Anna DOMAŃSKA - Systemy pomiarowe w badaniach naukowych i

Materiały X Konferencji Naukowej SP 2014
Marian KAMPIK, Krzysztof MUSIOŁ, Michał GRZENIK, Artur SKÓRKOWSKI, Janusz TOKARSKI,
Wiesław DOMAŃSKI, Tadeusz SKUBIS, Bogusław KASPERCZYK, Erwin MACIAK1), Roman
WITUŁA2)
Politechnika Śląska,
Wydział Elektryczny, Instytut Metrologii, Elektroniki i Automatyki,
1)
Wydział Elektryczny, Katedra Optoelektroniki,
2)
Wydział Matematyki Stosowanej, Instytut Matematyki.
PIERWOTNY WZORZEC NAPIĘCIA PRZEMIENNEGO
W artykule omówiono zakres prac związanych z opracowaniem pierwotnego wzorca napięcia
przemiennego. Przedstawiono realizację wzorca pierwotnego złożonego z zestawu termicznych
przetworników wartości skutecznej, utrzymywanego w Laboratorium Wzorców AC-DC Politechniki
Śląskiej.
PRIMARY AC VOLTAGE STANDARD
The scope of work related to the development of the primary AC voltage standard is discussed in the
article. The paper presents the realization of the primary AC voltage standard made of a set of thermal
converters kept in the Laboratory of AC-DC Standards at Silesian University of Technology.
1. WPROWADZENIE
Wzorce pierwotne (etalony) napięcia przemiennego, wykorzystujące termiczne przetworniki
wartości skutecznej i specjalizowane, zautomatyzowane stanowiska wzorcujące są aktualnie
najdokładniejszymi wzorcami napięcia przemiennego [1]. Do niedawna Polska była jednym z
nielicznych krajów Wspólnoty Europejskiej, który takiego etalonu nie posiadał. Wówczas stosowane
w kraju komercyjne wzorce napięcia przemiennego były wzorcowane za granicą. W ramach projektu
rozwojowego zrealizowanego w Instytucie Metrologii, Elektroniki i Automatyki Politechniki Śląskiej
w Gliwicach opracowano i zbudowano wzorzec pierwotny napięcia przemiennego, którego
właściwości metrologiczne nie muszą być determinowane drogą wzorcowania w zagranicznym
laboratorium. Konieczna jest jedynie interkomparacja z wzorcami zagranicznymi, mająca na celu
uwiarygodnienie wyników. Jest to postępowanie rutynowe, stosowane przez NMI1 i laboratoria
współpracujące o najwyższym poziomie w hierarchii wzorców.
2. ZESTAW WZORCÓW
Wykonany we własnym zakresie zestaw wzorców pokrywa zakres napięcia przemiennego od 0,5 V
do 1000 V oraz pasmo częstotliwości od 10 Hz do 1 MHz (rys.1). We wzorcach wykorzystano
termiczne przetworniki wartości skutecznej (SJTC2 i PMJTC3), charakteryzujące się bardzo dobrymi
właściwościami metrologicznymi [2]. Różnice transferowe trzech wzorców pierwotnych z
przetwornikami SJTC o nominalnym napięciu wejściowym 1,5 V, 3 V oraz 6 V zostały wyznaczone
teoretycznie w paśmie częstotliwości 10 kHz – 1 MHz oraz doświadczalnie w paśmie częstotliwości
10 Hz – 10 kHz. Różnice transferowe pozostałych wzorców wyznaczono przez komparację z
wzorcami pierwotnymi.
1
Krajowe Instytuty Metrologiczne (ang. National Metrology Institutes)
SJTC - jednozłączowy przetwornik wartości skutecznej (ang. Single Junction Thermal Converter),
3
PMJTC – wielozłączowy planarny przetwornik wartości skutecznej (ang. Planar Multijunction Thermal Converter)
2
2 Marian Kampik, Krzysztof Musioł, Michał Grzenik, Artur Skórkowski, Janusz Tokarski, Wiesław Domański
______________________________________________________________________________________
Rys. 1. Widok części zestawu wzorców napięcia przemiennego
Fig 1. A view of the part of the AC voltage standards set
3. LABORATORIUM WZORCÓW AC-DC
Uzyskanie odpowiedniej dokładności etalonu wymaga utrzymywania go w ściśle określonych
warunkach środowiskowych. Z tego względu w Instytucie Metrologii, Elektroniki i Automatyki
Politechniki Śląskiej zbudowano Laboratorium Wzorców AC-DC wyposażone w elektromagnetycznie
ekranowaną kabinę pomiarową (rys.2) o stabilizowanej temperaturze i wilgotności. Konstrukcja
kabiny zapewnia tłumienność zaburzeń promieniowanych w paśmie częstotliwości od 100 kHz do
6 GHz i przewodzonych większą od 60 dB. Tak wysoka tłumienność gwarantuje niezależność
pomiarów wykonywanych w kabinie od zewnętrznych pól elektrycznych i magnetycznych. Kabina
wyposażona jest w dedykowany system stabilizacji warunków środowiskowych, którego
podstawowym zadaniem jest zapewnienie odpowiednio stabilnej temperatury i wilgotności w kabinie,
szczególnie w obszarze nad powierzchniami roboczymi stanowisk pomiarowych. Temperatura
w kabinie wynosi 23,0°C z dopuszczalnym dryfem nie przekraczającym ±0,2 K na godzinę [3].
