Поверка цифрового вольтметра Щ-304

Введение.

          Измерение тока и напряжения являются основными при исследовании различных устройств и при контроле их работы. Однако, в радиотехнике преобладающее значение имеет измерение напряжения, а к измерению токов прибегают в довольно редких случаях. Это обусловлено тем, что для описания работы различных радиотехнических устройств используют преимущественно напряжение , а не  токи, и экспериментально приходиться измерять эти напряжения. Измерение напряжений в электронных схемах отличаются от подобных измерений в электрических цепях, что объясняется специфическими особенностями электрических сигналов, используемых в электронике и радиотехнике:

-          исключительно широкой областью частот – от постоянных до СВЧ (2Ггц);

-          большой диапазон измеряемых значений напряжений – от долей микровольта до десятков киловольт;

-          малой мощностью источника напряжений.

Измеряют напряжение в электронных и радиотехнических устройствах преимущественно электронными вольтметрами.

          Классифицировать электронные вольтметры можно по различным признакам:

-          по видам, т.е. по назначению – постоянного тока, переменного тока, импульсного тока, фазочувствительные, селективные, универсальные;

-          по типу отсчетного устройства – аналоговые и цифровые;

-          по методу измерения – прямого сравнения с мерой и нулевые   (компенсационные);

-          по измеряемому параметру напряжения – пиковые (амплитудные, среднеквадратического и средневыпрямленного значения;

-          по частотному диапазону – НЧ, ВЧ, СВЧ и широкодиапазонные;

-          по схеме входа – с открытым и закрытым входом.

При рассмотрении электронных вольтметров, прежде всего, будем делить всю совокупность этих приборов на две большие группы: аналоговые и цифровые. Цифровые вольтметры широко распространены в технике измерения напряжений постоянного и переменного тока. это объясняется многими их достоинствами: высокой точностью, широким диапазоном измерений при высокой чувствительности, отсчетом в цифровой форме, автоматическими выборами пределов и полярности, относительной простотой осуществления документальной регистрации показаний, возможностью получения результатов наблюдений в форме удобной для ввода в ЭВМ, возможностью выхода на интерфейсную шину и включения в состав измерительно-вычислительного комплекса.

Основные недостатки цифровых вольтметров: сложность схемы, более высокая стоимость и меньшая надежность, чем у аналоговых, большие габариты. Однако, достижения в области микроэлектроники способствуют устранению или уменьшению этих недостатков.

При измерении напряжения постоянного тока определяют его значение. Целью измерения напряжения переменного тока является, как правило, нахождение значения какого-либо его параметра. Напряжение переменного тока характеризуют четырьмя основными параметрами: пиковым, средним, средневыпрямленных и среднеквадратическим значениями.

Пиковое значение Um (амплитудное – для  синусоидальных сигналов) – наибольшее мгновенное значение напряжение за время измерения (или за период, при разнополярных, несимметричных кривых напряжения различают положительное и отрицательное пиковые значения).

Среднее значение за время измерения (или за период) это – постоянная составляющая напряжения:

U0=

Средневыпрямленное значение –это среднее значение модуля напряжения :

Uсрв=

Среднеквадратическое значение напряжения :

U=

Каждому закону изменения напряжения соответствует определенные количественные соотношения между Um , Uсрв и U.  Эти соотношения оценивают коэффициентами амплитуды а = и формы Кф= .  Так для гармонического сигнала  Ка=1.41; Кф=1.11 .  Следовательно :

U=Uсрв=Um

Основные технические данные цифрового вольтметра Щ-304.

1.   Пределы измерений, входные сопротивления Rвх на постоянном токе, пределы допускаемой основной погрешности од в расширенной до 120% области измерений на всех пределах указаны в таблице №1.

2.   Класс точности прибора  0.05

3.   Пределы допускаемой дополнительной погрешности, вызванной изменением температуры окружающего воздуха от нормальной, до любой температуры в пределах от 10 до 35 градусов по Цельсию, равен пределу допускаемой основной погрешности од  на каждые 10 градусов изменения температуры.

4.   Прибор удовлетворяет требования п.2 в части пределов допускаемой основной погрешности , при изменении  напряжений питания от 187V  до  242V.

 Таблица №1

Примечание.       Uk –верхний предел;

                            Ux –показания прибора.

5.   Дополнительная погрешность прибора, вызванная воздействием внешнего магнитного поля с индукцией 0.4  , синусоидально изменяющееся во времени с частотой сети питания, не превышает половины предела допускаемой основной погрешности.

6.   Прибор Щ-304 выдерживает в течении 1 min  напряжение, равное конечному значению ближайшего диапазона измерения, на всех диапазонах с индикацией перегрузки на табло прибора значения “12000”, кроме предела 500V. На пределе 500V допускается воздействие в течении 1 min напряжения 600V. Прибор Щ-304 выдерживает в течении 1 min напряжение равное 1.5 конечного значения диапазона измерений, и десятикратную перегрузку в течении 10S на пределе 1V.

7.   Полярность измеряемого напряжения определяется автоматически.

