Andrzej Olencki - Uniwersytet Zielonogórski

,POGFSFODKBOBVLPXB,/84
v*OGPSNBUZLBT[UVLBD[ZS[FNJPT’P
D[FSXDB$[PDIB
ZASTOSOWANIA KALIBRATORÓW WIELKOĝCI ELEKTRYCZNYCH
Andrzej Olencki
Instytut Informatyki i Elektroniki, Uniwersytet Zielonogórski
65-246 Zielona Góra, ul. Podgórna 50
e-mail: [email protected]
STRESZCZENIE
Kalibrator wielkoĞci elektrycznych opisano za pomocą "energetycznej" i "informacyjnej"
definicji. Przedstawiono miejsce kalibratorów w hierarchii wzorców i w systemach utrzymania
jakoĞci, gdzie kalibratory są stosowane jako kontrolne i uĪytkowe narzĊdzia pomiarowe.
1. CO TO JEST KALIBRATOR?
W 1970 roku w Waszyngtonie ustalono koĔcową treĞü pierwszej i do dziĞ jedynej normy
miĊdzynarodowej, która jest poĞwiĊcona kalibratorom napiĊü i/lub prądów stałych i/lub
przemiennych. W tej normie [1], zamiast terminu kalibrator, stosowany jest termin zasilacz
stabilizowany dla pomiarów (ang. stabilized supply apparatus for measurement), którego
schemat jest przedstawiony na rys. 1.
KoĔcowy element
regulacji
WyjĞciowe
urządzenie regulacji
WejĞcie
V
Wzmacniacz
błĊdu
WyjĞcie
Komparator
ħródło
odniesienia
Rys. 1. Schemat funkcjonalny zasilacza ze stabilizowanym napiĊciem w zamkniĊtej pĊtli stabilizacji
(schemat kalibratora napiĊcia)
Schemat ten wyjaĞnia budowĊ i "energetyczną" definicjĊ kalibratora - kalibrator jest
urządzeniem, które ze Ĩródła zasilania pobiera energiĊ elektryczną i w zmodyfikowanej
formie dostarcza ją do obciąĪeĔ podłączonych do wyjĞcia kalibratora. WejĞcie kalibratora jest
podłączane do jednofazowej sieci energetycznej (czasami do akumulatora napiĊcia stałego).
213
Na wyjĞciu kalibratora jest stabilizowana jedna lub wiĊcej wielkoĞci wyjĞciowych –
najczĊĞciej są to napiĊcie i/lub prąd stały oraz napiĊcie i/lub prąd przemienny. W schemacie
zasilacza pomiarowego (kalibratora) są stosowane nastĊpujące elementy:
ƒ wyjĞciowe urządzenie regulacji, za pomocą którego nastawia siĊ wartoĞü wielkoĞci
wyjĞciowej,
ƒ
Ĩródło odniesienia – Ĩródło wielkoĞci elektrycznej do porównywania z wielkoĞcią
stabilizowaną,
ƒ
komparator, który porównuje wartoĞü wielkoĞci wyjĞciowej z wartoĞcią odniesienia i
wytwarza sygnał błĊdu,
ƒ
wzmacniacz błĊdu, który wzmacnia róĪnicĊ sygnałów komparatora (sygnał błĊdu),
ƒ
koĔcowy element regulacji – ostatni element, który reguluje wartoĞü wielkoĞci
wyjĞciowej.
Termin kalibrator napiĊcia wprowadzony został do oficjalnej krajowej terminologii na
przełomie lat 1970/80 zarządzeniami Prezesa PKNMiJ, oddzielnie dla kalibratorów napiĊcia
stałego [2] i kalibratorów napiĊcia przemiennego [3]. W zamieszczonych tam definicjach,
kalibratory napiĊcia są to elektroniczne sterowane Ĩródła napiĊcia stałego lub
przemiennego, umoĪliwiające otrzymywanie Īądanej wartoĞci napiĊcia z okreĞloną
dokładnoĞcią bez koniecznoĞci mierzenia i rĊcznego korygowania nastawieĔ.