Dopuszczalne wahania wilgotności względnej nie przekraczają ±10% na dobę.
Rys. 2. Widok wnętrza elektromagnetycznie ekranowanej komory pomiarowej
Fig. 2. A view of the interior of the electromagnetically shielded chamber
Istotnym z punktu widzenia dokładności wykonywanych pomiarów było opracowanie
odpowiedniej infrastruktury teleinformatycznej Laboratorium Wzorców AC-DC, umożliwiającej
zdalne monitorowanie pomiarów oraz sterowanie systemem pomiarowym poprzez Internet. Dzięki
Pierwotny wzorzec napięcia przemiennego
3
______________________________________________________________________________________
temu nie jest wymagana obecność operatora w kabinie, co eliminuje jego wpływ na wynik
wzorcowania (np. przez zaburzenie pola temperatury).
Stanowisko badawczo-wzorcujące zlokalizowane w Laboratorium Wzorców AC-DC umożliwia
realizację napięciowego transferu AC-DC na najwyższym osiągalnym poziomie dokładności.
Infrastrukturę laboratorium opracowano z myślą o stopniowym rozszerzaniu zakresu prac
badawczych, dotyczących etalonów innych wielkości elektrycznych: prądu przemiennego, mocy i
energii elektrycznej oraz wzorców impedancji.
4. METODYKA WYZNACZENIA RÓŻNICY TRANSFEROWEJ WZORCÓW
Zdeterminowanie różnicy transferowej wzorców pierwotnych o nominalnych napięciach
wejściowych 1,5 V, 3 V oraz 6 V zrealizowano w trzech przedziałach częstotliwości, w których
ujawniają się i dominują różne zjawiska:
a) w paśmie częstotliwości od 10 Hz do około 100 Hz;
b) w paśmie częstotliwości od około 100 Hz do około 10 kHz;
c) w paśmie częstotliwości od około 10 kHz do około 1 MHz.
Ad. a) w paśmie częstotliwości od 10 Hz do około 100 Hz, w którym różnica transferowa jest
zdeterminowana przede wszystkim trudnymi do teoretycznej analizy nieliniowymi zjawiskami
transportu ciepła, zastosowano metodę polegającą na zdeterminowaniu różnicy transferowej przez jej
pomiar względem PMJTC o zredukowanej mocy wydzielanej w grzejniku [4,5] oraz metody
wykorzystującej cyfrowe źródło napięcia przemiennego o małej częstotliwości [6,7,8]. W tym zakresie
częstotliwości standardowa niepewność zdeterminowania różnicy transferowej wzorców o napięciu
wejściowym z przedziału od 1 V do 6 V jest równa około 2 μV/V.
Ad. b) w paśmie częstotliwości od około 100 Hz do około 10 kHz, w którym różnica transferowa jest
zdeterminowana przede wszystkim zjawiskami termoelektrycznymi, zastosowano metodę pomiaru
różnicy transferowej przy wykorzystaniu źródła wzorcowego napięcia prostokątnego [9]. Opracowano
i zbudowano źródło, wytwarzające takie napięcie. W tym zakresie częstotliwości standardowa
niepewność zdeterminowania różnicy transferowej wzorców o napięciu wejściowym z przedziału od
1 V do 6 V jest rzędu 1 μV/V.
Ad. c) w paśmie częstotliwości od około 10 kHz do 1 MHz, w którym różnica transferowa jest
zdeterminowana przede wszystkim zależnymi od częstotliwości parametrami resztkowymi obwodu
grzejnika, różnicę transferową wyznaczono teoretycznie w sposób opisany w [10,11,12]. Ta
najbardziej zaawansowana teoretycznie i technologicznie część pracy wymagała opracowania
złożonego modelu matematycznego wzorca oraz zdeterminowania właściwości fizycznych
materiałów, z których został on wykonany. W wyżej opisany sposób różnicę transferową wyznaczono
jedynie dla trzech współosiowych wzorców zintegrowanych z drutowym rezystorem zakresowym o
nominalnych napięciach wejściowych odpowiednio 1,5, 3 V oraz 6 V. Standardowa niepewność
zdeterminowania różnicy transferowej tych wzorców zwiększa się ze wzrostem częstotliwości i osiąga
wartość równą około 5 μV/V przy 1 MHz.
Różnice transferowe pozostałych wzorców wchodzących w skład etalonu wyznaczono pomiarowo,
drogą komparacji ze wzorcami pierwotnymi o nominalnych napięciach wejściowych równych 1,5 V,
3 V oraz 6 V. W tym celu opracowano odpowiednie procedury pomiarowe, umożliwiające
przeniesienie miary z wzorców o niskich napięciach na wzorce o napięciu wyższym (ang. step up)
oraz z wzorców o wyższych napięciach na wzorce o napięciu niższym (ang. step down). Ponadto
dokonano analizy czynników wpływających na wynik takiego wzorcowania.
