЧ. Кривая (iv): вычисленное усиление контура ФАПЧ

.

После достижения T (s) путем подбора измеренных Q (s), мы измерили

передаточную функцию петлевого фильтра F (s) напрямую. Здесь

, коэффициент усиления петлевого фильтра установлен на 5, а частота отсечки интегрирования

петлевого фильтра составляет ~ 200 Гц. Умножив T (s)

на

и F (s), мы получили окончательное усиление контура фактической системы ФАПЧ.На рис. 7

показаны измеренные коэффициент усиления G (s) в конечном контуре и ширина полосы ФАПЧ

. Кривая (i) — это измеренное значение T (s), которое также показано на рис.

Рис. 6. Наклон составляет около 20 дБ / декаду на полной частоте.

Кривая (ii) — это измеренная передаточная функция петлевого фильтра

F (s). Кривая (iii) представляет собой усиление контура G (s) путем умножения T (s) на

F (s), и эта кривая показывает, что ширина полосы ФАПЧ составляет около

3 кГц, потому что усиление контура меньше 1 выше 3 кГц.Для

, проверяющего усиление контура, измеренное нашим методом, вычисленное усиление контура

также показано на рис. 7 как кривая (iv). Из рисунка 7 видно, что измеренное усиление контура

, показанное как

Кривая (iii), согласуется с расчетным графиком, показанным как

Кривая (iv). Таким образом, совпадение двух кривых

доказывает, что наша методика измерения петлевого усиления является правильной и

разумной.

V. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В этой статье предлагается простой и надежный метод измерения усиления контура

и ширины полосы ФАПЧ.Этот метод

представляет собой мощный инструмент для точного измерения коэффициента усиления контура

и ширины полосы ФАПЧ на всей частоте смещения

(в диапазоне от постоянного тока до самой высокой частоты, ограниченной характеристикой схемы

). С помощью этого метода можно напрямую измерить реальную передаточную функцию

ГУН и фазового детектора T (s).

Путем умножения T (s) и передаточной функции контурного фильтра

F (s), реальный коэффициент усиления G (s) контура и полоса пропускания PLL могут быть достигнуты в конечном итоге

.Подробно представлен теоретический анализ и моделирование нашей методики

для измерения петлевого усиления,

, а также проведен эксперимент для проверки этой методики.

Согласие результатов измерений и теоретических расчетов

доказывает, что предложенная нами методика верна и надежна. Кроме того, схему этого метода можно легко распространить на другие системы запирания, для которых необходимо точно измерить коэффициент усиления контура

.

БЛАГОДАРНОСТИ

Эта работа была поддержана Национальным фондом естественных наук Китая

(№ 61601084), Национальной программой ключевых исследований и разработок

Китая

(№№ 2016YFB0502001 и 2016YFB05052003),

Шэньчжэньский стратегический специальный фонд для развивающихся отраслей (№

JSGG20150330145709677), Государственная ключевая лаборатория

передовых систем и сетей оптической связи,

Китай и Исследовательский фонд ZTE.

1G.-C. Се и Дж. К. Хунг, IEEE Trans. Ind. Electron. 43, 609 (1996).

2С. М. Шахруз, Rev. Sci. Instrum. 72, 1888 (2001).

3Вт. Вебер, IEEE Trans. Commun. 24, 487 (1976).

4С. Ло, Ю.-Дж. Лян, К.-К. Чен, IEEE J. Sel. Области Комм. 32, 2381

(2014).

5Л.-Е. Су и С. Памарти, IEEE Trans. Circuits Syst. II: Express Briefs 56,

881–885 (2009).

6К. Калита, Дж. Хандик и Т. Безборуа, IET Signal Process.6, 195 (2012).

7C.-C. Чанг и Ч.-Й. Ли, IEEE J. Твердотельные схемы 38, 347 (2003).

8К. Balakier, M. J. Fice, L. Ponnampalam, A. J. Seeds и C. C. Renaud,

J. Lightwave Technol. 32, 3893 (2014).

9л. N. Langley, M. D. Elkin, C. Edge, M. J. Wale, U. Gliese, X. Huang, and

A. J. Seeds, IEEE Trans. Теория СВЧ. 47, 1257 (1999).

10Н. Тагами, Т. Кобаяси, К. Цуцуми, Т. Мидзуочи и К. Мотошима,

J.Lightwave Technol. 28, 3314 (2010).

11Д. К. Ли, IEEE Trans. Circuits Syst. 49, 704 (2002).

12С. М. Шахруз, Rev. Sci. Instrum. 73, 4347 (2002).

13J. Р. К. Пикейра, Э. Я. Такада и Л. Х. А. Монтейро, IEEE Trans. Схемы

Syst. II: Экспресс-бюллетени 52, 331 (2005).

14М. Мансури и Ч. К. К. Ян, IEEE J. Solid-State Circuits 37, 1375

(2002).

15т. Такер, Д. Бороевич, Р. Бургос и Ф. Ван, IEEE Trans. Ind.

Электрон. 58, 2482 (2011).

16Т. К. Куан и С. И. Лю, IEEE Trans. Circuits Syst. I: Регулярные документы 62,

1873 (2015).

17J. Ли и Б. Ким, IEEE J. Solid-State Circuits 35, 1137 (2000).

18J.-M. Линь и Ч.-Й. Ян, IEEE Trans. Circuits Syst. I: Regular Papers 62,

2411 (2015).

19К. Lim, C.-H. Парк, Д.-С. Ким и Б. Ким, IEEE J. Solid-State Circuits

35, 807 (2000).

20М. Карими-Гартемани, Х.Карими, М. Р. Иравани, IEEE Trans. Инд.

Электрон. 51, 511 (2014).

21E. Б. Роланд, Петли с фазовой синхронизацией: проектирование, моделирование и приложения,

, 5-е изд. (Макгроу-Хилл, Нью-Йорк, США, 2003 г.).

22G. Марзин, С. Левантино, К. Самори и А.Л. Лакайта, в IEEE Interna-

tional Solid-State Circuits Conference Digest of Technical Papers (ISSCC)

(IEEE Solid-State Circuits Society, Сан-Франциско, Калифорния, США, 2014),

с.54–55.

23С. Jang, S. Kim, S. Chu, G. Jeong, Y. Kim, and D. Jeong, IEEE Trans.

Circuits Syst. II: Экспресс-бюллетени 62, 836 (2015).

24 См. Http://cdn.teledynelecroy.com/files / appnotes / lab750.pdf, для контура ФАПЧ

bandwidth — Измерение функции передачи джиттера в контурах фазовой автоподстройки частоты,

Краткое описание приложения

LeCroy, № LAB 750, Teledyne LeCroy , 2002.

25 См. Http://www.radio-labs.com/DesignFile/dn003.pdf для измерения полосы пропускания контура

ФАПЧ, Applied Radio Labs, 1999.

26К. Х. Анг, Г. Чонг и Ю. Ли, IEEE Trans. Control Syst. Technol. 13,

559 (2005).

27J. В. Нильссон и С. А. Ридель, Вводные схемы для электротехники и

вычислительной техники (Прентис Холл, Нью-Джерси, США, 2002).

28р. Б. Сташевский и П. Т. Балсара, IEEE Trans. Circuits Syst. II: Express

Briefs 52, 159 (2005).

Измерение коэффициента усиления и полосы пропускания контура фазовой автоподстройки частоты в реальном времени: Review of Scientific Instruments: Vol 89, No. 12

I.ВВЕДЕНИЕ

Раздел:

ВыбратьВверху страницыABSTRACTI. ВВЕДЕНИЕ << II. ТЕХНИКА В РЕАЛЬНОМ ВРЕМЕНИ ... III. ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ... IV. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ ... V. ЗАКЛЮЧЕНИЕ ССЫЛКИ Цепи с фазовой синхронизацией (ФАПЧ) ^1,2 1. G. C. Hsieh и J. C. Hung, IEEE Trans. Ind. Electron. 43 , 609 (1996). https://doi.org/10.1109/41.5445472. С. М. Шахруз, Rev. Sci. Instrum. 72 , 1888 (2001). https://doi.org/10.1063/1.1347381 широко используются во многих областях, таких как синтез частоты, ^3,4 3.П.-Э. Су и С. Памарти, IEEE Trans. Circuits Syst. II: Express Briefs 56 , 881–885 (2009). https://doi.org/10.1109/tcsii.2009.20352584. К. Калита, Дж. Хандик и Т. Безборуа, IET Signal Process. 6 , 195 (2012). https://doi.org/10.1049/iet-spr.2011.0212 высокостабильные импульсные лазеры, ⁵ 5. Д. Хоу, Дж. Тянь, Ф. Сан, Х. Хуанг, Опт. Экспресс 24 (15), 17242–17249 (2016). https://doi.org/10.1364/oe.24.017242 обработка сигналов, ^6,7 6. К.Balakier, M. J. Fice, L. Ponnampalam, A. J. Seeds и C. C. Renaud, J. Lightwave Technol. 32 , 3893 (2014). https://doi.org/10.1109/jlt.2014.23179417. Л. Н. Лэнгли, М. Д. Элкин, К. Эдж, М. Дж. Уэйл, У. Глизе, Х. Хуанг и А. Дж. Сидс, IEEE Trans. Теория СВЧ. 47, , 1257 (1999). https://doi.org/10.1109/22.775465 Communications, ^8,9 8. C. Lo, Y.-J. Лян, К.-К. Чен, IEEE J. Sel. Области Комм. 32 , 2381 (2014). https://doi.org/10.1109 / jsac.2014.23676619. W. Weber, IEEE Trans. Commun. 24, , 487 (1976). https://doi.org/10.1109/tcom.1976.1093330 и генерация часов. ¹⁰ 10. C.-C. Чанг и Ч.-Й. Ли, IEEE J. Твердотельные схемы 38 , 347 (2003). https://doi.org/10.1109/jssc.2002.807398 Одна из основных причин того, что ФАПЧ получили такое широкое распространение, заключается в том, что они служат в качестве мощных и полезных вспомогательных средств для синхронизации различных генераторов частоты между исходными и целевыми устройствами в большинстве электронных и фотоэлектрические системы.Многие предыдущие исследования показали, что для создания схем ФАПЧ с низким фазовым шумом, высокой надежностью и стабильностью можно использовать различные стратегии; они варьируются от полностью аналоговой техники фазовой синхронизации ^6–9 6. K. Balakier, M. J. Fice, L. Ponnampalam, A. J. Seeds и C. C. Renaud, J. Lightwave Technol. 32 , 3893 (2014). https://doi.org/10.1109/jlt.2014.23179417. Л. Н. Лэнгли, М. Д. Элкин, К. Эдж, М. Дж. Уэйл, У. Глизе, Х. Хуанг и А. Дж. Сидс, IEEE Trans. Теория СВЧ. 47, , 1257 (1999). https://doi.org/10.1109/22.7754658. К. Ло, Ю.-Дж. Лян, К.-К. Чен, IEEE J. Sel. Области Комм. 32 , 2381 (2014). https://doi.org/10.1109/jsac.2014.23676619. W. Weber, IEEE Trans. Commun. 24, , 487 (1976). https://doi.org/10.1109/tcom.1976.1093330 к интегрированной цифровой технике фазовой синхронизации. ¹⁰ 10. C.-C. Чанг и Ч.-Й. Ли, IEEE J. Твердотельные схемы 38 , 347 (2003). https://doi.org/10.1109/jssc.2002.807398 Из этих схем также важно то, что эффективность синхронизации ФАПЧ определяется двумя жизненно важными параметрами: усилением контура и полосой пропускания.Следовательно, эти два параметра должны быть точно измерены, чтобы характеризовать фазовый шум или реальный временной джиттер ФАПЧ. ^11–16 11. Х. Тагами, Т. Кобаяси, К. Цуцуми, Т. Мидзуочи и К. Мотосима, J. ​​Lightwave Technol. 28 , 3314 (2010). https://doi.org/10.1109/jlt.2010.208942912. Д. К. Ли, IEEE Trans. Circuits Syst. 49 , 704 (2002). https://doi.org/10.1109/tcsii.2002.80726513. С. М. Шахруз, Rev. Sci. Instrum. 73 , 4347 (2002). https: // doi.org / 10.1063 / 1.151993514. J. R. C. Piqueira, E. Y. Takada и L.H. A. Monteiro, IEEE Trans. Circuits Syst. II: Express Briefs 52 , 331 (2005). https://doi.org/10.1109/tcsii.2005.84899115. М. Мансури и С. К. К. Ян, IEEE J. Solid-State Circuits 37 , 1375 (2002). https://doi.org/10.1109/jssc.2002.80393516. Т. Такер, Д. Бороевич, Р. Бургос и Ф. Ван, IEEE Trans. Ind. Electron. 58 , 2482 (2011). https://doi.org/10.1109/tie.2010.2069070 Кроме того, динамически регулируя эти два параметра ФАПЧ, мы можем реализовать оптимальные системы фотоники и электроники на основе ФАПЧ. ^17–21 17. Т. К. Куан, С. И. Лю, IEEE Trans. Circuits Syst. I: Регулярные документы 62 , 1873 (2015). https://doi.org/10.1109/tcsi.2015.242379318. Дж. Ли и Б. Ким, IEEE J. Solid-State Circuits 35 , 1137 (2000). https://doi.org/10.1109/4.85950219. Ж.-М. Линь и Ч.-Й. Ян, IEEE Trans. Circuits Syst. I: Обычные документы 62 , 2411 (2015). https://doi.org/10.1109/tcsi.2015.247757520. К. Лим, С.-Х. Парк, Д.-С. Ким и Б. Ким, IEEE J. Solid-State Circuits 35 , 807 (2000).https://doi.org/10.1109/4.84518421. М. К. Гартемани, Х. Карими и М. Р. Иравани, IEEE Trans. Ind. Electron. 51 , 511 (2014). https://doi.org/10.1109/tie.2004.825282 В качестве другого примера, точное измерение коэффициента усиления контура и полосы пропускания лазерных ФАПЧ может быть полезным для характеристики временного джиттера фемтосекундных лазеров в определенных диапазонах частот ²² 22. Дж. Ким, Дж. Чен, Дж. Кокс, Ф. К. Кэртнер, Opt. Lett. 32 , 3519 (2007). https://doi.org/10.1364/ol.32.003519 и для получения высокостабильных частотных гребенок с низким фазовым шумом. ²³ 23. Ф. Сан, Д. Хоу, Д. Чжан, Дж. Тянь, Дж. Ху, X. Хуанг, С. Чен, Opt. Экспресс 25 , 21312 (2017). https://doi.org/10.1364/oe.25.021312 Точные измерения в реальном времени реального усиления контура и полосы пропускания реальной системы ФАПЧ в лазерной системе ФАПЧ принесут значительные выгоды. ^19,20 19. Ж.-М. Линь и Ч.-Й. Ян, IEEE Trans. Circuits Syst. I: Обычные документы 62 , 2411 (2015).https://doi.org/10.1109/tcsi.2015.247757520. К. Лим, С.-Х. Парк, Д.-С. Ким и Б. Ким, IEEE J. Solid-State Circuits 35 , 807 (2000). https://doi.org/10.1109/4.845184 Хотя коэффициент усиления контура и пропускная способность могут быть проанализированы теоретически и рассчитаны на основе математической модели ФАПЧ, ²⁴ 24. Э. Б. Роланд, Петли с фазовой синхронизацией: проектирование, моделирование и Заявления , 5-е изд. (Макгроу-Хилл, Нью-Йорк, США, 2003 г.). Измерение реального коэффициента усиления контура и полосы пропускания открытой системы ФАПЧ остается сложной задачей, поскольку ФАПЧ, как правило, относится к системе управления высокого уровня. ^2,24 2. S. M. Shahruz, Rev. Sci. Instrum. 72 , 1888 (2001). https://doi.org/10.1063/1.134738124. Э. Б. Роланд, Петли с фазовой синхронизацией: проектирование, моделирование и приложения, , 5-е изд. (Макгроу-Хилл, Нью-Йорк, США, 2003 г.). Учитывая эти обстоятельства, сигнал ошибки обычно велик и не отслеживается, поэтому эффективность измерения коэффициента усиления контура при низкой частоте смещения является неудовлетворительной. В последние годы было продемонстрировано множество исследований по измерению усиления контура системы ФАПЧ. Например, метод автоматического управления полосой пропускания использовался для прогнозирования коэффициента усиления независимого контура цифровой ФАПЧ. ²⁵ 25. Г. Марзин, С. Левантино, К. Самори и А.Л. Лакайта, в Сборник технических документов Международной конференции по твердотельным схемам IEEE (ISSCC) (IEEE Solid-State Circuits Society, Сан-Франциско, Калифорния , США, 2014), с. 54–55. В другой работе, чтобы обеспечить отслеживание оптимального коэффициента усиления контура и минимизировать временное дрожание, был предложен импульсный детектор фазовой частоты для полностью цифровой системы ФАПЧ. ²⁶ 26. S. Jang, S. Kim, S. Chu, G. Jeong, Y. Kim, and D. Jeong, IEEE Trans.Circuits Syst. II: Express Briefs 62 , 836 (2015). https://doi.org/10.1109/tcsii.2015.2435691 Другой метод измерения функции передачи джиттера был предложен для прямого измерения полосы пропускания ФАПЧ. ²⁷ 27. См. Http://cdn.teledynelecroy.com/files/appnotes/lab750.pdf для получения информации о полосе пропускания контура ФАПЧ — Измерение функции передачи джиттера в контурах фазовой автоподстройки частоты, краткое описание приложения LeCroy, № LAB 750, Teledyne LeCroy, 2002 В дополнение к этим методам калибровки и оценки полосы пропускания ФАПЧ и усиления контура, исследователи разработали методы прямого измерения усиления контура и ширины полосы ФАПЧ с помощью ввода внешнего сигнала модуляции. ²⁸ 28. См. Http://www.radio-labs.com/DesignFile/dn003.pdf для измерения полосы пропускания контура ФАПЧ, Applied Radio Labs, 1999. В частности, мы предложили метод прямого измерения контура усиление и ширина полосы ФАПЧ, которая включает настройку передаточной функции генератора, управляемого напряжением (ГУН), и фазового детектора. ²⁹ 29. P. Ye, R. Ren, Y. Kou, F. Sun, J. Hu, S. Chen, and D. Hou, Rev. Sci. Instrum. 88 , 084704 (2017). https://doi.org/10.1063/1.4999648 В этом методе чистый сигнал впрыска подается на ГУН, а сигнал ошибки отслеживается непосредственно в контуре.В этом случае коэффициент усиления контура может быть точно оценен путем сравнения сигнала инжекции с сигналом ошибки. Хотя этот метод можно использовать для прямого измерения коэффициента усиления контура системы ФАПЧ, он не позволяет проводить точные измерения в реальном времени или оценки реального усиления контура во всем частотном диапазоне, поскольку двухэтапный метод оценки с его дополнительной подгонкой кривой операция предотвращает работу измененной схемы в реальном времени. Следовательно, этот метод нельзя использовать в полевых условиях, где требуются точные измерения в реальном времени.Для проведения точных измерений в реальном времени мы предлагаем здесь простой и надежный метод, который позволяет в реальном времени напрямую измерять усиление контура ФАПЧ. Предлагаемый метод не включает дополнительных операций, таких как подгонка кривой, что означает, что его можно использовать для точных измерений в реальном времени коэффициента усиления контура ФАПЧ за один шаг и без нарушения состояния блокировки системы. Кроме того, мы доказываем правильность этого метода, показывая, что теоретический анализ согласуется с результатами эксперимента на реальной системе ФАПЧ.В гл. I, мы сначала кратко представили, как метод измерения коэффициента усиления контура работает для реальной системы фазовой синхронизации. Затем мы описываем наши предыдущие исследования и представляем обновленную методику измерения в разд. II. В гл. III, мы анализируем предложенный метод теоретически и обсуждаем результаты моделирования. Результаты измерений, полученные с помощью реальной экспериментальной системы ФАПЧ, представлены в разд. IV, а выводы представлены в гл. V.

II. МЕТОД В РЕАЛЬНОМ ВРЕМЕНИ ИЗМЕРЕНИЯ УСИЛЕНИЯ И ПОЛОСЫ КОНТУРА

Раздел:

ВыберитеВверху страницыABSTRACTI.ВВЕДЕНИЕ II. ТЕХНИКА В РЕАЛЬНОМ ВРЕМЕНИ T … << III. ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ... IV. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ ... V. ЗАКЛЮЧЕНИЕ ССЫЛКИ ФАПЧ - это схема, которая синхронизирует сигнал, генерируемый генератором, с опорным сигналом или входными фазовыми и частотными сигналами. ^2,24 2. S. M. Shahruz, Rev. Sci. Instrum. 72 , 1888 (2001). https://doi.org/10.1063/1.134738124. Э. Б. Роланд, Петли с фазовой синхронизацией: проектирование, моделирование и приложения, , 5-е изд. (Макгроу-Хилл, Нью-Йорк, США, 2003 г.).Два важных параметра используются для определения возможности фазовой синхронизации ФАПЧ и конструкции системы фазовой синхронизации: коэффициент усиления контура и полоса пропускания. В этом разделе мы сначала кратко напомним методику измерения реального усиления контура ФАПЧ, в которой используется процедура подбора. Затем мы предлагаем улучшенный метод измерения в реальном времени коэффициента усиления контура с новыми элементами, вставленными в замкнутую систему.

A. Метод измерения усиления контура с подгонкой кривой

На рисунке 1 показана экспериментальная установка традиционной аналоговой системы ФАПЧ (линия a ) и предыдущий улучшенный метод измерения усиления контура (ссылка b), основанный на подборе кривой.Когда подключается линия и , контур работает как обычная аналоговая система ФАПЧ, которая включает в себя аналоговый фазовый детектор, активный контурный фильтр и ГУН. Когда линия b подключается, мы можем напрямую измерить усиление контура с помощью процедуры подбора кривой. ²⁹ 29. P. Ye, R. Ren, Y. Kou, F. Sun, J. Hu, S. Chen, and D. Hou, Rev. Sci. Instrum. 88 , 084704 (2017). https://doi.org/10.1063/1.4999648 Как показано на рисунке 1 со ссылкой a , линейное выражение, описывающее модель ФАПЧ, может быть получено, когда можно предположить состояние фазовой синхронизации ГУН.На основании анализа, подробно описанного в работе. 2929. P. Ye, R. Ren, Y. Kou, F. Sun, J. Hu, S. Chen, and D. Hou, Rev. Sci. Instrum. 88 , 084704 (2017). https://doi.org/10.1063/1.4999648, передаточная функция разомкнутого контура G ( s ) (усиление контура) может быть определена следующим образом (это все, что требуется для математического описания аналоговой системы ФАПЧ. ):

G (s) = Θo (s) Θi (s) −Θo (s) = Θo (s) Θe (s) = kdkoF (s) s,

(1)

где k _d — коэффициент усиления фазового детектора, k _o — коэффициент усиления ГУН, F ( с ) — коэффициент усиления петлевого фильтра, Θ _i ( s ) и Θ _o ( s ) — фазовые аргументы входного опорного сигнала и выходного сигнала VCO, соответственно, и Θ _e ( s ) — фазовый аргумент сигнала фазовой ошибки.В общем, мы можем вычислить G ( s ) математически. Однако прямое измерение реального коэффициента усиления контура в разомкнутой системе ФАПЧ обычно затруднено, поскольку оно обычно включает систематическую структуру первого или второго порядка, что приводит к очень большому усилению контура при низкой частоте смещения. Чтобы измерить усиление контура ФАПЧ, мы разработали схему, которая использует метод подгонки, как и в нашей предыдущей работе. ²⁹ 29. П. Е, Р. Рен, Ю. Коу, Ф. Сан, Дж. Ху, С. Чен и Д.Hou, Rev. Sci. Instrum. 88 , 084704 (2017). https://doi.org/10.1063/1.4999648 Здесь мы перепишем усиление контура как G ( s ) = ( K _d K _o / s) · F ( s ). Схема включает два шага для измерения коэффициента усиления контура: (1) измерение K _d K _o / с и F ( s ) и (2) умножение K _d K _o / s на F ( s ) для получения G ( s ).Схема измерения, включающая K _d K _o / с, показана как ссылка b на рис. 1. Мы используем фильтр нижних частот после петлевого фильтра, чтобы ограничить систематическую блокировку. полосы пропускания и вставьте электронный сумматор 1: 1 для ввода выходного сигнала векторного анализатора цепей (ВАЦ) в контур в виде сигнала модуляции U _m ( s ). Когда ФАПЧ заблокирована, мы можем сравнить сигнал напряжения инжекции U _m ( s ) с сигналом ошибки U _e ( s ), чтобы определить усиление модуляции. сигнал в шлейфе.На основе этого измерения усиления можно использовать метод аппроксимации кривой для получения точной кривой K _d K _o / с. Затем можно получить G (s), умножив K _d K _o / с на F (s). Передаточная функция ГУН, результаты не представляют собой реального измерения коэффициента усиления контура для соответствующей частоты смещения, потому что соответствие измеренным результатам более плавное, чем реальные кривые.Ограничения, связанные с подгонкой, затрудняют получение реальной характеристики усиления системы ФАПЧ. Кроме того, для метода, описанного на рис. 1, контур экспериментальной системы фазовой синхронизации неизбежно разрывается, когда схема переключается между линиями a, и b, для измерения коэффициента усиления контура. Это невозможно для некоторых конкретных сценариев приложений, в которых состояние блокировки ФАПЧ не может быть нарушено.

