UPROSZCZONA METODA WZORCOWANIA TERMICZNYCH PRZETWORNIKÓW WARTOŚCI SKUTECZNEJ NAPIĘCIA W ZAKRESIE CZĘSTOTLIWOŚCI Hz

Transkrypt

1 Materiały Konferencji Grantowej Politechnika Śląka 3 T10C Intytut Metrologii i Automatyki Elektrotechnicznej Projekt badawczy KB nr: UPROSZCZOA METODA WZORCOWAIA TERMICZYCH PRZETWORIKÓW WARTOŚCI SKUTECZEJ APIĘCIA W ZAKRESIE CZĘSTOTLIWOŚCI Hz W pracy przedtawiono nową metodę wzorcowania termicznych przetworników wartości kutecznej, umożliwiającą utworzenie etalonu napięcia przemiennego w przedziale V i w zakreie czętotliwości Hz, nie wymagającą toowania procedury tep-up lub tep-down. W metodzie jako wzorce wykorzytuje ię termiczne planarne przetworniki wartości kutecznej o bardzo dużej rozpiętości napięć wejściowych (17:1). Metoda umożliwia oiągnięcie małej niepewności wzorcowania (<1 µv/v). SIMPLIFIED METHOD OF CALIBRATIO OF THERMAL COVERTERS I HZ FREQUECY RAGE A new method of calibration of thermal converter i preented in the paper. It permit to realize the ac voltage tandard in V voltage range and in Hz frequency range. o tep-up nor tep-down procedure i required. The method utilize the planar multijunction thermal converter with very high input voltage range (17:1) a a tandard. The method permit achieving low uncertainty of calibration (<1 µv/v). 1. WSTĘP Planarne wielozłączowe termiczne przetworniki wartości kutecznej (PMJTC) ą wykorzytywane w etalonach wartości kutecznej napięcia przemiennego o małej czętotliwości ( Hz). Zetaw PMJTC wraz z rezytorami zakreowymi tworzy etalon napięcia przemiennego w przedziale od kilkuet mv do 1000 V. Przetworniki wchodzące w kład zetawu muzą być odpowiednio wzorcowane. ajczęściej toowaną metodą wzorcowania jet procedura tep-up oraz tep-down, polegająca na kalibracji przetwornika wzorcowanego względem przetwornika wzorcowego o niżzym lub wyżzym napięciu znamionowym [1]. W zakreie małych czętotliwości, procedura ta nie zapewnia wytarczającej dokładności, z uwagi na zależność parametrów metrologicznych przetwornika termicznego od napięcia wejściowego.. PODSTAWOWE METROLOGICZE WŁAŚCIWOŚCI PMJTC PMJTC o kontrukcji przedtawionej na ryunku 1 charakteryzuje ię bardzo dużą rozpiętością napięć wejściowych ięgającą 17:1 [,3]. Przez zeregowe połączenie

2 16 kilkudzieięciu termoelementów o dużej czułości uzykuje ię dużą wartość napięcia wyjściowego, ięgającą 300 mv. Przez dodanie pod powierzchnią membrany, w obzarze leżącym pod grzejnikiem, obeliku krzemowego zwiękzono bezwładność cieplną zepołu grzejnik termoelementy. 6 mm Podłoże krzemowe Membrana ( mm 3 mm) 8 mm Termoelementy połączone zeregowo Grzejnik Grzejnik Termoelementy Membrana Podłoże krzemowe Obelik Okno Ry. 1. Termiczny planarny przetwornik wartości kutecznej o zwiękzonej bezwładności cieplnej [] Fig. 1. Planar multijunction thermal converter with increaed thermal time contant [] Zależność pomiędzy napięciem wejściowym U oraz napięciem wyjściowym E przetwornika jet natępująca: U E = S = SPG, (1) R gdzie S jet czułością przetwornika, R G jet rezytancją grzejnika, P G jet mocą Joule a wydzielaną w grzejniku. Podtawowym parametrem metrologicznym charakteryzującym PMJTC jet różnica tranferowa, zdefiniowana jako: G U ac dc =, () U U dc E ac = E dc gdzie: U ac napięcie przemienne podane na wejście PMJTC, E ac - napięcie wyjściowe PMJTC po podaniu na jego wejście napięcia U ac, U dc napięcie tałe dla którego zachodzi: E ( + U ) + E( U ) dc dc = E dc = E ac. (3)

