Virtapiirin sähköisen jännitekäännöksen mittauksen epävarmuuden arviointi

1. Johdanto

Ruudun elektroniset jännitteentekijät, jotka ovat välttämättömiä mittauskomponentteja sähköverkoissa, liittyvät suoraan sähköverkkojen vakautettuun toimintaan ja tehokkaaseen hallintoon. Kuitenkin käytännössä elektronisten komponenttien luontaiset ominaisuudet, ympäristötekijät ja mittausmenetelmien rajoitukset aiheuttavat usein epävarmuutta jännitteentekijöiden mittaus tuloksissa. Tämä epävarmuus vaikuttaa paitsi sähködatan tarkkuuteen myös sähköverkkojen ohjaamiseen, säädökseen ja suojaamiseen. Siksi ruudun elektronisiin jännitteentekijöihin liittyvien varmistustulosten ja mittaus tulosten epävarmuuden arviointimenetelmien syvällinen tutkimus on avain osana sähköverkkojen mittaus tarkkuuden parantamisessa.

Tämän tutkimuksen tavoitteena on analysoida järjestelmällisesti niitä tekijöitä, jotka vaikuttavat jännitteentekijöiden mittaus epävarmuuteen, mukaan lukien elektronisten komponenttien lämpötilan kulku, ikääntyminen ja melusäteily, sekä mittaympäristön muutokset kuten lämpötila, kosteus ja sähkömagneettiset kentät. Tämän avulla tulee kehitettyä tieteellisiä ja järkeviä epävarmuuden arviointimenetelmiä. Matemaattisten mallien rakentamisen yhdistettynä tilastollisiin periaatteisiin ja mitattomuuden tiedostoon, tämä tutkimus arvioi kokonaisvaltaisesti ruudun elektronisten jännitteentekijöiden mittaus epävarmuutta eri työolosuhteissa, tarjoten teoreettisen pohjan ja teknistä tukea tarkemmien vahvistussääntöjen laatimiseksi ja jännitteentekijöiden tuotelaadun parantamiseksi.

2. Koe epävarmuuden arvioinnista mittaus tuloksissa
2.1 Koehenkilö

Ruudun elektronisten jännitteentekijöiden epävarmuuden arvioinnissa valitaan 0.001 tason tarkkuudella varmistettu jännitekalibrointilaitteisto, joka kattaa mittaus alueen 1–1000 V. Varmistettavana oleva jännitteentekijä on suunniteltu 10 kV–50 kV ensimmäiselle jännitykselle ja 100 V toiselle jännitykselle, tarkkuustasolla 0.02. Ruudun elektronisen jännitteentekijän rakenne on nähtävissä kuvassa 1.

Koeympäristö asetetaan vakioituun lämpötilaan 20 ± 2 °C, ja suhteellinen kosteus pidetään alle 60 %, mikä poistaa mahdolliset ympäristövaikutukset mittaus tuloksiin.

2.2 Varmistus- ja mittaus menetelmä ruudun elektronisille jännitteentekijöille

Ruudun elektronisten jännitteentekijöiden varmistuksessa tarvitaan tieteellinen epävarmuuden arviointimenetelmä mittaus tarkkuuden varmistamiseksi. Käyttäen kuva 1:n mukaista ruudun elektronista jännitteentekijää standardilaiteena, otetaan käyttöön vertailuperusteinen piiriyhteys. Tämä mahdollistaa testattavan elektronisen jännitteentekijän ja standardilaite välisten yhteneväisyyden, kuten kuvassa 2 on näkyvissä.

Sen jälkeen korkeatarkkuuden digitaalinen mittaus järjestelmä lukee ja laskee suoraan testattavan elektronisen jännitteentekijän virheen. Standardilaitemallina on DHBV-110/0.02, jolla on erinomainen tarkkuus, joka tukee varmistusta. Testattavalle jännitteentekijälle asetetaan 0.5 %, 2 %, 10 %, 50 % ja 110 %:n nimittäjäjännitteet, jotka kattavat sen toimialueen. Huomionarvoista, vaikka nämä pisteiden maksimisalliset virherajat ovat samat täysi- ja kevyt kuormituksen ollessa, elektronisten komponenttien lämpötilakulku ja ikääntyminen voivat aiheuttaa merkittäviä stabiilisuuseroja eri olosuhteissa. Siksi jokaisen pisteen stabiilisuuden on arvioitava itsenäisesti, jotta voidaan hallita varmistustulosten epävarmuutta, vastaten sähköverkon toiminnan tiukkoja vaatimuksia korkeatasoiselle mittaus tekniikalle.

