Способ передачи единицы переменного электрического напряжения от эталонного преобразователя калибраторам и вольтметрам для ряда частот Российский патент 2023 года по МПК G01R17/20 H03L5/00 

Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при проведении поверочных, калибровочных и регулировочных работ с калибраторами универсальными и многофункциональными группы Н4- и вольтметрами переменного тока. Отличием от известных ранее способов является сокращение временных затрат на передачу единицы переменного напряжения за счет сокращения общего количества измерительных операций¹ (¹ Здесь и далее под измерительной операцией понимается однотипная последовательность действий, заключающаяся в установке заданного значения напряжения, установлении показаний и снятии значений термоЭДС с эталонного преобразователя и поверяемого средства измерений) с проведением дополнительной оценки адекватности проведенных измерений.

Известен способ передачи единицы переменного напряжения от эталонного преобразователя напряжения, описанный в ГОСТ 8.458-82, в основу которого положено разновременное сравнение значения термоЭДС эталонного и поверяемого преобразователей на переменном напряжении опорной частоты 1 кГц со значением термоЭДС на постоянном напряжении, при условии поддержания значения термоЭДС эталонного преобразователя напряжения неизменной.

Применяемая измерительная схема, представленная на Фиг. 1, во всех далее изложенных способах одинакова и соответствует методу непосредственного сличения при передаче единицы переменного напряжения. Измерительная схема состоит из: эталонного преобразователя напряжения [1], калибратора универсального многофункционального группы Н4-, используемого в качестве источника постоянных и переменных напряжений [2], поверяемого преобразователя напряжения или поверяемого вольтметра переменного тока [3]. Отсчеты термоЭДС с эталонного и поверяемого преобразователей напряжения производятся с помощью двухканального вольтметра постоянного тока с высокой разрешающей способностью [4]. Источник [1] и вольтметр постоянного тока [4] управляются по описанному далее алгоритму дистанционно, посредством управляющей электронно-вычислительной машины (компьютера) [5].

Для определения погрешностей поверяемых средств измерений, в измерительной схеме проводятся первичные измерения и их математическая обработка. План первичных измерений состоит из последовательности измерительных операций, каждая из которых заключается в установке напряжения определенного рода с источника напряжения (U_xC), выдержке времени (в течение которого устраняется переходной процесс на эталонном преобразователе), и измерении термоЭДС преобразователей (или значения напряжения - с поверяемого вольтметра переменного тока) от напряжений различной частоты и рода (Е_хС, Volt_xC) с одним номинальным значением U_н. В результате проведения каждой измерительной операции (отсчете) регистрируются:

- результаты измерений термоЭДС эталонного преобразователя напряжения (далее по тексту присваиваются переменным с индексом Е);

- среднеквадратические значения напряжений, установленных на источнике постоянных и переменных напряжений (далее по тексту присваиваются переменным с индексом U);

результаты измерений напряжений поверяемым вольтметром переменного тока или термоЭДС поверяемого преобразователя (далее по тексту присваиваются переменным с индексом Volt).

В данном способе план первичных измерений состоит из последовательности четырех измерительных операций от напряжений одного номинального значения:

1. от переменного напряжения опорной частоты 1 кГц

2. от постоянного напряжения положительной полярности

3. от постоянного напряжения отрицательной полярности

4. от переменного напряжения опорной частоты 1 кГц, повторно

Далее расчет погрешности происходит по алгоритму, описанному в ГОСТ 8.458-82.

При использовании данного способа, общее количество измерительных операций, проводимое для переменных напряжений с одним номинальным среднеквадратическим значением и рядом из n частот определяется, как (n×4).

Известен другой способ передачи единицы переменного напряжения от эталонного преобразователя напряжения, описанный в ГОСТ 8.458-82, в основу которого положено разновременное сравнение значений термоЭДС эталонного и поверяемого преобразователей на частотах от 10 Гц до 30 МГц с их значениями на опорной частоте 1 кГц, при условии поддержания термоЭДС эталонного преобразователя напряжения неизменной.

В данном способе план первичных измерений состоит последовательности трех измерительных операций от переменных напряжений одного номинального значения различной частоты:

1. от переменного напряжения измеряемой частоты (из диапазона частот 10 Гц…30 МГц)

2. от переменного напряжения с опорной частотой (1 кГц)

3. от переменного напряжения измеряемой частоты (из диапазона частот 10 Гц...30 МГц), повторно

Далее расчет погрешности происходит по алгоритму, описанному в ГОСТ 8.458-82.

Недостатком данного способа является необходимость определения погрешности компарирования поверяемого преобразователя переменного напряжения опорной частоты относительно напряжений постоянного тока перед проведениями измерений по первому способу.

