Как мы узнаем, что вольтметры точны?
Что меня всегда озадачивало, так это то, как узнать точность вольтметров. Судя по поиску в Google, кажется, что современные цифровые вольтметры используют АЦП. АЦП работает, сравнивая измеряемое напряжение с известным высокоточным опорным напряжением. Однако, как напряжение этого высокоточного опорного напряжения известно? Казалось бы, как курица против яйца рода проблемы - зная точности вольтметра опорного напряжения АЦП полагается на точность другого вольтметра с использованием другого опорного напряжения, которое зависит от точности другого вольтметра с использованием другого опорного напряжения и так далее, и это продолжается бесконечно.
Глядя на страницу Википедии о вольтметре, кажется, что что-то вроде ячейки Вестона, в которой используется воспроизводимая и стабильная химическая реакция, используется в качестве окончательного эталонного напряжения для калибровки. Но все же это становится жертвой дилеммы курица или яйцо - как мы узнаем напряжение ячейки Вестона, не прибегая снова к вольтметру?
Ответы
В наши дни вы создаете первичный эталон напряжения из группы джозефсоновских переходов и микроволнового источника . Это генерирует напряжение, которое зависит только от определяющих констант Международной системы единиц (базовых единиц СИ).
В качестве более экономичной альтернативы вы отправляете свой вольтметр в лабораторию, которая сравнивает его со стандартом напряжения, который прослеживается обратно к первичному стандарту напряжения. В США этот стандарт первичного напряжения, вероятно, находится в NIST .
По сути, каждая физическая величина может быть отображена обратно в определенную физическую константу, а не измерена. Семь из них (прочтите статью в Википедии ) являются базовыми единицами; остальные выводятся. В частности, вольт определяется как величина электродвижущей силы, необходимая для передачи ровно одного джоуля на один кулонский заряд. В основных единицах СИ: \$\mathrm{1V = \frac{kg\cdot m^2}{A \cdot s^3}}\$. Так что просто создайте любой старый дингус, который позволит вам генерировать вольт, если вы знаете, что это за четыре величины, и готово!
По состоянию на 20 мая 2019 года все эти базовые блоки теоретически могут быть реконструированы из первых принципов (т. Е. Второй определяется количеством колебаний цезиевого мазера, метр определяется по второму, а скорость свет и др.). В конечном итоге все, что вам нужно, - это справочное руководство на одной странице, удивительно глубокое понимание физики и метрологии и ошеломляюще большой подарочный сертификат на много времени в лаборатории.
Глядя на страницу Википедии о вольтметре, кажется, что что-то вроде ячейки Вестона, в которой используется воспроизводимая и стабильная химическая реакция, используется в качестве окончательного эталонного напряжения для калибровки. Но все же это становится жертвой дилеммы курица или яйцо - как мы узнаем напряжение ячейки Вестона, не прибегая снова к вольтметру?
В те времена, когда элемент Вестона использовался в качестве первичного эталона, нам не нужно было знать, какое было напряжение, мы определяли напряжение элемента Вестона при определенных физических условиях, таких как температура, и является ли он насыщенным или нет. , как и в точности равно 1.018638 V +/- поправки. Так было с момента, когда это определение было принято в 1911 году, до того момента, когда оно было заменено переходом Джозефсона в 1990 году.
Чтобы предотвратить нарушение или ненадлежащее поведение одного основного стандарта, каждая крупная международная лаборатория поддерживает целую кучу этих вещей (ансамбль), сравнивая одно с другим и принимая среднее значение за истинное значение. Если какая-либо конкретная ячейка начинает читать намного выше или ниже, она удаляется из ансамбля. Когда новая ячейка подключается к сети, она не добавляется в ансамбль, пока не продемонстрирует длительный период хорошего поведения. Время от времени стандарт путешествий переносится из страны в страну для сравнения стандартов друг друга.
