PL231702B1 - Sposób pomiaru rozkładu zmiennych w czasie wielkości fizycznych - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób pomiaru rozkładu zmieniającej się w czasie wartości wielkości fizycznej wokół obiektu wytwarzającego taką wielkość fizyczną charakteryzującą rozkład pola elektromagnetycznego, elektrycznego, magnetycznego, termicznego, akustycznego.

Pomiar rozkładu wartości wielkości fizycznej obarczony jest licznymi błędami. Jednym z nich może być błąd wprowadzany poprzez losowo zmieniające się w czasie wartości mierzonej wielkości fizycznej wokół mierzonego obiektu generującego tę wielkość fizyczną.

Z opisu patentowego PL 170 392 znany jest pomiar widma częstotliwości, który polega na tym, że sygnał wejściowy rozdziela się na dwa sygnały. Jednym synchronizuje się moment włączenia badanego klucza, a drugi sygnał przesyła się poprzez badany klucz i mierzy się jego widmo częstotliwości. Poprzez takie działanie możliwe jest określenie właściwości kluczy tranzystorowych i elektromechanicznych, a zwłaszcza kontaktronowych. Powyższe rozwiązanie wykorzystuje sygnał synchronizujący działanie układu pomiarowego. Zaletą tego sposobu jest możliwość niezależnego pomiaru widma częstotliwości sygnałów funkcji włączenia lub wyłączenia klucza tranzystorowego. Pozwala to na wyznaczenie równoważnych zastępczych źródeł zakłóceń i schematów zastępczych badanego klucza, odpowiadających jego stanowi włączenia lub wyłączenia.

Znany jest z opisu patentowego PL 178 136 sposób pomiaru współczynnika szumu zapewniający bezpośredni pomiar współczynnika szumu dwuwrotników, w zakresie bardzo wielkich częstotliwości, gdzie mierzy się elementy i podzespoły o niewielkim wzmocnieniu mocy. Mierzy się wartości mocy szumu występującego w odbiorniku pomiarowym w różniących się stanach układu pomiarowego, a więc moc szumu włączenia dla stanu pierwszego układu pomiarowego, w którym generator szumu jest w stanie włączenia, a przełącznik wejścia odbiornika pomiarowego i przełącznik wejścia detektora mocy szumu są w stanach przenoszenia sygnału z bardzo małym tłumieniem tego sygnału, moc szumu wyłączenia dla drugiego stanu układu pomiarowego, w którym generator szumu jest w stanie wyłączenia, a przełącznik wejścia odbiornika pomiarowego i przełącznik wyjścia detektora mocy szumu są w stanach przenoszenia sygnału z bardzo małym tłumieniem tego sygnału, moc szumu własnego odbiornika pomiarowego dla trzeciego stanu układu pomiarowego, w którym generator szumu jest w stanie wyłączenia, przełącznik wejścia detektora mocy szumu jest w stanie przenoszenia sygnału z bardzo małym tłumieniem tego sygnału, a przełącznik wejścia odbiornika pomiarowego jest w stanie odłączenia sygnału z bardzo dużym tłumieniem tego sygnału i na podstawie tych wartości mocy szumu oblicza się wartość współczynnika szumu badanego dwuwrotnika. Przy wykonywaniu obliczeń różnic występujących w zależności wykorzystywanej do wyznaczenia mierzonej wartości współczynnika szumu eliminowane są składowe stałe napięcia wyjściowego detektora mocy szumu nie zawierające informacji o wartościach poziomów mocy szumu w impulsach. Powyższe rozwiązanie bazuje na obróbce sygnałów docierających na bieżąco do sondy pomiarowej w trakcie procesu badania dwuwrotnika.

Z opisu patentowego PL 190 763 znany jest sposób pomiaru wielkości fizycznych, polegający na tym, że zmodulowaną wiązkę światła laserowego poddaje się detekcji, a sygnał elektryczny wzmacnia się i odczytuje jako wartość mierzonej wielkości fizycznej. Mierzoną wielkość fizyczną przetwar za się na sygnał napięciowy, którym to sygnałem moduluje się częstotliwość generacji wiązki światła laserowego, a następnie wiązkę światła laserowego zmodulowaną częstotliwościowo przekształca się w wiązkę światła laserowego zmodulowaną amplitudowo, po czym wiązkę światła laserowego zmodulowaną amplitudowo poddaje się detekcji, a sygnał elektryczny wzmacnia się oraz wyznacza i odczytuje się wartość mierzonej wielkości fizycznej, przy czym wartość mierzonej wielkości fizycznej jest proporcjonalna do sygnału elektrycznego otrzymanego po detekcji.