При использовании известных способов, количество измерительных операций, проводимое для переменных напряжений с одним номинальным среднеквадратическим значением и рядом из n частот, где одна из них будет опорной частотой 1 кГц, в общей сложности определяется, как (и n×3+1).

Оба известных сцособа не учитывают, что термоЭДС эталонного преобразователя напряжения постоянно изменяется во времени и зависит, как от стабильности уровня источника напряжений, так и от ряда внутренних факторов, характерных для отдельного экземпляра эталонного преобразователя. Кроме того, перед каждым измерением термоЭДС поверяемого преобразователя, известные способы требуют проведения дополнительных операций регулировки уровня напряжения по значению термоЭДС эталонного преобразователя, что не позволяет проводить измерения через равные промежутки времени. Остаточное минимальное отклонение результатов измерений термоЭДС эталонного преобразователя при этом не учитывается, что вносит дополнительную погрешность в результаты измерений.

Наиболее приближенным к предлагаемому способу является способ, описанный в ГОСТ Ρ 8.866-2014, который позволяет учитывать отклонение результатов измерений эталонного преобразователя, поскольку измерения термоЭДС и вычисления отклонений результатов измерений эталонного и поверяемого преобразователей в измерительной схеме проводятся независимо друг от друга, после чего определяется разность показаний между ними.

План первичных измерений по количеству измерительных операций, описанный в ГОСТ Ρ 8.866-2014 не отличается от описанного в ГОСТ 8.458-82, а главным отличием является разовое проведение регулировочных операций, перед началом проведения измерений, позволяющее использовать примерно равные уровни среднеквадратических значений постоянных и переменных напряжений с источника калиброванных напряжений во время проведения измерений.

Все вышеописанные способы измерений:

- позволяют передавать единицу переменного напряжения только для термоэлектрических преобразователей, результат погрешности которых выражается в относительной форме;

- неприменимы для передачи единицы переменного напряжения таким средствам измерений, как калибраторы универсальные многофункциональные группы Н4- и вольтметры переменного тока;

- описывают передачу единицы переменного напряжения одного номинального среднеквадратического значения и одной частоты.

Целью предлагаемого изобретения является сокращение временных затрат на передачу единицы переменного напряжения при измерениях с одним номинальным напряжением на частотах за счет сокращения общего количества измерительных операций с проведением дополнительной оценки адекватности проведенных измерений.

Поставленная цель достигается изменением плана проведения первичных измерений и заключается в возможности получить результаты измерений сопоставимой точности, при сокращении общего количества измерительных операций. Для передачи единицы переменного напряжения с одним номинальным среднеквадратическим значением U_н и рядом различных частот, первичные измерения проводятся в сокращенной последовательности.

Предлагаемый способ измерений применим при передаче единицы переменного напряжения одного номинального среднеквадратического значения U_н для частотного ряда, состоящего из двух и более частот (n≥2). При этом, используется эталонный преобразователь напряжения одного номинального значения.

План проведения первичных измерений состоит из следующей последовательности измерительных операций:

- от постоянного напряжения положительной полярности

- от постоянного напряжения отрицательной полярности

- от переменного напряжения частотой

- от переменного напряжения частотой

- от постоянного напряжения отрицательной полярности

- от постоянного напряжения положительной полярности

При использовании данного способа, общее количество измерительных операций, проводимое для переменных напряжений с одним номинальным среднеквадратическим значением и рядом из n частот определяется, как (n+4).

Преимуществом данного способа, по сравнению с известными, является проведение существенно меньшего количества измерительных операций при передаче единицы переменного напряжения на частотах с одним номинальным среднеквадратическим значением.

За длительное время проведения последовательности измерений вероятен дрейф термоЭДС эталонного преобразователя, который необходимо учесть по окончании измерений, произвести оценку адекватности проведенных измерений и откорректировать результаты измерений. Для этого вычисляется два значения дрейфа термоЭДС по показаниям термоЭДС от напряжений постоянного тока положительной и отрицательной полярностей, которые должны составить сопоставимые значения.

То есть, оценка адекватности учета дрейфа термоЭДС во времени и стабильности проведенных измерений устанавливается по равенству значений дрейфа термоЭДС от напряжений положительной и отрицательной полярностей до и после проведения измерений на ряде переменных напряжений:

где n - количество частот в ряду.

Значения и «n+1» и «n+3» в знаменателях формулы (3) описывают количество временных промежутков для учета линейного приращения (дрейфа) термоЭДС эталонного преобразователя при условии измерения термоЭДС через равные промежутки времени. Это легко достижимо при выполнении измерений в автоматизированном режиме.

