KOMPUTEROWY SYSTEM WZORCOWANIA OSCYLOSKOPÓW CYFROWYCH WYPOSAŻONYCH W WYJŚCIE IEEE-488 Z MOŻLIWOŚCIĄ STEROWANIA POMIARAMI PRZEZ INTERNET

Transkrypt

1 Materały XXXVI Mędzyczelnanej Konferencj Metrologów MKM 04 Anna WARZEC, Potr LESIAK, Darsz NERKOWSKI Warszawa Instytt Łącznośc KOMPUTEROWY SYSTEM WZORCOWANIA OSCYLOSKOPÓW CYFROWYCH WYPOSAŻONYCH W WYJŚCIE IEEE-488 Z MOŻLIWOŚCIĄ STEROWANIA POMIARAMI PRZEZ INTERNET Opracowany w Laboratorm Metrolog Elektrycznej, Elektroncznej Optoelektroncznej Instytt Łącznośc system wzorcowana mltmetrów cyfrowych wyposażonych w wyjśce IEEE-488, pozwolł na stworzene pewnego rodzaj standard atomatycznego wzorcowana przyrządów pomarowych. Na baze tego został opracowany atomatyczny system do wzorcowana oscyloskopów cyfrowych wyposażonych w wyjśce IEEE-488. Jednak ze względ na specyfkę wzorcowana oscyloskopów koneczne było zaprojektowane stworzene specjalnych algorytmów pozwalających dentyfkować sygnał z oscyloskop cyfrowego. Słowa klczowe: kalbracja, wzorcowane, oscyloskop cyfrowy, akredytacja. 1. WPROWADZENIE Akredytowane przez przez Polske Centrm Akredytacj (PCA) Laboratorm Metrolog Elektrycznej, Elektroncznej Optoelektroncznej (LMEEO) zajmje sę wzorcowanem przyrządów pomarowych. W zakrese akredytacj LMEEO objętej certyfkatem akredytacj są welkośc elektryczne, optoelektronczne oraz czas częstotlwość. W cel nowocześnena metod pomarowych, zapoznana sę z najnowocześnejszym oprogramowanam do sterowana przyrządam pomarowym, skrócena czas pomarów oraz zmnejszene nepewnośc pomar nezbędne jest prowadzene prac mających na cel atomatyzację procesów pomarowych. W artykle zostane szczegółowo przedstawony system wzorcowana oscyloskopów cyfrowych opracowany w LMEEO wraz z algorytmam poszczególnych procedr pomarowych.. PROGRAM OSCYLOSKOP 003 Opracowany w LMEEO system wzorcowana mltmetrów cyfrowych wyposażonych w wyjśce IEEE-488, pozwolł na stworzene pewnego rodzaj standard atomatycznego wzorcowana przyrządów pomarowych. Na baze tego został opracowany atomatyczny system do wzorcowana oscyloskopów cyfrowych wyposażonych w wyjśce IEEE-488. Jednak ze względ na specyfkę wzorcowana oscyloskopów koneczne było zaprojektowane stworzene specjalnych algorytmów pozwalających dentyfkować sygnał z oscyloskop cyfrowego. Program Oscyloskop 003 słży do wzorcowana oceny ch na zgodność z

