Современная электроника №8/2021

ИНСТРУМЕНТЫ И ОБОРУДОВАНИЕ 17 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 8 2021 ным разности этих частот. Наконец, времяимпульсный метод основан на применении интегрирующих схем постоянного напряжения, для кото- рых время интегрирования пропор- ционально задержке распростране- ния ультразвука в среде, передаваемой в трубопроводе. Функциональность каждой из частей УПП состоит в излучении ультразвуко- вых импульсов в месте установки и их регистрации, когда импульсы форми- руются другим УПП. Требование по точности и надёжности работы уль- тразвуковых расходомеров устанав- ливает необходимость однозначно- го распознавания таких импульсов на фоне механических вибраций, акусти- ческого шума и других воздействий, почти всегда присутствующих в про- мышленных условиях. Как отмечает- ся в [6], устройства на основе пьезоэф- фекта чаще всего представляют собой ёмкостную нагрузку, т.е. реактивная часть их сопротивления отрицательна. На практике конструкция УПП обычно предусматривает использование ряда пьезоэлементов с последовательно- параллельным соединением, что повы- шает эффективность излучения ультра- звуковых волн, чувствительность при их приёме и нагрузочную способность. Наличие дополнительных соединений внутри УПП, а также штатного кабеля для подключения к расходомеру дела- ет неопределённым характер импе- данса такой составной нагрузки. Для наиболее эффективного использова- ния выходной мощности импульсного генератора, питающего УПП, требуется предпринять меры по их согласованию по импедансу. Сходная картина возни- кает на приёмной стороне. Диаграмма Боде может быть постро- ена для четырёх- либо трёхполюсника. Между тем УПП являются несимметрич- ным двухполюсным устройством, ввиду чего результаты измерений АЧХ и ФЧХ непосредственно с импедансом соот- нести невозможно. Однако диаграм- ма Боде всё же может использоваться в качестве исходных данных для рас- чёта импеданса, если применить схе- му измерений, показанную на рис. 3, в которой для определённости указан использовавшийся в эксперименталь- ной части работы тип осциллографа – R&S RTM3004. При оценке зависимо- сти импеданса УПП от частоты Z ( f ) с её использованием следует учитывать входное сопротивление осциллогра- фического канала R 01 и его ёмкость С 01 , аналогичные суммарные параметры R 0 и С 0 для канала осциллографа и проб- ника при его подключении ко второ- му каналу, а также фазовый набег ϕ p ( f ), вызванный задержкой распростране- ния сигнала в кабеле пробника, если перед измерениями не была выполне- на её компенсация. Вопрос о компенсации фазового набега пока оставим в стороне, под- робно его необходимость и способ осуществления освещены в экспери- ментальной части статьи. Для схемы измерений на рис. 3 справедлива схема замещения (на рис. 4), исходя из кото- рой может быть рассчитана функция Z ( f ) для УПП вместе с фрагментом коак- сиального кабеля до проводной врезки. Схема построена в предположении, что участок кабеля от тройника до провод- ной врезки имеет малую длину. Звено ϕ p ( f ) вносит только задержку и пока учитываться не будет. Для осциллогра- фов серии R&S RTM активное сопро- тивление осциллографического кана- ла R 01 = 1 МОм, ёмкость С 01 = 14 пФ, они выдерживаются с погрешностью не выше ±1% и ±1 пФ соответственно [11]. При построении диаграммы Боде при использовании схемы на рис. 3 опция R&S RTM-K36 в виде функций частоты f рассчитывает отношение амплитуд напряжений A(f) на входах 2 и 1 осциллографа и разность фаз между ними ϕ ( f ), причём отрицатель- ное значение фазы соответствует запаз- дыванию напряжения в канале 2. Пусть импеданс УПП Z ( f ) складывается из дей- ствительной и мнимой составляющей, т.е. Z ( f ) = R(f) +jX(f) , где . Выход- ное сопротивление генератора R&S RTM-B6 составляет 50 Ом [11], что зна- чительно меньше входного сопротив- ления осциллографического канала R 0 . Фаза ϕ ( f ) рассчитывается относительно сигнала в первом канале, принятом за опорный, причём в случае запаздыва- ния ϕ ( f ) > 0, если оно составляет менее четверти периода. Исходя из этого, если теперь для некоторой частоты при- нять амплитуды сигналов на входах 1 и 2 осциллографа равными и , то . В схеме замещения на рис. 4 имеется индуктивность L , кото- рая моделирует одновитковую индук- тивность, образованную элементами пробника. Исходя из конфигурации схемы замещения, наличием элемен- тов R 01 и С 01 для канала 1 можно пре- небречь. Учитывая, что полный импе- данс исследуемой цепи много больше, чем выходное сопротивление генерато- ра R вых , c точностью до фазового сдви- га имеем: . В уравнении (1) . После преобразований получим: . Действительная и мнимая части Z ( f ), рассчитанные для ряда частотных точек, дадут зависимости R(f) и X(f) . При этом при учёте набега фазы ϕ p ( f ) необходимо определённым образом скорректировать измеренную ЛФЧХ так, как показано в эксперименталь- ной части работы. Пример использования опции R&S RTM-K36 Объекты исследования и схемы измерений В качестве объектов исследований были выбраны: ● аттенюатор JEW 50FHB-020-10-N с предельной рассеиваемой мощно- стью 10 Вт, номинальным ослабле- нием 20 дБ и полосой рабочих ча- стот до 2 ГГц [14]; Рис. 4. Схема замещения (1) (2)