3 Uprozczona metoda wzorcowania termicznych przetworników wartości kutecznej KLASYCZA METODA WZORCOWAIA. TRASFER AC-DC Termiczne przetworniki wartości kutecznej wzorcuje ię w zautomatyzowanych ytemach pomiarowych realizujących tranfer ac-dc [4]. Uprozczony chemat tanowika przedtawiono na ry.. Ry.. Uprozczony chemat ytemu pomiarowego do wzorcowania przetworników termicznych [4] Fig.. Simplified chematic diagram of the meaurement ytem for calibration of thermal converter [4] We wzorcowaniu biorą udział dwa przetworniki: wzorcowy (S) o znanej różnicy tranferowej oraz wzorcowany (X) o pozukiwanej różnicy tranferowej. a grzejniki obu przetworników podawane jet napięcie przemienne (ac) a natępnie napięcie tałe (dc). W celu zmniejzenia wpływu odwracalnych zjawik termoelektrycznych, wytępujących w grzejnikach obu przetworników, zmienia ię polaryzację napięcia tałego podawanego na wejścia przetworników. Sekwencje podtawienia ac-dc powtarza ię -krotnie (typowo

4 razy) w celu zwiękzenia precyzji wyniku, którym jet wartość średnia z podtawień ac-dc: 1 =. (4) m m, i i= 1 Różnicę tranferową przetwornika X oblicza ię ze wzoru: = +. (5) Standardowa niepewność u( ) wyznaczonej różnicy tranferowej jet równa: m u ( ) = + u ( ) + ut. (6) gdzie jet odchyleniem tandardowym erii wyników podtawień ac-dc, u( ) jet tandardową niepewnością charakteryzującą różnicę tranferową zatoowanego wzorca, u T jet niepewnością wyznaczenia m, i i zdeterminowana jet właściwościami ytemu pomiarowego. Pierwza z podanych niepewności ma charakter niepewności typu A, dwie pozotałe ą typu B. 4. UPROSZCZOA METODA WZORCOWAIA Opiana w poprzednim rozdziale metoda wzorcowania umożliwia wyznaczenie różnicy tranferowej przetwornika badanego w oparciu o przetwornik wzorcowy o znanej różnicy tranferowej u.. Różnica ta mui być znana z wytarczająco małą niepewnością ( ) Wyznaczenie metodą inną niż porównanie z przetwornikiem wzorcowym jet trudne. Matematyczne lub ymulacyjne elektrotermiczne modele przetworników dla czętotliwości niżzych od kilkudzieięciu Hz nie opiują ich właściwości w poób wytarczający do teoretycznego wyznaczenia różnicy tranferowej z wytarczająco małą niepewnością. Z kolei porównanie z przetwornikiem wzorcowym o wyżzym lub niżzym napięciu znamionowym (tep-down lub tep-up) nie zapewnia wytarczającej dokładności z uwagi na zależność różnicy tranferowej od napięcia podanego na grzejnik przetwornika. Symulacje i badania PMJTC wykazały, że poniżej 100 Hz, wartość wzrata wraz ze zmniejzaniem czętotliwości, dążąc aymptotycznie do wartości zależnej od kontrukcji i egzemplarza przetwornika []. Jet to efekt wpływu nieliniowych zjawik tranportu ciepła, który wytępuje przy niewytarczającym uśrednianiu zmian temperatury zepołu grzejniktermoelementy. Dzięki odpowiedniej technologii różnica tranferowa wpółczenego PMJTC jet zredukowana do wartości mniejzej od µv/v przy czętotliwości 10 Hz [,3].