2 38 Anna WARZEC, Potr LESIAK, Darsz NERKOWSKI danym techncznym określonym przez prodcenta. Program został opracowany w środowsk LabVIEW 7.0 frmy Natonal Instrments, będącym grafcznym językem programowana do sterowana przyrządam pomarowym wyposażonym w wyjśca IEEE 488. Program Oscyloskop 003 przeznaczony jest dla osoby wykonjącej wzorcowane (technka przeszkolonego w zakrese pracy z kompterem), a jego rchomene wykonane wymaga znajomośc obsłg : Wndows, kalbratora Wavetek 9500 procedry wzorcowana oscyloskopów cyfrowych. Zgodne z zalecenam [3, 5] program wzorcowana obejmje procedry: wyznaczena poprawek wskazań napęca stałego, wyznaczena poprawek wskazań okres (częstotlwośc), sprawdzene człośc wyzwalana, wyznaczene szerokośc pasma, sprawdzena przesnęca fazy pomędzy kanałam, Wyznaczene mpedancj wejścowych. KON p3 KO p1 PC p3 SIEĆ ETHERNET p pp OC DR Rys. 1. Układ do wzorcowana mltmetrów cyfrowych: KO - kalbrator oscyloskopów typ 9500 frmy Wavetek, OC- wzorcowany oscyloskop cyfrowy, PC - kompter z kartą pomarową IEEE-488, DR - drkarka, KON - konwerter GPIB/ENET, p n - przewody Nepewność pomar zwązana jest z estymatam welkośc wejścowych. Oblczana jest metodam A B. Nepewność w metodze A jest oblczana za pomocą analzy statystycznej ser obserwacj, w metodze B oblczane nepewnośc oparte jest na przesłankach nakowych. W przypadk oscyloskopów cyfrowych, ne wszystke procedry pomarowe wymagają powtarzana pomarów danej welkośc [5]. Np. fnkcja "człość wyzwalana" wymaga dokładnego stawena jej na ekrane oscyloskop, a następne nezależnej dentyfkacj. W przypadk wzorcowań wykonanych ręczne, operator obserwjąc sygnał, ocena jego zgodność z fnkcją wzorcową. Wzorcowane atomatyczne pozwala nezależnć sę od sbektywnych obserwacj operatora. Stworzony program Oscyloskop 003 analzje sygnał wyjścowy, sam dopasowje do nego odpowedną fnkcję, a następne zwraca wynk w postac nezależnej od operatora oceny. W tym cel są wykorzystywane odpowedno scharakteryzowane standardowe bblotek LabVIEW 7.0. Kalbracja napęć stałych wymagała opracowana napsana specjalnej procedry pomarowej. "Ręczne" wzorcowane

3 Kompterowy system wzorcowana oscyloskopów cyfrowych napęca stałego polega na wykonan ser dzesęc pomarów wartośc napęca stałego pomędzy 6 dzałkam na ekrane oscyloskop. Tak pomar jest żmdny - procedrę należy powtórzyć dla każdego podzakres dla każdego kanał. W przypadk oscyloskop 4 kanałowego z zakresam od 1mV do 5V byłoby to 480 pomarów. W przypadk pomarów "atomatycznych" program sam stawa wartość pozom zera na ekrane oscyloskop w poblż jego dolnej krawędz. Następne dokładne określa położene pozom zerowego. Program stawa na kalbratorze odpowedną wartość napęca. Następne znajdje pnkt komtacj pomędzy wartoścą zadaną poprawną. Cały cykl trwa tak dłgo, aż różnca mędzy wartoścam będze mnejsza od 0,1% wartośc danego podzakres. Uzyskjemy w ten sposób znaczne skrócene czas pomarów zmnejszene nepewnośc pomar. Wydrk śwadectwa wzorcowana realzowany jest w środowsk Mcrosoft Word 000. Przy życ Vsal Basc dla Aplkacj został napsany program tworzący śwadectwo wzorcowana zawerające wynk z przeprowadzonych pomarów. Program ten może być rchamany atomatyczne z pozom LabVIEW po skończonych pomarach lb z pozom Word a. Program wybera z plk pomarowego odpowedne dane meszcza je w śwadectwe wzorcowana. Następne śwadectwo jest formatowane w ten sposób, aby postać dokment była zgodna z wzorem określonym przez PCA. 3. OCENA NIEPEWNOŚCI WYZNACZANIA POPRAWKI WZORCOWANEGO OSCYLOSKOPU Poprawkę wskazana oscyloskop δy wyznaczamy ze wzor: δ y = x y + δx, (1) gdze: x - wskazane etalon, y - wskazane oscyloskop, δx - poprawka wskazana etalon, δy - poprawka wskazana oscyloskop. Zgodne z prawem propagacj błędów nepewność wyznaczena poprawk szacje sę następjącą warancją [, 4]: gdze: y + + y = x + δx y x δ, () δ - warancja wyznaczena poprawk δ y wskazana oscyloskop, x - warancja wskazana etalon jmjąca błąd kwantowana kalbratora dla pomarów napęć stałych przemennych lb okres, δ x - warancja poprawk wskazana kalbratora, y - warancja wskazana oscyloskop. y

