复杂测量系统不确定度评定方法探讨

'Voi．34№1湖北电力箜2010鲞年箜2月塑Feb．2010复杂测量系统不确定度评定方法探讨白静芬，赵莎(中国电力科学研究院，北京100192)[摘要]文章从目前普遍采用的不确定度评定方法已经难以适应精密测量系统复杂化、数字化、模块化进程的问题出发，提出了将复杂系统分解为规范子系统，然后按照系统模块和信号流逐步进行不确定度分析的方法。文章用一个算例详细揭示了计算分析过程，为复杂测量系统的不确定度分析评定过程提出了一种新的思路。同时指出这种分析方法还存在一些问题，有待进一步的研究。[关键词]不确定度；复杂测量系统；评定方法[中图分类号]TM930．12[文献标识码]A[文章编号]1006—3986(2010)01—0017-03UncertaintyEvaluationMethodofComplicatedMeasurementSystemBAIJing—fen．ZHA0Sha(ChinaElectricPowerResearchInstitute，Beijing100192，China)[Abstract]Thetraditionalmethodofuncertaintyevalutionhasbeendifficulttoanalysethecomplicat～edmeasurementsystem’Suncertaintywhichisdevelopingtomorecomplicate，modularizationanddig～italzation．Thispaperistosolvethisquestion，itpromotesamethodthatdecomposeacomplicatedsystemintoseveralsubsystems，thenanalysestheuncertaintyofeverysubsystemaccrodingtOthesig～nalflow．Attheendofthispaper，anexampleispresentedtoshowtheprocessofevaluation．Thisnewmethodispromotesanewpathtoanalysethecomplicatedmeasurementsystem’Suncertainty．Therearealsosomequestionsandflawinthismethod，whichneedtobefurtherstudied．[Keywords]uncertainty；complicatedmeasurementsystem；evaluatemethod上述不确定度的评定步骤明晰，但随着精密测0引言量技术不断发展，测量系统也为了追求更高精度，更在计量测试领域，测量不确定度与测试误差同高稳定性、复现性而逐渐向复杂化、模块化、数字化样重要。根据JJF1059～1999《测量不确定度评定发展，测试过程也加入了计算机的参与。以电能计与表示》，不确定度用来表征合理地赋予被测量之值量为例，出现了基于电流比较仪技术l_1]和基于直接的分散性，表示方法有：用测量结果的标准差表示的数字频率合成技术[3]的交流功率电能计量装置，测标准不确定度或其倍数，或说明了置信水准的区间量不确定度的影响量越来越多，直接建立被测量和的半宽度即扩展不确定度，评定方法有A类评定和输入量的数学模型越来越困难，显然上述不确定度B类评定，按照ISO10993(E)《GuidetOtheExpres—评定步骤在这些复杂测量系统中显得不易操作。本sionofUncertaintyinMeasurement》，评定步骤一文作者在进行基于电流比较仪技术的单相电能计量般如下：(1)确定被测量；(2)一般为建立测量数学装置的不确定度评定过程中，提出了按照系统模块模型—f(xl，z2，⋯⋯，zN)，其中zl、z2、lzN为输逐步分析的不确定度分析方法。入量；(3)分析和列出不确定度来源，建立被测量的1不确定度评定新方法不确定度评定数学模型；(4)评定输入量的标准不确定度分量；(5)按照不确定度传播律计算合成标准不1．1复杂测量系统不确定评定步骤确定度“；(6)确定扩展不确定度。按照系统模块，不确定度分析步骤如下：(1)按照系统结构画出系统结构图，系统结构图尽量按照[收稿日期]2009—09—12实际设备及仪器详细画出，这样可以在进行不确定[作者简介]白静芬(1982一)，女，山西晋中人，工程师。度分析时避免遗漏不确定度分量；(2)将系统框图分·17· 箜鲞笙塑湖北电力VFo1．34№12010年2月eb．2010解成为几种基本结构的组合，分解时，尽量将一个仪控制等多种因数结合，这种相对复杂的结构如何化器及其配套设备组成一个模块，输入、输出量之间的简分解为更为规范化的模块。数学模型就可以很容易确定，基本结构如图1所示；2算例分析(3)确定系统输入量、输出量以及信号流，确定整个系统的输入量以及信号流的方向，并按照信号流确图2是基于电流比较仪技术的单相功率电能计定各个模块间的输入输出关系；(4)按照测试步骤和量装置输出电压支路的系统框图。