3. Matemaattinen malli

Koettaessa arvioida ruudun elektronisten jännitteentekijöiden varmistus- ja mittaus tulosten epävarmuutta, laitteen tarkkuuden varmistuksessa sen epävarmuutta kvantifioivaan usein monipuolisesti, kuten tarkkuuden poikkeamaan ja vaiheen viimeistelyyn. Nämä kaksi indikaattoria heijastavat amplitudieroa ja vaihepoikkeamaa välillä mitatun ja todellisen arvon välillä. Näin voidaan rakentaa itsenäisiä matemaattisia malleja, jotka kuvaavat tarkasti näitä epävarmuuden lähteitä. Tarkkuuden poikkeamalle Y voidaan käyttää lineaarista regressiomallia, joka ilmaistaan seuraavasti:

Joissa β0 ja β1 ovat mallin parametreja; X on ruudun elektronisen jännitteentekijän syöttötiedosto; ε on satunnainen virhetermi. Vaiheen viimeistelylle φ voidaan ilmaista trigonometrisen funktiomallina seuraavasti:

Joissa α edustaa kiinteää vaiheen siirtymää; θ(X) on vaihefunktio, joka vaihtelee syöttötiedoston mukaan. Yksityiskohtaisemmassa analyysissa voidaan lisätä epälineaarisia termejä tai polynomiaalisia approksimaatioita mallin tarkkuuden parantamiseksi. Nämä matemaattisten mallien luominen tarjoaa vankkan teoreettisen pohjan ja kvantitatiiviset työkalut mittaus tulosten epävarmuuden kokonaisvaltaiselle ja järjestelmälliselle arvioinnille.

4. Epävarmuuden komponenttien arviointikoemen tulokset

Ruudun elektronisten jännitteentekijöiden varmistuksessa asetetaan useita jännitesiivoja epävarmuuden arviointiin. Valitaan 0.5 %, 2 %, 10 %, 50 % ja 110 %:n nimittäjäjännitteet, ja ne mitataan vertailumenetelmällä. Amplitudiero- ja vaihepoikkeaman keskiarvot tallennetaan ja lasketaan viitearvoina vastaavilla jännitepisteillä, jotta voidaan tarkasti arvioida testattavan jännitteentekijän suorituskyvyn epävarmuus.

4.1 Tyyppi A:n epävarmuuden arviointi

Tyyppi A:n epävarmuus heijastaa samaan objektiin suoritettujen toistuvien mittauksien tulosten hajontaasteen. Laskukaava on:

Joissa n on mittauksien määrä; xi on i:nnet mittaus arvo; x̄ on mittaus arvojen aritmeettinen keskiarvo.

Sitten, 0.5 %, 2 %, 10 %, 50 % ja 110 %:n nimittäjäjännitteiden käsittelyn tyyppi A:n epävarmuuden arviointitulokset näkyvät taulukossa 1.

Kuten taulukosta 1 voidaan nähdä, kun nimittäjäjännite kasvaa, tyyppi A:n epävarmuus amplitudierolle ja vaihepoikkeamalle näyttää kasvavan. Tämä johtuu siitä, että alhaisemmissa jännitepisteissä jännitteentekijä on vakaimpi, mikä johtaa vähemmän hajotettuihin mittaus tuloksiin. Korkeammassa jännitepisteissä kuitenkin jännitteentekijä on vaikutettavissa useammasta tekijästä, mikä johtaa suurempiin mittaus tulosten hajontoihin.

