TL6301 Mittaus- ja testaustekniikka
Transcription
TL6301 Mittaus- ja testaustekniikka
4/8/2015 T140103 Sähkömittaustekniikka, osa 2 Pekka Rantala Kevät 2015 3. Kohina ja häiriöt 1 4/8/2015 Kohina • Kohina on satunnaismuuttuja, joka voidaan määritellä ainoastaan tilastollisesti. • Kohinan käyttäytymistä ei voida ennustaa eikä sitä voida poistaa. Suunnittelullisin keinoin sitä tai sen vaikutusta voidaan kuitenkin minimoida. • Kohinan syntyyn vaikuttaa aina suuri joukko tekijöitä, esimerkiksi resistanssin lämpökohinan synnyttävät kaikki varauksenkuljettajat yhdessä. Kohinan mittaaminen • Kohinan RMS arvo tietyllä taajuuskaistalla voidaan mitata monilla tavoin: – Oskilloskooppi, RMS-yleismittari, tehomittari... • Kohinaa mitataan useimmin spektrianalysaattorilla – Saadaan tietoa kohinatehon jakautumisesta eri taajuuksillle • Spektrin mittaaminen spektrianalysaattorilla – Amplitudispektri = tehollisarvo/amplitudi taajuuden funktiona – Käytetään mitattaessa periodisia signaaleja • Spektrianalysaattorin resoluutiokaistanleveys määrää minimitaajuuseron, jolla kaksi spektrikomponenttia on vielä erotettavissa toisistaan 2 4/8/2015 Kohinan esitystavat Tehon tai tehollisarvon avulla: • Kohinateho tai jännitteen tehollisarvo sopivat kuvaamaan kohinaa tietyllä kaistalla Tiheysspektrien avulla: • Spektraalista tiheyttä voidaan käyttää esitettäessä kohinan jakautumista eri taajuuksille – Tehotiheyden yksiköt: [W/Hz, V2/Hz tai A2/Hz] – Kohinajännitetiheys tai -virtatiheys: [V/Hz1/2 tai A/Hz1/2] – Useissa spektrianalysaattoreissa on moodi, jolla saadaan mitattua suoraan spektraalisia tiheyksiä (jännitteelle) Signaali-kohina –suhteena: Teho: SNR = 10 lg (Ps/Pn) [dB] Jännite: SNRv = 20 lg (Vs/Vn) [dB] Kohinamekanismeja • • • • • • Terminen kohina Raekohina 1/f-kohina Kvantisointikohina Avalanche-kohina (Zener-diodit). … 3 4/8/2015 Terminen kohina • Terminen kohina aiheutuu varauksenkuljettajien satunnaisista nopeusmuutoksista: – Varauksenkuljettajien liike on lämpöenergian synnyttämää – Nopeusmuutokset aiheutuvat törmäyksistä värähtelevään kidehilaan • Termistä kohinaa syntyy vain energiaa lämmöksi muuttavissa komponenteissa: elektronisissa laitteissa resistiiviset komponentit kohisevat • Terminen kohina määrää resistiivisen komponentin pienimmän kohinatason 1/f -kohina • Matalilla taajuuksilla esiintyvää kohinaa, jonka alkuperä ei ole (täysin) tiedossa. • 1/f-kohinan tehotiheys on (likimain) kääntäen verrannollinen taajuuteen: Si(f) ~ 1/fα , missä α = 0,5…1,5 • Voidaan havaita lukuisissa eri systeemeissä 4 4/8/2015 Kvantisointikohina • Kvantisointikohinaa syntyy signaalin näytteistyksessä, kun alkuperäinen ja näytteistetty signaali eroavat toisistaan. Q • Näytteistetyn signaalin näytteiden arvot pitää aina pyöristää lähimpään luvalliseen arvoon. • Jos kvantisointiväli on Q, niin pyöristämisestä eli kvantisoinnista syntyvä virhe on enimmillään ± ½Q Sähkömagneettiset häiriöt 5 4/8/2015 Sähkömagneettiset häiriöt Häiriö on ei-toivottu sähköinen signaali, joka voidaan poistaa mittauksista • Häiriö voidaan poistaa esim. suojauksella tai suodatuksella • Häiriö kytkeytyy usein mittauskohteeseen ulkopuolelta • Vertaa: Kohinalla tarkoitetaan elektronisessa järjestelmässä spontaania vaihtelua, joka aiheutuu jonkin laitteen, komponentin tai materiaalin fysiikasta Sähkömagneettiset häiriöt Luonnon aiheuttamat • Ukkoshäiriöt – 1000 V ylittyy vuosittain pienjänniteverkossa – Maadoitus on keskeinen