전압계가 정확한지 어떻게 알 수 있습니까?
항상 저를 당혹스럽게하는 것은 전압계의 정확성을 아는 방법입니다. 인터넷 검색에서 오늘날의 디지털 전압계는 ADC를 사용하는 것 같습니다. ADC는 측정 할 전압을 매우 정확한 알려진 전압 레퍼런스와 비교하여 작동합니다. 그러나 고정밀 전압 레퍼런스의 전압은 어떻게 알려져 있습니까? 그것은 닭 대 계란 종류의 문제처럼 보입니다. 전압계 ADC 기준 전압의 정확도를 아는 것은 다른 기준 전압을 사용하는 다른 전압계의 정확도에 의존하는 다른 기준 전압을 사용하는 다른 전압계의 정확도에 의존합니다. 무한히 계속됩니다.
전압계에 대한 Wikipedia 페이지를 보면 재현 가능하고 안정적인 화학 반응을 사용하는 Weston 셀과 같은 것이 교정을위한 궁극적 인 기준 전압으로 사용되는 것처럼 보입니다. 그러나 여전히 그것은 닭 대 계란 딜레마의 희생양이됩니다. 전압계를 다시 사용하지 않고도 웨스턴 셀의 전압을 어떻게 알 수 있을까요?
답변
요즘 에는 조셉슨 접합부와 마이크로파 소스 에서 1 차 전압 표준을 구축합니다 . 이는 국제 단위계 (SI 기본 단위) 의 정의 상수에만 의존하는 전압을 생성합니다 .
보다 경제적 인 대안으로 전압계를 실험실로 보내 1 차 전압 표준으로 추적 할 수있는 전압 표준과 비교합니다. 미국에서 1 차 전압 표준은 아마도 NIST 일 것입니다 .
기본적으로 모든 물리량은 측정되는 것이 아니라 정의 된 물리 상수로 다시 매핑 될 수 있습니다. 이들 중 7 개 ( Wikipedia 기사 읽기 )는 기본 단위입니다. 나머지는 파생됩니다. 특히 볼트는 하나의 쿨롱 전하에 정확히 하나의 줄을 전달하는 데 필요한 기전력의 양으로 정의됩니다. SI 기본 단위에서 \$\mathrm{1V = \frac{kg\cdot m^2}{A \cdot s^3}}\$. 따라서 네 가지 양이 무엇인지 알고있는 한 볼트를 생성 할 수있는 오래된 딩거를 만들면됩니다.
2019 년 5 월 20 일 현재,이 모든 기본 단위는 이론적으로 첫 번째 원칙에서 재구성 할 수 있습니다 (즉, 두 번째는 세슘 메이저의 여러 진동에 의해 정의되고 미터는 두 번째에서 정의되고 속도는 빛 등). 궁극적으로 필요한 것은 한 페이지의 참조 가이드, 물리학 및 계측에 대한 놀랍도록 깊이있는 이해, 많은 실험실 시간 동안 사용할 수있는 엄청나게 큰 상품권입니다.
전압계에 대한 Wikipedia 페이지를 보면 재현 가능하고 안정적인 화학 반응을 사용하는 Weston 셀과 같은 것이 교정을위한 궁극적 인 기준 전압으로 사용되는 것처럼 보입니다. 그러나 여전히 그것은 닭 대 계란 딜레마의 희생양이됩니다. 전압계를 다시 사용하지 않고도 웨스턴 셀의 전압을 어떻게 알 수 있을까요?
Weston 셀이 1 차 기준으로 사용되었던 당시에는 전압이 무엇인지 알 필요가 없었고, 온도와 같은 특정 물리적 조건 하에서 Weston 셀의 전압을 정의 하고 포화 상태인지 여부를 정의했습니다. , 정확히 1.018638 V +/- 보정과 동일합니다. 이것은이 정의가 1911 년 채택되었을 때부터 1990 년 Josephson Junction에 의해 대체 될 때까지의 경우입니다.
하나의 주요 표준 위반 또는 오작동을 방지하기 위해 각 주요 국제 실험실은 이러한 모든 것 (앙상블)을 유지하고 서로 비교하고 평균을 실제 판독 값으로 취합니다. 특정 셀이 훨씬 높거나 낮은 값을 읽기 시작하면 앙상블에서 제거됩니다. 새 셀이 온라인 상태가되면 오랜 기간 동안 좋은 동작을 보여줄 때까지 앙상블에 추가되지 않습니다. 때때로 여행 기준은 서로의 기준을 비교하기 위해 국가별로 취해집니다.
