Способ метрологической поверки универсальных многодиапазонных приборов сравнения Советский патент 1989 года по МПК G01R17/10 

Изобретение относится к области электрических измерений и может быть использовано при метрологической поверке универсальных многодиапазонных приборов сравнения, главным образом мостов переменного тока, ветвь объекта измерений и ветвь сравнения у которых разделены и содержат независимые регулируемые блоки, а входящие в них элементы не имеют взаимной метрологической связи.

Цель изобретения - упрощение процесса поверки за счет сокращения количества измерений.

На фиг.1 приведена принципиальна схема универсапьного многодиапазонного трансформаторного моста переме кого тока, подвергаемого метрологической поверке; на фиг, 2 - обобщенная измерительная цепь трансформаторного моста; на фиг, 3 - график распределения погрешностей при поверке трансформаторного моста; на фиг, 4 - геометрическое представление зоны гистерезиса цифрового автоматического моста переменного тока.

Трансформаторный мост содержит источник 1 питания, трансформатор 2 напряжения с первичной обмоткой 3, масштабный делитель 4 ветви объекта измерения, включающий в себя вторичную обмотку, 5 трансформатора 2, де- кадьгый делитель 6 ветви сравнения, включающий в себя вторичную обмотку 7 трансформатора 2, коммутаторы 8 - 10, образцовые меры 11-13, объект 1 измерения и детектор равновесия.

Масштабный делитель 4 ветви объек та 14. измерений может включать в себя такие вспомогательные измерительные элементы, к ак трансформатор пределов, прецизионный операционный усилитель или повторитель напряже- ния, используемые для расширения диапазонов измерений, формироваття квадратурного напряжения,и т,п,, а в качестве .образцовых мер П - 13 могут быть использованы как пассивные,так и активные (эквиваленты) меры.

Предполагается также, что между элементами и узлами ветви объекта измерения и ветви сравнения отсутствует взаимное влияние или оно характеризуется пренебрежимо малой вели- чиной, что имеет место-в трансформаторных измерительных мостах переменного тока.

Необходимый диапазон измерений в мосте выбирается ре.гулировкой числа витков обмотки 5 трансформатора 2 напряжения. Уравновешивание внутри выбранного диапазона осуществляется регулировкой числа витков обмотки 7 трансформатора 2 напряжения, входящей в декадный делитель 6 ветви сравнения. Выбор характера измеряемой величины сопровождается сменой вида образцовых мер 11-13, осуществляемой при поморш коммутаторов 8-10,

Состояние равновесия моста анализируется и фиксируется при помр1ди детектора равновесия.

ю6900 4

Обратимся к более общему виду измерительной цепи рассматриваемого трансформаторного моста, которая I представлена на фиг,2, Уравнением равновесия ее является равенство

IK

(1).

где 1 - ток, протекающий через

объект 14 измерения; 1д - ТОК, протекающий через об разцовую меру 11, Токи 1 и 1д , определяются из выражений

I.

UrK

(2)

Ur

к.

(3)

де и к„, К, 1

z« напряжение источника питания;

коэффициенты передачи напряжения масштабного делителя 4 объекта 14 измерения и декадного делителя 6 ветви сравнения соответственно; импеданс объекта измерения и образцовой меры 11 соответственно.

25 30

35

Сравнивая (2),(З) и (l), найдем выражение для измеряемого импеданса

25 30

их

17Кп,

О К к

(4)

Используя уравнение (4), проведем анализ погрешностей измерения моста, 40 С учетом погрешностей, вносимых делителями 4 и 6, уравнение (4) можн 6 записать следукхцим образом,

(Zo +

к„,( ...

(5)

К

.) 2o -f О + 8 ).

(6)

откуда где

Из (6) следует

откуда где

S. ..

т

к

(7)

.х суммарная погрешность измерения моста; погрешность образцовой меры;

В погреганость, вносимая неи- делльностью масштабного делителя 4 ветви объекта 14 измерений;

к погреганость, вносимая неи- деальностью декадного делителя 6 ветви сравнения, Представим каждую из составляющих равой части уравнения (7) в виде уммы двух погрешностей

+ uSJ

С о

г,

Sr« 5

+ &.

