Способ поверки вольтметров среднеквадратического значения

 

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано при проектировании и поверке вольтметров среднеквадратического значения. Сущность изобретения: согласно способу поверки вольтметров среднеквадратического значения проверяемым вольтметром, имеющим разрывную функцию погрешности, измеряется сумма низкочастотного трехуровнего напряжения с нулевой постоянной составляющей и высокочастотного синусоидального напряжения с заданным среднеквадратическим значением. Определяется и фиксируется модуль погрешности результата измерения. Всю последовательность операций повторяют несколько раз, устанавливая разные значения уровней трехуровневого напряжения, ограниченные величинами ± U_n . Из зафиксированных модулей погрешности выбирают максимум и устанавливают его в качестве предела допускаемой погрешности измерения напряжения произвольной формы с упомянутым среднеквадратическим значением и амплитудой, ограниченной величиной U_m . 3 ил.

Изобретение относится к электрическим измерениям и предназначено для использования при поверке вольтметров среднеквадратического значения (СКЗ), принцип действия которых заключается в расчете СКЗ путем обработки измеренных мгновенных значений входного напряжения, при работе этих вольтметров в режиме измерения низкочастотного напряжения произвольной формы с нулевой постоянной составляющей.

Известен способ поверки вольтметра среднеквадратического значения в режиме измерения напряжения произвольной формы с нулевой постоянной составляющей с заданным среднеквадратическим значением и ограниченным коэффициентом амплитуды, заключающийся в подаче на вход поверяемого прибора образцового двухуровневого напряжения прямоугольной формы с упомянутым среднеквадратическим значением и коэффициентом амплитуды, равным оговоренной границе, измерении его и определении возникшей при этом погрешности.

Недостаток известного способа заключается в том, что он не позволяет определить максимальную возможную погрешность измерения низкочастотного напряжения произвольной формы с нулевой постоянной составляющей, так как производят измерение лишь одного образцового напряжения, то есть производят измерение двухуровневого напряжения лишь с одним набором уровней. Погрешность измерения именно такого напряжения лишь случайно может оказаться максимальной среди значений погрешности измерения напряжений других форм.

Наиболее близким техническим решением является способ поверки вольтметров среднеквадратического значения, заключающийся в подаче на вход поверяемого вольтметра образцового напряжения с заданным среднеквадратическим значением и ограниченным коэффициентом амплитуды, измерении его, определении и запоминании модуля погрешности результата измерения. Причем в качестве образцового напряжения используют трехуровневое напряжение, всю упомянутую последовательность операций многократно повторяют, при этом каждый раз задают трехуровневое напряжение с другим набором уровней, изменяя уровни в пределах, ограниченных упомянутым заданным значением коэффициента амплитуды, с заданным шагом и используя все возможные сочетания этих уровней. При каждом изменении уровней трехуровневого напряжения изменяют соотношение длительностей уровней таким образом, чтобы среднеквадратическое значение трехуровневого напряжения поддерживалось равным упомянутому заданному значению, из запомненных модулей погрешности выбирают максимум и устанавливают его в качестве предела допускаемой погрешности измерения.

Однако известно, что вольтметры СКЗ, принцип действия которых заключается в расчете СКЗ путем обработки измеренных мгновенных значений входного напряжения, имеют разрывную функцию погрешности Δ_мгн измерения мгновенных значений U_мгн входного напряжения, изображенную на фиг.1. При измерении более-менее плавно изменяющихся сигналов, например типа синусоидального, происходит усреднение "зубцов" погрешности и в этом случае погрешность вольтметра определяется только усредненной функцией погрешности, то есть кривой, проходящей через середины "зубцов". Очевидно, погрешность, определяемая "зубцами", будет проявляться только тогда, когда значительная доля измеренных мгновенных значений входного напряжения попадает на один "зубец". Исходя из этого в известном способе сформулирован "критерий 10%", согласно которому погрешность вольметра не зависит от "зубцов" функции погрешности, если не более 10% отсчетов попадают на один "зубец" функции погрешности (максимальная возможная погрешность уменьшается в этом случае на половину погрешности квантования и дифференциальной нелинейности АЦП, входящего в схему вольтметра). Этому критерию удовлетворяют подавляющее большинство реальных измеряемых сигналов, поэтому, обычно, интересует максимальная возможная погрешность измерения именно такого напряжения, удовлетворяющего "критерию 10%". Но трехуровневое напряжение не удовлетворяет этому критерию.