B. Усовершенствованная методика измерения в реальном времени коэффициента усиления ФАПЧ и пропускная способность.Как показано на рисунке 2, мы вводим в систему сигнал частоты развертки для модуляции ГУН, а затем конечный результат G ( s ) может быть получен путем сравнения сигнала ошибки с разностью сигналов, генерируемой петлю, которую мы установили. Передаточная функция, необходимая для точного измерения коэффициента усиления контура, получается путем вставки двух простых вычитателей 1: 1 в стандартную систему ФАПЧ. Как видно на рисунке 2, два вычитателя служат для ввода сигнала модуляции в систему ФАПЧ, что позволяет сигнал частотной модуляции развертки для сравнения с сигналом ошибки, генерируемым после петлевого фильтра.Для точного измерения G ( s ) в реальном времени после того, как ФАПЧ переходит в «заблокированное» состояние, сигнал модуляции, выводимый с помощью векторного анализатора цепей, передается на вычитатель 1, и создаваемая таким образом разность сигналов отслеживается каналом R двухканальный ВАЦ. Сигнал ошибки на выходе фильтра нижних частот затем записывается на канале T векторного анализатора цепей. Без какой-либо дополнительной подгонки кривой фактическое усиление системы ФАПЧ после введения сигнала модуляции может быть получено напрямую и в реальном времени в виде графика Боде, который получается из анализа Боде между сигналом ошибки и разность сигналов.Мы создали реальную систему ФАПЧ, чтобы протестировать эту схему для измерения коэффициента усиления с обратной связью в реальном времени. В разделе III подробно описан механизм прямых измерений в реальном времени петлевого усиления G ( s ) ФАПЧ и представлен соответствующий теоретический анализ.

III. ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ИЗМЕРЕНИЯ В РЕАЛЬНОМ ВРЕМЕНИ УСИЛЕНИЯ ЦЕПИ С ФАЗОВОЙ БЛОКИРОВКОЙ

Раздел:

ВыбратьВверху страницыABSTRACTI. ВВЕДЕНИЕ II. ТЕХНИКА В РЕАЛЬНОМ ВРЕМЕНИ … III. ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ … << IV.РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ ... V. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Список литературы Теперь обсудим усовершенствованный метод, предложенный в разд. II B для измерения в реальном времени коэффициента усиления контура G ( s ) системы ФАПЧ. В этом разделе мы упростим экспериментальную установку усовершенствованной системы ФАПЧ, представив ее в виде функциональной блок-схемы (см. Рис. 3). Мы предполагаем, что входное соотношение обоих вычитателей равно 1 × 1, и мы используем U _m ( s ) для обозначения сигнала модуляции, производимого анализатором цепей.Это дает

Um (s) −Uf (s) = Ud (s), Uf (s) = Ue (s) ⋅F (s),

(2)

где U _f ( s ) — сигнал напряжения, генерируемый контурным фильтром, U _d ( s ) — сигнал напряжения, создаваемый вычитателем 2 и может управлять VCO, U _m ( s ) — это сигнал модуляции напряжения, генерируемый векторным анализатором цепей, а F ( s ) — передаточная функция контурного фильтра.Для вычисления коэффициента усиления контура G ( s ) сигнал вычитания U _m ( s ) — U _f ( s ) сначала создается вычитателем 1 Далее сигнал ошибки напряжения U _f ( s ) и сигнал вычитания U _m ( s ) — U _d ( s) доставляются на порты T и R векторного анализатора цепей соответственно.Здесь мы определяем передаточную функцию Q ( s ) как На основе блоков, показанных на рис. 3, передаточную функцию Q ( s ) легко измерить с помощью векторного анализатора цепей. Затем мы подробно анализируем Q ( s ) и оцениваем, как Q ( s ) связан с G ( s ). Когда ФАПЧ находится в состоянии замкнутого контура, модуляция сигнал, попавший в петлю, проходит через все компоненты. Чтобы удобно вычислить коэффициент усиления сигнала модуляции в замкнутой системе ФАПЧ, без потери общности, мы предполагаем, что начальная фаза опорной частоты равна нулю.Затем мы получаем линеаризованную модель фазового детектора:

Ue (s) = kdΘe (s) = kd (Θi (s) −Θo (s)) = — kdΘo (s),

(4)

, где U _e ( s ) — ошибка напряжения, генерируемая фазовым детектором, k _d — коэффициент усиления фазового детектора и Θ _e ( s ), Θ _i ( s ) и Θ _o ( s ) — фазовые аргументы сигнала ошибки фазы, опорного сигнала частоты. , и выходной сигнал ГУН соответственно.Здесь, чтобы смоделировать VCO в комплексной частотной области, мы используем, где k _o — коэффициент усиления VCO. Используя уравнения. (2) — (5) коэффициент усиления сигнала модуляции Q ( s ) может быть выражен как

Q (s) = UfsUms − Ufs = Ue (s) ⋅F (s) Ufs − Uds− Ufs = −kdΘo (s) ⋅F (s) −Uds = kdkoF (s) s.

(6)

Сравнение уравнения. (6) с формулой. (1) показывает, что передаточная функция Q ( s ) в точности равна исходному усилению контура G ( s ).Следовательно, усиление контура G ( s ) может быть получено путем измерения передаточной функции Q ( s ) с помощью анализа Боде в анализаторе цепей. Обратите внимание, что никаких других математических вычислений или подгонки не требуется, кроме получения данных для графика Боде для Q ( s ). В гл. IV, мы обсуждаем связанный теоретический анализ и проверяем эту схему, используя ее для измерения фактического усиления контура ФАПЧ.

IV. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ И МОДЕЛИРОВАНИЕ

Раздел:

ВыбратьВверху страницыABSTRACTI.ВВЕДЕНИЕ II. ТЕХНИКА В РЕАЛЬНОМ ВРЕМЕНИ … III. ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ … IV. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ … << V. ЗАКЛЮЧЕНИЕ ССЫЛКИ Мы построили экспериментальную установку для прямого измерения, используя предложенную здесь методику, петлевого усиления реальной системы ФАПЧ в реальном времени. Мы используем ГУН с центральной частотой 1 ГГц и синхронизируем его по фазе с микроволновым генератором с очень стабильным выходом (Agilent, E4421B). Для удобства измерения контурный фильтр имеет только пропорциональную составляющую, а для низкочастотных измерений мы используем широкополосный векторный векторный анализатор цепей (Agilent, E5061B).Эта экспериментальная установка использует следующие параметры для ФАПЧ: k _o = 6,5 × 10 ⁴ Гц / В, k _d = 0,5 В / рад и F ( s ) = 1. Когда ФАПЧ находится в закрытом состоянии, мы непосредственно измеряем G ( s ) в реальном времени, используя предложенный метод. На рисунке 4 показаны результаты этих измерений. Кривая (i) на рисунке 4 показывает результат измерения для Q ( s ) по формуле.(6) когда F ( s ) = 1, а кривая (ii) показывает результаты моделирования (параметры моделирования такие же, как и в реальном эксперименте). Кривые (i) и (ii) практически идентичны во всем измеренном диапазоне частот, что подтверждает правильность предложенной схемы для прямого измерения коэффициента усиления контура ФАПЧ в реальном времени. Рисунок 4 также позволяет нам оценить, что (1) измеренное усиление контура отличается от результата моделирования немного ниже 200 Гц. Мы приписываем разностный сигнал U _m ( s ) — U _f ( s ) слишком малым для точной выборки в ВАЦ.В реальном измерении разностный сигнал U _m ( s ) — U _f ( s ) составляет всего несколько десятков микровольт ниже 200 Гц, что приводит к неточному измерению. малой частоты смещения. Следовательно, эта схема не подходит для измерения коэффициента усиления контура с низкой частотой смещения (4 изменяется с -20 дБ / замедление до -40 дБ / замедление из-за частоты среза, налагаемой эффектом фильтрации нижних частот ГУН. , что превращает систему первого порядка в систему второго порядка.Более того, поскольку измеренное усиление контура G ( s ) на рис. 4 меньше единицы, когда частота превышает 5 кГц, мы можем легко оценить ширину полосы ФАПЧ примерно в 5 кГц. Кроме того, эксперимент не измеряет фазовую задержку контура, потому что полоса пропускания ФАПЧ определяется только коэффициентом усиления контура, если контур всегда остается в установившемся состоянии. Следовательно, нам не нужно вычислять данные фазовой задержки, которые являются избыточными и бесполезными для измерения.На рисунке 5 показаны три измерения контурного усиления для различных контурных фильтров F ( s ): кривые (i), (ii) и (iii) соответствуют F ( s ) = 1,0, 1,5 и 2.2 соответственно. Наклон кривых (i) — (iii) почти одинаков, что означает, что все они имеют одинаковую частоту среза; они различаются только пропускной способностью. Эти измерения демонстрируют, что предложенная схема позволяет в реальном времени измерять усиление контура ФАПЧ, даже когда его параметры контура изменяются.Обратите внимание, что этот метод обеспечивает истинное измерение в реальном времени. Поскольку сигналы модуляции и ошибки отслеживаются в анализаторе цепей одновременно, временная задержка между двумя сигналами отсутствует. В нашей предыдущей методике измерения усиления и ширины контура, ²⁹ 29. P. Ye, R. Ren, Y. Kou, F. Sun, J. Hu, S. Chen, and D. Hou, Rev. Sci. Instrum. 88 , 084704 (2017). https://doi.org/10.1063/1.4999648 усиление контура было измерено путем подгонки, поэтому нам пришлось разорвать исходную связь ФАПЧ, чтобы переключить петлю на другую связь.В этом предыдущем случае измерение производилось не в реальном времени, а точность, удобство и частотный диапазон были хуже, чем в данном случае.

Хотя предложенный метод измерения усиления контура используется в аналоговой системе, он находит широкое применение для прямых измерений усиления контура цифровых ФАПЧ и в реальном времени. Это потребует использования цифровых управляющих генераторов и цифровых фазочастотных детекторов из-за схожести цифровой передаточной функции ФАПЧ. Разница между измерением коэффициента усиления контура в реальном времени аналоговой и цифровой систем ФАПЧ заключается просто в том, что в последнем случае метод должен быть реализован в цифровой комплексной частотной области.

V. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Раздел:

ВыбратьВверху страницыABSTRACTI. ВВЕДЕНИЕ II. ТЕХНИКА В РЕАЛЬНОМ ВРЕМЕНИ … III. ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ … IV. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ … V. ЗАКЛЮЧЕНИЕ << ССЫЛКИ

Здесь мы демонстрируем простой и надежный метод измерения в реальном времени коэффициента усиления контура и ширины полосы ФАПЧ без какой-либо промежуточной настройки. Этот метод может быть мощным и полезным инструментом для получения точных измерений в реальном времени коэффициента усиления контура и ширины полосы ФАПЧ.С помощью предлагаемого метода усиление и полоса пропускания могут быть прямо и точно охарактеризованы в реальном времени без нарушения состояния блокировки исходного контура. Механизм предложенной схемы объясняется на основе сопутствующего теоретического анализа. Моделирование усиления и полосы пропускания контура согласуется с измеренными усилением и полосой пропускания контура, что подтверждает предложенную схему. Этот метод, основанный на простой систематической экспериментальной конфигурации, может быть легко распространен на другие системы ФАПЧ, требующие точных измерений усиления контура и ширины полосы в реальном времени.

Измерение отклика контура управления источником питания с помощью графика Боде II

Стабильность — одна из важнейших характеристик в конструкции источника питания. Традиционно для измерения стабильности требуются дорогостоящие анализаторы частотной характеристики (АЧХ), которые не всегда доступны в лаборатории. Компания SIGLENT представила функции графика Боде Ⅱ для осциллографов серий SIGLENT SDS1104X-E, SDS1204X-E, SDS2000X-E, SDS2000X Plus и SDS5000X. В сочетании с генератором сигналов произвольной формы Siglent (SDG или SAG) и инжекционным трансформатором можно создавать быстрые кривые частотной характеристики.

