środa, 13.11.2019 - tydzień (P)arzysty
logoPolSl2019 2logoRE100
Wydział Elektryczny

sbarwinek doktorat
Tytuł:
Analiza możliwości programowej realizacji działania wybranych układów  do pomiaru składowych impedancji.
Doktorant:
Sebastian Barwinek
Promotor:
prof. dr hab. inż. Tadeusz Skubis
Promotor pomocniczy:
dr inż. Adam Cichy
Recenzenci:
dr hab. inż. Dariusz Świsulski, prof. PG - Politechnika Gdańska recenzja 
dr hab. inż. Andrzej Bień, prof. AGH - AGH w Krakowie recenzja 
Dziedzina nauk technicznych. Dyscyplina naukowa:
Elektrotechnika
Data obrony rozprawy:
04.12.2018 r.
Data nadania stopnia:
04.12.2018 r.
Streszczenie:

Przedmiotem rozprawy są wybrane układy quasi-zrównoważone do pomiaru składowych impedancji, a w szczególności problematyka związana z możliwością programowej realizacji ich działania. Bezpośrednią motywacją do napisania rozprawy była chęć zbadania grupy quasi-zerowych metod pomiaru impedancji, poznanie ich właściwości metrologicznych, możliwości programowego wspomagania ich działania, przy uwzględnieniu aktualnych możliwości techniki mikroprocesorowej i przyrządów wirtualnych oraz udoskonalenie istniejących rozwiązań.

W pracy uwzględniono aktualny stan zagadnień problematyki pracy, przedstawiony w literaturze, współczesne osiągnięcia cyfrowej techniki pomiarowej oraz własne doświadczenie w projektowaniu, badaniach i aplikacjach układów pomiarowych składowych impedancji.

W rozprawie zaprezentowano przykładowe modele matematyczne, metody syntezy, schematy oraz równania mostkowych, niemostkowych aktywnych oraz realizowanych w sposób programowy układów quasi‑zrównoważonych do pomiaru składowych impedancji w tym układów równoległych, z podwójnym quasi-równoważeniem oraz z odstrojeniem.

Metody quasi‑zerowe z detekcją kąta fazowego są metodami przemiennoprądowymi przeznaczonymi do pomiaru składowych impedancji. Posiadają cechy charakterystyczne zarówno dla metod zerowych, jaki i niezerowych. Stan wyróżniony quasi-zrównoważonych układów z detekcją kąta fazowego nie musi być stanem zerowym. Dla tego stanu jest określony kąt przesunięcia fazowego pomiędzy dwoma wybranymi sygnałami występującymi w układzie. Sprowadzenie układu do stanu quasi-równowagi osiąga się poprzez zmianę nastaw pojedynczego elementu regulacyjnego. W stanie wyróżnionym możliwy jest pomiar wyłącznie jednej wielkości związanej z mierzoną impedancją. Pomiar drugiej wielkości jest możliwy w quasi-zrównoważonych układach równoległych, z odstrojeniem lub z podwójnym quasi-równoważeniem.

Do badań wybrano algorytmy wykorzystujące pomiary w warunkach ustalonych, przy wymuszeniu sinusoidalnym. Z uwagi na powszechne zastosowanie pomiarów składowych impedancji w zakresie częstotliwości pasma akustycznego w pracy skupiono się właśnie na częstotliwościach z tego zakresu.

Przedstawiono cyfrowe algorytmy pomiaru kąta przesunięcia fazowego, które mogą być stosowane m.in. w układach quasi-zrównoważonych z detekcją fazy przeznaczonych do pomiaru składowych impedancji. Określono właściwości metrologiczne algorytmów oraz sprawdzono wpływ ich parametrów na wyniki pomiaru kąta przesunięcia fazowego. Opracowano przyrząd wirtualny (fazomierza/detektora fazy) umożliwiający badania różnych algorytmów pomiaru kąta przesunięcia fazowego. Wybrano optymalny algorytm (krótkookresowej transformaty Fouriera), mający zastosowanie jako detektor stanu quasi-równowagi oraz zbadano jego podstawowe właściwości.

