Газета Национального исследовательского
Томского политехнического университета
Newspaper of National Research
Tomsk Polytechnic University
16+
Основана 15 марта 1931 года  ♦  FOUNDED ON MARCH 15, 1931
Архив номеров Поиск

Шире диапазон, меньше шум

Прибор для сравнения измерительных преобразователей разработали в ТПУ

В Томском политехническом университете давно и успешно занимаются разработкой средств метрологического обеспечения. В частности, для подтверждения метрологических характеристик измерительных преобразователей (ИП) физических величин в напряжение переменного тока в вузе был создан и постоянно совершенствуется синхронный усилитель с дифференциальным входом для измерения разности двух сигналов. Подробнее о приборе корреспонденту газеты «За кадры» рассказал и.о. руководителя отделения инженерной электроники Павел Баранов.

«При подтверждении метрологических характеристик измерительных преобразователей максимальную точность обеспечивает метод сравнения с мерой, — отмечает Павел Баранов, — Понятно, что применять этот метод можно только при наличии высокочувствительных приборов сравнения, разрешающая способность которых во многом определяет минимальную погрешность измерений. В качестве приборов, которые обеспечивают разрешающую способность порядка единиц нановольт при сравнении двух переменных сигналов в широком динамическом диапазоне частот и напряжений, используются синхронные усилители с дифференциальным входом (в англоязычной литературе Lock-In Amplifier)».

С одной стороны, в мире Lock-In Amplifier очень распространены, с другой стороны их серийно выпускает всего несколько фирм, - и у них есть свои ограничения: не хватает чувствительности, ограничен диапазон сравниваемых напряжений. Поэтому в свое время ТПУ получил заказ от Всероссийского Научно-исследовательского института физико-технических и радиотехнических измерений (ВНИИФТРИ, г. Москва) на разработку синхронного усилителя с конкретными метрологическими и техническими характеристиками. Усилитель в НИИ был поставлен, однако работа на этом не остановилась, политехниками был выигран грант РФФИ. Над усовершенствованием прибора трудился научный коллектив, в котором, помимо Павла Баранова, также профессор Валерий Бориков, доцент Эдвард Цимбалист, аспирант ТПУ Бьен Буй Дык (Вьетнам), ученые института общей физики Южной Кореи и Национального Университета Янь-Мин Тайваня. Подробнее о достигнутых на сегодня экспериментальных результатах — в статье в научном журнале Acta IMEKO (Lock-in amplifier with a high common-mode rejection ratio in the range of 0.02 to 100 kHz).

Сравнить эталоны

Синхронный усилитель политехников имеет дифференциальный вход для поверки и калибровки масштабных измерительных преобразователей напряжения в диапазоне от 20 Гц до 100 кГц и обеспечивает подавление синфазного сигнала до 200 дБ. Среди достоинств прибора — расширение динамического диапазона входных напряжений и высокое подавление синфазного сигнала без ухудшения чувствительности прибора, а также быстродействие — ученые получают тот же результат за более быстрое время, чем с помощью имеющихся аналогов. Сейчас готовится цифровой вариант усилителя. По словам ученого, прибор измеряет и сравнивает два напряжения переменного тока, поступающие на него, и «говорит», насколько сравниваемое напряжение отличается от эталонного. В лаборатории на самом приборе Павел Федорович демонстрирует, как проводились эксперименты.

«С генератора на входы эталонного и сравниваемого масштабных измерительных преобразователей напряжения (в нашем случае - индуктивных делителей) приходит одинаковый сигнал в 10 вольт, на индуктивных делителях напряжения мы выставляем одинаковые коэффициенты и делим вольты до нужного нам уровня, вплоть до 10 микровольт. Сигналы с выходов поступают на синхронный усилитель. С генератора поступает тот же сигнал в 10 вольт той же частоты. Синхронный усилитель выделяет разницу напряжений между эталоном и сравниваемым, подавляет синфазный сигнал, разностный сигнал усиливается, перемножается на опорный сигнал с генератора, фильтруется и подается на выход. И индикатор показывает нам цифру — разницу напряжений между сравниваемыми преобразователями». С помощью экспериментов ученые постоянно совершенствуют прибор. Сейчас его точность позволяет им при подаче на вход 10 вольт различить 10 нановольт — одну миллиардную часть. Но этого в современной метрологии, говорит Павел Федорович, уже недостаточно, хочется различать 10 миллиардных и более.

«Синхронный усилитель — это не товар, который лежит на полке в магазине, это специфичное средство измерений, но если посмотреть на объем публикаций в мире, в которых упоминаются подобные приборы, то это тысячи ссылок в год, потому что все высокоточные измерения сигналов, скрытых в шумах, обычно опираются на показания этих приборов», — говорит ученый. Основное применение прибора — использование в метрологической практике, в центрах стандартизации, метрологии и испытаний, при поверке и калибровке любых преобразователей физических величин в напряжение.

Сигналы под синфазным шумом

Еще одно применение прибора - он позволяет измерять сигналы под синфазным шумом. Если на сигнал «смотреть» обычным осциллографом, то за шумовой дорожкой можно не увидеть полезного сигнала. Синхронный усилитель, разработанный в ТПУ, позволяет выделить этот сигнал из-под шума и показать его реальное значение.

«Помеха в виде синфазного сигнала присутствует при измерениях разности в экспериментах всегда. Этот сигнал находится в одной фазе с измеряемым сигналом, суммируется с ним и “зашумляет”. Многие разработчики бьются над тем, чтобы его подавить. Нашей задачей было сделать так, чтобы сначала синфазный сигнал был меньше того сигнала, который мы хотим измерить, а потом уже выделить из-под общих шумов то, что нам нужно. Чтобы найти сигнал под шумом, о нем нужно знать хотя бы один параметр — либо амплитуду, либо фазу, либо частоту. В синхронных усилителях опираются на частоту. Если мы ее знаем, то практически всегда из-под любого шума выделим нужный нам сигнал». Это качество прибора востребовано при проведении экспериментов физиками, химиками, учеными, занимающимися оптикой, и так далее.

От аналога к цифре

Аспирант Бьен Буй Дык работает сейчас над тем, чтобы сделать цифровой вариант прибора. «Есть преимущества в том, что прибор аналоговый, — говорит аспирант. — Он сам по себе создает меньше шума и может быть более точным, но при этом он более громоздкий и имеет не такое быстродействие, как цифровые аналоги. Мир сейчас старается все делать в цифре. И задача, которую я ставлю перед собой в своей диссертационной работе, — максимально перевести работу прибора в цифру без потери и даже с повышением чувствительности прибора, улучшить его характеристики и при этом сделать его более компактным, более быстродействующим. Вся необходимая нам информация сразу будет видна на экране компьютера». В планах ученых - получить цифровой вариант прибора и выводить его на рынок.

Без точности сегодня никуда

Точность нужна в научных исследованиях и проверке качества, в испытаниях и прогнозировании, в промышленности, медицине, да и в повседневной жизни. Требования к точности средств измерения физических величин растут год от года, и это стимулирует постоянное совершенствование измерительной техники. Как раз сейчас Международное бюро мер и весов переходит от материальных эталонов единой системы измерений к фундаментальным единицам, и в мире идет разработка новой эталонной базы, основанной на физических эффектах. Килограмм, метр, ампер и так далее - это мировые константы, у них есть первичный эталон, с которым страны сравнивают свои национальные эталоны, а им в свою очередь должны соответствовать все остальные средства измерений. Простыми методами разницу между высокоточными эталонами не измеришь, поэтому ученые разрабатывают для сравнения специальные приборы.

Подготовил Сергей Мазуров