В этом примечании к применению мы покажем вам основные принципы выполнения этого измерения стабильности и способы использования этих инструментов для выполнения измерения.

Рисунок 1: Установка Bode II

Стабилизированный источник питания на самом деле представляет собой усилитель с обратной связью с большим током. Любая теория, относящаяся к базовому усилителю с обратной связью, также применима к регулируемому источнику питания.

В теории обратной связи стабильность системы обратной связи может быть определена путем оценки передаточной функции контура.Более практичный способ — измерить график Боде петлевого усиления. На рисунке 2 показана типичная система обратной связи.

Передача с обратной связью A — это математическая связь между входом x и выходом y. Коэффициент усиления контура T, по его названию, определяется как усиление сигнала, проходящего по контуру.

Рисунок 2: Типичный контур обратной связи

Поскольку α и β являются комплексными переменными, они имеют не только величину, но и фазовый угол, как и коэффициент усиления контура T. Если фазовый угол T достигает -180 °, а величина равна 1, передаточная функция замкнутого контура A становится бесконечностью.В этой ситуации система будет поддерживать выходной сигнал, пока нет входа. Таким образом, система действует как генератор, а не как усилитель, а это означает, что система нестабильна.

Если мы построим контурное усиление на графике Боде, мы можем оценить стабильность, найдя запас по фазе и запас по усилению. Запас по фазе определяется как количество градусов, на которое фаза может быть уменьшена до достижения -180 °, когда величина равна 1 (или 0 дБ). Запас усиления определяется как количество дБ по величине, которое может быть добавлено до достижения 1 (или 0 дБ), когда фаза составляет -180 °.

Рисунок 3: График Боде, фаза и запас усиления

Чтобы получить желаемое усиление петли, мы просто разрываем петлю. На рисунке 4 показано, как разорвать петлю в типичной системе обратной связи. Технически вы можете разорвать петлю в любом месте, где захотите. Обычно мы выбираем разрыв петли в точке между выходом усилителя и цепью обратной связи. Затем мы вставляем тестовый сигнал i для обхода контура. Коэффициент усиления контура — это математическая зависимость между выходным сигналом y и тестовым сигналом i .

Рисунок 4: Разрыв цикла в типичной системе обратной связи

На самом деле, мы никогда не сможем разорвать цикл на самом деле , потому что цикл обратной связи служит для поддержания постоянной рабочей точки постоянного тока цепей. Без контура обратной связи тестируемое устройство станет насыщенным из-за небольшого входного напряжения смещения, и тогда полезный результат будет невозможно измерить.

Чтобы преодолеть это, мы должны измерить отклик разомкнутого контура внутри замкнутого контура.Поэтому мы просто вводим сигнал в цикл, а не прерываем его. На рисунке 5 показан типичный метод закачки контура. Точка инжекции выбирается так, чтобы полное сопротивление в направлении петли было намного выше, чем в обратном направлении. Одна из возможных точек находится между выходом и цепью обратной связи резисторного делителя. Могут быть выбраны другие точки, отвечающие этому требованию.

Рисунок 5: Петлевой впрыск

Для поддержания замкнутого контура в точке впрыска вставлен небольшой инжекторный резистор Ri.Резистор должен быть достаточно маленьким, чтобы он мало влиял на схему, а также, чем ниже номинал резистора, тем ниже частота работы трансформатора. Picotest рекомендует использовать резистор 4,99 Ом для J2100A, и в зависимости от схем может быть выбрано большее значение. Затем сигнал инжекции подается на резистор инжекции.

Подаваемый сигнал не должен влиять на рабочую точку цепи постоянного тока. Метод решения проблемы общего заземления заключается в использовании инжекционного трансформатора, как показано на рисунке 6.

Рисунок 6: Инжекторный трансформатор

Сигнал инжекции начинается на одном конце резистора инжекции, проходит через цепь обратной связи резисторного делителя, усилитель ошибки и транзистор проходного элемента и, наконец, на выход, который является другим концом резистора инжекции. Связь между инжекционным сигналом i и выходным сигналом y — это коэффициент усиления контура, который мы хотим измерить.

Имейте в виду, что мы измеряем параметр разомкнутого контура внутри замкнутого контура, фаза начинается с 180 ° и уменьшается до 0 °, а не начинается с 0 ° и уменьшается до -180 °.Так что запас по фазе следует измерять относительно 0 °.

Осциллограф: Siglent SDS1204X-E с версией микропрограммы выше 6.1.27R1 (версия Bode Plot Ⅱ)

Источник сигнала: Siglent SDG 2042X

Источник питания: Siglent SPD3303X

Датчик: Пассивный датчик Siglent PP215 переключен на 1X

Инжекторный трансформатор : Picotest J2100A

Тестируемое устройство: Picotest VRTS v1.51

Picotest VRTS v1.51 — демонстрационная плата для тестирования регуляторов напряжения. Технически это линейный стабилизатор, построенный на основе известного TL431 и дискретного транзистора. Схема показана на рисунке 7. Можно выбрать разные выходные конденсаторы, чтобы увидеть влияние на стабильность контура управления.

Рисунок 7: Схема VRTS v1.51

Для предлагаемого измерения отклика контура управления блоком питания точка ввода — TP3 и TP4.Схема подключения показана на рисунке 8.

Генератор подключается к осциллографу через USB (также поддерживается подключение через Ethernet).

Инжекторный трансформатор подключен параллельно инжекционному резистору, так что сигнал подается в контур, предотвращая воздействие генератора на рабочую точку контура постоянного тока.

Точки TP3 и TP4 также подключены к осциллографу, а TP4 определяется как вход DUT, а TP3 — как выход DUT на графике Боде.

Рисунок 8: Подключение цепи

Рисунок 9: Подключение датчика и трансформатора к DUT

В этом разделе мы покажем, как должна быть выполнена конфигурация ключа, чтобы измерения были выполнены правильно. Полные инструкции к графику Боде Ⅱ см. В руководстве пользователя и кратком руководстве.

Перед входом в график Боде Ⅱ рекомендуется активировать настройку ограничения полосы пропускания осциллографа 20 МГц.

Сейчас мы хотим измерить график Боде от 10 Гц до 100 кГц. Этого частотного диапазона должно быть достаточно для схемы с ожидаемой частотой кроссовера около 10 кГц.

Войдите в меню «Конфигурация» и установите для параметра «Тип развертки» значение «Простой», затем введите «Установить развертку», чтобы задать частоту развертки. Установите режим Decade и Start на 10 Гц, Stop на 100 кГц. Установите Points / dec на 20, что достаточно для типичной развертки. Войдите в меню Set Stimulus, чтобы установить амплитуду на 50 мВ. Войдите в меню Set Channel, чтобы установить DUT Input на Ch2 и DUT Output на Ch3.

Рисунок 10: Конфигурация осциллографа Bode II

После завершения настройки вернитесь в главное меню и нажмите «Выполнить», чтобы начать сканирование.

Подождите, чтобы увидеть результаты, как показано на Рисунке 11.

Результат несколько сбивает с толку и вызывает подозрения из-за того, что кривая на низкой частоте, особенно фазовая кривая, чередуется вверх и вниз. В следующем разделе мы представим метод, называемый Vari-level, для решения этой проблемы.

Рисунок 11: Результаты измерений

После завершения развертки снова нажмите кнопку «Выполнить», чтобы остановить ее.Войдите в меню Display, а затем войдите в меню Cursors, чтобы включить курсоры. С помощью ручки Adjust переместите курсоры и установите запас по фазе, как показано на Рисунке 12.

Рисунок 12: Измерение курсором на графике Боде

Вы также можете включить функцию «Список» в меню «Данные», чтобы проверить измеренные данные, или можете экспортировать данные во внешний USB-флэш-драйвер для дальнейшего анализа на компьютере.

Рисунок 13: Экспорт данных

В предыдущем разделе мы видим, что результаты не идеальны для отраженной трассы на низкой частоте.Это связано с тем, что на низкой частоте разница амплитуд между входным и выходным каналами относительно велика, и поскольку мы используем относительно небольшой стимулирующий сигнал (на этот раз 50 мВpp), сигнал, представленный на входном канале DUT, чрезвычайно мал, так что коммерческий осциллограф общего назначения не может измерить его точно.

Но мы не можем просто увеличить амплитуду сигнала стимула. Результат будет аналогичен тому, что показано на рисунке 14. Сильный сигнал около частотной области кроссовера вызывает серьезные искажения в контуре.Искаженный сигнал во временной области показан на рисунке 15.

Помните, что график Боде имеет смысл только в линейной системе и не имеет смысла в сильно нелинейной системе. Результат бесполезен.

Рисунок 14: Повышенная амплитуда и искажение стимулирующего сигнала

Рисунок 15: Искажения во временной области

Одним из возможных решений проблемы является вариационный уровень (другие производители могут называть его «фигурным уровнем» или «профилем уровня»). Концепция переменного уровня проста: амплитуда стимулирующего сигнала изменяется в зависимости от частоты.Если мы используем сильный сигнал на низких частотах и ​​уменьшаем амплитуду до довольно небольшого уровня вблизи области кроссовера, чтобы он не искажал контур, теоретически мы можем получить идеальный результат.

В меню «Настройка» установите для параметра «Тип развертки» значение «Простой» значение «Уровень переменной» и нажмите «Установить уровень переменной», чтобы войти в редактор профиля уровня переменной.

Рисунок 16. Установите для типа развертки значение Vari-level

На рис. 17 показан редактор профиля на уровне переменных. Параметр «Профиль» позволяет пользователю выбрать и сохранить до 4 профилей.Узлы задают количество узлов в трассировке профиля, минимально допустимое количество узлов — 2, потому что по крайней мере 2 точки могут определять линию, и всегда первый и последний узлы устанавливают начало и конец трассировки. Нажмите Edit Table для входа в режим редактора профиля. Редактируемый параметр выделяется курсорами, и затем снова нажмите Edit Table для переключения курсоров между «Freq», «Ampl» и всей строкой, что позволяет пользователю перемещаться по всей таблице. Пользователи могут использовать ручку Adjust для установки выделенного параметра, а нажатие на ручку вызовет визуальную клавиатуру, которая позволяет напрямую вводить параметр.Параметры «Установить развертку» и «Установить стимул» в чем-то похожи на опцию «Простая развертка», но между ними нет корреляции. На этот раз мы установили режим развертки на Десятилетие, и достаточно 40 точек на декаду. Профиль, показанный на Рисунке 17, используется в этом измерении. Это не оптимальный профиль для этой трассы, но с него следует начать.

Рисунок 17: Редактор профиля на уровне переменных

На практике всегда следует экспериментировать с этими параметрами, чтобы найти оптимальное решение для конкретной схемы.

Практический способ сделать это — контролировать сигнал во временной области, уменьшать амплитуду стимулирующего сигнала до тех пор, пока не будут наблюдаться видимые искажения, а затем уменьшить амплитуду еще на 6 дБ. Затем запишите амплитуду и частоту, перейдите к другой частоте и повторите процесс.

Есть лучший способ найти оптимальный профиль, если у вас уже есть заведомо хороший профиль. Уменьшите амплитуду сигнала на 6 дБ и запустите развертку, чтобы увидеть, изменится ли график.Если он изменился, уменьшите амплитуду еще на 6 дБ и снова выполните развертку. Пока результат не изменится, вы можете увеличить амплитуду на 6 дБ, и это оптимальный профиль. Это занимает много времени, но необходимо для получения значимого результата.

После завершения редактирования профиля вернитесь в главное меню и нажмите «Выполнить», чтобы начать сканирование. На рисунке 18 показан окончательный результат измерения с Vari-level. Изменение переключателя выбора конденсатора S1 на демонстрационной плате VRTS v1.51 изменит отклик контура из-за воздействия различных конденсаторов.

Рисунок 18: Результаты с Vari-level

Осциллограф Siglent с недавно выпущенным графиком Боде Ⅱ вместе с генератором сигналов Siglent и инжекционным трансформатором Picotest предлагает очень гибкую и простую в использовании систему измерения контура управления источником питания.

Что такое контур фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ)?

Что такое фазовая автоподстройка частоты (ФАПЧ)?

Контур фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) — это электронная схема с генератором, управляемым напряжением или напряжением, который постоянно регулируется в соответствии с частотой входного сигнала.ФАПЧ используются для генерации, стабилизации, модуляции, демодуляции, фильтрации или восстановления сигнала из «зашумленного» канала связи, где данные были прерваны.