상업용 교정 실험실은 표준을 국제 표준과 비교합니다. 제조업체는 상업용 교정 실험실과 비교하여 내부 표준을 확인합니다. 제조업체는 귀하와 함께 도착하기 전에 제품을 측정하여 사양에 맞는지 확인합니다. 따라서 겸손한 DMM은 정확도 사슬에서 몇 단계 아래로 내려갑니다. 그러나 정의 된 체인이 있습니다.
DMM (Digital Multi-Meter) 전용 : 일반적인 DMM 내부에 사용되는 ADC (Analog-Digital Converter) 유형을 듀얼 슬로프 통합 ADC 라고합니다 . 이 기술은 1970 년대부터 사용되어 왔으며 Intersil 7106을 살펴보십시오 . 이전 에이 장치가 여기에서 작동하는 방식 에 대해 썼습니다 .
그러나 귀하의 질문에 대해서는 기본적으로 DMM이보고 한 숫자가 정확하다는 것을 어떻게 믿을 수 있습니까 ?
Fluke와 같은 기기 제조업체는 기기 사용 방법을 설명하고 기기의 정확성 (올바르게 보정 된 경우)을 정의하는 사용 설명서를 게시합니다. 이와는 별도로 테스트 대상 장치의 설계된 성능을 달성하기 위해 필요한 기기 및 교정 표준과 정확히 어떤 절차를 사용해야하는지에 대해 자세히 설명하는 타사 교정 서비스 제공 업체가 사용할 수 있는 서비스 설명서 도 게시 합니다.
지금은 URL을 찾을 수 없지만 교정 서비스를 수행하는 회사에 제공되는 정보 유형의 예를 보여주기 위해 제가 편리하게 가지고 있던 서비스 설명서에서 발췌 한 내용입니다.
이 과정은 꽤 오랫동안 진행되며, 어디에 연결하고 어떤 버튼을 눌러야하는지에 대한 단계별 지침과 함께 교정 전에 지정된 온도 범위에서 장비를 '적시'시키는 사양도 있습니다 ( 온도에 따른 부정확성을 피하기 위해).
이 예에서 계측기에 최적의 입력 기준이 30.000V 인 경우에도 계측기는 29.992V ~ 30.008V 범위의 숫자 만 표시 할 것으로 예상되며 해당 범위의보고 된 값은 모두 고려됩니다. 충분히 가깝습니다.
계측기의 각 부분은 첫 번째 기본 2V 측정 오프셋 / 게인 / 선형성, 2V 측정에 의존하는 200mV 및 20V 범위와 같은 특정 순서로 보정 된 다음 전압 측정에 의존하는 전류 측정으로 이동합니다. 알려진 저항기의. 이 절차는 올바른 기어를 모두 갖추고 있고 모든 기어가 최근에 자체적 으로 보정되어 신뢰할 수있는 경우 수동으로 수행 할 수 있습니다 .
제가 근무하는 아날로그 반도체 회사는이 모든 인증 된 교정 표준 장비를 보유한 타사 교정 공급 업체에 주기적으로 실험실 장비를 보내고 모든 절차를 수행합니다. 비용 만 들지만 ...하지만 '표시 전용', '보정되지 않은'개인용 DMM은 보내지 않고 사용 설명서에 나와있는 불확실성의 정도를 받아들입니다. 따라서 3.3V 전원이 3.29V 또는 3.32V를 측정하더라도 걱정하지 않아도됩니다. 보고서 허용 오차 범위 내에 있으며 아마도 올바르게 작동 할 것입니다.
통계적 프로세스 제어에는 시스템의 표준 편차보다 작은 조정을 시도하면 실제로는 그대로 두는 것보다 정확도가 떨어지는 중요한 원칙이 있습니다. 이것이 표적 슈터와 궁수가 항상 먼저 타이트하게 시도하는 이유입니다. 목표를 조정하기 전에 클러스터. 기기 교정과 동일합니다. 30.000V 테스트 포인트를 선호하도록 약간 조정하면 다른 모든 것에 영향을 미치므로 시스템의 전체 정확도에 부정적인 영향을 미치기 전에 특정 범위 내에서만 조정할 수 있습니다.
여기에는 두 가지 문제가 있으며 여러 사람이 논의했지만 간결하게 요약하려고합니다.
첫 번째는 전압계와 같은 것에는 잘 이해 된 물리적 프로세스에 의해 생성 된 내부 기준 전압이 있으며, 정의에 따라 잘 이해 된 온도 (등) 특성을 가진 알려진 전압이 생성됩니다.
두 번째는 정밀한 작업 (품질 관리 등)을 수행하는 경우 정기적으로 전압계를 보정하게된다는 것입니다. 그것은 반드시 누군가가 내부에 들어가서 무언가를 조정한다는 것을 의미하지는 않지만 외부 교정 전압이 적용되고 전압계가 표시 한 내용을 설명하는 인증서를 받게됩니다.