PowyĪsza, "informacyjna" definicja kalibratora jest aktualna do dziĞ i moĪe byü rozszerzona
dla kalibratorów takich wielkoĞci elektrycznych, jak: prąd stały i przemienny, czĊstotliwoĞü,
kąt fazowy, moc, energia, a nawet rezystancja, pojemnoĞü i indukcyjnoĞü. W 1996 r.
zarządzeniem Prezesa GUM [7] wprowadzono terminy kalibratorów napiĊcia, prądu, mocy i
oporu, umoĪliwiających otrzymywanie Īądanej wartoĞci wielkoĞci wyjĞciowej wskazywanej
w postaci cyfrowej, bez koniecznoĞci jej pomiaru i korygowania.
Najprostszy schemat funkcjonalny kalibratora moĪe byü przedstawiony w postaci
przetwornika cyfrowo-analogowego C/A (rys. 2), w którym cyfrowa wielkoĞü wejĞciowa X
jest przetwarzana na analogową wielkoĞü wyjĞciową Y. Dodatkowo, oprócz przetwornika
A/C, kalibrator zawiera:
ƒ urządzenie odczytowe, z którego odczytywana jest wartoĞü wielkoĞci wejĞciowej X lub
wartoĞü wielkoĞci wyjĞciowej Y,
ƒ
zasilacz, który zgodnie z energetyczną definicją kalibratora pobiera energiĊ elektryczną
ze Ĩródła zasilania i dostarcza ją do przetwornika C/A i urządzenia odczytowego.
214
X
Y
C
A
Zasilacz
Urządzenie
odczytowe
Rys. 2. Schemat funkcjonalny kalibratora przedstawionego jako
przetwornik A/C
2. MIEJSCE KALIBRATORA W HIERARCHII WZORCÓW
Odtwarzanie jednostek wielkoĞci elektrycznych bazuje na hierarchicznym układzie wzorców
w postaci piramidy przedstawionej na rys. 3. Na wierzchołku piramidy znajduje siĊ wzorzec
odniesienia, przechowywany w Głównym UrzĊdzie Miar w Warszawie (GUM), w postaci
wzorca Josephsona [4] napiĊcia stałego UDC o wartoĞci odtwarzania 10V i niepewnoĞci
dopuszczalnej odtwarzania 10nV [5]. Wzorzec napiĊcia stałego UDC i rezystancji R pozwalają
odtwarzaü prąd stały IDC. Wzorzec napiĊcia stałego UDC i system transferu AC/DC
(przemienny/stały) z zastosowaniem wzorcowych przetworników termoelektrycznych
pozwalają odtwarzaü napiĊcie przemienne UAC. Prąd przemienny IAC odtwarzany jest z
zastosowaniem wzorców napiĊcia stałego UDC, rezystancji R i transferu AC/DC. Operacje te
wykonywane są w zakresie wzorca odniesienia i wzorców kontrolnych w GUM, w
OkrĊgowych i Obwodowych UrzĊdach Miar (OUM) oraz w laboratoriach akredytowanych.
UDC Wzorzec Josephsona 10V
UDC+RŸIDC
UDC+AC/DCŸUAC
UDC+R+AC/DCŸIAC
Wzorzec odniesienia
Wzorce kontrolne
Kalibratory
napiĊü i prądów
Wzorce robocze
Przyrządy uĪytkowe
GUM,
OUM,
laboratoria
akredytowane
UĪytkownicy
Rys. 3. Hierarchiczna struktura wzorców napiĊcia i prądu
W Ğrodkowej i dolnej czĊĞci piramidy, obejmującej wzorce robocze i przyrządy uĪytkowe, do
przekazywania jednostki miary stosowane są głównie multimetry i kalibratory napiĊü i
prądów [5].
Na rys. 4 przedstawiono piramidy odtwarzania napiĊcia stałego UDC, prądu stałego IDC,
napiĊcia przemiennego UAC i prądu przemiennego IAC. ĝrodkową czĊĞü piramid zajmują
215
krajowe wzorce robocze w postaci kalibratorów i multimetrów kontrolnych, natomiast
podstawĊ piramid tworzą krajowe kalibratory uniwersalne.