S. S

О)

ь8

К

(8) (9) (10)

где

{,0

о 2 погрешность образцовой

меры, используемой при измерении первой измеряемой величины, например ем- кости;

°Zo приращение погрешности моста, возникающее при измерении i-й измеряемой величины и связанной с включением другой образцовой меры, соответствующей .характеру i-й измеряемой величины;

тд погрешность маср1табного делителя 4 ветви объекта 14 измерений, соответствующая основному диапазону . измерений; до„ - приращение погрешности

вносимое масштабным делителем 4 при переходе на га-й диапазон измерений; погрешность декадного делителя 6, соответствующая первой (основной) числовой отметке старшей декады на основном диапазоне измерений;

прирашение погрешности декадного делителя, возникающее при переходе декадного делителя в состояние, соответствующее k-й числовой отметке старшей декады на основном диапазоне измерений ,

Тогда выражение для общей погрешости моста примет вид

f..,

о- й(..

то

(11)

1456900

или после гр5Т1пировки

5 z. 0 Л«7 (12)

где

5. . +.и .

т,, 0(0

(13)

0

5

0

5

Рассмотрим особенности реализации способа метрологической поверки.

Вначале определяют приращение погрешности йОц внутри основного диапазона измерений путем измерения мер физической величинь, значения которых соответствуют всем числовым отметкам старшей декады декадного делителя 6 ветви сравнения. Предполотким, что первой измеряемой величиной является емкость С, а основной диапазон измерений ограничен значениями емкости, равными 1000 и 9999 пФ, В этом случае к мосту подключают и измеряют последовательно меры емкости с номинальными значениями 1000, 2000, 3000,.,,, 9000 пФ, после чего для каждого результате измерений опреде- , ляют приращение &5 по формуле

(14)

: SI - SI,

30 где S , Si

35

40

45

- Погрешности измерения емкости, соответствующие основной и k-й числовым отметкам соответственно,

В этом режиме в ветви сравнения моста при помощи коммутатора 8 включается внутренняя образцовая мера 11, имекщая емкостный характер.

Затем определяют погрешность измерения емкости S на остальных диапазонах путем измерения мер емкости с номинальными значениями, соответствующими одной и той же, например,основной числовой отметке для каждого т-го диапазона измерений, и находят приращение погрешности и5 , возникающей при смене состояния масштабного делителя 4, для каждого т-го диапазона по формуле.

ai 81 - S

(15)

и)

Для уяснения этого этапа проце- дуры поверки обратимся к графику распределения oпpeдeляe fыx погрещ- ностей, представленному на фиг,3. На оси абсцисс расположены числовые отметки k, на оси ординат - значения относительной погрешности , Кривая I изображает зависимость погperaHocfH uS от k, т.е. дS f(k) кривая II .- зависимость погрешности iS от k на m-диапазоне, т.е.

uS f(k,Tn). При и Ио + 1 , гдв ; (1Пр - основной диапазон, кривая II отображае зависимость „ f(k).

В этом случае для получения значений необходимо измерять меры емкое- ти следующих номинальных значений: 10000, 20000, 30000,...,90000 пФ. Началу кривой соответствует значение емкости, равное 10000 пФ (основная числовая отметка).

Анализируя график распределения погрешностей, представленный на фиг.З, и выражения (12) - (15), легко видеть, что для-получения зависимости ti. f(k,n) нет необходи- мости осуществлять все k - измерений на всех т-диапазонах и что любая точка этой зависимости может быть найдена -аналитически путем вычислений на основании S , , и,.

Дапее прибор переводят в режим измерений следующей измеряемой величины, , например ивдуктйвности L. В этом случае в ветви сравнения при помощи коммутатора 8 вклю- чается образцовая мера 12, имеющая индуктивный характер.

тем определяют погреиность

внутри основного диапазона путем измерения меры ивдуктйвности с номинальным значением, соответствующим основной числовой отметке ()5 и находят uS

приращение

0

по формуле

s

К - (0

(16)

-где

Ri- г.

погрешность прибора,вызванная сменой характера, внутренней образцовой меры.

Аналогичную операцию осуществля- Ьт для последующей измеряемой в.ели- чины, например активного,сопротивления R. В этом случае в ветви сравнения при помощи коммутатора 10 включается образцовая мера 13, имеющая характер активного сопротивления, а

. лК

приращение погрешности .До находят

по формуле

А-8 Si - SI

(17)

Zo 0 (

После проведения указанных операций погрешность измерения моста для

любой k-й числовой отметки на любом т-диапазоне измерений для любойЧ-й измеряемой физической величины определяют по формуле

5, s :° йС -busSus;

44)

,(18)

5

0 5

0

5

0

5

0

5

делены при измерении основной измеряемой величины.