4 384 Anna WARZEC, Potr LESIAK, Darsz NERKOWSKI gdze: gdze: gdze: Warancja wskazana etalon: b k x =, (3) 3 bk - wyrażona w wartoścach bezwzględnych połowa wartośc najmnejszej znaczącej cyfry wskazana kalbratora. Warancja poprawk wskazana kalbratora: ϕ δ x =, (4) 4 ϕ - nepewność wyznaczena poprawk kalbratora dla wskazana x podzakres Z wyrażona w wartoścach bezwzględnych. Warancja wskazana oscyloskop: by = +, (5) y p 3 by - wyrażona w wartoścach bezwzględnych połowa wartośc najmnejszej znaczącej cyfry wskazana oscyloskop z odczytem cyfrowym, p - rozrzt wynków pomarów określony warancją średnej z n odczytów wskazań oscyloskop: Korelacja wzajemna: 1 p = j. (6) n j= 1 ( n 1) n ( y y ) - składnk wynkający z wzajemnej korelacj mędzy zmennym x x y y []. Nepewność rozszerzona wyraża sę wzorem: gdze: k - współczynnk rozszerzena. U = k, (7) Wynk wzorcowana oscyloskop cyfrowego można znać za pozytywny (tzn. że jego parametry są zgodne z wymaganam techncznym wytwórcy), jeżel jego wartośc poprawek (modły) powększone o nepewność ch wyznaczena ne przekraczają błęd dopszczalnego: δ y + k. (8) dop

5 Kompterowy system wzorcowana oscyloskopów cyfrowych Przyjmjemy dla prawdopodobeństwa 95 % rozkład welkośc wyjścowej za [6]: normalny (składnk nepewnośc N 3 są o rozkładze normalnym lb prostokątnym, żaden z nch ne domnje), wówczas k =, prostokątny (jedna ze składowych nepewnośc o rozkładze prawdopodobeństwa prostokątnym ma zdecydowaną przewagę), wówczas k=1,65, trapezowy (dwe składowe o rozkładze prawdopodobeństwa prostokątnym mają zdecydowaną przewagę), wówczas: a1 a β =, (9) a + a 1 gdze a 1 a są szerokoścam połówkowym domnjących rozkładów prostokątnych. Współczynnk rozszerzena w tym kładze wynos: ( 1 β )( 1 p) 1 k =. (10) 1+ β 6 Bdżet nepewnośc Tablca 1 symbol welkośc X estymata welkośc x nepewność standardowa (x ) rozkład prawdopodobeństwa współczynnk wrażlwośc c składnk nepewnośc standardowej x x x prostokątny 1 x δx δx δx normalny 1 δx y y y x, y (korelacja) x, y (korelacja) y x normalny y x y δy δy = δy Analza wartośc nepewnośc standardowych pomar napęca stałego Pommo dokonana 10 pomarów napęca stałego ręczne, nepewność pomar jest dża, gdyż jest determnowana przez szerokość pnkt wyśwetlanego na ekrane oscyloskop. Rozdzelczość kalbratora jest równa 100 ppm / wartość merzoną. Jednak dopero zmana o 1% wartośc zadanej przynos zaważalny efekt na ekrane oscyloskop wynkający z percepcj oka ldzkego. Ma to znaczny wpływ na wartość odchylena standardowego, a przez to znaczne zwększa nepewność pomar. 1 zależy od rozkładów domnacj składnków nepewnośc standardowej tzn. może być normalny, prostokątny lb trapezowy.