W powszechnie stosowanych sposobach pomiaru wielkości fizycznej takiej jak przykładowo pola elektrycznego, pola magnetycznego, na wartość błędu wpływa wiele różnych czynników. Do podstawowych źródeł błędu pomiaru można zaliczyć między innymi klasę przyrządów/ustrojów pomiarowych, zmienność parametrów emitowanych przez badany obiekt, a wpływających na wartość wielkości mierzonej podczas badania jej przestrzennego rozkładu takich jak napięcia, prądy i/lub zmiany symetrii faz. Z praktyki pomiarowej wiadomo, że obciążenie badanej linii elektroenergetycznej może ulegać kilkudziesięcioprocentowym odchyłkom rzędu 30%, a nierzadko do 80%, co w konsekwencji powoduje niedoszacowanie bądź też przeszacowanie uzyskiwanych wyników natężenia pola magnetycznego lub elektrycznego w kolejnych punktach pomiarowych. Na wynik pomiaru mają wpływ również czynniki środowiskowe takie jak temperatura lub wilgotność.

PL 231 702 B1

Sposób pomiaru rozkładu zmieniającej się w czasie wartości wielkości fizycznej wokół obiektu wytwarzającego taką wielkość fizyczną według wynalazku charakteryzuje się tym, że pomiaru dokonuje się przy użyciu sondy pomiarowej o stałym położeniu i pozostawia się ją przez cały okres dokonywania pomiarów w tym samym miejscu oraz co najmniej jednej sondy pomiarowej o zmiennym położeniu, którą dokonuje się pomiaru rozkładu zmiennej w czasie tej mierzonej wielkości fizycznej w różnych punktach wokół badanego obiektu emitującego tę wielkość fizyczną, przy czym mierzona w wybranych punktach pomiaru wartość chwilowa wielkości fizycznej wokół badanego obiektu przez sondę pomiarową o zmiennym położeniu jest korygowana w oparciu o pomiary pochodzące z sondy pomiarowej o stałym położeniu, która mierzy wartość sygnału wielkości fizycznej w chwili rozpoczęcia pomiaru, który to sygnał jest rejestrowany i zapamiętany w rejestrze oraz mierzy bieżącą chwilową wartość tego sygnału w tej samej chwili, w której dokonywany jest pomiar przez sondę pomiarową o zmiennym położeniu mierzącej wokół badanego obiektu, a na podstawie tych wartości wyliczany jest każdorazowo indywidualny współczynnik korygujący dla każdego punktu pomiarowego realizowanego przy pomocy sondy pomiarowej o zmiennym położeniu, tym samym sonda pomiarowa o stałym położeniu wyznacza przebieg zmienności emisji mierzonej wartości emitowanej przez badany obiekt dla tej mierzonej wielkości fizycznej.

Korzystnie, gdy indywidualny współczynnik korygujący wyliczany jest przy użyciu procedury dzielenia.

Korzystnie, gdy wartość chwilowa wielkości fizycznej wokół badanego obiektu przez sondę pomiarową o zmiennym położeniu wyliczana jest przy użyciu procedury mnożenia.

Zaletą sposobu według wynalazku jest to, że w wyniku takiego działania wartość zmierzona wielkości fizycznej w każdym badanym punkcie przestrzeni wokół obiektu generującego tę wielkość fizyczną zostaje skorygowana o wartość odpowiadającą fluktuacjom mierzonej wielkości fizycznej, w stosunku do wartości zmierzonej sondą o stałym położeniu, dzięki temu wynik pomiaru jest pomniejszony o wynikający z ewentualnych zmian generowanych przez badany obiekt poprzez zapamiętanie sygnału pochodzącego z sondy o stałym położeniu, dzięki któremu wyliczana jest poprawka indywidualnie dla każdego pomiaru o wartość współczynnika korekcyjnego. Wartość sygnału wejściowego rozdziela się w tym sposobie na dwa osobne tory, przez co tworzy się sytuację, w której zmiana wielkości fizycznej zarejestrowana przez sondę o zmiennym położeniu korygowana jest zgodnie ze zmianami wartości fizycznej zmierzonymi sondą o stałym położeniu.