Коммерческие калибровочные лаборатории сверяют свои стандарты с международными. Производители сверяют свои внутренние стандарты с коммерческими калибровочными лабораториями. Производители измеряют свои продукты до того, как они прибудут с вами, чтобы убедиться, что они соответствуют их спецификации. Итак, ваш скромный цифровой мультиметр находится на несколько ступеней ниже по цепочке точности. Но есть определенная цепочка.
Специфика цифрового мультиметра (DMM): тип аналого-цифрового преобразователя (ADC), используемый в типичном цифровом мультиметре, называется интегрирующим ADC с двойным наклоном . Эта технология существует с 1970-х годов, взгляните на Intersil 7106 . О том, как работает это устройство, я ранее писал здесь .
Но насчет вашего вопроса, который в основном заключается в том, как мы можем доверять точным цифрам, сообщаемым цифровым мультиметром ...
Производитель прибора, такой как Fluke, опубликует руководство пользователя, в котором описывается, как использовать прибор, и определяется, насколько точным может быть прибор (если он правильно откалиброван). Отдельно они также публикуют руководство по обслуживанию для использования сторонними поставщиками услуг калибровки, в котором подробно описывается, какие инструменты и стандарты калибровки требуются и какие именно процедуры должны использоваться для достижения проектных характеристик тестируемого устройства.
В настоящий момент я не могу найти URL-адрес, но вот отрывок из руководства по обслуживанию, который у меня был под рукой, просто чтобы показать пример типа информации, предоставляемой компании, которая будет выполнять услуги калибровки:
Так продолжается довольно долго, с пошаговыми инструкциями о том, что подключать, куда и какие кнопки нажимать, а также есть спецификации для того, чтобы оборудование «выдерживало» в указанном диапазоне температур перед калибровкой ( чтобы избежать погрешности, зависящей от температуры).
Обратите внимание, что в этом примере, даже когда прибор снабжен наилучшим возможным входным эталонным напряжением 30 000 В, ожидается, что прибор будет отображать любое число в диапазоне от 29,992 В до 30,008 В, любое указанное значение в этом диапазоне считается достаточно близко.
Каждая часть прибора калибруется в определенном порядке, например, сначала базовое смещение / усиление / линейность измерения 2 В, затем диапазоны 200 мВ и 20 В, которые зависят от измерения 2 В, и только затем переходят к измерению тока, которое зависит от измерения напряжения. известного резистора. Эта процедура может быть сделано вручную , если у вас есть все нужную передачу, и если все это лова сам недавно был откалиброван так , что она тоже заслуживает доверия.
Компания по производству аналоговых полупроводников, в которой я работаю, периодически отправляет наше лабораторное оборудование стороннему поставщику калибровки, у которого есть все это сертифицированное, откалиброванное стандартное оборудование, и выполняет все процедуры за нас. Это стоит только денег ... Но мои личные цифровые мультиметры, которые предназначены «только для индикации», «не откалиброваны», я не утруждаюсь их рассылкой, я просто принимаю тот уровень неопределенности, для которого в руководстве пользователя указано, что он подходит. Так что, если мой источник питания 3,3 В измеряет 3,29 В или 3,32 В, я не беспокоюсь об этом, это в пределах допуска отчета и, вероятно, правильно.
В статистическом управлении процессами есть важный принцип, согласно которому попытки внести небольшие корректировки, которые меньше стандартного отклонения системы, на самом деле сделают его менее точным, чем оставление его в покое ... вот почему стрелки и лучники всегда сначала стараются кластер, прежде чем настраивать свою цель. То же самое с калибровкой прибора. Внесение небольшой корректировки в пользу контрольной точки 30,000 В повлияет на все остальное, поэтому они могут настроить его только в пределах определенного диапазона, прежде чем это отрицательно повлияет на общую точность системы.
Здесь есть две проблемы, и хотя их обсуждали несколько человек, я постараюсь кратко их резюмировать.
Первое, что-то вроде вольтметра будет иметь внутренний источник опорного напряжения, генерируемого хорошо изученной физический процесс, который по результатам определения в известном напряжении с хорошо изученной температуры (и т.д.) характеристик.