ФАПЧ

широко используются в беспроводных или радиочастотных (RF) приложениях, включая маршрутизаторы Wi-Fi, радиостанции, рации, телевизоры и мобильные телефоны.

В простейшем случае контур фазовой автоподстройки частоты представляет собой схему управления с обратной связью с обратной связью, которая чувствительна как к частоте, так и к фазе. ФАПЧ — это не отдельный компонент, а система, состоящая из аналоговых и цифровых компонентов, соединенных между собой в конфигурации «отрицательной обратной связи».Считайте это аналогом сложной схемы усилителя на базе операционного усилителя.

Для чего используется фазовая автоподстройка частоты?

Основная цель ФАПЧ — синхронизировать выходной сигнал генератора с опорным сигналом. Даже если два сигнала имеют одинаковую частоту, их пики и впадины могут не совпадать. Проще говоря, они не достигают одной и той же точки на осциллограмме одновременно.

Известный как разность фаз , измеряется как угол между сигналами.Для сигналов с разными частотами разность фаз между ними всегда будет изменяться, что означает, что один сигнал будет отставать или опережать другой на разную величину.

Во время разности фаз опережающая фаза относится к волне, возникающей «впереди» другой волны той же частоты, а запаздывающая фаза указывает на волны, возникающие «позади» другой волны той же частоты.

ФАПЧ уменьшает фазовые ошибки между выходной и входной частотами. Когда разность фаз между этими сигналами равна нулю, система называется «заблокированной».«И это действие блокировки зависит от способности ФАПЧ обеспечивать отрицательную обратную связь, то есть направлять выходной сигнал обратно на фазовый детектор.

Помимо синхронизации выходных и входных частот, ФАПЧ также помогает установить фазовое соотношение вход-выход для генерирования соответствующего управляющего напряжения. Следовательно, это помогает достичь как частоты, так и фазы в цепи.

Ключевые компоненты системы фазовой автоподстройки частоты

ФАПЧ состоит из трех основных компонентов:

• Фазовый детектор (также известный как фазовый компаратор или смеситель).Он сравнивает фазы двух сигналов и генерирует напряжение в соответствии с разностью фаз. Он умножает входной опорный сигнал и выход управляемого напряжением генератора.
• Генератор, управляемый напряжением . Генерирует синусоидальный сигнал, частота которого близко соответствует центральной частоте, обеспечиваемой фильтром нижних частот.
• Фильтр нижних частот . Разновидность петлевого фильтра, который ослабляет высокочастотную составляющую переменного тока (AC) входного сигнала, чтобы сгладить и сглаживать сигнал, чтобы сделать его более похожим на постоянный ток.

Здесь фазовый детектор функционирует как аналоговый умножитель , управляемый напряжением генератор как блок усиления , и фильтр нижних частот как лаг блок .

В совокупности контур фазовой автоподстройки частоты, управляемый напряжением генератор, опорный генератор и фазовый компаратор составляют синтезатор частоты — электронную систему, которая генерирует диапазон частот от одного фиксированного генератора.Беспроводное оборудование, использующее этот тип управления частотой, называется синтезированным по частоте.

К другим устройствам на синтезе частоты относятся:

• мобильных телефонов
• спутниковых ресиверов
• Системы GPS

Механизм, лежащий в основе ФАПЧ, основан на разности фаз между двумя сигналами. Он обнаруживает эту разницу и обеспечивает механизм обратной связи для изменения частоты генератора, управляемого напряжением.

ФАПЧ сравнивает сигнал генератора, управляемого напряжением, с входным / опорным сигналом.Поскольку система ФАПЧ чувствительна как к частоте, так и к фазе, она может обнаруживать разность частот и фаз между двумя сигналами.

Он генерирует сигнал ошибки, соответствующий разности фаз между сигналами. Эта разница передается на фильтр нижних частот, который удаляет любые высокочастотные элементы и фильтрует сигнал ошибки до уровня переменного постоянного тока (DC). Затем этот «сигнал обратной связи» снова подается на генератор, управляемый напряжением, для управления его частотой.

Упрощенный взгляд на то, как контур фазовой автоподстройки частоты работает постоянно для регулировки напряжения в соответствии с частотой входного сигнала.

Для начала, этот цикл будет вне блокировки. Сигнал ошибки подтягивает частоту генератора, управляемого напряжением, к опорной частоте и продолжает делать это до тех пор, пока не сможет уменьшить ошибку дальше. Однако в какой-то момент разность фаз между двумя сигналами станет равной нулю (то есть они оба будут на одной и той же частоте).

Это когда петля называется заблокированной, и возникает установившееся напряжение ошибки.

Общие приложения с фазовой автоподстройкой частоты

ФАПЧ используются в десятках приложений; среди них:

• телекоммуникационные системы
• компьютеров
• радио
• прочие электронные системы

Контуры фазовой автоподстройки частоты часто используются в беспроводной связи, в первую очередь для передач с частотной модуляцией (FM), где они позволяют демодулировать высококачественный звук из FM-сигнала. Они также используются для передач с фазовой модуляцией (PM).

Три типа волновой модуляции, то есть преобразование данных в радиоволны путем добавления информации к сигналу.

Непрямые синтезаторы частоты — еще одно важное применение ФАПЧ. Два других ключевых приложения ФАПЧ:

• Распределение по времени. Для распределения точно синхронизированных тактовых импульсов в цифровых логических схемах (например, в микропроцессорных системах).
• Восстановление сигнала. Для обеспечения «чистого» сигнала и запоминания частоты в случае прерывания (например,г., при использовании импульсных передач).

При передаче цифровых данных чаще используются контуры фазовой автоподстройки частоты, чем при аналоговой передаче. Они также чаще производятся в виде интегральных схем, хотя для обработки микроволновых сигналов используются дискретные схемы.

A Цифровой прибор с постоянной частотой импульсно-фазовой автоподстройки частоты для абсолютных ультразвуковых измерений фазы в реальном времени

Rev Sci Instrum. Авторская рукопись; доступно в PMC 2019, 19 июля.

Опубликован в окончательной отредактированной форме как:

PMCID: PMC6639803

NIHMSID: NIHMS1533428

Harold A.Халдрен

Университет Вирджинии, факультет электротехники и вычислительной техники Чарльза Л. Брауна, Торнтон-холл, 351 Маккормик-роуд, Шарлоттсвилл, Вирджиния 22904

Мул К. Гупта

Университет Вирджинии, факультет электричества и компьютеров Чарльза Л. Брауна Engineering, Thornton Hall, 351 McCormick Rd, Charlottesville, VA 22904

Daniel F. Perey

Исследовательский центр NASA в Лэнгли, 4 Langley Blvd, Bldg. 1230, MS 231, Хэмптон, Вирджиния 23681

Уильям Т.Йост

Исследовательский центр NASA в Лэнгли, 4 Langley Blvd, Bldg. 1230, MS 231, Hampton, VA 23681

K. Elliott Cramer

Исследовательский центр NASA в Лэнгли, 4 Langley Blvd, Bldg. 1230, MS 231, Хэмптон, Вирджиния 23681

Гарольд А. Холдрен, Университет Вирджинии, Чарльз Л. Браун, факультет электротехники и вычислительной техники, Торнтон-Холл, 351 Маккормик-роуд, Шарлоттсвилль, Вирджиния 22904;

Окончательная отредактированная версия этой статьи издателя доступна в Rev Sci Instrum См. Другие статьи в PMC, в которых цитируется опубликованная статья.

Abstract

На основе конструкции с импульсной фазовой автоподстройкой частоты (CFPPLL) был разработан прибор с цифровым управлением для проведения одночастотных и одночастотных ультразвуковых фазовых измерений. В этом приборе используется пара цифровых синтезаторов прямого действия для генерации тонального пакета с ультразвуковым приемом и внутреннего эталонного сигнала для сравнения фаз. Отслеживание фазы с постоянной частотой в реальном времени в исследуемом образце возможно с разрешением 0.00038 радиан (0,022 °), и можно получить измерения фазы с качающейся частотой. Используя фазовые измерения, представлена ​​абсолютная толщина боросиликатного стекла, чтобы показать эффективность прибора, и эти результаты сравниваются с традиционными ультразвуковыми измерениями времени пролета (ToF) с помощью эхо-импульсов. Недавно разработанный инструмент предсказал толщину со средней ошибкой -0,04 мкм и стандартным отклонением ошибки 1,35 мкм. Новый прибор CFPPLL с цифровым управлением обеспечивает более высокую точность и прецизионность, чем обычные измерения ToF с помощью эхо-импульсов, обеспечивает измерение абсолютной скорости ультразвука или длины пути в твердых или жидкостях с высоким разрешением, а также отслеживание изменений свойств материала с высокой чувствительностью.В дополнение к улучшенному разрешению, измерения фазы с качающейся частотой добавляют полезные возможности для измерения свойств слоистых структур, таких как склеенные соединения, или материалов, которые демонстрируют нелинейное частотно-зависимое поведение, таких как дисперсионные среды.

I. ВВЕДЕНИЕ

Ультразвуковые фазовые измерения уже много лет используются для измерения абсолютных и относительных свойств материала. Фаза, а не амплитуда ультразвуковых волн идеально подходит для этих измерений из-за их чувствительности к длине волны и толщине образца материала.Методы точного определения временной задержки между полученными ультразвуковыми эхо-сигналами появились еще в 1960-х годах с помощью метода наложения импульсов МакСкимина [1] и метода наложения эхо-импульсов Пападакиса [2]. Несколько улучшений широкополосных ультразвуковых измерений изменения скорости во временной области с помощью демпфированных преобразователей были сделаны на протяжении многих лет [3], [4]. Другие методы эхо-импульса включают определение резонансной частоты материала [5], [6] или использование источников непрерывных волн для введения стоячих волн, а не широкополосных источников [7].

Для высокоточных измерений ультразвуковые методы одночастотной стробированной непрерывной волны (тональной посылки) увеличивают отношение сигнал / шум по сравнению с их широкополосными аналогами. Сравнивая полученный сигнал ультразвуковой волны с опорным сигналом и регулируя частоту возбуждения до тех пор, пока волны не станут квадратурными (разность фаз π / 2), можно получить высокочувствительное измерение изменений скорости звука или толщины материала [8]. С тех пор метод сравнения фаз породил несколько разновидностей ультразвуковых методов измерения фазы с помощью импульсной петли фазовой автоподстройки частоты (PPLL).

Исходные системы PPLL с регулируемой частотой использовались в приложениях для контроля натяжения болтов [9], а также для обнаружения изменений скорости звука [10]. Основным недостатком методов измерения фазы с переменной частотой является их чувствительность к частотно-зависимым источникам фазовой ошибки в измерительной электронике, преобразователях и материалах. Кроме того, методы переменной частоты не могут измерить истинные изменения фазы в образце, так как они полагаются на изменение частоты для проведения однофазного измерения.Следовательно, PPLL с постоянной частотой (CFPPLL) обеспечивает значительное улучшение при проведении ультразвуковых фазовых измерений [10].

Первоначальная конструкция CFPPLL использовала одну частоту возбуждения, фазовращатель, управляемый напряжением, и фазовый детектор, чтобы синхронизировать переданную и опорную волны в квадратуре [11]. Этот прибор измерял абсолютные фазовые скорости в жидкостях, отслеживая фазовый сдвиг, вызванный изменением длины ультразвукового пути; однако в твердых телах можно было измерить только изменения скорости ультразвука из-за внешних стимулов, таких как давление или температура.Тем не менее, по сравнению с аналогом PPLL переменной частоты, CFPPLL обеспечивает очень высокую точность и чувствительность.

Исследуется прибор CFPPLL с цифровым управлением, способный в реальном времени отслеживать ультразвуковые измерения фазы и фазы с качающейся частотой как для твердых, так и для жидкостей. Этот инструмент предлагает значительные улучшения в простоте использования благодаря возможностям цифрового управления и сбора данных. В то время как предыдущие инструменты на основе PPLL требовали изменения длины пути для проведения измерений абсолютной скорости звука в жидкостях, как с отслеживанием фазы с постоянной частотой, так и с фазой vs.частотные измерения этого прибора CFPPLL допускают другие экспериментальные подходы. Чтобы проиллюстрировать эту гибкость, показаны экспериментальные измерения небольших различий в длине пути в боросиликатном стекле с помощью прибора CFPPLL, которые сравниваются с традиционными измерениями времени пролета (ToF) с помощью эхо-импульсов для точности измерения толщины.