Целью изобретения является повышение точности поверки в режиме измерения напряжения произвольной формы с нулевой постоянной составляющей.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе поверки вольтметров среднеквадратического значения, заключающемся в том, что на вход поверяемого вольтметра подают образцовое напряжение, представляющее собой трехуровневое напряжение с заданным среднеквадратическим значением и ограниченным коэффициентом амплитуды, многократно измеряют его, определяют и запоминают модуль погрешности результата измерения, при каждом измерении задают трехуровневое напряжение с другим набором уровней, изменяя уровни в пределах, ограниченных заданным значением коэффициента амплитуды, с заданным шагом и используя все возможные сочетания этих уровней, причем при каждом изменении уровней трехуровневого напряжения изменяют соотношение длительностей уровней таким образом, чтобы среднеквадратическое значение трехуровневого напряжения поддерживалось равным упомянутому заданному значению, и постоянная составляющая была равна нулю, из запомненных модулей погрешности выбирают максимум и устанавливают его в качестве предела допускаемой погрешности измерения, формируют высокочастотное синусоидальное напряжение с постоянной амплитудой, которое суммируют с трехуровневым напряжением и используют сформированный сигнал в качестве образцового напряжения.

На фиг. 1 изображена функция погрешности измерения мгновенных значений входного напряжения; на фиг.2 - предлагаемое образцовое напряжение; на фиг. 3 - структурная схема устройства для реализации предлагаемого способа поверки вольтметров СКЗ.

Устройство содержит последовательно соединенные ЭВМ 1, интерфейс 2, прецизионный цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) 3, сумматор 4 и поверяемый вольтметр 5. На второй вход сумматора 4 поступает сигнал с генератора образцового синусоидального напряжения 6. Связь между поверяемым вольтметром 5 и ЭВМ 1 существует, если поверяется цифровой вольтметр СКЗ, имеющий кодовый выход, или отсутствует, если кодового выхода нет.

В качестве образцового напряжения предлагается (фиг.2) сумма низкочастотного трехуровневого напряжения с нулевой постоянной составляющей и высокочастотного синусоидального напряжения, амплитуда которого перекрывает несколько десятков "зубцов" функции погрешности измерения мгновенных значений (не менее 40 "зубцов"). Поскольку вся функция погрешности имеет несколько тысяч "зубцов" (обычно в вольтметрах такого типа используются АЦП, имеющие 11 и более двоичных разрядов), то видно, что амплитуда U_А синусоидального напряжения достаточно мала, по сравнению с трехуровневым напряжением. На интервале в несколько десятков "зубцов" усредненная функция погрешности практически постоянна, поэтому, проведя измерение поверяемым прибором предлагаемого образцового напряжения при разных наборах уровней трехуровневой составляющей (но при этом СКЗ образцового напряжения должно быть равно заданной величине U_c, а его амплитуда не должна превышать U_m ≅ U_c˙ K_{A max}), в качестве искомого предела допускаемой погрешности можно выбрать максимум модулей погрешности результатов измерений.

