高精度功率分析儀基本誤差探討
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- 發(fā)布時(shí)間：2013/10/21 15:08:04
- 作者：AnyWay中國(guó)
一功率分析儀基本誤差表達(dá)方式概述
01b模式_傳統(tǒng)電測(cè)量?jī)x表的基本誤差表達(dá)方式
高精度功率分析儀屬于電測(cè)量?jī)x表，傳統(tǒng)的電測(cè)量?jī)x表的基本誤差通常采用準(zhǔn)確度等級(jí)表示，而準(zhǔn)確度等級(jí)指數(shù)通常就是儀表的誤差的百分?jǐn)?shù)的分子。
例如：高精度功率分析儀基本誤差為：
±b%量程。
02a+b模式_數(shù)字式高精度功率分析儀基本誤差表達(dá)方式
數(shù)字式高精度功率分析儀基本誤差也常用下述方式表示：
±(a%讀數(shù)+b%量程)。
a為與讀數(shù)（被測(cè)量）相關(guān)的誤差系數(shù)；
b為與量程（儀表屬性）相關(guān)的誤差系數(shù)。
我們稱基本誤差的這種表達(dá)方式為a+b模式。
03a模式_數(shù)字式高精度功率分析儀基本誤差的理想表達(dá)方式
若測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確度只與讀數(shù)有關(guān)，而與功率分析儀的量程無關(guān)，那么，功率分析儀基本誤差可以表示為：
±a%讀數(shù)。
我們稱基本誤差的這種表達(dá)方式為a模式。
二功率分析儀基本誤差不同表達(dá)方式的對(duì)比
事實(shí)上，功率分析儀基本誤差可以同意采用a+b模式表示，因?yàn)閍模式和b模式分別是a+b模式在b=0和a=0時(shí)的特例。
為此，我們先分析a模式和b模式的主要區(qū)別：
假設(shè)功率分析儀（功率表）基本誤差為0.2%，量程均為1000kW。
01b模式基本誤差
需要知道功率分析儀的量程X0，才能計(jì)算出絕對(duì)誤差Ea，再根據(jù)被測(cè)結(jié)果X1，才能計(jì)算出本次測(cè)量的相對(duì)誤差Er。
Ea=X0×b%；
Er=(Ea/X1)×100%；
可見：
b模式下，Ea為恒定值，與測(cè)量值無關(guān)。Er為變化量，且測(cè)量值X1越小，Er越大。
舉例進(jìn)行說明：
上述功率分析儀測(cè)量1000kW和10kW功率時(shí)，其絕對(duì)誤差都是±1000kW*0.2%=±2kW，而其相對(duì)誤差分別為±0.2%和±20%，顯然，測(cè)量10kW功率時(shí)，功率精度較低。
并且，b模式下，為了了解測(cè)量結(jié)果的精度，記錄數(shù)據(jù)X1的同時(shí)，必須記錄功率分析儀的量程X0，否則，無法得知測(cè)量結(jié)果的精度。
指針式功率表基本屬于這種情況，許多時(shí)候，最小刻度就是功率表的最大絕對(duì)誤差。這一點(diǎn)，與指針式功率表的讀數(shù)方式和人眼的分辨力有關(guān)。比如說，上述功率分析儀刻度盤上刻度分為100格，其基本誤差必然大于或等于1格對(duì)應(yīng)的數(shù)值，也就是說，其精度必然劣于1%。
指針式功率表的基本誤差特點(diǎn)是b模式基本誤差的原型。
02a模式基本誤差
其測(cè)量結(jié)果的精度與量程無關(guān)，相對(duì)誤差恒為0.2%，量程范圍內(nèi)，不論多大的功率，都可以得到較高的測(cè)量精度。
Ea=X1×a%；
Er=(Ea/X1)×100%=a%；
a模式下，記錄數(shù)據(jù)時(shí)無需記錄量程，測(cè)量精度保持為恒定值。
顯然，采用b模式表示功率分析儀基本誤差，是我們期待的理想情況。
然而，實(shí)際情況是：客觀世界中，不存在b=0的功率分析儀！
對(duì)于指針式儀表而言，這一點(diǎn)很容易理解。
對(duì)于數(shù)字顯示的功率表或功率分析儀而言，原理也是類似的，只不過，這個(gè)讀數(shù)的誤差不是人為決定的，而是儀表實(shí)現(xiàn)模擬量至數(shù)字量轉(zhuǎn)換過程中，也就是量化的過程中，儀表（AD）的分辨力有限等原因造成的。相比之下，AD的分辨力可以做到遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于人眼的分辨力。因此，指針式功率表的精度一般較低（某些增加了讀數(shù)附加裝置的指針式功率表也可以做到很高的分辨力），而數(shù)字式功率分析儀的精度可以做到很高。