Невыполнение условия, изложенного в формуле (3), может означать либо малое значение (отсутствие) дрейфа термоЭДС, либо высокую кратковременную нестабильность термоЭДС эталонного преобразователя или источника постоянных напряжений. Установить конкретную причину возможно, оценив характеристики стабильности поверяемого преобразователя или вольтметра переменного тока по такому же алгоритму. Если они повторяют поведение эталонного преобразователя, то нестабильность вызвана работой источника. В противном случае требуется провести проверку работоспособности эталонного преобразователя.

Опорное значение термоЭДС, измеренное до проведения измерений на ряде частот E_{DC_0} определяется, как среднее арифметическое из термоЭДС положительной и отрицательной полярностей:

Таким же образом определяется и опорное значение термоЭДС, измеренное после проведения измерений на ряде частот

После этого, вычисляется дрейф термоЭДС по постоянному напряжению за время проведения измерений ΔE_DC:

Следовательно, коррекция термоЭДС для каждого измерения на i-той частоте будет вводиться, как:

где i - номер частоты из ряда частот;

n - количество частот в ряду с одним номинальным значением.

Добавление значения 0,5 к «i» (от 1,5 до «n+0,5») в числителе формулы (7) вызвано необходимостью правильного отсчета линейного дрейфа термоЭДС эталонного преобразователя во времени - между медианными временными отметками от измерений на постоянном токе (т.е., учитывая момент времени между измерениями термоЭДС преобразователя положительной и отрицательной полярности). По этой же причине используется добавление значения 2 к «n» (3, за вычетом номера частоты).

В дальнейшем, при определении погрешностей используются только откорректированные значения термоЭДС и усредненное опорное значение термоЭДС по постоянному току E_DC:

Предлагаемый способ допускает отсутствие регулировочных операций источником напряжений, что с одной стороны способствует совместимости с ранее известными способами, а с другой стороны способствует повышению производительности измерений. Проведение регулировочных операций поверяемых средств измерений допускается проводить только на напряжениях переменного тока. На напряжениях постоянного тока регулировка недопустима, поскольку она должна быть выполнена до проведения измерений с эталонным преобразователем и является опорным значением.

По результатам корректировки термоЭДС, производится расчет отклонения результатов измерений переменного напряжения, полученных в ходе измерений эталонным преобразователем по отношению к постоянному и выраженный в относительной форме

где N=1 в случае применения эталонного преобразователя с линейной функцией преобразования (по ГОСТ Ρ 8.866-2014) и N=2 в случае применения эталонного преобразователя с квадратичной функцией преобразования (по ГОСТ Ρ 8.866-2014).

Результат отклонения установки напряжения переменного тока относительно напряжений постоянного тока на источнике вычисляется следующим образом:

В случае, если в ходе проведения измерений с источника устанавливаются равнономинальные значения напряжений, то результат отклонения обнуляется.

Привязка результата измерений эталонным преобразователем напряжения к шкале воспроизведения переменного напряжения поверяемого источника напряжений i-й частоты выполняется в форме расчета действительного значения переменного напряжения, воспроизведенного источником и определяется, как:

Где - значение относительной систематической погрешности

компарирования напряжения переменного тока i-й частоты к напряжению постоянного тока эталонного преобразователя.

Результат измерений отклонения напряжения переменного тока относительно напряжений постоянного тока поверяемого преобразователя (или поверяемого вольтметра переменного тока), выражаемый в относительной форме вычисляется следующим образом:

где N=1 в случае применения вольтметра переменного тока или поверяемого преобразователя с линейной функцией преобразования (по ГОСТ Ρ 8.866-2014) и N=2 в случае применения поверяемого преобразователя с квадратичной функцией преобразования (по ГОСТ Ρ 8.866-2014).

Следовательно, систематическая погрешность компарирования поверяемого преобразователя напряжения переменного тока относительно напряжения постоянного тока (или относительная погрешность измерений вольтметра переменного тока) будет определяться с учетом систематической погрешности эталонного преобразователя, как:

При поверке вольтметра переменного тока, необходимо привязать результат измерений к шкале измерений переменного напряжения поверяемого вольтметра переменного тока. Результат измерений, отображаемого вольтметром переменного тока выражается в форме среднеквадратического значения напряжения переменного тока i-й частоты, при условии подачи на него переменного напряжения со значением, приближенным к номинальному U_н:

Кроме описанного формулами (1) и (2) равенства значений оценка адекватности проведенных измерений происходит с помощью отслеживания разности показаний значений эталонных и поверяемых средств измерений, работающих в измерительной системе мажоритарным методом. Всего в измерительной системе используется три средства измерений: источник напряжений, эталонный измерительный преобразователь и поверяемый вольтметр переменного тока или преобразователь (далее - поверяемое средство измерений - в общем случае). По результатам проведения измерительных операций проводится оценка разности показаний в трех парах: «источник -эталонный преобразователь напряжения», «источник - поверяемый поверяемое средство измерений» и «эталонный преобразователь напряжения - поверяемое средство измерений». При оценке адекватности проводятся проверки соблюдения следующих правил:

1. Если после подачи нулевого напряжения с источника, установлено наличие термоЭДС с эталонного преобразователя (показаний с поверяемого средства измерений, отличных от нулевых), то делается вывод о нарушении/отсутствии электрического контакта от источника напряжений, либо неработоспособности эталонного преобразователя (поверяемого средства измерений).