torjuntakeino • Atmosfäärinen kohina • Aurinko – Magneettiset myrskyt – Kohina 6 4/8/2015 Sähkömagneettiset häiriöt Ihmisen aiheuttamat • Tarkoituksella säteilevät laitteet – Radiot, suurtaajuuskuumentimet jne. – Ovat kapeakaistaisia • Häiriösäteilijät – Periodiset impulssit, kytkimien häiriöt, hakkuriteholähteet, valaistus ym. – Ovat laajakaistaisia Häiriöiden kytkeytyminen Kytkeytyminen säteilemällä • Sähkömagneettisen kentän kytkeytyminen voidaan ratkaista Maxwellin yhtälöistä – Ratkaisu on yleensä hyvin monimutkainen • Yksinkertaistus: lähikenttä (dimensiot < λ eli aallonpituus) – Magneettikenttä → keskinäisinduktanssi – Sähkökenttä → keskinäiskapasitanssi – Usein hyvä approksimaatio, koska valtaosa häiriöistä 1 MHz:n alapuolella (λ > 300 m) Kytkeytyminen johtumalla • Häiriöt siirtyvät galvaanisen kontaktin kautta 7 4/8/2015 Häiriöiden kytkeytyminen • Suuri-impedanssisessa kentässä sähkökenttä dominoi: – kytkeytyminen tapahtuu pääasiassa kapasitiivisesti • Pieni-impedanssisessa kentässä magneettikenttä dominoi: – kytkeytyminen tapahtuu pääasiassa induktiivisesti Kapasitiivinen kytkeytyminen Kytkeytymistapoja: • Johdinten välillä (mittajohto ja verkkojohdin) • Muuntajan käämien välisen kapasitanssin kautta Kytkentä on tyypillisesti ylipäästösuodatin • Piirissä tapahtuu jännitteenjako keskinäiskapasitanssin ja piirin impedanssin (osin resistiivinen) välillä • Suuret taajuudet kytkeytyvät helposti 8 4/8/2015 Induktiivinen kytkeytyminen Virta aiheuttaa ympäristöönsä magneettikentän H – Kenttä kytkeytyy mittauspiirin johdinten muodostamaan virtasilmukkaan (mittausjohdot, maajohdot…) Piirin koko pieni suhteessa aallonpituuteen → – Kytkeytymistä voidaan tarkastella keskinäisinduktanssin Lm avulla – Häiriöjännite U kytkeytyy sarjaan mitattavan jännitteen kanssa – Suuret taajuudet kytkeytyvät helposti: U=Lm dI/dt = jωLmI (sin) Häiriöiden torjunta Kolme tapaa torjua häiriöitä 1. Estetään häiriöiden syntyminen 2. Katkaistaan häiriöiden etenemistie 3. Parannetaan häiriönsietoa • Toimiva maadoitus on ensiarvoisen tärkeä • Keinoja (esim.): – – – – – Johdinten ja piirien järjestely Symmetrointi (balansointi) Suodatus, eri taajuuksien erottelu Modulaation käyttö Analogia-digitaalimuunnos 9 4/8/2015 Mittausepävarmuus Mittausepävarmuus • Mittaustulos ei ole koskaan täysin oikein – Mittaustulos on arvio mitattavasta arvosta • Mittaustuloksen ja mitattavan arvon ero on mittausvirhe • Mikäli mittausvirhe tiedettäisiin se tietysti korjattaisiin! • Mittausepävarmuus on arvio siitä, kuinka suuri mittausvirhe voi olla • Kalibrointitoiminnassa ja tarkkuusmittauksissa, mittaustulokseen tulee aina liittää mittauksen epävarmuus 10 4/8/2015 Virheiden luokittelu • Dynaaminen virhe – Virhe, joka syntyy, kun mittaus ei ehdi seurata mitattava signaalia • Staattinen virhe – Virhe, joka jää jäljelle mittausjärjestelmän asetuttua • Satunnaisvirhe: hajonta (keskiarvo = 0) • Systemaattinen virhe: vakiovirhe (keskiarvo ≠ 0) • Karkea virhe: väärä lukema tai ei lukemaa lainkaan Mittausepävarmuuden laskeminen Mittausepävarmuuden laskemisesta on useita standardeja ja suosituksia • Yleisimmin hyväksytty on International Organization for Standardization (ISO): Guide to the expression of uncertainty in measurement (2008) (http://www.bipm.org/utils/common/documents/jcgm/JCGM_100_2008_E.pdf ) • Akkreditoiduille kalibrointilaboratorioille käytössä yksinkertaisempi versio EA-4/02: Expression of the Uncertainty of Measurement