Найденные таким образо метрологические характеристики сравнивают с паспортными данными на прибор и судят о его метрологической пригодности.

Предложенный способ поверки позволяет также упростить определение погрешности tiS внутри основного

диапазона измерений. Упрощение достигается путем использования мер физической величинь равнономинальных значений. Допустим, как -это уже обуславливалось, основной измеряемой величиной является емкость. Тргда для определения погрешности Л&ц внутри основного дтшпазона необходимо иметь. IB наличии 9 высокоточных мер емкости, номинальное значение каждой из которых соответствует каждой числовой отметке первой декады прибора, т.е. пропорционально числам 1, 2, 3,.с.,9, что существенно затрудняет поверку.

Это обстоятельство можно.истшю- чить, применив п равнономинальных мер емкости, соответствующих либо начальной, либо конечной числовой отметке о.тносительно низкого класса точности. При поверке, например,прибора, имеющего класс точности 0,02 - 0,05, можно использовать меры класса точности 0,2-0,5, т.е. на порядок ниже. При этом каждую из п мер низкого класса точности измеряют при помощи поверяемого прибора, затем путем параллельного соединения мер образуют эквивалентную меру с номинальным значением, соотве ств тощим k-й числовой отметке первой декады, и измеряют ее значение, а погрешность uS

определяют по формуле

к ,

д5..-iiL: ±..™:-.. (19)

oW k

где A

И(

р«СЧ

расч .

- эквивалентное значение параллельно соединенных п мер, найденное рясчетным путем;

значение, найденное путем измерения.

При отсутствии равнономинальных мер физических величин определение приращения погрешностей л8 ° и

ft о

.т может быть проведено при использовании других, менее точных мер, в качестве которых могут быть использованы такие широко распространенные элементы, как резисторы типа МИТ, С2-29 и др., конденсаторы КСО, КЗ 1-1 О и им подобные элементы, Дпя этой цели используют меры, действительные значения которых находятся в зоне гистерезиса декадного делителя для каждой Тс-й числовой отметки и в зоне гистерезиса между диапазонами.

В цифровых автоматических мостах переменного тока гистерезис вводится для устранения функциональной неустойчивости системы уравновешивания на границах диапазонов, а также в окрестностях размена первой (старшей) декады с младшими, второй декады с младшими и т.д. Рассмотрим кратко работу цифрового автоматического моста при прохождении границ зоны гистерезиса между диапазонами и внутри декадного делителя при разменах декад. Это удобно сделать,-используя геометрическое представле- ни.е зоны гистерезиса, приведенное на фиг.4. Точка а соответствует набору на декадном делителе, равному (9,999.. .)j(l , точка б - набору на декадном делителе, равному (10,00... ...)«1 на соседнем диапазоне. Параллелограмм адег образует зону гистерезиса, ограничивающую состояния уравновешивающего элемента, которые он может принимать в процессе уравновешивания для исключения циклических переходов схемы уравновешивания из точки а в точку б и обратно.

Легко видеть, что при измерении меры, значение которой находится в зоне гистерезиса, система уравновешивания в зависимости от направления уравновешивания может принимать два состояния, соответствующие одной и той же точке равновесия. Например, если уравновешивание осуществляется от меньших измеряемых вели45690010

чин к большим (это направление указано стрелкой л), система уравновешивания может принять состояние, соот- g ветствукяцее отрезку ад, что соответствует отсчетам (9.9N9...) 1, (9,99N...)x 1, где N 10, а если уравновешивание осуществляется от больших измеряемых величин к мень- 10 шим (стрелка В), система уравновешивания может принять состояние, соответствующие отсчетам (09,99.. .)« 1 (0,9,Ш9)И и т.д. (отрезок Д).

15 При сокращении числа измерений сократится и время, затрачиваемое на проведение поверки. Часть процедуры поверки, связанная с вычислениями, может осуществляться при по20 мощи микро-ЭВМ, что также уменьшает затраты времени и снижает трудоемкость поверки.

Общим эффектом реализации способа является упрощение поверки и повы25 шение производительности труда при ее проведении.