Omówiono dwie opracowane koncepcje przesuwnika fazowego, zrealizowane w sposób programowy, przeznaczone do zastosowania w układach quasi-zrównoważonych, zbadano ich właściwości oraz wybrano optymalne rozwiązanie.

Zaprezentowano różne możliwości realizacji układu do pomiaru współczynnika strat dielektrycznych tgδ z wykorzystaniem metod quasi-zerowych oraz przedstawiono implementację algorytmu automatycznego quasi-równoważenia układu.

Omówiono podstawowe źródła niepewności pomiaru składowych impedancji w układach quasi-zrównoważonych realizowanych w postaci przyrządów wirtualnych oraz przedstawiono autorski sposób szacowania niepewności pomiaru, oparty na eksperymentalnym wyznaczeniu współczynników wrażliwości na niepewność wybranych wielkości wpływających.

W pracy przedstawiono realizację wirtualnego przyrządu pomiarowego wykorzystującego m.in. kartę akwizycji danych, służącego do pomiaru składowych impedancji, kąta przesunięcia fazowego oraz badania właściwości przesuwników fazowych zrealizowanych w sposób programowy. Opisano zbudowany prototypowy układ mikroprocesorowy umożliwiający zastąpienie karty pomiarowej. Pomiar składowych impedancji wykonywany jest w sposób algorytmiczny na cyfrowych próbkach sygnałów pomiarowych. Rozwiązanie takie umożliwia uproszczenie budowy przyrządu. Przetwarzanie programowe daje możliwość badania różnych algorytmów pomiarowych bez konieczności zmiany części sprzętowej układu. Wirtualne układy pomiarowe dają możliwość szybkiego wdrożenia konkretnego rozwiązania, ponieważ znacząca część procesu pomiarowego odbywa się programowo, a część sprzętowa jest ograniczona do niezbędnego minimum.

Przedstawiono wyniki pomiaru rezystancji R rezystorów, pojemności C kondensatorów rzeczywistych oraz współczynnika strat dielektrycznych tgδ. Pomiary współczynnika strat dielektrycznych tgδ przeprowadzono dla próbek drewna, dla których wyznaczono charakterystyki tego parametru w zależności od wilgotności próbki oraz dla papieru izolacyjnego. Zbadano także układ quasi-zrównoważony z odstrojeniem przeznaczony do pomiaru współczynnika strat dielektrycznych tgδ. Uzyskane wyniki pomiarów zostały porównane poprzez porównanie z wynikami uzyskanymi za pomocą przyrządów komercyjnych.

Przeprowadzone pomiary potwierdziły, że quasi-zerowe metody pomiaru składowych impedancji mają właściwości pozwalające na uznanie ich za uzupełnienie stosowanych dotychczas metod pomiaru składowych impedancji. Możliwe jest wyeliminowanie ich głównej wady, którą jest pomiar wyłącznie jednej składowej impedancji.

Wyniki pomiaru współczynnika strat dielektrycznych tgδ drewna otrzymane różnymi przyrządami pomiarowymi porównano wzajemnie i wykazano, że są one zależne od zawartości wilgoci w badanych próbkach drewna. Otrzymane wyniki potwierdzają przydatność prezentowanych rozwiązań do pomiaru elektrycznego współczynnika strat dielektrycznych i wilgotności drewna. Uzyskane wyniki są porównywalne z innymi systemami.

Przedstawione przykładowe realizacje quasi-zrównoważonych układów pomiarowych potwierdzają założony cel pracy. Programowa realizacja quasi-zrównoważonych metod pomiaru składowych impedancji umożliwiła obecnie wyznaczenie składowych impedancji z niepewnością poniżej 1%.