II. ЦИФРОВОЙ УПРАВЛЕНИЕ ПОСТОЯННОЙ ЧАСТОТОЙ ИМПУЛЬСНОЙ ПЕТЛИ

ФАЗОВОЙ БЛОКИРОВКИ Все устройства PPLL состоят из двух сигнальных трактов, по которым первый, полученный ультразвуковым приемом тональный пакет, сравнивается по фазе с опорной волной.На пути 1 преобразователь генерирует ультразвуковой импульс, который проходит через образец материала. В компоновке импульс-эхо один и тот же преобразователь принимает и преобразует тональную посылку обратно в электрический сигнал, в то время как в компоновке с захватом основного тона для приема тональной посылки используется второй преобразователь. На тракте 2 опорная волна сравнивается по фазе с принятой тональной посылкой из первого тракта. В PPLL с переменной частотой частота принятого тонального пакета изменяется до тех пор, пока сигналы не будут находиться в квадратуре, в то время как в CFPPLL изменяется относительная фаза принятого сигнала.Затем считается, что система находится в заблокированном состоянии, и квадратура поддерживается посредством постоянного обновления частоты или относительной фазы принятого сигнала.

В приборе CFPPLL с цифровым управлением пара прямых цифровых синтезаторов (DDS) генерирует синусоидальные волны с повторяемым постоянным сдвигом фазы, что позволяет проводить абсолютные ультразвуковые измерения фазы. Пока система находится в заблокированном состоянии, выходное напряжение фазового детектора дискретизируется микроконтроллером, который дает команду DDS отрегулировать фазу принятой тональной посылки для поддержания квадратуры с опорной волной.Программируемая пользователем вентильная матрица (FPGA) управляет параметрами синхронизации и стробированием в системе.

Блок-схема разработанного ультразвукового прибора для измерения фазы на основе CFPPLL представлена ​​на рис. Используя компьютерный терминал, пользователь настраивает форму сигнала и системные параметры, такие как положение выборки и удержания (S / H), количество циклов тональной посылки, частота повторения тональной посылки и количество точек дискретизированных данных для усреднения, когда проведение фазовых измерений. После первоначальной настройки пользователь блокирует систему, которая выводит корректировки фазы на компьютер.

Блок-схема прибора CFPPLL с цифровым управлением

Двойные DDS генерируют синусоидальные волны с частотой, амплитудой и фазой, установленной микроконтроллером. Одинаковая тактовая частота входного сигнала 1 ГГц используется для обоих DDS, и при запуске системы микроконтроллер синхронизирует их выход с помощью одновременной команды сброса. DDS используют справочные таблицы для генерации частоты и фазы ультразвуковых волн, которые обеспечивают абсолютные пределы разрешения регулировки частоты и фазы.DDS имеют разрешение по фазе 14 бит и разрешение по частоте 48 бит, что дает минимальный сдвиг фазы ~ 0,00038 рад (0,022 °) и минимальный сдвиг частоты ~ 3,55 мкГц. На основе информации о синхронизации, установленной микроконтроллером, FPGA использует сигнал разрешения передачи (TX EN) для стробирования принятой волны в тракте 1, формируя тональный пакет с заданным числом периодов.

Тональный пакет в тракте 1 усиливается и отправляется на датчик, который опрашивает образец материала ультразвуком через соединительную среду.После отражения от задней стенки испытуемого образца акустический импульсный сигнал принимается тем же преобразователем в установке эхо-импульса, как показано на рис. Изменения свойств материала из-за внешних воздействий, таких как давление, температура, эластичность или длина пути, затем обнаруживаются с помощью ультразвуковых фазовых сдвигов. После получения ультразвукового отражения преобразователь преобразует тональную вспышку в электрический сигнал. Синхронизация FPGA обеспечивает непрерывный прием сигналов с использованием сигнала разрешения приема (RX EN), за исключением короткой продолжительности во время передачи тональной посылки.

Принятый пакетный сигнал усиливается и фильтруется по полосе пропускания для уменьшения шума сигнала, а опорная волна проходит через полосовой фильтр идентичной конструкции. В настоящее время прибор работает с центральной частотой около 10 МГц, и согласно измерениям, обе цепи полосовой фильтрации имеют полосу пропускания –6 дБ от 8,8 до 11,0 МГц. На практике коммерческие преобразователи с демпфированием демонстрируют более широкую полосу пропускания, чем схемы полосовой фильтрации, обеспечивая минимальное изменение полосы пропускания системы, но обеспечивая измеримую фазовую характеристику, которая должна быть охарактеризована для высокоточных измерений фазы.

После фильтрации принятый и опорный сигналы попадают в фазовый детектор. Фазовый детектор выдает напряжение, зависящее от разности фаз между двумя сигналами, используя смещение π / 2 при опорном напряжении 0 В. Выходное напряжение фильтруется с помощью фильтра нижних частот, чтобы минимизировать шум, не связанный с постоянным током, а затем дискретизируется и удерживается с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП), выходной сигнал которого поступает в микроконтроллер. Положение S / H на полученном выходном сигнале фазового детектора устанавливается FPGA и определяется пользователем.Каждый раз, когда микроконтроллер получает выходной сигнал фазы, также измеряется выходное напряжение датчика температуры, который обычно прикреплен к образцу материала для испытаний.

Для правильного мониторинга системы на осциллографе отображаются импульсы SYNC и S / H от FPGA, амплитуда принятого тонального пакета после полосовой фильтрации и выходное напряжение фазового детектора. показывает пример отображения сигнала CFPPLL осциллографа. Сигнал SYNC представляет собой начало каждой передачи тонального пакета и запускает осциллограф.Отфильтрованный амплитудный сигнал или видеосигнал используется для наблюдения ультразвуковых отражений и помогает пользователю определять параметры формы волны. Часто количество переданных циклов выбирается так, чтобы минимизировать промежуток между последовательными отражениями без перекрытия. Сигналы фазы и S / H используются для установки положения S / H, обычно в той части принятого тонального пакета, где фаза кажется ровной. Следует отметить небольшую временную задержку между сигналом амплитуды видео и выходным сигналом фазового детектора; таким образом, положение S / H возникает немного раньше, чем оно появляется на амплитудном сигнале.

Типичные формы принимаемых ультразвуковых волн амплитуды, выходного сигнала фазового детектора и сигналов выборки и удержания (S / H), видимые на осциллографе при использовании прибора CFPPLL.

Часть формы сигнала, проходящая через проход, на самом деле никогда не передается ультразвуковым методом, но вместо этого остается в пределах схемы. Пока сигнал RX EN выключен во время периода передачи, некоторая небольшая амплитуда просачивается и усиливается, как полученные ультразвуковые отражения. Сначала считалось, что этот «сквозной» сигнал нежелателен; однако с тех пор он оказался полезным при измерении фазовой характеристики схем фильтрации.

III. ИЗМЕРЕНИЕ ТОЛЩИНЫ ТВЕРДЫХ

A. Теория

Предположим, что плоская волна ультразвукового смещения распространяется в недисперсионной среде конечной толщины, Medium 1. После отражения от границы с некоторым полупространством, Medium и принимается, как показано на , фаза ультразвуковой волны выражается как

ϕuR = −2k1L1 = −720fL1c1 [град.],

(1)

где k ₁ = ω / c ₁ — волновое число в среде 1 со скоростью звука c ₁ , ω = 2 πf [ рад ] = 360 f [ ° ] — это угловая частота возбуждения с частотой возбуждения f , а L ₁ — толщина среды 1.Фактор два возникает из-за двукратного распространения по толщине Среды 1. В уравнении 1 предполагается, что акустический импеданс среды 1 больше, чем в среде 2, иначе отраженная волна будет на π не в фазе с падающей волной.

Отображение отражений ультразвуковой волны на границе между средой 1 / средой 2 и слоем связующего вещества

a.) Измерения фазы с качанием частоты

Фаза отраженной волны используется для измерения скорости звука или толщины материала, при заданном другой параметр.В недисперсных средах групповая скорость c _g = dω / dk равна фазовой скорости c _p = dx / dt [10]. Таким образом, одночастотные фазовые измерения могут определять групповую скорость, а также фазовую скорость в недисперсионных средах.

Поскольку фаза с постоянной частотой измеряет относительные доли длины волны, выраженные между — π и π , трудно получить измерения абсолютной толщины или скорости звука, поскольку общее количество распространяющихся длин волн неизвестно.Предыдущие методы на основе PPLL могли измерять абсолютную скорость звука в жидких средах, где длина акустического пути варьировалась и измерялась ∂ϕ _{u R} / ∂L ₁ [10], [11]. В твердых средах можно было измерить только изменения скорости звука, так как длину пути нельзя было изменить.

С помощью прибора CFPPLL с цифровым управлением частота ультразвукового возбуждения может быть изменена при сохранении фазового соотношения между принятым и опорным сигналами, что позволяет измерять ϕ _{u R} ( f ).Путем качания частоты возбуждения и измерения фазовой характеристики скорость звука или толщина образца извлекаются с помощью соотношения,

∂ϕuR∂f = −720L1c1 [градусы].

(2)

b.) Времяпролетные измерения импульсного эхо-сигнала

Традиционный ультразвуковой импульс-эхо может измерять скорость звука или толщину материала, зная один из параметров. После передачи широкополосного ультразвукового импульса через материал измеряется время пролета (ToF) принятого импульса.Учитывая настройку материала, ToF для отраженных волн находится путем подстановки соотношения между временной задержкой и фазой, Δ t = ϕ / ω , в уравнение 1, чтобы найти

Поскольку ToF не страдает от ограниченного диапазона возможных значений, таких как измерение фазы с постоянной частотой, одно значение ToF может использоваться для измерения скорости звука или толщины образца.

c.) Уменьшение других фазовых сдвигов / временных задержек

В практической ультразвуковой измерительной системе с прямым контактом электронная схема, ультразвуковой преобразователь и ультразвуковой контактный слой обеспечивают временные задержки или фазовые сдвиги.Чтобы избежать этих ошибок, используются разные методы, позволяющие уменьшить или свести на нет их влияние. В обычных измерениях ToF импульс-эхо основным методом устранения внешних временных задержек является измерение разницы ToF между последовательными эхосигналами от задней стенки от материала. Задержки, связанные с приборами, преобразователем и двойной передачей через слой связующего вещества, одинаково влияют на последовательные эхо-сигналы, поэтому вычитание последовательных эхо-сигналов приведет к удалению временных задержек на основе схемы.

Этот метод также может быть применен к измерениям фазы с постоянной частотой.Учитывая внешние источники фазового сдвига для ультразвуковых эхо-сигналов от материальной системы, измеренная фаза для эхо-сигнала n ^th может быть описана следующим образом:

ϕn = ϕinstr. + Φtrans. + 2ϕcoup.T + 2ϕUR + (n − 1) (2ϕUR + ϕcoup.R),

(4)

где ϕ _инстр. — фазовый сдвиг от приборов, ϕ _транс. — фазовый сдвиг от ультразвукового преобразователя, ϕ _{coup. T} — фазовый сдвиг от передачи через слой связующего вещества, ϕ _coup.R — это фазовый сдвиг от отражения от связующего слоя, возникающий для вторичных эхо-сигналов, а ϕ _{U R} — фазовый сдвиг от исследуемого материала, как определено в уравнении 1. Разность фаз между последовательными отражениями от Уравнение 4 можно записать как

Δϕ = ϕn + 1 − ϕn = 2ϕUR + ϕcoup.R,

(5)

где исключено несколько внешних источников фазового сдвига.

В уравнении 5 остается фазовый сдвиг отражения от границы раздела исследуемый материал-связующее вещество-преобразователь.Было несколько обработок влияния связующего слоя на амплитуду [12] [13] [14] [15] и временную задержку [16] ультразвуковой волны. При использовании пьезоэлектрического преобразователя с неизолированным элементом влияние связующего слоя на отраженную фазу может быть получено с учетом свойств материала активного элемента, связующего и тестируемого материала. Однако имеющиеся в продаже широкополосные ультразвуковые преобразователи содержат дополнительные слои, которые усложняют анализ [16]. Кроме того, внутренняя настройка коммерческих преобразователей часто является частной, что затрудняет анализ коэффициента отражения ультразвука без многих допущений.

Несмотря на трудности с вычислением фактического коэффициента отражения от границы раздела контактного вещества, можно показать, что по мере того, как контактное вещество становится тоньше, его влияние на амплитуду и фазу ультразвука уменьшается. Предполагая наличие тонкого слоя жидкости между двумя полупространствами, можно приблизительно оценить эффект тонкого слоя связующего вещества [17]. Предполагая, что датчик PZT5A, водная связка и образец боросиликатного стекла, фаза коэффициента отражения ультразвука как функция частоты для контактной жидкости различной толщины показана на рис.Отличие от сдвига фазы на 180 ° для бесконечно тонкого слоя связующего вещества становится более заметным, когда толщина связующего слоя становится больше по отношению к длине волны. Поскольку фазовый сдвиг может резко меняться при небольших различиях в толщине, необходимо соблюдать осторожность, чтобы обеспечить постоянную толщину связующего вещества для достижения высокой воспроизводимости.