Krajowe kalibratory uniwersalne w pełni pokrywają zakres, odtwarzanych przez wzorce
robocze, napiĊü i prądów, jednak z uwagi na niĪszą dokładnoĞü, stosowane są głównie jako
przyrządy uĪytkowe (rys. 3). Krajowe wzorce robocze napiĊü i prądów stałych realizowane są
głównie z zastosowaniem kalibratorów zagranicznych, natomiast wzorce robocze napiĊü i
prądów przemiennych, szczególnie w zakresie niskich czĊstotliwoĞci (czĊstotliwoĞci
energetycznych), mogą byü realizowane z zastosowaniem zagranicznych i krajowych
kalibratorów [6].
Krajowe
wzorce
robocze
0,0005÷0,001%
0,001÷0,010%
0,002÷0,10%
0,007÷0,5%
0,0035÷0,034%
0,013÷0,035%
0,035÷0,06%
0,050÷0,4%
UDC=
1mV÷1000V
IDC=
100µA÷10A
UAC=
1mV÷1000V
IAC=
100µA÷10A
UDC=
1mV÷1100V
IDC=
1µA÷20A
UAC=
1mV÷1100V
IAC=
1µA÷100A
Krajowe
kalibratory
Krajowe
wzorce
robocze
Krajowe
kalibratory
Rys. 4. Zakresy pomiarowe i niepewnoĞci odtwarzania krajowych wzorców roboczych i krajowych
kalibratorów napiĊü i prądów stałych i przemiennych
3. MIEJSCE KALIBRATORA W SYSTEMIE JAKOĝCI
KoniecznoĞü systematycznej weryfikacji narzĊdzi pomiarowych wynika z załoĪenia, Īe tylko
sprawne narzĊdzia pracy umoĪliwiają produkcjĊ wyrobów wysokiej jakoĞci. Dlatego
spełnienie wymagaĔ systemu jakoĞci ISO 9000 zobowiązuje producenta do systematycznej
kontroli poprawnoĞci działania narzĊdzi stosowanych w produkcji [8].
Miejsce kalibratora w systemie jakoĞci ISO 9000 ilustruje rys. 5. PaĔstwowe słuĪby miar
dbają o moĪliwie wysokie parametry metrologiczne wzorca paĔstwowego oraz wystarczająco
rozwiniĊtą sieü laboratoriów z uprawnieniami GUM. Szczególną rolĊ spełnia Laboratorium
Pracowni Pomiarów Elektrycznych OĞrodka Badawczo-Rozwojowego Metrologii
Elektrycznej Metrol (dawniej Lumel) w Zielonej Górze [9], w którym jest sprawdzana i
uwierzytelniana wiĊkszoĞü kalibratorów napiĊü i prądów.
UĪytkowe narzĊdzia pomiarowe to narzĊdzia, które biorą bezpoĞredni udział w procesach
produkcyjnych – są to uĪytkowe przyrządy pomiarowe i coraz czĊĞciej stosowane uĪytkowe
216
kalibratory. Te ostatnie pełnią funkcjĊ wygodnego narzĊdzia pracy z uwagi na wzrastające
rozpowszechnienie kalibratorów, poniewaĪ dziĊki stosowaniu kalibratorów jest uzyskiwana
ogromna oszczĊdnoĞü czasu i zmniejszenie pomyłki przy produkcji aparatury pomiarowej,
pracy w laboratoriach pomiarowych i serwisowych, pracy brygad remontowych na obiektach
przemysłowych.
UĪytkowe narzĊdzia pomiarowe wymagają okresowego porównania z kontrolnymi
narzĊdziami pomiarowymi, które są uĪywane tylko do sprawdzania narzĊdzi uĪytkowych.
Producent, który posiada kontrolne narzĊdzia pomiarowe – kontrolny kalibrator i/lub
kontrolny przyrząd pomiarowy, samodzielnie dokonuje systematycznej weryfikacji swoich
narzĊdzi pracy.
Aby kontrolny kalibrator mógł pełniü opisaną funkcjĊ, powinien byü okresowo, co 12
miesiĊcy, sprawdzany lub uwierzytelniany w upowaĪnionym laboratorium.
