插座式定時(shí)開關(guān)的校準(zhǔn)與不確定度分析

關(guān)瑞欣，黨菠靜

工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東 廣州 511300

0 引言

定時(shí)開關(guān)是一個(gè)以單片微處理器為核心配合電子電路等組成的一個(gè)電源開關(guān)控制裝置，能設(shè)置分鐘、小時(shí)、天等時(shí)間間隔，且可以分時(shí)段控制電器的通斷。時(shí)間設(shè)定可以從一秒到幾十小時(shí)，一般可分成20組以上且有多路控制功能，適用于各種工業(yè)電器和自動(dòng)控制電路。定時(shí)開關(guān)通常由計(jì)時(shí)電路、時(shí)基電路、計(jì)時(shí)顯示、驅(qū)動(dòng)電路等組成，在許多自動(dòng)控制系統(tǒng)中需要使用定時(shí)開關(guān)來實(shí)現(xiàn)電器通斷的控制，其在電氣控制系統(tǒng)中起到了非常重要的作用。因此對(duì)定時(shí)開關(guān)設(shè)定時(shí)間的校準(zhǔn)，在確保電氣控制系統(tǒng)精確穩(wěn)定的運(yùn)行中有著重要的意義[1-3]。對(duì)于一般具有常開、常閉觸點(diǎn)或有控制信號(hào)輸出的定時(shí)器或繼電器可根據(jù)JJF1282-2011《電子式時(shí)間繼電器校準(zhǔn)規(guī)范》中的方法對(duì)其定時(shí)時(shí)間進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量。由于插座式定時(shí)開關(guān)主要用于直接控制電器或電源電路，其結(jié)構(gòu)只保留了三孔或兩孔電器插孔，這種設(shè)計(jì)雖然可以令其使用方式更為簡(jiǎn)易，但這種簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)也給校準(zhǔn)和測(cè)試帶來了困難。由于其無控制信號(hào)輸出以及裸露的常開或常閉觸點(diǎn)，所以無法直接采用上述校準(zhǔn)規(guī)范中的方式進(jìn)行校準(zhǔn)。定時(shí)開關(guān)的輸出為頻率為50Hz，電壓為220V或110V的交流信號(hào)，一般的測(cè)試設(shè)備都無法直接接入，所以目前一般采用人工秒表計(jì)時(shí)的方式來對(duì)其進(jìn)行測(cè)量，但人工計(jì)時(shí)測(cè)量精度很低，不確定度較大，且無法進(jìn)行較長(zhǎng)時(shí)間的測(cè)量。因此，本文提出一種利用直流電源代替控制信號(hào)輸出的方式來對(duì)該類定時(shí)開關(guān)進(jìn)行測(cè)量，并對(duì)這種方法的測(cè)量不確定度進(jìn)行分析[4]。

1 測(cè)量原理及方法

直流電源替代法的主要目的是通過直流電源將定時(shí)開關(guān)輸出的高電壓交流信號(hào)轉(zhuǎn)換為低電壓直流信號(hào)，以轉(zhuǎn)換后的直流信號(hào)作為控制信號(hào)來觸發(fā)時(shí)間測(cè)量?jī)x器。具體方法為將直流電源接入定時(shí)開關(guān)，在定時(shí)開關(guān)接通的同時(shí)，直流源啟動(dòng)；當(dāng)繼電開關(guān)關(guān)閉時(shí)，直流源停止工作，通過測(cè)量直流源輸出信號(hào)的時(shí)間來間接測(cè)量定時(shí)開關(guān)的通電時(shí)間。然而實(shí)際測(cè)量時(shí)直流電源并不是理想的，電源從通電后到輸出的電壓達(dá)到所設(shè)置的電壓值時(shí)具有一定時(shí)間延遲，如圖1所示。同理，當(dāng)電源關(guān)閉時(shí)從所設(shè)定電壓值降為0時(shí)也具有時(shí)間延遲。在間接測(cè)量繼電開關(guān)時(shí)，需要考慮電源通電和斷電時(shí)間延遲對(duì)其造成的影響[5-7]。特別是對(duì)于時(shí)間較短的測(cè)量，電源通電和斷電時(shí)間延遲直接影響了測(cè)量結(jié)果的精確性。直流電源通電和斷電的時(shí)間延遲與設(shè)置電壓大小的關(guān)系如圖1所示。