Зависимость фазы от частоты ультразвукового отражения от границы раздела контактной жидкости для различных толщин контактной жидкости

B. Экспериментальная

Для демонстрации возможностей ультразвукового прибора для измерения фазы на основе CFPPLL, измерения разницы толщины в микрометрах на толщине ~ 11 мм гладкие образцы стекла.Шесть квадратных образцов размером 5,08 см × 5,08 см вырезали из пластины Schott Borofloat® 33, флоат-версии боросиликатного стекла, закупленной у S. I. Howard Glass Company. Перед испытанием образцы очищали в ультразвуковой ванне с этанолом в течение 30 минут. Затем на каждом образце была размечена сетка 3×3 с помощью тонких полосок ленты, которые использовались для измерения толщины.

В каждом из девяти мест на шести образцах для испытаний измеряли толщину с помощью откалиброванного микрометра Старретта.Микрометр калибровали с использованием измерительных блоков Starrett-Webber в интересующем диапазоне толщин 10,9-11,0 мм через каждые 1 мкм. После корректировки измерения микрометра в указанном диапазоне имели стандартное отклонение ошибки 1,05 мкм.

Для поддержания постоянной толщины слоя связующего вещества между измерениями использовался винтовой зажим для поддержания постоянного давления, а датчик нагрузки был помещен на пути между зажимом и ультразвуковым преобразователем. Был проведен эксперимент по изменению давления на преобразователь при измерении результирующего фазового сдвига отражения от задней стенки одного из стеклянных образцов.

Другой эксперимент был проведен на одном из образцов стекла для измерения фазового отклика на изменение температуры около комнатной. Установка для зажима преобразователя была помещена в специально изготовленную климатическую камеру с температурной стабильностью ± 0,01 ° C в течение одного часа. Удерживая постоянное давление на уровне ~ 2,8 МПа, температуру циклически меняли от 20 ° C до 25 ° C и отслеживали фазовую характеристику ультразвукового сигнала первого отражения от задней стенки при частоте возбуждения 10 МГц.

Ультразвуковые измерения для оценки толщины проводились в каждом из девяти мест на шести образцах для испытаний.Чтобы поддерживать постоянную толщину связующего вещества, преобразователь нагружали давлением ~ 2,8 МПа при каждом испытании. Вода использовалась в качестве связующего вещества для всех измерений, показанных в этой работе, благодаря хорошо известным свойствам материала; однако другие коммерчески доступные связующие дали аналогичные результаты. Для большинства измерений использовался широкополосный ультразвуковой преобразователь Olympus V112 с сильным демпфированием диаметром 6,35 мм, номинально рассчитанный на работу на частоте 10 МГц, за исключением некоторых измерений ToF с использованием преобразователя на 50 МГц.

С помощью недавно разработанного ультразвукового прибора для измерения фазы на основе CFPPLL отслеживалась фаза принятой волны, поскольку частота входного тонального сигнала изменялась от 9 МГц до 10 МГц с разрешением 10 кГц. На каждой частоте фаза усреднялась по 32 повторяющимся тональным пакетам, чтобы уменьшить влияние шума. Были измерены зависимости фазы от частоты как первого, так и второго отражений от задней стенки от образцов Borofloat.

Еще находясь под давлением, ультразвуковой преобразователь был отключен от прибора CFPPLL и подключен к импульсному приемнику GE Panametrics, модель 5900PR, для генерации и приема широкополосных импульсов для сравнительных измерений ToF.Сгенерированный импульс содержал 1 мкДж энергии, а полученная волна была усилена на 40 дБ и ослаблена на 11 дБ. Полоса пропускания генерируемого импульса была выбрана от 1 кГц до 200 МГц, чтобы сделать ультразвуковой преобразователь элементом системы, ограничивающим полосу пропускания. После усиления полученные от образцов эхо-сигналы отображались на осциллографе LeCroy WaveRunner 6200 с временным разрешением 0,1 нс. Измерения ToF проводились путем измерения разницы во времени пиковых амплитуд первых двух отражений от задней стенки и усреднения по 500 переданным импульсам.

После измерения фазы и ToF ультразвуковой преобразователь 10 МГц был заменен широкополосным ультразвуковым преобразователем Olympus V214 диаметром 6,35 мм с сильным демпфированием, рассчитанным на работу на частоте 50 МГц. Обычные измерения ToF импульс-эхо были получены с помощью преобразователя, аналогично измерениям, выполненным с помощью преобразователя 10 МГц.

C. Результаты и обсуждение

Перед анализом эффект отражения связующего вещества был устранен путем применения линейной аппроксимации ToF или фазы vs.кривая измеренной толщины. Пересечение оси Y линии наилучшего соответствия при нулевой толщине соответствует экстраполированному смещению фазы или временной задержки. В общей сложности из измерений ToF и фазы было извлечено 4 параметра для прогнозирования толщины стекла Borofloat: разница ToF между эхо-сигналами с датчиком 10 МГц, разница ToF между эхо-сигналами с датчиком 50 МГц, крутизна фазы в зависимости от частоты в диапазоне 9-10 МГц от первого донного эхо-сигнала и крутизны разности фаз между задними эхо-сигналами по сравнению счастота в диапазоне 9-10 МГц.

a.) Поправка на временную задержку и смещение фазы

показывает графики двух параметров временной задержки в зависимости от толщины образца. В каждый график включена линия наилучшего соответствия данных, которая используется для интерполяции временной задержки или сдвига фазы при нулевой толщине образца. Предполагая, что толщина и качество связующего вещества одинаковы для каждого измерения, смещение измеряет влияние фазы от всех источников, кроме испытуемого образца.Сравнивая разность фаз между двумя последовательными эхо-сигналами с фазой первого эхо-сигнала, смещение фазы упало по величине, что согласуется с теорией, согласно которой разность фаз вычитает некоторые внешние источники фазового сдвига, присутствующие в каждом эхо-сигнале.

Зависимость параметра временной задержки от толщины для каждого из 54 местоположений, включая линейную аппроксимацию для ToF с датчиком 10 МГц и d Δ ϕ / df между последовательными задними эхосигналами в диапазоне 9-10 МГц

b.) Толщина стекла по результатам ультразвуковых измерений

После нахождения смещения фазы или временной задержки для каждого параметра толщина для каждого измерения была рассчитана по уравнениям 2 и 3. Показывает разницу между толщиной, измеренной ультразвуком, и толщиной, измеренной микрометром в каждом месте. , для двух параметров задержки. Кроме того, показан прямоугольный график прогнозируемой ошибки толщины по всем параметрам с отображением медианы, а также первого и третьего квартилей данных.Маленькие знаки плюса на прямоугольной диаграмме представляют данные о потенциальных выбросах, которые выходят за пределы квартилей более чем в 1,5 раза от межквартильного размаха. Обратите внимание, что phi_diff — это разность фаз Δ ϕ между первым и вторым донными эхо-сигналами.

Разница между толщиной, измеренной ультразвуком, и толщиной, измеренной микрометром, для ToF с датчиком 10 МГц и dΔϕ / df между последовательными задними эхосигналами в диапазоне 9–10 МГц параметры фазы

Сравнивая прогнозируемые толщины с измерениями с помощью калиброванного микрометра, можно сделать несколько выводов.Наихудшим тестируемым параметром были измерения ToF с датчиком 10 МГц с наиболее значимым средним значением и стандартным отклонением ошибки. Используя тот же ультразвуковой преобразователь, параметры ультразвукового измерения на основе CFPPLL выполнялись более точно и отображали меньшую погрешность. Как и предполагалось, датчик на 50 МГц работал более точно, чем его аналог на 10 МГц. Считается, что большая длительность импульса от датчика 10 МГц по сравнению с датчиком 50 МГц приводит к большей погрешности.Важно отметить, что каждый из фазовых параметров на основе CFPPLL показал такую ​​же или лучшую точность и точность, чем измерения ToF от гораздо более высокочастотного преобразователя. Кроме того, разность фаз между последовательными эхо-сигналами привела к уменьшению средней ошибки и неопределенности для параметра dϕ / df . Это обеспечивало наименьшую среднюю ошибку и неопределенность по толщине всех параметров. dΔϕ / df между первым и вторым донными эхосигналами обеспечили среднюю прогнозируемую ошибку толщины -0.04 мкм и стандартное отклонение прогнозируемой ошибки толщины 1,35 мкм .

c.) Источники неопределенности измерения фазы

Для повышения точности фазовых измерений были проанализированы источники неопределенности. Измерения давления, приложенного к датчику, и температуры окружающей среды во время испытаний позволили изучить влияние этих источников неопределенности. Из эксперимента по отслеживанию фазового сдвига из-за давления на ультразвуковой преобразователь было обнаружено, что фаза выравнивается около ~ 2 МПа, выше которого ∂ϕ / ∂f линейно изменяется на 0.439 (град / МГц) / МПа, а фаза на частоте 10 МГц изменялась на 3,915 град / МПа. Во время экспериментов по измерению толщины среднее давление на преобразователе было измерено и составило 2,754 МПа со стандартным отклонением 0,031 МПа. Следовательно, погрешность измерения фазы из-за приложенных перепадов давления составляет 0,014 град / МГц для dϕ / df и 0,112 градуса для фазы на 10 МГц.

Было обнаружено, что фазовый сдвиг на 10 МГц в стеклянных образцах из-за небольших колебаний температуры линейно изменяется на 0,715 град / ° C в диапазоне 20–25 ° C на основании испытаний в климатической камере.Средняя температура во время ультразвуковых испытаний толщины была измерена и составила 20,51 ° C со стандартным отклонением 0,18 ° C. Используя соотношение между фазой и температурой, обнаруженное в эксперименте с климатической камерой, погрешность измерения фазы на частоте 10 МГц из-за погрешности температуры составляет 0,129 градуса.

Стандартное отклонение фазовых измерений на частоте 10 МГц составляет 0,171 град. Преобразование в неопределенность измерения толщины стекла Borofloat с помощью уравнения 1 дает стандартное отклонение неопределенности измерения толщины, равное 0.14 мкм из-за колебаний давления и температуры преобразователя. В сочетании с погрешностью измерения откалиброванного микрометра в диапазоне толщины 10,9–11,0 мм погрешность измерения толщины из-за погрешности измерения в микрометре, колебаний температуры и давления преобразователя составляет 1,06 мкм. Таким образом, большая часть неопределенности 1,35 мкм при использовании метода измерения фазы d Δ ϕ / df приписывается известным источникам, большая часть которых связана с измерениями толщины в микрометрах.Сравнение ультразвуковых фазовых измерений на основе CFPPLL с более точным методом или с использованием испытательных образцов с толщиной, известной с субмикронными допусками, должно улучшить прогнозируемую неопределенность толщины.

Еще одним потенциальным источником неопределенности является небольшая нелинейность фазовой характеристики в диапазоне 9–10 МГц, вызванная отражением от слоя связующего. Использование наклона зависимости фазы от частотной характеристики отражений от задней стенки зависит от линейной зависимости между фазой и частотой испытуемого образца, как описано уравнением 1.Однако отражение от тонкого связующего слоя имеет вогнутость вверх, как видно на, и может быть аппроксимировано линейным только в достаточно малом диапазоне частот. Следовательно, точность и погрешность измерения можно было бы дополнительно повысить за счет развертки в меньшем частотном диапазоне.

Последним источником неопределенности является непостоянная плоскостность и параллельность испытуемых образцов. Как видно из значений толщины от, образцы различались по толщине по всей поверхности до 14 мкм.Таким образом, стеклянным образцам действительно присуща некоторая недостаточность плоскостности или параллельности, которая вносит свой вклад в наблюдаемые неопределенности. Попыток исправить фазовые измерения на проблемы плоскостности и параллельности в данной работе не проводилось.