信号流逐步分析系统不确定度，单步分析过程同样采用GUM提供的不确定度传播律进行分析，每步～～不确定度分析的分量可以是按A类(如测量重复匹固II性)或B类(上级计量机构的传递不确定度)评估的直流参考标准llAC／DC转换标准Il标准电压源标准不确定度。输输输入入入X；⋯，『仪器1图2单相功率电能计量装置电压支路框图图中分压器为电容分压器，作用是将电压变换l反馈检测仪器到100V附近，其中为高端电容，为低端电容。系统工作原理是通过将分压器和直流参考标准电压源输出的电压分别接在AC／DC转换标准(下ll配套设备1面简称TTS，我们使用792A)的两个输入通道，通仪器1II配套设备2过转换开关按照交流、直流+，直流一的顺序依次施f厩唾诵加到792A的输入端，并由计算机采样数字电压表的示值，如果交流示值与直流+、直流一的平均值相差超出系统设置的调节范围，则计算机通过GPIB图1系统分解基本结构调整标准电压源的输出直到差值在调节范围内为1．2需要说明的问题止。下面描述系统不确定度分析过程，为了简单说(1)分解结构构筑单个模块的数学模型时，应明问题，这里省略了对电容相角误差和不确定度以充分考虑可能影响测量结果的不确定度分量，例如及分压器的角差和不确定度的分析。连接导线的长度影响，在建立数学模型时将导线电下面分模块进行分析，首先分析分压器模块。阻作为系统的参数参与不确定度计算。输出电压为：r(2)计算过程中要保证量纲的统一。一u×(3)如果输入量中包括一些数字信号，要充分式中，考虑这些信号的截断误差和不确定度。U一分压器的输出电压；(4)计算过程比较复杂，计算过程中要充分考U一测试电压；虑保留小数位数问题。C一C的容量；1．3其它需要进一步研究的问题C一C的容量；(1)由于计算分析过程输入量和参数的来源不R￡一分压器变比。同，可能是利用贝塞尔公式计算的标准差，根据经验则根据不确定度传播律得：估计计算的B类标准不确定度，上级部门传递的测试结果不确定度，或数字信号的截断误差、分辨率等引起的不确定度，所以很难确定扩展不确定度和包△U一含因子。(2)如果单个模块涉及反馈，数字信号、计算机式中，△【，为标准电压源输出电压不确定量度。·18· Vo1．34No1湖北电力箜2鲞笙塑Feb．2010010年2月(符号前面加△表示该物理量的不确定量)。然后分析TTS，因为TTS采样的数据服从学△U一生分布，为采样数对应的分布因子，采样数组引起的不确定度为式中，【，出一直流电压源的输出值；△一丁【，一系统输出交流电压值。√一1这样便逐步求出了输出电压的不确定度，相对△一直接建立数学模型再求各个影响因素贡献因子的分析方法，这种按照系统结构模块逐步分析不确定度△：T的方法更加清晰明了。√一1TTS的测量不确定度引起的电压不确定度：3结论△2U一7×【，按照系统结构模块逐步分析不确定度的方法采△2【，咖一THi×U咖用了将复杂系统分解为规范子系统的思想，执行起△2U一dTrs×U幽来更加方便有效，虽然还存在一些有待进一步解决合成不确定度：的问题，但不失为一种解决复杂问题的新思路。△一√(△U)+(△2U)。+(△U)参考文献△U和一√(△lU咖)+(△2U却)[1]宗建华，闫华光，杨林．电流比较仪技术在精密测量△U一~／(△lU)+(A2U幽)中的应用VJ]．电测与仪表，2003，5：5-10式中，、、分别为TTS调整电压后采集的正[2]W．J．MooreandEddySO，ACurrent—Comparator-向直流电压、反向直流电压、交流电压数组的平均值；BasedSystemforCalibratingActive／ReactivePowerandEnergyMeters[J]．IEEETrans．Instum．Meas．、0"U、分别为TTS调整电压后采集的Vo1．IM一3，Nol，Feb1983．正向直流电压、反向直流电压、交流电压数组的数学[3]KiirtenIhlenfeld，W．G，Dauke，K，Suchy，A，标准偏差；d为TTS的测量不确定度。Rather．Three-phaseacpowersamplingstandardwith最后分析整个系统，输出电压为improvedfrequencyresolution[J]．CPEMDigest(Con—U×U出ferenceonPrecisionElectromagneticMeasurements)，rr。(—U—dp上—Ud—N)／2P486—487，2008．(上接第12页)Y4Expr—A*(1一EXP((一1)*Y2／B))*(1据此根据SMITH预估器传递函数编写的语句一EXP((一1)*Y2／B))二阶纯迟延对象如下：YSExpr=Y3一Y4SMITH预估器输出InA一10被控对象增益根据上述自编程语句，进行SMITH预估器阶InB=60被控对象时间常数跃扰动试验。InC=20被控对象纯迟延时间4结束语InF=0SMITH预估器切换开关OutExpr=Y5输出结果通过编写CALC原子块的自编程语句，实现了Y1Expr=IF(F，Y1+1，0)计数器速率环节、PID控制器、SMITH预估器的基本功Y2Expr—IF((Y1*0．5