2. Если после подачи номинального напряжения U_н с источника, установлено отсутствие термоЭДС с эталонного преобразователя (показаний с поверяемого средства измерений), то делается вывод о нарушении/отсутствии электрического контакта от источника напряжений, либо перегрузке выхода с источника напряжений, либо неработоспособности эталонного преобразователя (поверяемого средства измерений).

3. Если по результатам проведенных измерений установлено значительное однонаправленное отклонение результатов измерений эталонного преобразователя и поверяемого средства измерений, разность между которыми не превышает утроенного значения допускаемой погрешности источника напряжений, то делается вывод о нарушении работы источника напряжений; Исключением из этого правила могут являться случаи, приведенные в п. 2.

4. Если по результатам проведенных измерений установлено значительное разнонаправленное отклонение результатов измерений эталонного преобразователя и поверяемого средства измерений, разность между которыми не превышает утроенного значения допускаемой погрешности поверяемого средства измерений, проводится анализ на предмет совпадения отклонения результатов измерений с погрешностью установки напряжения источником. Наличие метрологического отказа определяется по наибольшему значению отклонения результатов измерений соответствующих составных частей измерительной схемы (источник, либо эталонный преобразователь, либо поверяемый преобразователь или вольтметр переменного тока).

Первые два правила оценки на адекватность проводятся при опробовании средств измерений, а остальные после каждой измерительной операции в последовательности измерений.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет сократить временные затраты на передачу единицы переменного напряжения от эталонного преобразователя калибраторам универсальным и многофункциональным группы Н4- и вольтметрам переменного тока с сопоставимой точностью, за счет сокращения общего количества измерительных операций с проведением дополнительной оценки адекватности проведенных измерений.

Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при проведении поверочных, калибровочных и регулировочных работ с калибраторами универсальными и многофункциональными группы Н4 и вольтметрами переменного тока. Способ передачи единицы переменного электрического напряжения от эталонного преобразователя напряжения калибраторам универсальным и многофункциональным группы Н4 и вольтметрам переменного тока включает проведение первичных измерений, состоящих из общего количества (n+4) измерительных операций для ряда n частот, определение опорной термоЭДС до и после проведения измерений на ряде частот, вычисление двух значений дрейфа термоЭДС по показаниям термоЭДС от напряжений постоянного тока положительной и отрицательной полярностей, проведение оценки адекватности посредством учета дрейфа термоЭДС во времени и стабильности проведенных измерений, которая устанавливается по равенству значений дрейфа термоЭДС от напряжений положительной и отрицательной полярностей до и после проведения измерений на ряде переменных напряжений, при этом для передачи единицы переменного электрического напряжения проводится дополнительная оценка адекватности проведенных измерений с помощью отслеживания разности показаний значений средств калибратора, эталонного и поверяемого средств измерений. Технический результат - сокращение общего числа измерительных операций с эталонным измерительным преобразователем напряжения, привязка к шкалам измерений поверяемых приборов и наличие возможности проведения дополнительной оценки адекватности проведенных измерений. 1 ил.

Способ передачи единицы переменного электрического напряжения от эталонного преобразователя напряжения калибраторам универсальным и многофункциональным группы Н4 и вольтметрам переменного тока, включающий проведение первичных измерений, состоящих из общего количества (n+4) измерительных операций для ряда n частот:

- от постоянного напряжения положительной полярности

- от постоянного напряжения отрицательной полярности

- от переменного напряжения частотой

- …;

- от переменного напряжения частотой

- от постоянного напряжения отрицательной полярности

- от постоянного напряжения положительной полярности ,

определение опорной термоЭДС до и после проведения измерений на ряде частот, вычисление двух значений дрейфа термоЭДС по показаниям термоЭДС от напряжений постоянного тока положительной и отрицательной полярностей, проведение оценки адекватности посредством учета дрейфа термоЭДС во времени и стабильности проведенных измерений, которая устанавливается по равенству значений дрейфа термоЭДС от напряжений положительной и отрицательной полярностей до и после проведения измерений на ряде переменных напряжений, при этом для передачи единицы переменного электрического напряжения проводится дополнительная оценка адекватности проведенных измерений с помощью отслеживания разности показаний значений калибратора универсального и многофункционального группы Н4, эталонного преобразователя напряжения и поверяемого вольтметра переменного тока мажоритарным методом.