IV. ВЫВОДЫ

Новый одночастотный ультразвуковой прибор для измерения фазы был построен и испытан, чтобы показать его эффективность по сравнению с традиционными ультразвуковыми методами измерения задержки по времени. Прибор имеет цифровое управление и основан на конструкции CFPPLL, которая обеспечивает беспрецедентное разрешение ультразвуковых фазовых измерений до 0.00038 радиан (0,022 °) или одна часть на 6,1 × 10 ⁻⁵ длины ультразвуковой волны. Ультразвуковая фаза может отслеживаться в режиме реального времени для измерения изменений свойств материала из-за внешних воздействий. В отличие от предыдущих ультразвуковых приборов для измерения фазы на основе PPLL, система может изменять частоту возбуждения, сохраняя при этом прежнее соотношение фаз, поэтому измерения фазы с разверткой частоты можно проводить с разрешением всего 3,55 мкГц.

Используя стеклянные образцы, ультразвуковые фазовые измерения с качающейся частотой, полученные с помощью прибора CFPPLL, сравнивались с традиционными широкополосными измерениями ToF с помощью импульсного приемника.После вычета смещения временной задержки из-за внешних источников измерения фазы CFPPLL превзошли обычные измерения ToF как по точности, так и по точности. Кроме того, измерения фазы CFPPLL около 10 МГц превосходят измерения ToF на более высоких частотах 50 МГц. Наклон линии фаза-частота, полученный с помощью прибора CFPPLL, позволил предсказать толщину со средней ошибкой -0,04 мкм и стандартным отклонением ошибки 1,35 мкм , что было близко к калиброванному микрометру 1.Погрешность 06 мкм. При номинальной толщине 10,95 мм средняя ошибка измерения толщины составляла -0,00037% от общей толщины, а стандартное отклонение неопределенности измерения толщины составляло 0,012%.

Недавно разработанный прибор для измерения фазы на основе CFPPLL с цифровым управлением может обеспечивать ультразвуковые измерения временной задержки с высоким разрешением и низкой погрешностью. Его цифровое управление и генерация сигналов обеспечивают значительное улучшение разрешения и простоты использования по сравнению с предыдущими ультразвуковыми фазовыми измерительными приборами на основе PPLL.Дополнительная возможность проведения фазовых измерений с качающейся частотой найдет применение в самых разных областях. В дополнение к усовершенствованию традиционных методов измерения скорости звука или толщины в твердых телах или жидкостях ToF, фазовые измерения с высоким разрешением с качающейся частотой могут быть применимы в таких областях, как оценка качества адгезионного соединения, определение характеристик тонких пленок и ультразвуковой анализ сложных структур. такие как композиты.

V. БЛАГОДАРНОСТИ

Авторы хотели бы поблагодарить Анджела Селден и Джона Каллахана за их работу по созданию и тестированию частей прибора CFPPLL.Эта работа была поддержана стипендиатом НАСА по исследованию космических технологий и программой профессоров НАСА в Лэнгли.

Информация для авторов

Гарольд А. Холдрен, Университет Вирджинии, факультет электротехники и вычислительной техники Чарльза Л. Брауна, Торнтон-Холл, 351 McCormick Rd, Шарлоттсвилль, Вирджиния 22904.

Мул К. Гупта, Университет Вирджинии, Чарльз Л. Браун, Департамент электротехники и вычислительной техники, Торнтон-холл, 351 Маккормик-роуд, Шарлоттсвилл, Вирджиния 22904.

Дэниел Ф. Перей, Исследовательский центр НАСА в Лэнгли, 4 Langley Blvd, Bldg. 1230, MS 231, Хэмптон, Вирджиния 23681.

Уильям Т. Йост, Исследовательский центр НАСА в Лэнгли, 4 Langley Blvd, Bldg. 1230, MS 231, Хэмптон, Вирджиния 23681.

К. Эллиот Крамер, Исследовательский центр НАСА в Лэнгли, 4 Langley Blvd, Bldg. 1230, MS 231, Хэмптон, Вирджиния 23681.

VI. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

[1] МакСкимин HJ, «Метод наложения импульсов для измерения скорости ультразвуковых волн в твердых телах», Журнал Американского акустического общества, вып.33, нет. 1, pp. 12–16, 1961. [Google Scholar] [2] Пападакис Е.П., «Ультразвуковая фазовая скорость с помощью метода перекрытия эхо-импульсов, включающего дифракционную фазовую коррекцию», Журнал акустического общества Америки, стр. 1045– 1051, 1967. [Google Scholar] [3] Odru R, Riou C, Vacher J, Deterre P, Peguin P и Vanoni F, «Новый прибор для непрерывной и одновременной регистрации изменений в затухании и скорости ультразвука», Review of Scientific Instruments , т. 49, нет. 2, pp. 238–241, 1978. [PubMed] [Google Scholar] [4] Таки С., Фурута Ю. и Такемура Т., «Новый прибор для быстрого измерения изменений скорости ультразвука», Review of Scientific Instruments, vol.52, нет. 9, pp. 1388–1391, 1981. [Google Scholar] [5] Пиалуча Т. и Коули П. «Обнаружение тонких заделанных слоев с помощью ультразвука с нормальным падением», Ультразвук, том. 32, нет. 6, pp. 431–440, 1994. [Google Scholar] [6] Лаврентьев А.И., Рохлин С.И., «Определение модулей упругости, плотности, затухания и толщины слоя с помощью ультразвуковой спектроскопии под двумя углами», Journal of the Acoustical Общество Америки, т. 102, нет. 6, pp. 3467–6477, 1997. [Google Scholar] [7] Джин К., «Метод непрерывных волн для одновременных измерений скорости звука и затухания», Review of Scientific Instruments, vol.67, нет. 1, pp. 271–273, 1996. [Google Scholar] [8] Blume RJ, «Инструмент для непрерывного измерения изменений скорости ультразвука с высоким разрешением», Review of Scientific Instruments, vol. 34, нет. 12, pp. 1400–1407, 1963. [Google Scholar] [9] Heyman JS и Chern EJ, «Ультразвуковое измерение осевого напряжения», ASTM Journal of Testing and Evaluation, vol. 10, вып. 5, pp. 202–211, 1982. [Google Scholar] [10] Йост В.Т., Кантрелл Дж. Х. и Кушник П. В., «Фундаментальные аспекты методов измерения скорости ультразвука на основе технологии импульсной фазовой автоподстройки частоты», Journal of the Acoustical Общество Америки, т.91, нет. 3, pp. 1456–1468, 1992. [PubMed] [Google Scholar] [11] Йост В.Т., Кантрелл Дж. Х. и Кушник П. В., «Импульсный прибор с фазовой автоподстройкой частоты с постоянной частотой для измерения скорости ультразвука», Review of Scientific Instruments , т. 62, нет. 10, pp. 2451–2456, 1991. [Google Scholar] [12] Биндал В.Н., «Связующие вещества на водной основе для общего использования в ультразвуковых приложениях неразрушающего контроля», Journal of Scientific and Industrial Research, vol. 59, pp. 935–939, 2000. [Google Scholar] [13] Редвуд М. и Лэмб Дж. «Об измерении затухания в ультразвуковых линиях задержки», Proceedings of the IEEE: Radio and Electronic Engineering, vol.103, нет. 12, pp. 773–780, 1956. [Google Scholar] [14] Инамура Т. «Влияние связующих материалов на характеристики ультразвуковых линий задержки с пьезоэлектрическими преобразователями», Японский журнал прикладной физики, вып. 9, вып. 3, pp. 255–259, 1970. [Google Scholar] [15] Ким Й.Х., Сонг С.Дж., Ли С.С., Ли Дж.К., Хонг С.С. и Эом Х.С., «Исследование влияния сочетания на контактное ультразвуковое тестирование», Journal of Корейское общество неразрушающего контроля, т. 22, нет. 6, pp. 621–626, 2002. [Google Scholar] [16] Винсент А., «Влияние толщины изнашиваемой пластины и связующего слоя на измерение скорости ультразвука», Ультразвук, том.25, pp. 237–243, 1987. [Google Scholar] [17] Реддихофф Т., Касоланг С., Дуайер-Джойс Р.С. и Дринкуотер Б.В., «Фазовый сдвиг ультразвукового импульса в масляном слое и определение толщины пленки», Труды Института инженеров-механиков, Часть J: Журнал инженерной трибологии, вып. 219, нет. 6, pp. 387–400, 2005. [Google Scholar]

Moku: Phasemeter Pro — Liquid Instruments

Moku: Phasemeter Pro измеряет фазу (относительно эталонных часов) до четырех входных сигналов с точностью более 6 мкрадиан от От 1 кГц до 300 МГц.Основанный на цифровой архитектуре фазовой автоподстройки частоты, фазометр Moku: Pro обеспечивает исключительный динамический диапазон, нулевое мертвое время и точность измерений, превосходящую характеристики обычных синхронизированных усилителей и частотомеров.

Moku: 4-канальный фазометр Pro

Рис. 1. Пользовательский интерфейс для Moku: Phasemeter Pro

В рамках новой платформы Moku: Pro компания Liquid Instruments предлагает уникальное решение для высокоточного измерения частоты и фазы.В отличие от обычного частотомера или синхронизирующего усилителя, наш Phasemeter реализует цифровой контур фазовой автоподстройки частоты, который может непрерывно отслеживать частоту и фазу с исключительным динамическим диапазоном, нулевым мертвым временем и автоматическим разворачиванием фазы. Этот передовой прибор представляет собой оптимизированное решение для таких приложений, как лазерная интерферометрия, оптоволоконное зондирование, а также оптическое и ультразвуковое определение дальности.

Например, этот инструмент использовался учеными НАСА, которые разработали новую оптическую систему межпланетной связи, которая преодолевает индуцированные плазмой помехи для обычной когерентной радиолинии X-диапазона.Они использовали Moku: Lab Phasemeter, чтобы охарактеризовать базовые характеристики этой системы, что стало возможным благодаря тому, что Phasemeter может непрерывно измерять фазу сигнала с чрезвычайно высокой точностью без мертвого времени.

Одновременное и непрерывное измерение фазы, частоты и амплитуды

Moku: Phasemeter Pro основан на архитектуре фазовой автоподстройки частоты (PLL), которая отслеживает и записывает фазу, частоту и амплитуду до четырех независимых сигналов.Высокоточные измерения выполняются относительно бортовых эталонных часов с точностью более 300 частей на миллиард, что дает точность лучше 6 мкрадиан в диапазоне от 1 кГц до 300 МГц. В качестве альтернативы можно использовать внешние опорные часы с портом синхронизации 10 МГц. Измерения можно проводить с нулевым мертвым временем, и если сигнал неожиданно затухает, режим свободного хода интеллектуально удерживает состояние контура и автоматически повторно включается при возврате сигнала. Слежение за контуром фазовой автоподстройки частоты также обеспечивает максимальную гибкость с регулируемой полосой слежения от 10 Гц (отличный вариант для сигналов с низким отношением сигнал / шум) до 10 кГц (идеально для сигналов с большой динамикой).См. Пример приложения, которое реализует ФАПЧ для синхронизации смещения частоты лазера с помощью Moku: Pro’s Phasemeter.

Встроенный генератор сигналов позволяет пользователям генерировать до четырех синусоидальных волн с частотой до 500 МГц с возможностью фазовой синхронизации выходного сигнала с соответствующим входным сигналом. Эта интегрированная программно-определяемая приборная установка является рентабельной, поскольку устраняет необходимость в дополнительном автономном оборудовании для генерации сигналов.

Интегрированная регистрация данных, визуализация и анализ в реальном времени

Фазометр обеспечивает быстрый сбор данных благодаря встроенному регистратору данных.Пользователи могут записывать данные непосредственно во встроенную память с частотой 30 Гц, 120 Гц, 477 Гц, 1,9 кГц, 15,3 кГц и 122 кГц и передавать данные через беспроводное соединение.

Phasemeter работает с сенсорным интерфейсом, который является интуитивно понятным, простым в использовании, но всеобъемлющим. В готовом виде фазометр можно использовать для визуализации в реальном времени и для применения таких методов анализа данных, как спектральные плотности мощности, когерентность, спектры Рэлея или отклонения Аллана. Благодаря этим стандартным функциям пользователям не нужно выполнять вычисления вручную или проводить постобработку.Интерфейсы прикладного программирования (API) Python и MATLAB также доступны для разработки автоматических тестовых последовательностей или использования преимуществ настройки нескольких инструментов.

Обладая исключительным динамическим диапазоном, нулевым мертвым временем и точностью измерения, превосходящей характеристики обычных синхронизированных усилителей и частотомеров, фазометр может удовлетворить ваши самые сложные потребности в измерении фазы. Способный приспособиться к развивающимся исследованиям, жестким временным рамкам и требованиям к высокой производительности, Phasemeter является лишь одним из многих инструментов, доступных на Moku: Pro, единой платформе, которая выводит высокопроизводительные программно-определяемые приборы на рабочий стол.

.