Формула изобрет-ения

30 1. Способ метрологической поверки универсальных многодиапазонных приборов сравнения, заключающийся в том, что измеряют значения мер физических величин, определяют отно-

35 сительнуто погрешность при каждом измерении по, формуле

«я А /

L

яр

ч

100%,

40

где А„р

- показание отсчетного

устройства прибора; А- - действительное значение

меры физической величины, и определяют погрешность измерения дц для всех числовы-х отметок первой (старшей) декады прибора внутри основного диапазона измерений т основной измеряемой величины 1, отличающийся тем, что, с целью gg упрощения процесса поверки, выбирают в качестве .опорной относительную погрешность на первой числовой отметке, принятой зА основную, измеряют основную измеряемую физическую величину на всех числовых отметках

55

первой декады основного диапазона измерений, одределяют приращения погрешности (n) на всех остальных (k-ых) числовых отметках по формуле

(Ч

1,1

S °

ы

производят на всех остальных диапазонах измерения значений основной измеряемай величины, равных N 10, где N - мантисса числового значения измеряемой величины, т - номер диапазона измерений, и определяют прира щение погрешностей 4 5, по отношению к опорной погрешности по формуле

ЛС,., «,/0 - i l

mor m(,)

т,Ы

к i,

где - погрешность измерения основной измеряемой неличин на т-м диапазоне,

затем внутри основного диапазона измерений поочередно измеряют остальные физические величины, мантиссы числовых значений которых соответствуют числу W, и определяют приращения погрешностей для каждого из этих измерений по°отношению к опорной погрешности по формуле S К °

оИ1 (| °rtio.(0

где Ото(1 погрешность измерения 1-й измеряемой величины на основном диапазоне,

и .определяют искомую погрешность т(.к) любой i-й измеряемой физической величины по формуле

-(к) ;,и1 (,, -

(0

используя по одному соответствующему результату измерений из каждой упо- мянутой выше группы проведенных измерений,

2. Способ по п., о т л и ч а ю - Щ и и с я тем, что при помощи по

4569ПО 12

веряемого прибора измеряют п равно- номинальных значений физической величины, соответствующих начальной g (конечной) числовой отметке основного диапазона, затем измеряют эквивалентное значение параллельно (или последовательно) соединенных k мер, соответствующих k-й числовой от|4ет- 10 ке, а приращение погрешности uJ ° ,

определяют подформуле

f-А А л, . кГТ

)-

,РС1СЧ

1

где - эквивалентное значение параллельно (или последовательно) включенных k-мер, найденное расчетным путем; измеренное поверяемым прибором это же эквивалентное значение. 3. Способ по пп, 1 и:2, о т л и- 2g ч а ю щ и и с я тем, что приращение погрешности S . , определяют как

loVKj

относительную разность результатов первого и второго измерений значений k мер физически: величин по формуле .30 : А-р - А .

йО„ ,,,,:

Ал

motyr II

Апр Ал

Ч

-лС .

35 где А„ , А - показания прибора,

соответствующие первому и второму изме- . рениям одного и того же значения измеряемой величины в точках зоны декадного гистерезиса в окрестности k-й числовой отметки;

40

45

А/ - действительное значение меры.

Изобретение относится к области электрических измерений, в частности к поверке мостов переменного тока. Цель изобретения - упрощение метрологической поверки и повышение производительности труда за счет сокращения количества измерений. Аттестация прибора осуществляется измерением основной измеряемой физической величины на основной числовой отметке основного диапазона измерений, и той же величины на k-й числовой отметке того же диапазона, а также той .же величины на п-м диапазоне измерений и 1-й измеряемой величины в основной точке основного диапазона измерений. Алгоритм определения искомой погрешности определяется как сумма погрешностей первого из упомяну- тых измерений (опорной погрешности) и приращений погрешностей по.отношению к этой опорной при остальных измерениях. Кроме того, измеряют физическую величину, реализуемую в виде соединения группы мер и каждой из этих мер в отдельности, измер5пот значения группы мер измеряемой величины в зонах декадного и диапазонного гистерезиса, определяют искомую погрешность по результатам этих измерений. Все это позволяет по результатам одной и той же сравнительно небольшой группы измерений опреде- - лить погрешности измерения прибора в любой произвольной точке диапазона измерений любой измеряемой физической величины. 2 з.п.ф-лы, 4 ил. W е « ш

c//fi

/4/г/

Фие.2

О 1 г J «55 78 9 JO

Фиг.