Wzorzec
paĔstwowy
Wzorce
laboratoriów
z uprawnieniami
GUM
PaĔstwowe słuĪby miar
Kontrolne
narzĊdzia
pomiarowe
UĪytkowe
narzĊdzia
pomiarowe
Kalibrator
UĪytkowy
przyrząd
pomiarowy
Przyrząd
pomiarowy
UĪytkowy
kalibrator
Producent w systemie ISO
Rys. 5. Miejsce kalibratora w systemie jakoĞci ISO 9000
4. ZAKOēCZENIE
Termin kalibratory wylansowany został przez producentów kalibratorów i jest powszechnie
stosowany przez uĪytkowników tych urządzeĔ. Według Ğwiatowych dokumentów
normalizacyjnych, urządzenia te naleĪałoby nazywaü długą nazwą "zasilacz stabilizowany dla
pomiarów". W Polsce doĞü wczeĞnie, bo na przełomie lat 1970/80, termin kalibrator
wprowadzono do oficjalnej terminologii.
Kalibratory wielkoĞci elektrycznych stanowią podstawĊ hierarchicznej struktury wzorców
napiĊcia i prądu, są stosowane jako wzorce robocze i uĪytkowe i z tego powodu są najczĊĞciej
stosowanymi wzorcami. Krajowe kalibratory napiĊü i prądów stałych i przemiennych są
projektowane i produkowane w Zielonej Górze i w pełni pokrywają zakres, odtwarzanych
przez wzorce, napiĊü i prądów. Krajowe kalibratory, z uwagi na Ğrednie dokładnoĞci
odtwarzanych napiĊü i prądów, są stosowane głównie jako przyrządy uĪytkowe, a w
przypadku sygnałów przemiennych niskich czĊstotliwoĞci, równieĪ jako wzorce robocze.
217
LITERATURA
[1] Stabilized supply apparatus for measurement. Publication 443 first edition. Geneva, 1974
[2] Zarządzenie Nr 13 Prezesa PKNMiJ z dnia 9 lutego 1978r. w sprawie ustalania
przepisów o sterowanych Ĩródłach odniesienia (kalibratorach) napiĊcia stałego.
Dziennik Normalizacji i Miar Nr 4, Warszawa, 1978
[3] Zarządzenie Nr 55 Prezesa PKNMiJ z dnia 3 grudnia 1984 r. w sprawie ustalania
przepisów o kontrolnych Ĩródłach odniesienia wartoĞci skutecznej napiĊcia
sinusoidalnego w paĞmie czĊstotliwoĞci od 10Hz do 100kHz. Przepisy o legalizacji i
sprawdzaniu narzĊdzi pomiarowych. Załącznik do Dziennika Normalizacji i Miar nr16,
Warszawa, 1984
[4] A. Chwaleba, M. PoniĔski, A. Siedlecki: Metrologia elektryczna. Wydawnictwa
Naukowo-Techniczne. Warszawa, 2000
[5] W. Stanioch, A. Tarłowski: Odtwarzanie i przekazywanie jednostek wielkoĞci
elektrycznych prądu stałego i przemiennego małej czĊstotliwoĞci. V Sympozjum Klubu
Polskie Forum ISO 9000 "Metrologia w systemach jakoĞci". Tom 2. Mikołajki, 1997.
E/1-13
[6] A. Olencki: Prakticzeskaja realizacja iererhiczeskoj struktury mier napraĪenija i toka w
Polsze. Zbirnik naukowich prac Wipusk N5. ĩurnał WOTTP. Kijów, 1999. 84-87
[7] Zarządzenie Nr 156 Prezesa GUM z dnia 9 paĨdziernika 1996 r. w sprawie
wprowadzenia przepisów metrologicznych o kalibratorach napiĊcia, prądu, mocy i
oporu, miernikach napiĊcia, prądu i mocy – cyfrowych, multimetrach cyfrowych oraz
mostkach RLC. Dziennik UrzĊdowy Miar i Probiernictwa Nr 26, Warszawa, 1996
[8] ISO 9001 and ISO 9002 requirements for Calibration
http://www.beamex.com/calibrat/calibrat.htm
[9] Z. Tarnowski: Historia OĞrodka Badawczo-Rozwojowego Metrologii Elektrycznej Lumel
w Zielonej Górze, OBRME Lumel. Zielona Góra, 1997
218