8.   Прибор имеет автоматический и внешний запуск. 

9.   Отсчет результата измерения производится по отсчетному устройству, индицирующему:

-полярность измеряемого напряжения ;

-пять цифр отсчета;

-десятичную запятую (точку).

Прибор сохраняет результат измерений до ввода новой информации.

10.        Коэффициент ослабления внешней помехи не хуже:

60 dB –для помехи нормального вида, представляющей собой напряжение частоты питающей сети , приложенное ко входу прибора, величиной не более 100% от предела измерений при отсутствии входного сигнала постоянного тока и не более 20% от предела измерений при входном сигнале, равном пределу измерений;

80 dB –для помехи общего вида, представляющей собой напряжение частоты питающей сети, приложенной ко входу прибора относительно корпуса при несимметрии входа 1K; 120 dB –для помехи общего вида, представляющей собой напряжение постоянного тока, приложенное ко входу прибора относительно корпуса при несимметрии входа 1K.

11.        Периодичность ручной калибровки не менее 8часов на всех       

нулей на пределе 1mV - 0,5 часа в течении первых двух часов после установления рабочего режима и 1 час при последующей работе без выключения, на пределе 10 mV –8 часов, на остальных пределах – 24 часа.

Устройство и работа цифрового вольтметра Щ-304

1.   Структурная схема прибора приведена на рисунке ниже .

Масштабный преобразователь

Индикатор

Синхронизатор

Источник опорного напряжения

Преобразователь U/t

                                                    

                                                                                                 t0

                                                                                                 t1          

                                                                                                t2

блок аналоговых                                                       блок логических операций

    операций

Прибор состоит из гальванически изолированных друг от друга блока логических операций (цифрового блока). Связь между ними осуществляется через импульсные трансформаторы.

          Измеряемое напряжение через масштабный преобразователь поступает на преобразователь U/t.  Для преобразования постоянного напряжения во временной интервал используется метод двойного интегрирования, при котором заряд интегрирующей емкости производится от измеряемого напряжения за время t0 - t1 , а  заряд от источника опорного напряжения за время t1 – t2 .

          С преобразователя U/t импульс  t2 , момент окончания разряда, поступает на синхронизатор цифрового блока, где заполняется импульсами высокой частоты. Число импульсов подсчитывается, и результат выдается на цифровое табло прибора.  

Проведение поверки

Поверка – это установление пригодности СИТ, на которые распространяется Государственный Метрологический надзор к применению на основании контроля их метрологических характеристик. Проводить  поверку необходимо в нормальных условиях (температура t=20C, атмосферное давление 760мм.рт.ст., влажность= 85%).

a)    Внешний осмотр. При проведении внешнего осмотра необходимо проверить четкость фиксации переключателя, плавность регулировки элементов, расположенных на передней панели.

1.   Электрическое сопротивление между клеммой « ^ »  и всеми металлическими неизолированными частями корпуса прибора измеряется омметром и не должно превышать 0,2 .

2.   Определение основной погрешности производится по схеме, изображенной на рис.1 , при двух полярностях поверяемого напряжения. Регулировкой выходного напряжения источника устанавливают такое значение Ux, при котором на табло поверяемого прибора индицируется значение Ni меньше номинального значения Nо в контролируемой точке на одну единицу младшего разряда.

Затем увеличивают напряжение источника до значения Ux1, при котором начнут появляться показания

        (1)

Регулировкой выходного напряжения источника устанавливают текущее значение Ux , при котором  на одну единицу младшего разряда.

Затем уменьшают напряжение источника до значения Ux2 , при котором начнут появляться показания  , и определяют

   (2)

За погрешность  принимают наибольшую из  и  .

Поверяемый прибор признают годным , если :

од

Пределы допустимой основной погрешности, определены по формуле таблицы №1, и контролируемые точки приведены в таблице №2

таблица №2

Примечание. Прибор Щ-304 поверяется на пределе 1V в соответствии таблицей №2, на остальных пределах поверка производится на точках 0.1Uk , 0.5Uk , и Uk , а также дополнительно в точках 0.3 Uk и 0.7 Uk , если в этих на пределе 1V получена близкая к допускаемому значению погрешность. 

Схема соединений для определения основной погрешности:

Требования к образцовым и вспомогательным средствам измерений.

При определении значений метрологических характеристик ЦВ требования к допустимым погрешностям образцовых СИ и характеристикам вспомогательных устройств должны устанавливаться такими, чтобы при измерении обеспечивалось требуемая погрешность определения измеряемой характеристики.

Требования к точности измерений при контроле метрологической характеристики следует установить в зависимости от заданных параметров качества контроля  указанных в МИ 187-79, МИ188-79.

Ступень регулирования напряжения образцового источника сигнала, подаваемого на вход поверяемого ЦВ, не должно превышать:

a)    0.25q поверяемого ЦВ, если его случайная составляющая погрешности пренебрежительно мала ;

b)   меньше из двух значений 0.25q или 0.33   отклонение случайной составляющей инструментальной погрешности.