6 386 Anna WARZEC, Potr LESIAK, Darsz NERKOWSKI W przypadk pojedynczego pomar atomatycznego, zmana o 0,1% wartośc zadanej jest jż rejestrowalna. Wartość tę możemy potraktować jako nepewność standardową pomarów atomatycznych (typ B). Nepewność ta jest o rząd welkośc mnejsza nż nepewność standardowa przy dzesęcokrotnym pomarze ręcznym. (Tablca.). W przypadk ser 10 pomarów atomatycznych, nawet zmana mnejsza nż 0,1 % wartośc zadanej byłaby jż rejestrowalna. (Tablca.). Na podstawe powyższej analzy dośwadczalnej dowodnono, że wzorcowane napęca stałego atomatyczne ne wymaga wykonywana ser dzesęc pomarów. Porównane wartośc nepewnośc standardowych pomar napęca stałego dla różnych procedr pomarowych (oscyloskop HP 54503A) Tablca Podzakres Nepewność standardowa pomarów ręcznych" (typ A) [mv] Nepewność standardowa pomarów atomatycznych" (typ B) [mv] Nepewność standardowa pomarów atomatycznych" (typ A) [mv] 1 mv/dz 0,01 0,001 0,0007 mv/dz 0,0 0,00 0, mv/dz 0,05 0,005 0, mv/dz 0,1 0,01 0, mv/dz 0, 0,0 0, mv/dz 0,5 0,05 0, mv/dz 1 0,1 0,04 0, V/dz 0, 0,13 0,5 V/dz 5 0,5 0,15 1 V/dz ,34 V/dz 0 0,7 5 V/dz Rys.. przedstawa porównane pomędzy oblczonym nepewnoścam dla poszczególnych procedr pomarowych. Zakreskowany fragment wykres obrazje ogranczene wynkające z dopszczalnego błęd kalbratora Wavetek Wartość oblczonej nepewnośc pomarowej dla pojedynczego pomar atomatycznego jest prawe o rząd welkośc mnejsza nż w przypadk procedry ręcznej. W przypadk średnonego pomar atomatycznego, odchylene standardowe zmnejsza sę nawet dwkrotne, ale nepewność pomarowa zmena sę neznaczne. Wynk te wskazją, że jeden pomar atomatyczny wystarczy do poprawnego oblczena nepewnośc pomarowej.

7 Kompterowy system wzorcowana oscyloskopów cyfrowych Nepewność pomar [mv] ,1 0,01 0,001 0,00 0,005 0,01 0,0 0,05 0,1 0, 0,5 1 5 Podzakres [V/dz] Rys.. Nepewność pomarów U: lna cągła grba nepewność standardowa średnonego pomar ręcznego ; lna cągła cenka nepewność standardowa pojedynczego pomar atomatycznego ; lna kropkowana nepewność standardowa średnonego pomar atomatycznego Dalsze zmnejszene odchylena standardowego (Rys. 3.) ne ma wększego znaczena, gdyż nne składnk zyskają znaczący wpływ na wartość nepewnośc pomar Nepewność pomar U [mv] ,01 0,10 1,00 Nepewność standardowa wartośc merzonej [%] Rys. 3. Zależność nepewnośc pomarowej od nepewnośc standardowej dla podzakres 5 V/dz 4. PODSUMOWANIE Wzorcowane oscyloskopów cyfrowych przy pomocy kompterowego stanowska znaczne przyśpesza proces kalbracj, a jednocześne znaczne polepsza dokładnośc pomarów. Przyczyna sę do tego m. n.: zastosowane procedry pojedynczego pomar atomatycznego, wykonywane wszystkch czynnośc w zakrese odczyt analzy wynków przez kompter, atomatyczny wydrk śwadectwa wzorcowana.

8 388 Anna WARZEC, Potr LESIAK, Darsz NERKOWSKI 5. LITERATURA 1. PN EN ISO/IEC Ogólne krytera dzałalnośc laboratorów badawczych r.. Jerzy Ddzewcz: Zastosowane nowej metody ISO wyrażena nepewnośc pomar do kalbracj elektrycznych narzędz pomarowych. Bletyn Informacyjny Instytt Łącznośc, 1996/6. 3. EAL-G30 Calbraton of Osclloscopes. 4. Metodyka wzorcowana oscyloskopów, Instytt Łącznośc, Wyd.4 00 r. 5. Procedra wzorcowana oscyloskopów. Instytt Łącznośc, Wydane 4, 00 r. 6. EA-4/0. Wyrażene nepewnośc pomarów przy wzorcowan. ABSTRACT Practcal sng of compter based metrology, to calbrate dgtal osclloscopes wth IEEE-488 nterface and method of ncertanty estmaton calclatons accepted by Polsh Centre for Accredtaton, was presented n ths paper.