5 Uprozczona metoda wzorcowania termicznych przetworników wartości kutecznej Ekperymentalnie wykazano, że zmniejza ię proporcjonalnie do mocy wydzielanej w grzejniku przetwornika: P ( P) = ( P ), (7) P gdzie ( P) jet różnicą tranferową dla mocy P wydzielanej w grzejniku, ( ) P jet różnicą tranferową dla mocy P odpowiadającej napięciu znamionowemu przetwornika U. Wprowadzając pojęcie wpółczynnika redukcji mocy p: p = P P U = U, (8) określić można wzór na różnicę tranferową w poób natępujący:. ( p) ( P ) =. (9) p Z powyżzego wzoru wynika ważny wnioek: gdy p jet odpowiednio duże, to dla PMJTC o małej wartości ( P ) różnica tranferowa ( p) taje ię bardzo mała. Umożliwia to wykorzytanie przetwornika o niedokładnie określonej, ale odpowiednio małej różnicy tranferowej jako wzorca. ajprościej wykorzytać wzorzec o odpowiednio wyżzym napięciu znamionowym, który dla mocy P odpowiadającej napięciu znamionowemu U charakteryzuje ię różnicą tranferową. Różnicę tranferową wzorcowanego przetwornika oblicza ię z zależności: = m +. (10) p Standardowa niepewność u( ) wyznaczonej różnicy tranferowej jet równa: u ( ) = + u + ut, (11) p gdzie u jet tandardową niepewnością różnicy tranferowej wzorca przy p zredukowanej mocy wydzielanej w grzejniku. 5. OGRAICZEIA METODY Ze wzrotem p przyrot temperatury grzejnika przetwornika wzorcowego taje ię coraz mniejzy. Proporcjonalnie maleje napięcie wyjściowe przetwornika wzorcowego. apięcie to jet mierzone za pomocą nanowoltomierza napięcia tałego o dużej rozdzielczości (6...7 cyfr). Pomiar małego napięcia wyjściowego przetwornika jet utrudniony ze względu na wpływ

6 0 dryftów i zakłóceń. W praktyce minimalna wartość tego napięcia jet rzędu 1 mv. a ryunku 3 przedtawiono zależność odchylenia tandardowego wyników erii 1 podtawień ac-dc od wpółczynnika redukcji mocy p. 1.0 µv/v 0.8 = p p Ry. 3. Zależność odchylenia tandardowego dla erii 1 wyników podtawień ac-dc od wpółczynnika redukcji mocy p dla napięcia U 5 V Fig. 3. Standard deviation of 1 ac-dc difference meaurement v. power reduction coefficient p for the voltage range U 5 V Charakterytykę wyznaczono w układzie pomiarowym przedtawionym na ry. przy napięciu U nie przekraczającym 5 V i czętotliwości 10 Hz. Odchylenie tandardowe niemal liniowo wzrata ze wzrotem wpółczynnika redukcji mocy. W praktyce nie touje ię wartości p mniejzych od około 5, co odpowiada pięciokrotnie wyżzemu napięciu znamionowemu przetwornika zatoowanego jako wzorzec. 6. WERYFIKACJA EMPIRYCZA METODY Metodę zweryfikowano doświadczalnie w Laboratorium Tranferów AC-DC Federalnego Intytutu Fizyko-Technicznego (PTB) w Braunchweigu (iemcy). Poługując ię ytemem pomiarowym realizującym tranfer ac-dc, o chemacie przedtawionym na ry., wykonano erię pomiarów wzorców roboczych PTB o napięciach znamionowych z przedziału od 1 do 1000 V. Wzytkie pomiary zotały zrealizowane przy czętotliwości 10 Hz. a ryunku 4 przedtawiono wynik interkomparacji triady wzorców roboczych A, A3 oraz A10V o napięciach znamionowych odpowiednio V, 3 V i 10 V. Wartość różnicy tranferowej wzorca A10 zotała zdeterminowana metodą uprozczoną w oparciu o wzorce A30 (U = 30 V) oraz A50 (U = 50 V), przy wpółczynnikach redukcji mocy równych odpowiednio 9 oraz 5. a ryunku zamiezczono także odchylenia tandardowe dla erii 1 podtawień ac-dc.