如果數(shù)字式功率分析儀的分辨力無窮小，并且具有良好的線性度和可重復(fù)性，那么，除了無窮小量（零點(diǎn)附近）之外，可實(shí)現(xiàn)在功率分析儀基本誤差在很寬的范圍內(nèi)保持a模式。
03a+b模式基本誤差
綜合考慮a模式的不可實(shí)現(xiàn)性和a模式的不足，“GB/T 22264.1-2008 安裝式、數(shù)字顯示電測(cè)量?jī)x表 第1部分：定義和通用要求”規(guī)定，電測(cè)量?jī)x表的準(zhǔn)確度等級(jí)指數(shù)采用（a+b）表示，即：測(cè)量結(jié)果的絕對(duì)誤差不超過：
△=±(a%讀數(shù)+b%量程)；
并且，a≥4b。
“GB/T 22264.1-2008 安裝式、數(shù)字顯示電測(cè)量?jī)x表 第1部分：定義和通用要求”規(guī)定a≥4b的目的在于：對(duì)于某次測(cè)量而言，我們更加關(guān)心的是與被測(cè)量（讀數(shù)）相關(guān)的相對(duì)誤差，而希望儀表相關(guān)（量程）的影響越小越好。
顯然b/a越小，a+b模式越接近a模式。
在滿量程點(diǎn)，讀數(shù)等于量程，因此，在滿量程處，a+b相同時(shí)，功率分析儀基本誤差相同。
采用傳統(tǒng)的準(zhǔn)確度等級(jí)表示功率分析儀基本誤差時(shí)，功率準(zhǔn)確度等級(jí)只與a+b的和有關(guān)。
然而，在非滿量程點(diǎn)，其誤差不同，圖1為0.01%讀數(shù)+0.04%量程和0.04%讀數(shù)+0.01%量程兩款功率分析儀在0.5%～100%量程范圍內(nèi)的相對(duì)誤差曲線。圖中，量程相關(guān)誤差已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)樽x數(shù)相關(guān)誤差。由圖可知，當(dāng)讀數(shù)較小時(shí)，后者的精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于前者。
圖1 滿量程基本誤差相同的兩款高精度功率分析儀基本誤差對(duì)比圖
作為通用性的結(jié)論：當(dāng)a+b為相同數(shù)值時(shí)，b越小，功率分析儀適用范圍越寬，或者說功率分析儀的整體精度越高。
目前大多功率分析儀基本誤差采用a+b模式標(biāo)稱，然而，通常并不滿足標(biāo)準(zhǔn)中提到的a≥4b。
例如：對(duì)于45Hz～66Hz正弦波，就電壓電流精度而言：
橫河WT3000高精度功率分析儀基本誤差為0.01%讀數(shù)+0.03%量程，b>a。
FLUKE的NORMA5000寬頻功率分析儀基本誤差（采用PP64功率單元時(shí)）為0.02%讀數(shù)+0.01%量程，b<4a。
三改進(jìn)后的功率分析儀基本誤差
按照“GBT 22264.1-2008 安裝式、數(shù)字顯示電測(cè)量?jī)x表 第1部分：定義和通用要求”的規(guī)定和思路，假如我們規(guī)定a>>b，例如，要求a≥128b，那么，在很寬的范圍內(nèi)，儀表的基本誤差主要取決于a。
AnyWay系列變頻功率分析儀就是一種在一定范圍內(nèi)，其測(cè)量誤差只取決于讀數(shù)，而與量程無關(guān)的電測(cè)量?jī)x器。其C型功率單元，在0.5%～100%滿量程范圍之內(nèi)，電壓，電流的測(cè)量誤差不大于：
±讀數(shù)的0.2%。
那么，Anyway系列
變頻功率分析儀是如何實(shí)現(xiàn)這種誤差特性呢？
AnyWay系列變頻功率分析儀的功率單元的電壓、電流測(cè)量均設(shè)置了8個(gè)檔位，每個(gè)檔位只測(cè)量在本檔位量程的50%~100%范圍內(nèi)的信號(hào)。每個(gè)檔位的基本誤差為0.1%量程，這樣，每個(gè)檔位的最大基本誤差為0.2%讀數(shù)。8個(gè)檔位結(jié)合在一起，可實(shí)現(xiàn)1/256～1倍的最大量程內(nèi)，測(cè)量結(jié)果的基本誤差小于0.2%。
圖2 AnyWay系列變頻功率分析儀基本誤差示意圖
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