圖1 直流電源通斷電時(shí)間延遲

由圖1可以看出，直流電源通電延遲時(shí)間與設(shè)置電壓的大小成正比關(guān)系。電壓設(shè)置得越高，則通電和斷電的時(shí)間延遲越長(zhǎng)，因此為了使直流電源通斷電的時(shí)間延遲對(duì)測(cè)試結(jié)果影響盡可能小，則需設(shè)置較小的輸出電壓。但考慮到測(cè)量時(shí)間的儀器都具有觸發(fā)靈敏度，即時(shí)間測(cè)量?jī)x器需要輸入信號(hào)達(dá)到一定的閾值，才能正常工作，所以直流電源電壓設(shè)置不能過小，至少需高于測(cè)量?jī)x器的電壓觸發(fā)靈敏度[8]。此外，在觸發(fā)電壓設(shè)置得較低時(shí)，毛刺信號(hào)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響會(huì)表現(xiàn)得十分明顯，如果將時(shí)間測(cè)量?jī)x器的觸發(fā)閾值電壓調(diào)節(jié)得很低，測(cè)量?jī)x器就會(huì)被偶發(fā)的毛刺信號(hào)觸發(fā)，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確。尤其在長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量時(shí)，毛刺信號(hào)出現(xiàn)的概率更高，更容易導(dǎo)致測(cè)量?jī)x器被提前觸發(fā)，影響測(cè)試結(jié)果。所以在實(shí)際測(cè)試時(shí)不僅需要根據(jù)具體情況選擇合適的觸發(fā)電壓，還需要在測(cè)量端加入監(jiān)視設(shè)備，用來實(shí)時(shí)觀測(cè)信號(hào)的具體情況，避免測(cè)試時(shí)的意外情況。一般可在測(cè)量端選用高精度的數(shù)字萬用表或示波器作為監(jiān)視設(shè)備。依照上述原理設(shè)計(jì)一套直流源替代法測(cè)量插座式定時(shí)開關(guān)的測(cè)試系統(tǒng)[9]。

直流源替代法測(cè)試系統(tǒng)由示波器、數(shù)字毫秒儀以及帶有通電自動(dòng)輸出功能的可調(diào)直流電源組成，儀器連接示意如圖2所示。

圖2 直流源替代法測(cè)試系統(tǒng)

其中，示波器的作用是測(cè)量直流電源通電和斷電的時(shí)間延遲，同時(shí)作為監(jiān)視設(shè)備，監(jiān)視其輸出電壓的大小，以便調(diào)節(jié)合適的觸發(fā)閾值電壓。在測(cè)量時(shí)使用示波器的上升時(shí)間和下降時(shí)間的功能來測(cè)量直流電源的通電和斷電的時(shí)間延遲，使用平均功能來測(cè)量直流電源輸出電壓。數(shù)字毫秒儀作為時(shí)間測(cè)量設(shè)備，將其設(shè)置為正脈沖寬度測(cè)量功能，測(cè)量直流電源輸出的時(shí)間。測(cè)試系統(tǒng)的工作步驟如下：首先將定時(shí)開關(guān)設(shè)置為持續(xù)開啟，啟動(dòng)定時(shí)開關(guān)后開啟直流電源和其他測(cè)試設(shè)備，調(diào)節(jié)直流電源輸出電壓并通過示波器進(jìn)行觀測(cè)，使其輸出的電壓能夠穩(wěn)定觸發(fā)數(shù)字毫秒儀，并且在示波器上看不到毛刺信號(hào)和雜波干擾[10]。完成上述準(zhǔn)備工作后將數(shù)字毫秒儀復(fù)位，將示波器設(shè)置為單次測(cè)量上升時(shí)間和下降時(shí)間功能后開始測(cè)量，并根據(jù)需要校準(zhǔn)的時(shí)間間隔來設(shè)置定時(shí)開關(guān)的開啟和關(guān)閉時(shí)刻，然后按下定時(shí)開關(guān)啟動(dòng)鍵，定時(shí)開關(guān)開始工作，到達(dá)開啟時(shí)間后，定時(shí)開關(guān)接通，直流電源啟動(dòng)，同時(shí)數(shù)字毫秒儀開始計(jì)時(shí)，示波器被觸發(fā)后顯示上升時(shí)間，記錄上升時(shí)間后將其復(fù)位；當(dāng)?shù)竭_(dá)停止時(shí)間時(shí)，定時(shí)開關(guān)斷開，直流電源關(guān)閉，同時(shí)數(shù)字毫秒儀停止計(jì)時(shí)，示波器顯示下降時(shí)間，記錄數(shù)字毫秒儀的示數(shù)和示波器顯示的下降時(shí)間。測(cè)量結(jié)束后由公式（1）計(jì)算繼電開關(guān)的時(shí)間。