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом. ЭВМ 1 рассчитывает параметры образцового трехуровневого напряжения с нулевой постоянной составляющей (фиг.2), СКЗ которого равно U_п= , а амплитуда не превышает (U_m - U_A), где U_A амплитуда высокочастотного синусоидального напряжения. Исходными данными для расчета являются значения уровней U_i, U_j и U_к, лежащие в пределах ± (U_m - U_A). Так как среднеквадратическое значение образцового трехуровневого напряжения прямоугольной формы равно U_п, то есть = и среднее значение равно нулю U₁P₁ + U_jP₂ + Uк (1-P₁-P₂)= 0, то, с учетом системы из этих двух уравнений, значения Р₁ и Р₂ ЭВМ 1 рассчитывает по выражениям P₁= P₂= Физически реализуемым является трехуровневое напряжение, у которого 0≅ P₁ ≅1 0≅ P₂ ≅1, поэтому, если эти условия не выполняются, то такой набор уровней U_i, U_j, U_к не используется. Далее, используя программный таймер, ЭВМ 1 через интерфейс 2 подает управляющие коды на ЦАП 3 таким образом, чтобы код, соответствующий напряжению U_i , поступал на вход ЦАП 3 в течение интервала времени Р₁Т, код, соответствующий напряжению U_j ,- в течение интервала времени Р₂Т, а код, соответствующий напряжению U_к, - в течение интервала времени (1 - Р₁ - Р₂)Т. Период Т образцового напряжения выбирают соответствующим нижней границе рабочего диапазона частот поверяемого вольтметра 5. Частоту синусоидального напряжения выбирают близкой к верхней границе рабочего диапазона частот поверяемого вольтметра 5.

Следует заметить, что прямоугольное напряжение имеет спектр, состоящий из бесконечного количества гармоник, амплитуда которых с ростом номера гармоники стремится к нулю. При использовании образцового прямоугольного напряжения низкой частоты можно пренебречь частотными погрешностями поверяемого вольтметра, порождаемыми высшими гармониками, ввиду их малости.

Поверяемый вольтметр 5 измеряет образцовое напряжение, и результат измерения вводят в ЭВМ 1 (либо автоматически, через кодовый выход поверяемого вольтметра 5, либо, при отсутствии у вольтметра кодового выхода, вручную). ЭВМ 1 рассчитывает погрешность результата измерения.

Далее ЭВМ 1 выбирает новые значения уровней U_i, U_j, U_к, лежащих в пределах ± (U_m - U_A), и процедура повторяется.

Значения U_i, U_j, U_к покрывают весь диапазон возможных мгновенных значений входного напряжения произвольной формы от - (U_m - U_A) до +(U_m-U_A), причем их изменение осуществляется с некоторым выбранным шагом.

После повторения процедуры необходимое число раз ЭВМ 1 выбирает максимальное значение модуля погрешности среди полученных значений и индицирует предел допускаемой погрешности измерения низкочастотного напряжения произвольной формы, удовлетворяющего "критерию 10%", с нулевой постоянной составляющей, СКЗ которого равно U_c, а коэффициент амплитуды не превышает К_{А max}.

Формула изобретения

СПОСОБ ПОВЕРКИ ВОЛЬТМЕТРОВ СРЕДНЕКВАДРАТИЧЕСКОГО ЗНАЧЕНИЯ, заключающийся в том, что на вход поверяемого вольтметра подают образцовое напряжение, представляющее собой трехуровневое напряжение с заданным среднеквадратическим значением и ограниченным коэффициентом амплитуды, многократно измеряют его, определяют и запоминают модуль погрешности результата измерения, при каждом измерении задают трехуровневое напряжение с другим набором уровней, изменяя уровни в пределах, ограниченных заданным значением коэффициента амплитуды с заданным шагом и используя все возможные сочетания этих уровней, причем при каждом изменении уровней трехуровневого напряжения изменяют соотношение длительностей уровней так, чтобы среднеквадратическое значение трехуровневого напряжения поддерживалость равным упомянутому заданному значению, а постоянная составляющая - равной нулю из запомненных модулей погрешности выбирают максимум и устанавливают его в качестве предела допускаемой погрешности измерения, отличающийся тем, что, с целью повышения точности поверки в режиме измерения напряжения произвольной формы с нулевой постоянной составляющей, формируют высокочастотное синусоидальное напряжение с постоянной амплитудой, которое суммируют с трехуровневым напряжением и используют сформированный сигнал в качестве образцового напряжения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3