Poprzez zastosowanie opisanego sposobu istnieje możliwość identyfikacji zmienności mierzonej wielkości fizycznej w czasie. Wybrany punkt pomiaru każdorazowo mierzony jest przy pomocy dwóch sond pomiarowych. Uwzględniając klasę przyrządu pomiarowego rzędu pojedynczych procentów, to w najmniej korzystnym przypadku, suma wartości błędów klas zastosowanych przyrządów jest mniejsza od błędu wnoszonego wahaniami źródła generującego taką wartość fizyczną, dlatego można uzyskać znaczącą poprawę dokładności odwzorowania przestrzennego rozkładu mierzonej wielkości fizycznej.

Przedmiot wynalazku został wyjaśniony na rysunku, na którym Fig. 1 przestawia schemat przebiegu procesu pomiaru rozkładu zmiennej w czasie mierzonej wielkości fizycznej wokół badanego obiektu emitującego ją w swoim otoczeniu, Fig. 2 obrazuje zakres zmienności indukcji magnetycznej zmierzonej sondą pomiarową stałą, Fig. 3 - graficzną prezentację przedziałów mierzonych wielkości oraz występujących błędów wpływających na wynik pomiaru, Fig. 4 - przestrzenny rozkład zmierzonej indukcji magnetycznej za pomocą sondy o zmiennym położeniu oznaczony linią ciągłą oraz przestrzenny rozkład indukcji magnetycznej skorygowany o współczynnik korygujący określony za pomocą sondy o stałym położeniu oznaczony linią przerywaną.

P r z y k ł a d 1

Przy pomiarze wielkości charakteryzujących rozkład pola magnetycznego pochodzącego od obiektu elektroenergetycznego, jakim jest przykładowo linia elektroenergetyczna, jednym z błędów wpływających na poprawne dokonanie takiego pomiaru jest błąd wprowadzany poprzez zmieniające się wartości takie jak napięcia, prądy i/lub zmiany symetrii faz podczas takiego pomiaru, który może trwać nawet kilka godzin.

Rozpoczęcie procesu pomiaru następuje przez umieszczenie co najmniej dwóch sond pomiarowych obok siebie, sondy pomiarowej o stałym położeniu 1A oraz sondy pomiarowej o zmiennym położeniu 1B i dokonanie kalibracji zestawu pomiarowego w chwili t = 0. Kalibracja umożliwia określenie relacji pomiędzy rzeczywistymi błędami wnoszonymi przez wszystkie sondy biorące udział w procesie pomiarowym. Odczytano wartość indukcji magnetycznej dla sondy pomiarowej o stałym położeniu 1A, wartość sygnału A(0) = 232 [nT] oraz dla sondy pomiarowej o zmiennym położeniu 1B, wartość sygnału

PL 231 702 B1

B(0) = 232 [nT], Zastosowano sondy pomiarowe przyrządu typu Mashek ESM-100 o klasie dokładności +/-5%. Sondy te są czujnikami wrażliwymi na indukcję składowej magnetycznej pola elektromagnetycznego wyrażonej w [nT].

Sondę pomiarową o stałym położeniu 1A umieszczono najkorzystniej w miejscu, gdzie spodziewano się największej wartości mierzonej wielkości fizycznej i pozostawiono tam przez cały okres dokonywania pomiarów w miejscu ich rozpoczęcia. Odczytaną wartość indukcji magnetycznej dla sondy pomiarowej o stałym położeniu 1A w chwili t = 0 wysłany został do rejestru 2 i w nim jest przechowywany przez cały czas trwania procedury pomiarowej związanej z badanym obiektem elektroenergetycznym.

Następnie w czasie t = 1873 [s], jaki upłynął od chwili rozpoczęcia pomiarów, w jednym z punktów pomiarowych wykonano pomiar w chwili t = 1873 [s] i odczytano bieżącą wartość z sondy pomiarowej o stałym położeniu 1A, której sygnał A(t) = 161 [nT]. Po naciśnięciu przycisku START rozpoczęto proces pomiaru i z układu 3 realizującego obliczenia przy użyciu procesu dzielenia pojawił się sygnał stanowiący iloraz: X(1873) = A(1873)/A(0) « 161 [nT]/232 [nT] « 0,693965, którego to wartość jest współczynnikiem korekcyjnym X(t). W tym samym czasie dla chwili t = 1873 [s] przy pomocy sondy pomiarowej o zmiennym położeniu 1B zmierzono wartość indukcji magnetycznej równą B(t) = 75 [nT], W układzie 4 realizującym obliczenia przy użyciu procesu mnożenia wartość indukcji magnetycznej B(t) sondy pomiarowej o zmiennym położeniu 1B jest korygowana przez niemianowany współczynnik korekcyjny X(t), co daje w konsekwencji wartość: Y(t) = X(t)*B(t) = 0,693965*75 [nT] « 52 [nT] i jest poszukiwaną wartością mierzonej wielkości fizycznej skorygowanej o błąd losowy. Wartość Y(t) odpowiada fluktuacjom mierzonej wielkości fizycznej, w stosunku do wartości zmierzonej sondą o stałym położeniu A1 i wyświetlana jest na wskaźniku odczytowym (5) wyskalowanym w [nT]. Przebieg zmierzonej wartości indukcji magnetycznej ilustruje linia ciągła na Fig. 4.