其中，T為繼電開關(guān)設(shè)置時(shí)間的測(cè)量值，為毫秒儀的測(cè)量結(jié)果，為示波器測(cè)得的直流電源通電時(shí)間，為示波器測(cè)得的直流電源斷電時(shí)間。

2 測(cè)量結(jié)果與不確定度分析

根據(jù)上述方法，采用泰克MDO3052型示波器、固緯GDS-型直流電源、大華KS-02型繼電開關(guān)以及411D型毫秒儀進(jìn)行測(cè)試。

由示波器引入的不確定度主要來源于兩個(gè)方面，即示波器自身建立時(shí)間引入的不確定度及各種隨機(jī)因素引入的不確定度。

示波器的自身建立時(shí)間一般為納秒級(jí)，而直流電源通斷電的時(shí)間一般為微秒級(jí)或毫秒級(jí)，示波器自身建立時(shí)間對(duì)其影響很小，故其引入的不確定度可忽略不計(jì)[11]。

表1 示波器測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)脈沖上升時(shí)間測(cè)量數(shù)據(jù)

系統(tǒng)不穩(wěn)定引入的不確定度符合正態(tài)分布，采用A類不確定度評(píng)定方式。使用數(shù)字毫秒儀測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)定時(shí)器設(shè)置時(shí)間60s，測(cè)量10次后的結(jié)果見表2。

表2 數(shù)字毫秒儀測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)定時(shí)器60s測(cè)量數(shù)據(jù)

以上三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)不確定度互不相關(guān)，所以采用公式2計(jì)算合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度。

取包含因子k=2，則相對(duì)擴(kuò)展不確定度U=2u(T)=6.2×10－6。

為證明該方法可以顯著提高測(cè)試精度，設(shè)計(jì)一組對(duì)照實(shí)驗(yàn)，用同一定時(shí)開關(guān)設(shè)置時(shí)間為1h，用秒表測(cè)量10次，按照A類不確定度評(píng)定方式計(jì)算其不確定度。測(cè)量數(shù)據(jù)見表3。

表3 秒表測(cè)量定時(shí)開關(guān)1h

取包含因子k=2，則相對(duì)擴(kuò)展不確定度U=2u(T)－8.2×10－5。

由表中數(shù)據(jù)可知，人工秒表測(cè)量1h的不確定度為2.04s，而采用直流源替代法測(cè)量的不確定度為36008.2×10－5=0.29s。由此可見，采用直流源替代法測(cè)量可以顯著減小測(cè)量不確定度。按照J(rèn)JF1094-2002《測(cè)量?jī)x器特性評(píng)定》中的規(guī)定，對(duì)測(cè)量?jī)x器特性進(jìn)行符合性評(píng)定時(shí)，評(píng)定示值誤差的不確定度（取k=2時(shí)的U值）與被評(píng)定測(cè)量?jī)x器的最大允許誤差的絕對(duì)值（MPEV）之間要滿足如下關(guān)系：

3 結(jié)語

由測(cè)量結(jié)果與不確定度分析結(jié)果可以得出結(jié)論：采用直流電源間接測(cè)量插座式定時(shí)開關(guān)的方法不確定度遠(yuǎn)小于采用人工秒表計(jì)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，極大地提升了測(cè)量準(zhǔn)確度，也可以滿足精度較高的定時(shí)開關(guān)示值誤差評(píng)定。同時(shí)，在直流電源間接測(cè)量法的定時(shí)開關(guān)計(jì)時(shí)結(jié)束后，儀器可自行停止計(jì)時(shí)，無需人工干預(yù)，解決了人工計(jì)時(shí)難以進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量的問題，對(duì)于插座式定時(shí)開關(guān)的校準(zhǔn)有著重要的意義。