Accurate measurement of complex voltage ratio with a sampling voltmeter

• Autorzy: Rybski R. , Kaczmarek J. , Krajewski M.

Warianty tytułu

PL

Dokładny pomiar zespolonego stosunku napięć za pomocą woltomierza próbkującego

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

In the paper, the idea of complex voltage ratio measurement employing an integrative analog-to-digital converter and computerized evaluation by means of the discrete Fourier transform (DFT) are presented. The effect of main sources of uncertainty in measurement accuracy of the magnitude and argument of complex voltage ratio is analysed. Simulation and experimental results are described.

PL

Wyznaczenie z dużą dokładnością stosunku dwóch napięć zmiennych jest niezbędne, m. in. w dokładnych pomiarach impedancji, mocy, przekładni dzielników napięcia i transformatorów pomiarowych. Do pomiaru stosunku napięć zmiennych coraz częściej stosuje się z powodzeniem metody oparte na próbkowaniu napięć oraz wyznaczeniu ich parametrów z zastosowaniem algorytmów cyfrowego przetwarzania sygnałów. W artykule przedstawiono koncepcję pomiaru zespolonego stosunku napięć z zastosowaniem próbkowania integracyjnego oraz dyskretnego przekształcenia Fouriera (DFT). Przeanalizowano główne źródła błędów pomiaru, ze szczególnym uwzględnieniem konsekwencji wynikających z nieidealnej synchronizacji sygnału próbkowanego i próbkującego. W części 2 podano podstawowe zależności definiujące zespolony stosunek napięć. W części 3 przedstawiono koncepcję próbkowania integracyjnego oraz wyprowadzono zależności pozwalające obliczyć moduł i argument (fazę) stosunku podstawowych harmonicznych dwóch napięć zmiennych z zastosowaniem próbkowania integracyjnego i algorytmu DFT. W części 4 przedstawiono główne źródła niepewności zaproponowanej metody pomiaru. Przeanalizowano wpływ braku pełnej synchronizacji pomiędzy źródłem próbkowanego sygnału i układem czasowym woltomierza próbkującego. wyznaczającym częstotliwość próbkowania. Przedstawiono koncepcje pomiaru z zastosowaniem dwóch woltomierzy (próbkowanie jednoczesne) i jednego woltomierza (próbkowanie sekwencyjne). Podano wyniki badań symulacyjnych wpływu błędu synchronizacji na dokładność pomiaru modułu i argumentu zespolonego stosunku napięć dla próbkowania jednoczesnego i sekwencyjnego (rys. 3, 4). Przeprowadzono również badania doświadczalne w układzie pomiarowym składającym się z dwóch komercyjnych generatorów napięcia sinusoidalnego, sterowanego przełącznika oraz woltomierza próbkującego HP 3458A (rys. 5). Wyniki symulacji porównano z wynikami pomiarów (rys. 6). Przeanalizowano wpływ zjawiska aliasingu na dokładność wyznaczenia zespolonego stosunku napięć zaproponowaną metodą. Przedstawiono wyniki badań symulacyjnych wpływu harmonicznych w widmie syntezowanego cyfrowo napięcia sinusoidalnego na dokładność pomiaru modułu i argumentu (rys. 7, 8). Przedstawiono główne źródła niepewności występujące w procesie próbkowania integracyjnego związane z parametrami metrologicznymi woltomierza.

Słowa kluczowe

EN

complex voltage ratio; discrete Fourier transform; sampling voltmeter

PL

zespolony stosunek napięć; dyskretne przekształcenie Fouriera; woltomierz próbkujący

• Wydawca: Komitet Metrologii i Aparatury Naukowej PAN
• Czasopismo: Metrology and Measurement Systems
• Rocznik: 2004
• Tom: Vol. 11, nr 2
• Strony: 147--158
• Opis fizyczny: Bibliogr. 15 poz., rys., wykr.

Twórcy

autor

Rybski R.

• University of Zielona Góra, Department of Electrical Metrology

autor

Kaczmarek J.

• University of Zielona Góra, Department of Electrical Metrology

autor

Krajewski M.

• University of Zielona Góra, Department of Electrical Metrology

Bibliografia

• 1. Ramm G., Moser H., Braun A.: A New Scheme for Generating and Measuring Active. Reactive, and Apparent Power at Power Frequencies with Uncertainties of 2.5 x 10-6. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, vol. 48, no. 2, 1999, pp. 422-426.
• 2. Ramm G., Moser H.: From the Calculable AC Resistor to Capacitor Dissipation Factor Determination on the Basis of Time Constants. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, vol. 50, no. 2, 2001, pp. 286-289.
• 3. Kürten Ihlenfeld W.G., Ramm G., Bachmair H., Moser H.: Evaluation of the Synchronous-Generation and Sampling Technique for the Determination of Low Frequency AC Quantities. Conference Digest, CPEM 2002, Ottawa, Canada, 2002.
• 4. Rybski R., Kaczmarek J.: Calibration of a system for the measurement of complex voltage ratios. Proc. XVI IMEKO World Congress, IMEKO 2000, Vol. X, EWADC’2000, 5th Workshop on ADC Modelling and Testing, Vienna 2000, pp. 287-290.
• 5. Rybski R., Kaczmarek J.: Comparison of R-C components in a circuit with two digital sinewave generators (in Polish). II Krajowy Kongres Metrologii, Warszawa 2001, pp. 365-368.
• 6. Rybski R., Kaczmarek J.: Calibration of a sampling system for the of the complex ratio measurement of the voltage signals (in Polish). Pomiary Automatyka Kontrola nr 7/8, 2002, pp. 93-96.
• 7. Kampik M., Laiz H., Klonz M.: Comparison of Three Accurate Methods to Measure AC Voltage at Low Frequencies. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, vol. 49, no. 2, 2000, pp. 429-433.
• 8. Muciek J., Muciek A.: The method based on integrative sampling for the precise measurement of the RMS value at low frequencies (in Polish). Materiały Konferencji .”Metrologia Wspomagana Komputerowo”, Warszawa 1999, pp. 99-104.
• 9. Ilic D., Butorac J.: Use of Precise Digital Voltmeters for Phase Measurements. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, vol. 50, no. 2, 2001, pp. 449-452.
• 10. Pogliano U.: Precision Measurement of AC Voltage below 20 Hz at IEN. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, vol. 46, no. 2, 1997, pp. 369-372.
• 11. Pogliano U.: Use of Integrative Analog-to-Digital Converters for High-Precision Measurement of Electrical Power. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, vol. 50, no. 5, 2001, pp. 1315-1318.
• 12. Ramm G., Moser H., Braun A.: Präzise Messung der elektrischen Wechselleistung mittels Abtastverfahren. VDI Berichte, no. 1530, 2000, pp. 571-580.
• 13. Ramm G., Moser H.: Calibration of Capacitance and Dissipation Factor Bridges. Conference Digest, CPEM 2002, Ottawa, Canada, 2002.
• 14. HP3458A Multimeter, Operating, Programming, and Configuration Manual. Hewlett Packard, USA.
• 15. Rybski R.; Digital sinewave sources in impedance comparators (in Polish). Wydawnictwo Politechniki Zielonogórskiej, Monografia nr 100, Zielona Góra, 2000.