W czasie trwania procedury pomiarowej trwającej 3866 [s] uzyskano zmienność indukcji magnetycznej zmierzonej przy pomocy sondy o stałym położeniu 1A w zakresie od 86 [nT] do 368 [nT] jak przedstawiono na Fig. 2, co w odniesieniu do początkowej wartości sygnału A(0) z chwili rozpoczęcia pomiarów t = 0 dało procentową zmienność wielkości mierzonej na poziomie odpowiednio: od -62,9% do +58,5%. Charakter tej zmienności był losowy i niemożliwy do identyfikacji w przypadku zastosowania zwykłej tradycyjnej metody pomiaru przy wykorzystaniu przyrządu z jedną tylko sondą pomiarową.

Klasa dokładności obu zastosowanych sond pomiarowych typu Maschek ESM-100 jest na poziomie +/-5%, co powoduje, że całkowity błąd pochodzący od klas dokładności zastosowanych sond pomiarowych, sondy pomiarowej o stałym położeniu 1A oraz sondy pomiarowej o zmiennym położeniu 1B będący sumą klas dwóch niezależnych, w tym przypadku identycznych sond pomiarowych jest i tak pomijalny w porównaniu do opisanych kilkudziesięcioprocentowych zmian wartości indukcji magnetycznej, jaka miała miejsce podczas pomiarów spowodowana przede wszystkim zmiennością prądów płynących w przewodach badanej linii elektroenergetycznej, jak przedstawiono na Fig. 3. W trakcie pomiarów wykonywanych sposobem opisanym w wynalazku uzyskuje się informację na temat ewentualnej losowej zmienności wartości wielkości mierzonej i jeśli jest ona odpowiednio duża w stosunku do sumy klas dokładności wszystkich zastosowanych sond pomiarowych. Wskazuje to, że opisany sposób pomiaru jest jak najbardziej celowy. Skorygowany przebieg zmierzonej wartości indukcji magnetycznej ilustruje linia przerywana na Fig. 4.

Zaproponowany sposób pomiaru pozwala na zmniejszenie całkowitego błędu pomiaru wielkości mierzonej oraz uwzględnia również czynniki środowiskowe takie jak temperatura lub wilgotność.

Pomiar, z zastosowaniem opisanego sposobu jest uzasadniony w sytuacji, gdy błąd powodowany przez losową zmianę w czasie wielkości fizycznej jest większy od sumy klas dokładności zastosowanych przyrządów/ustrojów, jakimi są w tym przykładzie sondy pomiarowe.

P r z y k ł a d 2

Przy pomiarze wielkości charakteryzujących rozkład składowej elektrycznej pola elektromagnetycznego pochodzącego od obiektu elektroenergetycznego, jakim jest przykładowo linia elektroenergetyczna proces pomiaru przebiega jak w przykładzie pierwszym z tą różnicą, że sonda pomiarowa o stałym położeniu (1A) oraz sonda pomiarowa o zmiennym położeniu (1B) są czujnikami wrażliwymi na natężenie pola elektrycznego, a wskaźnik odczytowy (5) wyskalowany jest odpowiednio w jednostkach charakteryzujących natężenie pola elektrycznego i wyrażanych w [kV/m]. Na wartość natężenia pola elektrycznego duży wpływ mają m.in. warunki środowiskowe, w jakich wykonuje się pomiary. Sposób pomiaru według wynalazku uwzględnia również zmiany zmierzonych wartości natężenia pola elektrycznego powodowane losową zmiennością parametrów środowiskowych. W przypadku przeprowadzania pomiarów natężenia pola elektrycznego na zewnątrz obiektów uwzględniona zostaje jednocześnie

PL 231 702 B1 zmienność warunków atmosferycznych, zwłaszcza takich jak wilgotność, temperatura, jaka miałaby miejsce w trakcie trwania procedury pomiarowej.