Необходимо учитывать суммарное воздействие случайной составляющей погрешности образцовых СИ. Это воздействие на должно превышать:

a)    0.33q  поверяемого ЦВ, если нормирован предел q допускаемых значений среднеквадратичного отклонения случайной составляющей инструментальной погрешности;

b)   0.25q поверяемого ЦВ, если случайная составляющая его пренебрежительно мала и не нормируется. 

Результаты поверки

По результатам поверки можно сделать вывод, что абсолютная погрешность поверенного вольтметра Щ-304 находится в пределах допускаемой.

Заключение.

1.   Вольтметры, выпускаемые промышленностью, содержат преобразователи разных типов: пиковые, квадратичные, средневыпрямленного  значений, и, как правило, они градуируются в значениях различных параметров напряжения. Необходимо знать, в каких значениях градуирована шкала вольтметра, и для какого напряжения. Чтобы найти значения параметров напряжения не соответствующих типу преобразователя, необходимо располагать значениями коэффициентов амплитуды и формы.

2.   Измеряя параметры несинусоидального напряжения вольтметром с закрытым входом следует учитывать, что на преобразователь поступает напряжение без постоянной составляющей. Форма этого напряжения отличается от формы входного.

3.   При измерении на ВЧ начинают проявляться резонансные свойства входной цепи вольтметра. Если частота подводимого напряжения приближается к резонансной частоте входной цепи, то напряжение возрастает и превышает подводимое.

4.   При работе вольтметра на инфранизкой частоте  появляются погрешности обусловленные инерционностью отдельных узлов, длительностью происходящих в них переходных процессов и изменениями информационного параметра входного сигнала за время, необходимое для его преобразования. При измерении ВЧ напряжения возникают дополнительные погрешности, если от момента переключения входного сигнала до момента запуска ЦВ проходит время меньше, чем необходимо затухания переходных процессов. Поэтому, зная дополнительные характеристики ЦВ и спектральный состав входного сигнала, можно рассчитать значения дополнительных погрешностей измерений.

Необходимость периодического контроля метрологических параметров вольтметров

Поверка средств измерений имеет большое значение, выходящее далеко за рамки данной лаборатории , института, предприятия. Поверка средств измерений является по существу одним из звеньев многоуровневого процесса передачи размера единицы эталона до рабочего средства измерений. Именно связь с эталоном является необходимым условием повсеместного единства мер, единства измерений. При эксплуатации и хранении средств измерений проводится периодическая поверка. Для вольтметров, согласно МИ 1202-86 (Методические указания. Государственная система обеспечения единства измерений. Приборы и преобразователи измерительные напряжения, тока, сопротивления цифровые. Общие требования к методике поверки) установлен поверочный интервал 2 года.

Автоматизация поверки.

Быстрый рост числа выпускаемых и находящихся в эксплуатации средств измерений в частности ЦИУ приводит к тому, что традиционные методы измерений  и прежде всего поверки рассчитанные на применение ручного труда становятся тормозом для дальнейшего повышения эффективности производства ЦИУ. Сравнительно высокая трудоемкость поверки ЦИУ, возможность строгой формализации ее процесса привели к тому, что автоматизация испытаний ЦИУ развивается в первую по пути автоматизации их поверки.

Цифровые вольтметры более всего подвергаются автоматизации т.к., информация представлена в цифровом виде (имеется выход) имеется автоматический выбор диапазона измерений (или дистанционный). Промышленностью налажен выпуск программируемых калибраторов напряжений. Поэтому ЭВМ по заданному алгоритму поверки устанавливает на входе поверяемого вольтметра, с помощью калибратора напряжений, напряжение в поверяемой точке. После чего ЭВМ считывает информацию с ЦВ, и вычисляет систематическую составляющую инструментальной погрешности поверяемого ЦВ и сравнивает с пределом допустимого значения систематической составляющей погрешности, или измеряет с предельным значением методической погрешности и сравнивает с пределом допустимых значений погрешности ЦВ. После просмотра всех контролируемых точек печатает протоколы поверки.

Литература

1.   Мирский Г.Я. Электронные измерения. Москва «Радио и связь» 1986г.

2.   Вострокнутов Н.Н. Испытания и поверка цифровых измерительных устройств. Москва 1977г.

3.   Хромой Б.П. Электро радио измерения. Москва «Радио и связь», 1985г.

4.   Справочник по радиоизмерительным приборам под редакцией Насонова В.С. Москва, Сов. Радио 1976г.

5.   Техническое описание и инструкция по эксплуатации на вольтметр цифровой Щ-304.

6.   Методические указания к выполнению курсовых работ по дисциплине «поверка средств радиоэлектронных измерений». Москва, 1984г.

Содержание

1.   Введение                                                                                      -1

2.   Основные технические данные ЦВ Щ-304                                 -3

3.   Устройство и работа ЦВ Щ-304                                                  -4

4.   Проведение поверки                                                                   -5

5.   Требования к образцовым и вспомогательным средствам                 измерений                                                                          -7

6.   Результаты поверки                                                                    -8

7.   Заключение                                                                                 -8

8.   Литература                                                                                  -10