4 Marian Kampik, Krzysztof Musioł, Michał Grzenik, Artur Skórkowski, Janusz Tokarski, Wiesław Domański
______________________________________________________________________________________
5. SYSTEM JAKOŚCI W LABORATORIUM WZORCÓW AC-DC
W roku 2014 w Laboratorium Wzorców AC-DC rozpoczęto wdrażanie system jakości. W tym celu
opracowano dokumentację, obejmującą m.in. Księgę Procedur Ogólnych i Księgę Procedur
Kalibracyjnych. Przy tworzeniu dokumentacji jakościowej uwzględniono wszystkie wymogi stawiane
laboratoriom wzorcującym ubiegającym się o akredytację Polskiego Centrum Akredytacji zgodnie z
normą PN-EN ISO/IEC 17025.
6. PODSUMOWANIE
Opracowano i zrealizowano wzorzec pierwotny napięcia przemiennego dla zakresu od 0,5 V do
1000 V w paśmie częstotliwości od 10 Hz do 1 MHz, o właściwościach metrologicznych
porównywalnych z właściwościami etalonów państw wysokorozwiniętych. Autorzy mają nadzieję, iż
opracowany wzorzec przyczyni się do poprawy spójności pomiarowej w powszechnie wykonywanych
w przemyśle i badaniach naukowych pomiarach napięcia przemiennego i wywrze pozytywny wpływ
na funkcjonowanie gospodarki kraju.
LITERATURA
1. Kampik M., Miłek M.: Przetworniki termiczne w pomiarach wartości skutecznej prądu. „Metrologia i
Systemy Pomiarowe”, monografia 7, Warszawa 1992.
2. Laiz H., Klonz M., Kessler E., Kampik M., Lapuh R.: Low-Frequency AC-DC Voltage Transfer Standards
with New High Sensitivity and Low-Power-Coefficient Thin-Film Multijunction Thermal Converters. “IEEE
Trans. Instrum. Meas.” April 2003, Vol. 52, No. 2, p. 350-354.
3. Kampik M., Domański W., Grzenik M., Majchrzyk K, Musioł K., Tokarski J.: System stabilizujący
temperaturę i wilgotność w laboratorium wzorców AC-DC, Materiały XLV Międzyuczelnianej Konferencji
Metrologów, MKM '2013, Głuchołazy, 8-11 września 2013. Prace Komisji Metrologii Oddziału PAN w
Katowicach; Seria: Konferencje ; nr 17.
4. Kampik M.: Zautomatyzowane stanowisko do badań i wzorcowania termicznych przetworników wartości
skutecznej napięcia w zakresie częstotliwości 5... 100 Hz. Podstawowe Problemy Metrologii, Prace Komisji
Metrologii Oddziału PAN w Katowicach, Ustroń 2006, s. Konferencje, Nr 5, s. 581-592.
5. Funck T., Kampik M., Kessler E., Klonz M., Laiz H., Lapuh R.: Determination of the AC-DC voltage
transfer difference of high voltage transfer standards at low frequencies. “IEEE Trans. Instrum. Meas.” April
2005, Vol 54, No. 2, p. 807-809.
6. Kampik M.: High performance digitally synthesized source for very low-frequency AC voltage calibrator.
Instrumentation and Measurement Technology Conference – IMTC 2007, Warsaw 2007 (CD-ROM).
7. Kampik M., Laiz H., Klonz M.: Comparison of three accurate methods to measure AC voltage at low
frequencies. “IEEE Trans. Instrum. Meas.” April 2000, Vol. 49, p. 429-433.
8. Kampik M.: Cyfrowe źródła wzorcowego napięcia przemiennego o małej częstotliwości, Monografia
224,Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2009.Klonz M., Spiegel T., Zirpel
9. R., Inglis B., Hammond G., Sasaki H., Takahashi K., Stojanovic B.: Measuring thermoelectric effects in
thermal converters with a fast reversed DC. “IEEE Trans. Instrum. Meas.” 1995, Vol. 44, No. 2, p. 379-382.
10. Grzenik M.: Kampik M.: Matematyczny model wzorca napięcia przemiennego. Przegląd Elektrotechniczny
4/2013 s 214-216.
11. Grzenik M., Kampik M.: Wpływ parametrów konstrukcyjnych na różnicę transferową wzorca napięcia
przemiennego. Przegląd Elektrotechniczny 5/2013, s. 245-247.
12. Kampik M., Grzenik M., Musioł K. Wzorce napięcia przemiennego o liczalnej różnicy transferowej w
paśmie częstotliwości 10 kHz - 1 MHz. PAK 5/2013, s. 418-421.
Praca finansowana ze środków Narodowego Centrum Badań i Rozwoju
(Projekt Rozwojowy nr R01003010)