電圧計が正確であることをどうやって知ることができますか？
いつも私を困惑させてきたのは、電圧計の精度をどうやって知るかということです。グーグルで見てみると、今日のデジタル電圧計はADCを使用しているようです。ADCは、測定される電圧を非常に正確な既知の電圧リファレンスと比較することによって機能します。しかし、その非常に正確な電圧リファレンスの電圧はどのように知られていますか？ニワトリ対卵のような問題のようです-電圧計のADC基準電圧の精度を知ることは、別の基準電圧を使用する別の電圧計の精度に依存する別の基準電圧を使用する別の電圧計の精度に依存します。それは無限に続きます。
ウィキペディアの電圧計のページを見ると、再現性のある安定した化学反応を使用するウェストン電池などが、校正の最終的な基準電圧として使用されているように見えます。しかし、それでも、それはニワトリと卵のジレンマの餌食になります-電圧計を再び使用せずにウェストン電池の電圧をどのように知ることができますか？
回答
最近では、ジョセフソン接合の束とマイクロ波源から一次電圧標準を構築します。これにより、国際単位系（SI基本単位）の定義定数のみに依存する電圧が生成されます。
より経済的な代替手段として、電圧計をラボに送って、一次電圧標準まで追跡可能な電圧標準と比較します。米国では、その一次電圧規格はおそらくNISTにあります。
基本的に、すべての物理量は、測定されるのではなく、定義された物理定数にマッピングして戻すことができます。'emの7つ（ウィキペディアの記事を読んでください）は基本単位です。残りは派生しています。特にボルトは、1クーロンの電荷に正確に1ジュールを与えるのに必要な起電力の量として定義されます。SI基本単位では、\$\mathrm{1V = \frac{kg\cdot m^2}{A \cdot s^3}}\$。したがって、これらの4つの量が何であるかを知っている限り、ボルトを生成できる古いディンガスを作成するだけで完了です。
2019年5月20日の時点で、これらの基本単位はすべて、理論的には第一原理から再構築できます（つまり、2番目はセシウムメーザーの振動の数によって定義され、メーターは2番目から定義されます。光など）。最終的に必要なのは、1ページのリファレンスガイド、物理学と計測学の驚くほど深い理解、そしてラボ時間全体にわたる驚くほど大きなギフト券だけです。
ウィキペディアの電圧計のページを見ると、再現性のある安定した化学反応を使用するウェストン電池などが、校正の最終的な基準電圧として使用されているように見えます。しかし、それでも、それはニワトリと卵のジレンマの餌食になります-電圧計を再び使用せずにウェストン電池の電圧をどのように知ることができますか？
ウェストン電池が一次基準として使用されていた当時、電圧が何であるかを知る必要はありませんでした。温度などの特定の物理的条件下でのウェストン電池の電圧を定義し、飽和しているかどうかを定義します。、1.018638 V +/-補正とまったく同じです。これは、この定義が1911年に採用されてから、1990年にジョセフソンジャンクションに取って代わられたときまでのケースでした。
一次標準の破れや誤動作を防ぐために、各主要な国際研究所は、これらのもの（アンサンブル）をまとめて維持し、相互に比較し、平均を真の測定値としています。特定のセルがはるかに高いまたは低い読み取りを開始すると、そのセルはアンサンブルから削除されます。新しいセルがオンラインになると、長期間の良好な動作が実証されるまで、そのセルはアンサンブルに追加されません。時々、旅行基準は国から国へと取られ、お互いの基準を比較します。
商業校正ラボは、国際的な基準と比較して基準をチェックします。メーカーは、社内の標準を商用の校正ラボと照合します。メーカーは、製品が仕様の範囲内にあることを確認するために、製品が到着する前に製品を測定します。したがって、謙虚なDMMは、精度の連鎖の数ステップ下にあります。しかし、定義されたチェーンがあります。
デジタルマルチメータ（DMM）に固有：一般的なDMM内で使用されるアナログ-デジタルコンバータ（ADC）のタイプは、デュアルスロープ積分ADCと呼ばれます。このテクノロジーは1970年代から存在しています。Intersil7106をご覧ください。私は以前、このデバイスがどのように機能するかについて ここに書きました。
しかし、あなたの質問については、基本的に、DMMによって報告された数値が正確であるとどのように信頼できますか...