P r z y k ł a d 3

Przy pomiarze wielkości charakteryzujących rozkład pola elektromagnetycznego pochodzącego od obiektu generującego pole elektromagnetyczne, jakim jest przykładowo linia elektroenergetyczna, proces pomiaru przebiega jak w przykładzie pierwszym z tą różnicą, że sonda pomiarowa o stałym położeniu (1A) oraz sonda pomiarowa o zmiennym położeniu (1B) są czujnikami wrażliwymi na natężenie pola elektromagnetycznego, a wskaźnik odczytowy (5) wyskalowany w jednostkach wyrażających koncentrację wypromieniowanej mocy pola elektromagnetycznego wyrażanej w [W/m²].

P r z y k ł a d 4

Przy pomiarze wielkości charakteryzujących przestrzenny rozkład natężenia pola akustycznego, pochodzącego od obiektu generującego fale akustyczne, jakim są przykładowo urządzenia na stacji elektroenergetycznej, proces pomiaru przestrzennego rozkładu dźwięku przebiega jak w przykładzie pierwszym z tą różnicą, że sonda pomiarowa o stałym położeniu (1 A) oraz sonda pomiarowa o zmiennym położeniu (1B) są czujnikami wrażliwymi na fale akustyczne, jakim jest mikrofon kierunkowy, a wskaźnik odczytowy (5) wyskalowany odpowiednio w [dB].

P r z y k ł a d 5

Przy pomiarze wielkości charakteryzujących rozkład pola termicznego pochodzącego od obiektu wypromieniowującego energię cieplną, jakim jest przykładowo tor prądowy linii elektroenergetycznej, proces pomiaru przebiega jak w przykładzie pierwszym z tą różnicą, że sonda pomiarowa o stałym położeniu (1A) oraz sonda pomiarowa o zmiennym położeniu (1B) są czujnikami wrażliwymi na temperaturę w przypadku badania rozkładu pola termicznego, jakim jest termopara, a wskaźnik odczytowy (5) wyskalowany odpowiednio dla temperatury wyrażonej w [K] lub [°C].

Sposób pomiaru według wynalazku daje możliwość przyspieszenia określania badanych parametrów charakteryzujących przestrzenny rozkładów danej wielkości fizycznej emitowanej przez obiekt generujący tę wielkość fizyczną, poprzez wykonywanie jednocześnie pomiarów na kilku różnych płaszczyznach poprzez zwielokrotnienie ilości sond stosownie do potrzeb. Dla każdej z badanych płaszczyzny należy użyć jednej sondy o stałym położeniu oraz co najmniej jednej sondy o zmiennym położeniu.

Zastrzeżenia patentowe

Claims (3)

1. Sposób pomiaru rozkładu zmieniającej się w czasie wartości wielkości fizycznej wokół obiektu wytwarzającego taką wielkość fizyczną charakteryzuje się tym, że pomiaru dokonuje się przy użyciu sondy pomiarowej o stałym położeniu (A) i pozostawia się ją przez cały okres dokonywania pomiarów w tym samym miejscu oraz co najmniej jednej sondy pomiarowej o zmiennym położeniu (B), którą dokonuje się pomiaru rozkładu zmiennej w czasie tej mierzonej wielkości fizycznej w różnych punktach wokół badanego obiektu emitującego tę wielkość fizyczną, przy czym mierzona w wybranych punktach pomiaru wartość chwilowa wielkości fizycznej wokół badanego obiektu przez sondę pomiarową o zmiennym położeniu (B) jest korygowana w oparciu o pomiary pochodzące z sondy pomiarowej o stałym położeniu (A), która mierzy wartość sygnału (A(0)) wielkości fizycznej w chwili rozpoczęcia pomiaru, który to sygnał jest rejestrowany i zapamiętany w rejestrze oraz mierzy bieżącą chwilową wartość sygnału (A(t)) w tej samej chwili, w której dokonywany jest pomiar przez sondę pomiarową o zmiennym położeniu (B) mierzącej wokół badanego obiektu, a na podstawie tych wartości wyliczany jest każdorazowo indywidualny współczynnik korygujący (X(t)) dla każdego punktu pomiarowego realizowanego przy pomocy sondy pomiarowej o zmiennym położeniu (B), tym samym sonda pomiarowa o stałym położeniu (A) wyznacza przebieg zmienności emisji (Y(t)) mierzonej wartości emitowanej przez badany obiekt dla tej mierzonej wielkości fizycznej.

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że indywidualny współczynnik korygujący (X(t)) wyliczany jest przy użyciu procedury dzielenia.

3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że wartość chwilowa (Y(t)) wielkości fizycznej wokół badanego obiektu przez sondę pomiarową o zmiennym położeniu (B) wyliczana jest przy użyciu procedury mnożenia.