Во-вторых, если вы выполняете какую-либо точную работу (контроль качества и т. Д.), Вам необходимо регулярно калибровать вольтметр. Это не обязательно означает, что кто-то проникает внутрь и что-то настраивает, но это означает, что к нему приложено внешнее калибровочное напряжение, и вам выдается сертификат, в котором указано, что показывает ваш вольтметр.
И источник напряжения, используемый для внешней калибровки, обычно является третичным эталоном, то есть он сам был откалиброван по вторичному эталону, который калибровался непосредственно по первичному эталону вашей юрисдикции в NPL, NIST или любой другой лаборатории, где он находится.
Общий подход со всеми стандартами заключается в использовании некоего «эталонного источника», который выдает примерно такое же напряжение, если он сделан в соответствии с документацией. Его строительство может быть дорогостоящим и недолговечным, но это не имеет значения, поскольку для него можно откалибровать ряд более практичных устройств.
Другими словами, вольтметр, используемый для различных задач, может быть откалиброван с помощью высокоточного лабораторного вольтметра, дорогостоящего устройства, которое в основном используется в основном для калибровки других устройств. Это, вероятно, один калибруется с помощью некоторого химического или другого источника опорного напряжения. Может быть, между этими двумя вольтметрами было больше «промежуточных поколений».
Напряжение батареи предсказуемо, исходя из знаний химии; Некоторые батареи, такие как элемент Weston (спасибо @PeterMortensen, я забыл его название!), исключительно хороши для поддержания постоянного напряжения, и они используются в качестве эталонов напряжения.
Фактически, именно так вольт определялся до 1990 года. В настоящее время вольт определяется с помощью массива джозефсоновских переходов, которые я недостаточно хорошо понимаю, чтобы объяснять здесь.
Оттуда вы можете откалибровать ссылки на другие физические напряжения, которые более удобны, например, ссылки Броко запрещенной зоны или стабилитрон, который вы можете использовать, чтобы сделать регуляторы напряжения, источники опорного напряжения, источники питания, и тому подобное.
как мы узнаем напряжение ячейки Вестона без повторного использования вольтметра?
Вы не обязаны. Вы просто записываете, что это должно быть, и все соглашаются, и все. Совершенно произвольно, но идея состоит в том, что всем сообщается согласованная стоимость. Конечно, ячейка Уэстона устарела, но ячейка Уэстона использовалась потому, что любой, кто мог построить такую скважину, автоматически получил бы довольно точный эталон вольт. Они использовались для определения того, что такое Вольт, и их можно было использовать в качестве такого определения, потому что их можно было воспроизвести с помощью не более чем хорошей лабораторной техники: вам не нужен эталон Вольт для создания ячейки Вестона.
Вы могли бы также спросил: как мы знаем, что АЦП линейна - что, если он измеряет 1/2 опорного напряжения, что это не так-то прочь? Это решается при помощи делителей опорного напряжения, также известный как Кельвина-Варлей Делители (КВД). Это, в двух словах, потенциометр, но с заменой дворника переключателями. Резистивные элементы в таких делителях должны поддерживать только логометрическое отслеживание, т. Е. Чтобы их соотношения поддерживались, а их абсолютные значения могут отличаться на пару процентов без каких-либо нежелательных эффектов. Обратите внимание, что нам не нужно знать, каково соотношение - только то, 1: 1 или нет. Если они выключены, вы настраиваете их, пока они не вернутся к соотношению 1: 1. И чтобы убедиться в этом, все, что вам нужно, - это нулевой измеритель и мост Уитстона: с его помощью вы можете очень точно сравнивать значения резисторов. Как только у вас есть связка резисторов, которые, как вы знаете, имеют одинаковое значение (независимо от того, что именно - при условии, что оно одинаковое), такие резисторы можно использовать в качестве строительных блоков KVD и преобразовывать в напряжение с цифровой регулировкой. разделитель. Выход такого делителя затем можно использовать с нулевым измерителем для проверки производительности АЦП: установите делитель на 0,50000 с входом через опорный сигнал АЦП, подайте его выход на вход АЦП и посмотрите, насколько близок этот АЦП к среднему значению.