in Calibration (1999) (http://www.european-accreditation.org/n1/doc/ea-4-02.pdf ) 11 4/8/2015 Epävarmuuslaskelma vai virhearvio? • Virhearvio: – Virhearviossa määritetään estimaatit mittauksen virhelähteille, ja lasketaan ne yhteen – Antaa ylärajan mittausvirheelle – Ei sovellu kalibrointitoimintaan • Epävarmuuslaskelma: – Määritetään estimaatit mittauksen virhelähteille ja korjataan ne tuloksiin – Lasketaan korjausten epävarmuudet neliöllisesti yhteen – Antaa luotettavuusvälin, jolla mitattava suure on tietyllä tilastollisella todennäköisyydellä (yleensä 95%). Epävarmuuskomponentteja • Mittalaitteesta aiheutuvat – – – – – – • Kalibrointi Aika kalibroinnista Lineaarisuus Taajuusriippuvuus Resoluutio Mittalaitteen stabiilius Käyttöedellytykset – – – – Lämpötila, kosteus, paine Sähköiset häiriöt Verkkojännite Erityisesti näiden vaihtelu mittauksen aikana! • Käyttäjästä johtuvat (Lähinnä analogisissa mittalaitteissa) – Mittarin asento – Lukematarkkuus – Alkuasetukset • Mittauskohteesta aiheutuvat – Mittarin vaikutus mittauskohteeseen – Kuormitus – Maasilmukat, vuotovirrat, mittajohdot, epäsovitukset – Mitattavan ilmiön stabiilius 12 4/8/2015 Epävarmuuskomponenteista • Epävarmuuskomponenteista on tunnettava jakauma, jotta saadaan keskihajonta σ (sigma). • Useimmat epävarmuuskomponentit noudattavat normaalijakaumaa tai tasajakaumaa. • Jotta epävarmuuskomponentteja voidaan yhdistää on niistä selvitettävä varianssi (tai keskihajonta), joko laskemalla tai arvioimalla. Normaalijakauma • Pääsääntöisesti epävarmuuskomponentit ovat normaalijakautuneita (tai oletetaan olevan) – 68 % todennäköisyydellä yksittäinen mittaus osuu välille ±σ – 95 % todennäköisyydellä yksittäinen mittaus osuu välille ±2σ – 99,8 % todennäköisyydellä yksittäinen mittaus osuu välille ±3σ • Yleensä normaalijakautuneita: – Kalibrointitodistuksesta saatava epävarmuus – Mittauksen toistuvuus – Useat luonnonilmiöt tiheysfunktio 13 4/8/2015 Tasajakauma Komponenttien yhdistäminen • Epävarmuuskomponenttien on oltava toisistaan riippumattomia, jotta niiden yhteisvaikutusta voidaan arvioida. Näin myös yleensä on. • Usean toisistaan riippumattoman tekijän yhteisvaikutus on (riittävällä tarkkuudella) normaalijakautunut, vaikka yksittäiset komponentit olisivat tasajakautuneita! (Helppo testata nopilla) 14 4/8/2015 Usean epävarmuustekijän yhteisvaikutus Usean epävarmuustekijän yhteisvaikutus - laskeminen 1. 2. 3. 4. Selvitä yksittäisten tekijöiden keskihajonnat Laske niistä yksittäisten tekijöiden varianssit Laske varianssit yhteen → kokonaisvarianssi Ota kokonaisvarianssin neliöjuuri → saadaan yhteisvaikutuksen keskihajonta σkok 5. 95 %:n luotettavuusväli = ± 2 × σkok 15 4/8/2015 Stabiilisuus • Mittauslaitteen kyky säilyttää metrologiset ominaisuutensa muuttumattomina ajan kuluessa • Termejä epästabiilius ja stabiilius käytetään usein ristiin – Stabiilius riippuu käytetystä ajanjaksosta ja käyttöolosuhteista. – Valmistajat ilmoittavat stabiiliuden eri tavoin, esimerkiksi μV/vuosi, tms. Tarkkuus • Sanalla tarkkuus voidaan yleensä tarkoittaa lähes mitä tahansa. Seuraavat termit menevät puhekielessä täysin sekaisin – Accuracy (tarkkuus, paikkansapitävyys) Mittauslaitteen kyky antaa vasteita, joiden keskiarvo on lähellä tosiarvoa – Precision (tarkkuus, täsmällisyys) Yleistermi joka kuvaa mittauksen riippumattomuutta satunnaisista vaihteluista. – Graduation (astejako, asteikko) kahden peräkkäisen mitta-arvon välinen ero – Repeatability (toistuvuus) Saman mittaussuureen peräkkäisten mittaustulosten yhtäpitävyys, kun mittaukset suoritetaan samoissa olosuhteissa – Reproducibility (uusittavuus) Saman mittaussuureen tulosten yhtäpitävyys, kun mittaukset suoritetaan muuttuneissa olosuhteissa 16 4/8/2015 Tarkkuus ja täsmällisyys Epätarkka Epätäsmällinen Epätarkka Täsmällinen Tarkka Epätäsmällinen Tarkka Täsmällinen Accuracy (ulkoinen tarkkuus) Tarkka tulos (tai usean tuloksen keskiarvo) on lähellä tosiarvoa. Precision (sisäinen tarkkuus) Täsmällinen tulos on toistettavissa, ei sisällä satunnaista vaihtelua. Kuvan lähde: Mittaamisen historia, Andrew Robinson, Multikustannus, 2008 Englanninkielinen alkuteos The History of Measurement Muita käsitteitä • Dynaaminen alue – Mittausalueen alarajan ja ylärajan välinen suhde – Mittausalueen alaraja • Pienin mitattavissa oleva mittaussuureen arvo. Määräytyy järjestelmän häiriötasosta, esimerkiksi kohinasta – Mittausalueen yläraja • Suurin mitattavissa oleva mittaussuureen arvo. Määräytyy järjestelmän sietokyvystä • Erottelukyky • Herkkyys – Mittauslaitteen kyky reagoida mittaussuureen pieniin muutoksiin. – Näyttämän muutoksen suhde mittaussuureen muutokseen, esim. lämpötila-anturille 2 Ω / 1 ºC. 17 4/8/2015 Muita käsitteitä • Hystereesi – Mittauslaitteen näyttämien ero, kun mitataan suureen samaa arvoa muutossuunnan ollessa toisaalta suureneva ja toisaalta pienenevä • (Epä)lineaarisuus – Intergraalinen epälineaarisuus (INL) • Arvon xn poikkeama suorasta – Differentiaalinen epälineaarisuus (DNL) • Erotuksen xn - xn-1 poikkeama teoreettisesti lasketusta erotuksesta – Monotonisuus • xn > xn-1 kaikilla n:n arvoilla (tai xn < xn-1) Pulssien määrän laskenta • Yleinen mittaustilanne: Laskettavat pulssit & laskuri Sallinta = laskenta-aika tulos • Laskettavat pulssit ja Sallinta-signaali ovat epäsynkronissa keskenään eli ajoitukseltaan toisistaan riippumattomat. 18 4/8/2015 Pulssien määrän laskennan epätarkkuus • Yhden laskentatuloksen epätarkkuus on ± 1 pulssi • Mitä suurempi on pulssien määrä, sitä pienemmäksi saadaan suhteellinen epätarkkuus. Yhden ja monen tuloksen keskiarvon epätarkkuus 19 4/8/2015 Korrelaatiofunktiot Autokorrelaatiofunktio I • Signaalia verrataan itseensä ajallisesti viivästettynä. • Voidaan löytää kohinaisestakin signaalista jaksollisuutta. 20 4/8/2015 Autokorrelaatiofunktio II Korrelaattori Yksi signaali x(t) Autokorrelaatiofunktio RX(τ) vertailu τ Vaihtuvan pituinen viive (tau) Kahden signaalin korrelointi • Matemaattisesti korrelaatiofunktio lasketaan integroimalla (aika monimutkainen kaava) • Korrelointia voi tarkastella graafisesti liu’uttamalla kahta signaalia toistensa yli • Jos signaalit menevät hyvin päällekkäin, ne korreloivat hyvin keskenään 21 4/8/2015 Puhdas sinimuotoinen, autokorrelaatio RX(τ) +1 τ 0 -1 Kohiseva sinimuotoinen, autokorrelaatio RX(τ) +1 τ -1 0 22 4/8/2015 Satunnaissignaali, autokorrelaatio RX(τ) +1 τ -1 0 Ristikorrelaatiofunktio I • Kahta signaalia verrataan keskenään niin, että toista viivästetään ajallisesti • Voidaan löytää kahden signaalin väliltä yhtäläisyyttä tietyllä viiveellä eli signaalit korreloivat keskenään • Voidaan selvittää esim. nesteen kulkuaika kahden pisteen välillä tai virtausnopeus 23 4/8/2015 Ristikorrelaatiofunktio II Korrelaattori Signaali x(t) Ristikorrelaatiofunktio RXY(τ) vertailu Signaali y(t) τ Vaihtuvan pituinen viive Kahden signaalin, ristikorrelaatio RXY(τ) X(t) Y(t) +1 τ -1 0 24