7 Uprozczona metoda wzorcowania termicznych przetworników wartości kutecznej... 1 Obliczona ze wzoru (10) wartość różnicy tranferowej przetwornika A3, określona względem wzorca A10 przy napięciu 3 V jet równa: 5,8 A 3 ( 3V) = 4, + = 4,7µ V / V. (1) 11,1 Z kolei różnica tranferowa przetwornika A dla napięcia V, określona przy wykorzytaniu A3 jako wzorca jet równa: 4,7 A ( V) = 8,1 + = 10,µ V / V. (13),5 Wartość różnicy tranferowej przetwornika A, określona względem wzorca A10 przy napięciu V jet równa: Jak widać zgodność wyników dla A jet równa tandardowej niepewności typu A wyznaczenia ( V) 5,8 A ( V) = 9,8 + = 10,0µ V / V. (14) 5 A 0,µ V / V. Jet to wartość mniejza od. (10V)=5,8 µ V/V U = V p = 5 m= 9,8 µ V/V = 0,8 µ V/V A10 U = 3 V p = 11,1 m= 4, µ V/V = 0.3 µ V/V A A3 (V)=10.1 µ V/V U= V p =,5 m= 8,1 µ V/V = 0,1 µ V/V (3V)=4.7 µ V/V Ry. 4. Interkomparacja triady wzorców przy czętotliwości 10 Hz i napięciach U = V oraz 3V Fig. 4. Intercomparion of three tandard at frequency 10 Hz and voltage U = V and 3V 7. PODSUMOWAIE I WIOSKI Opiana metoda umożliwia zdeterminowanie różnicy tranferowej przetwornika przez komparację z przetwornikiem wzorcowym o wyżzym napięciu znamionowym. Przetwornik wzorcowy powinien charakteryzować ię dużą czułością i małą różnicą tranferową w zakreie małych czętotliwości. Właściwości takie poiada planarny wielozłączowy termiczny przetwornik wartości kutecznej. Zaprezentowana metoda jet przydatna w zakreie małych czętotliwości (<100 Hz), w którym przetworniki wykazują zależność różnicy tranferowej od mocy wydzielanej w grzejniku. Oiągnięcie małej niepewności wzorcowania wymaga

8 zatoowania źródła napięcia przemiennego o bardzo małej czętotliwości i dużej tabilności, nieoiągalnej w komercyjnych kalibratorach napięcia przemiennego. Metoda umożliwia utworzenie zetawu wzorcowych przetworników o napięciach z zakreu V bez potrzeby toowania procedury tep-up lub tep-down. 8. LITERATURA 1. Hermach F.L., William E.S.: Thermal Converter for Audio-Frequency Voltage Meaurement of High Accuracy, IEEE Tran. Intrum. Mea., vol.im-15, o.4, pp , December Klonz M., Laiz H., Keler E. Development of Thin-Film Multijunction Thermal Converter at PTB/IPHT, IEEE Tran. Intrum. Mea., vol.50, o.6, pp , December Laiz H., Klonz M., Keler E., Kampik M., Lapuh R. Low-Frequency AC-DC Voltage Tranfer Standard with ew High Senitivity and Low-Power-Coefficient Thin-Film Multijunction Thermal Converter, IEEE Tran. Intrum. Mea., vol.5, o., pp , April Kampik M., Zautomatyzowane tanowiko do badań i wzorcowania termicznych przetworników wartości kutecznej napięcia w zakreie czętotliwości Hz, Podtawowe Problemy Metrologii, Prace Komiji Metrologii Oddziału PA w Katowicach, Seria Konferencje nr 5, Utroń 003, tr ABSTRACT The paper preent a implified method of calibration of thermal converter at low frequencie (below 100 Hz) uing a highly enitive planar multijunction thermal converter (PMJTC) a a tandard. Due to reduction of the power developed in the heater of the tandard it ac-dc tranfer difference i reduced to very mall value. At firt the contruction of the PMJTC i briefly decribed and the baic metrological parameter are introduced. et principle of acdc tranfer meaurement ytem ued for calibration of thermal converter and it baic equation are depicted. Then the implified method of calibration i introduced. It i followed by the hort decription of it limitation. The eperimental verification i preented net. The intercomparion of three tandard how good ( 0,µ V / V ) agreement. In concluion the poible ue of the method in building the ac voltage cale from 1 to 1000 V i uggeted.