フルークなどの計測器メーカーは、計測器の使用方法を説明し、計測器の精度を定義するユーザーマニュアルを公開します（適切に校正されている場合）。これとは別に、サードパーティの校正サービスプロバイダーが使用するサービスマニュアルも公開しており、被試験ユニットの設計性能を達成するために必要な機器と校正標準、および使用する必要のある手順を正確に詳しく説明しています。
現時点ではURLが見つかりませんが、キャリブレーションサービスを実行する会社に提供される情報の種類の例を示すために、手元にあったサービスマニュアルからの抜粋を次に示します。
何がどこに接続され、どのボタンを押すかについてのステップバイステップの説明とともに、このようにかなり長い間続きます。また、キャリブレーションの前に指定された温度範囲で機器を「浸す」ための仕様もあります（温度依存の不正確さを避けるため）。
この例では、計測器に30.000Vの可能な限り最良の入力基準が提供されている場合でも、計測器は29.992V〜30.008Vの範囲の任意の数値のみを表示すると予想され、その範囲内の報告値はすべて考慮されることに注意してください。十分近い。
機器の各部分は、最初の基本的な2V測定オフセット/ゲイン/直線性、次に2V測定に依存する200mVおよび20V範囲などの特定の順序で校正され、次に電圧測定に依存する電流測定に移ります。既知の抵抗器の。適切なギアがすべて揃っていて、そのギア自体が最近キャリブレーションされて信頼できる場合は、この手順を手動で実行できます。
私が働いているアナログ半導体会社は、ラボ機器を定期的にサードパーティの校正ベンダーに送ります。このベンダーは、この認定された校正済みの標準ギアをすべて備えており、すべての手順を実行します。費用がかかるだけです...しかし、「表示専用」、「調整なし」の私自身の個人用DMMは、わざわざ送信する必要はありません。ユーザーマニュアルに記載されている不確実性のレベルを受け入れるだけです。したがって、3.3V電源の測定値が3.29Vまたは3.32Vの場合、心配する必要はありません。レポートの許容範囲内であり、おそらく問題ありません。
統計的プロセス制御には重要な原則があり、システムの標準偏差よりも小さい小さな調整を行おうとすると、そのままにしておくよりも実際には精度が低下します...これが、ターゲットの射手と射手が常に最初にタイトにしようとする理由ですクラスター、目的を調整する前に。機器の校正と同じです。30.000Vのテストポイントを優先するように小さな調整を行うと、他のすべてに影響するため、システムの全体的な精度に悪影響を与える前に、特定の範囲内にのみ調整できます。
ここには2つの問題があり、複数の人がそれらについて話し合ったとしても、簡潔に要約しようと思います。
1つ目は、電圧計のようなものには、よく理解されている物理プロセスによって生成された内部基準電圧があり、定義上、よく理解されている温度（など）特性を持つ既知の電圧が得られるということです。
2つ目は、何らかの正確な作業（品質管理など）を行う場合は、電圧計を定期的に校正することです。それは必ずしも誰かがその中に侵入して何かを微調整することを意味するわけではありませんが、外部校正電圧がそれに適用され、電圧計が何を表示したかを示す証明書が与えられることを意味します。
また、外部校正に使用される電圧源は通常、3次基準です。つまり、2次基準に対してそれ自体が校正されており、NPL、NIST、またはその他のラボが保持している管轄区域の1次基準に対して直接校正されています。
すべての規格での一般的なアプローチは、ドキュメントに従って作成された場合にほぼ同じ電圧を生成する「参照ソース」を使用することです。構築するのに費用がかかり、長くは続かないかもしれませんが、より実用的なデバイスの数がそれに対して較正できるので、これは問題ではありません。
言い換えれば、さまざまなタスクに使用される電圧計は、高精度の実験用電圧計で校正できます。これは、主に他のデバイスの校正に使用される高価なデバイスです。これはおそらく、化学物質または他の基準電圧源を使用して校正されています。たぶん、これらの2つの電圧計の間にもっと「中間世代」があったのでしょう。
バッテリーの電圧は、化学の知識から予測できます。ウェストン電池のような特定のバッテリー（@ PeterMortensenに感謝します、名前を忘れてしまいました！）は、安定した電圧を維持するのに非常に優れており、これらは電圧リファレンスとして使用されます。
実際、これは1990年以前のボルトの定義方法でした。現在、ボルトはジョセフソン接合の配列を使用して定義されていますが、ここで説明するのに十分な理解はありません。
そこから、ブロコウバンドギャップリファレンスやツェナーダイオードなど、より便利な他の物理的な電圧リファレンスを校正できます。これらを使用して、電圧レギュレータ、電圧リファレンス、電源などを作成できます。
電圧計を再度使用せずに、ウェストン電池の電圧をどのように知ることができますか？
あなたはする必要はありません。あなたはそれがどうあるべきかを書き留めるだけで、誰もが同意します、そしてそれはそれです。完全に恣意的ですが、合意された価値について全員に通知するという考え方です。もちろん、ウェストン電池は時代遅れですが、ウェストン電池が使用された理由は、それをうまく構築できる人なら誰でも、かなり正確なボルト標準を自動的に取得するからです。それらはボルトとは何かを定義するために使用され、優れたラボ技術だけで再現可能であったため、そのような定義として使用できました。ウェストン電池を構築するためにボルト参照は必要ありませんでした。
あなたはまた尋ねたかもしれません：ADCが線形であることをどうやって知るのですか？それが基準電圧の1/2を測定する場合、それはどういうわけかオフではないということですか？これは、Kelvin-Varley Dividers（KVD）としても知られる基準分圧器を使用することで解決されます。一言で言えば、ポテンショメータですが、ワイパーがスイッチに置き換えられています。このような仕切りの抵抗要素は、レシオメトリックトラッキングを維持するだけで済みます。つまり、比率が維持され、絶対値が数パーセントずれても、過度の影響はありません。比率を知る必要はなく、1：1かどうかだけを知る必要があることに注意してください。それらがオフの場合は、1：1の比率に戻るまで微調整します。そして、それを確認するために必要なのは、ヌルメーターとホイートストンブリッジだけです。これにより、抵抗値を非常に正確に比較できます。すべてが同じ値であることがわかっている抵抗器の束を取得すると（正確に何であっても、同じである限り）、そのような抵抗器をKVDの構成要素として使用し、デジタル調整可能な電圧に変換できます。分圧器。このような分周器の出力をヌルメーターで使用して、ADCのパフォーマンスを検証できます。ADCの基準を超える入力で分周器を0.50000に設定し、その出力をADC入力に供給して、そのADCがミッドレンジ値にどれだけ近いかを確認します。