그리고 외부 교정에 사용되는 전압 소스는 일반적으로 3 차 기준입니다. 즉, NPL, NIST 또는 어떤 실험실에서든 관할권의 1 차 기준에 대해 직접 교정 된 2 차 기준에 대해 자체적으로 교정되었습니다.
모든 표준에 대한 일반적인 접근 방식은 문서에 따라 만들어진 경우 거의 동일한 전압을 생성하는 "기준 소스"를 사용하는 것입니다. 구축하는 데 비용이 많이 들고 오래 지속되지 않을 수 있지만 더 많은 실용적인 장치를 이에 대해 보정 할 수 있으므로 이는 중요하지 않습니다.
즉, 다양한 작업에 사용되는 전압계는 주로 다른 장치의 교정에 주로 사용되는 고가의 장치 인 고정밀 실험실 전압계를 통해 교정 될 수 있습니다. 이것은 아마도 화학적 또는 다른 기준 전압 소스를 사용하여 보정되었을 것입니다. 이 두 전압계 사이에 더 많은 "중간 세대"가있을 수 있습니다.
배터리의 전압은 화학 지식으로 예측할 수 있습니다. Weston 셀과 같은 특정 배터리 (@PeterMortensen에게 감사합니다. 이름을 잊었습니다!)는 안정된 전압을 유지하는 데 매우 뛰어나며 전압 레퍼런스로 사용됩니다.
사실 이것은 1990 년 이전에 볼트가 정의 된 방식이었습니다. 오늘날 볼트는 조셉슨 접합의 배열을 사용하여 정의됩니다. 여기에서 설명 할만큼 충분히 이해하지 못합니다.
여기에서 Brokaw 밴드 갭 레퍼런스 또는 제너 다이오드와 같이보다 편리한 다른 물리적 전압 레퍼런스를 교정 할 수 있으며,이를 사용하여 전압 조정기, 전압 레퍼런스, 전원 공급 장치 등을 만들 수 있습니다.
전압계를 다시 사용하지 않고 Weston 셀의 전압을 어떻게 알 수 있습니까?
그럴 필요가 없습니다. 당신은 그것이 무엇인지 적어두면 모두가 동의합니다. 완전히 임의적이지만 모든 사람에게 합의 된 가치에 대한 정보를 제공한다는 아이디어입니다. 물론 Weston 셀은 구식이지만 Weston 셀이 사용 된 이유는 우물을 구축 할 수있는 사람이라면 누구나 자동으로 상당히 정확한 Volt 표준을 얻게되기 때문입니다. 그들은 Volt가 무엇인지 정의 하는 데 사용되었으며 좋은 실험실 기술로만 재현 가능했기 때문에 그러한 정의로 사용할 수있었습니다. Weston 셀을 구축하기 위해 Volt 참조가 필요하지 않았습니다.
또한 다음과 같은 질문을 할 수 있습니다. ADC가 선형인지 어떻게 알 수 있습니까? 기준 전압의 1/2을 측정하면 어떻게 든 꺼지지 않았는지? 이는 KVD (Kelvin-Varley Dividers)라고도하는 기준 전압 분배기를 사용하여 해결됩니다. 요컨대 전위차계이지만 와이퍼가 스위치로 교체되었습니다. 이러한 분배기의 저항 요소는 비율 측정 추적 만 유지하면됩니다. 즉, 비율은 유지되는 반면 절대 값은 과도한 효과없이 몇 퍼센트 정도 떨어질 수 있습니다. 비율이 무엇인지 알 필요는 없습니다. 1 : 1인지 여부 만 알 필요가 있습니다. 꺼져 있으면 1 : 1 비율로 돌아갈 때까지 조정합니다. 이를 확인하려면 널 미터와 휘트 스톤 브리지 만 있으면됩니다.이를 통해 저항 값을 매우 정확하게 비교할 수 있습니다. 모든 저항기가 동일한 값을 가지고 있다는 것을 알고 있으면 (정확히 무엇이든-동일하다면) 이러한 저항을 KVD의 구성 요소로 사용하고 디지털 조정 가능한 전압으로 변환 할 수 있습니다. 분할기. 그런 다음 이러한 분배기의 출력을 널 미터와 함께 사용하여 ADC의 성능을 확인할 수 있습니다. ADC의 기준을 통해 입력을 사용하여 분배기를 0.50000으로 설정하고, ADC 입력에 출력을 공급하고, ADC가 중간 범위 값에 얼마나 가까운 지 확인합니다.