4.2 Tyyppi B:n epävarmuuden arviointi

JJF 1059.1—2022 Mittaus epävarmuuden arviointi ja ilmaisu mukaan tyyppi B:n epävarmuus tulee järkevästä päätelystä tunnettujen tietojen perusteella estimoimaan sen keskihajonta. Tämä tieto voi sisältää valmistajan laitteen spesifikaatiot, alan tunnustettujen kalibrointimenetelmien tiedot tai historiallisen mittaus datan tilastollisen analyysin. Tyyppi B:n epävarmuuden ydin on määritellä mitatun arvon mahdollinen vaihtelualue kokemuksen tai ammatillisen tietämystä perusteella, jonka puolileveys on puolet vaihtelualueen leveydestä.

Sitten, valitaan sopiva peittävä tekijä k kvantifiointiin todennäköisyysjakauman ominaisuuksien ja vaaditun luottamusasteen mukaan. Yleensä, jos mitatut arvot ovat tasaisesti jakautuneet esitettyyn väliin (jokaisella arvolla on sama todennäköisyys), käytetään tasaisen jakauman mallia, ja k voidaan ottaa likiarvona √3:sta varmistaaksemme arviointin tarkkuuden ja tarkkuuden. Tyyppi B:n epävarmuuden laskukaava on

Joissa a on mittaus vaihtelualueen puolileveys.

0.5 %, 2 %, 10 %, 50 % ja 110 %:n nimittäjäjännitteiden käsittelyn tyyppi B:n epävarmuuden arviointitulokset näkyvät taulukossa 2.

Kuten taulukosta 2 voidaan nähdä, eri nimittäjäjännitepisteissä, amplitudiero- tai vaihepoikkeaman epävarmuus näyttää kasvavan jännitepisteen nousessa. Tyyppi A:n epävarmuuden verrattuna, tyyppi B:n epävarmuuden arviointi nojautuu enemmän tunnettujen tietojen tarkkuuteen ja täydellisyyteen, heijastellen ennakkopäätelmää mittaamasta jännitteentekijästä. Siksi käytännössä huomioidessa tyyppi A:n ja tyyppi B:n epävarmuudet yhdessä, voidaan saada kattavampi käsitys mittaus tulosten tarkkuudesta ja luotettavuudesta.

4.3 Yhdistettyjen standardi epävarmuuden arviointi

Yhdistettyjen standardi epävarmuuden arviointiin, jos jokaisen ruudun elektronisen jännitteentekijän varmistus- ja mittaus tulokset ovat riippumattomia ja korrelaatiota (eli niiden korrelaatiokerroin on kaikki 0), epävarmuudet noudattavat lineaarisen yhdistämisen periaatetta. Tämän pohjalta yhdistettyjen standardi epävarmuuden arviointi voidaan ilmaista seuraavalla kaavalla

Sitten, 0.5 %, 2 %, 10 %, 50 % ja 110 %:n nimittäjäjännitteiden käsittelyn yhdistettyjen standardi epävarmuuden arviointitulokset näkyvät kuvassa 3.

Kuvan 3 tulosten perusteella, kun nimittäjäjännite kasvaa 0.5 %:sta 110 %:iin, yhdistettyjen standardi epävarmuudet amplitudiero- ja vaihepoikkeamalle näyttävät pysyvää kasvua. Tarkemmin sanottuna, amplitudieroepävarmuus kasvaa 0.008 %:sta 0.085 %:iin (≈10-kertainen), ja vaihepoikkeamaepävarmuus kasvaa 0.05°:sta 0.35°:iin (≈7-kertainen). Tämä trendi viittaa siihen, että korkeampi jännite lisää jännitteentekijän altistumista ulkopuoliselle häiriölle, laajentaa mittaus epävarmuutta. Mutta ei tapahdu äärimmäisiä data muutoksia, mikä osoittaa, että arviointiprosessi on vakaa ja luotettava.

5. Johtopäätös

Ruudun elektronisten jännitteentekijöiden varmistus- ja mittaus tulosten epävarmuuden arviointimenetelmän tutkimuksessa analysoitiin useita tekijöitä, jotka vaikuttavat mittaus tarkkuuteen, ja tutkittiin tieteellisiä ja tehokkaita arviointimenetelmiä. Teoreettisen analyysin ja kokeellisen varmistuksen avulla, se ei vain parannaa jännitteentekijöiden mittaus tulosten luotettavuutta, mutta myös tarjoaa vankan takuun sähköverkon vakaudelle.