Prof. dr hab. inż. Andrzej OLENCKI INSTYTUT INFORMATYKI I ELEKTRONIKI POLITECHNIKI ZIELONOGÓRSKIEJ Filozofia testowania mierników napięć i prądów sztuka budowy rodziny kalibratorów uniwersalnych Zestawy wzorcowych narzędzi pomiarowych laboratoriach pomiarów elektrycznych sprawdzane są mierniki napięć i prądów stałych i przemiennych w szerokim zakresie wartości napięć do tysiąca wolt i prądów do kilkukilkudziesięciu amper. Asortyment badanych mierników obejmuje mierniki analogowe klas 0,5...5%, tablicowe mierniki cyfrowe i przenośne multimetry klas 0,1...1% oraz laboratoryjne multimetry cyfrowe klas 0,001...0,2%. Do badania wyszczególnionych przyrządów coraz częściej stosowany jest wielofunkcyjny i wielozakresowy kalibrator zwany kalibratorem uniwersalnym. Jednym z istotnych zadań stojących przed pracownikami laboratorium jest optymalizacja wyboru zestawu wzorcowych narzędzi pomiarowych w celu pokrycia potrzeb sprawdzania wymaganego asortymentu przyrządów pomiarowych. Przy szerokim zakresie klas badanych mierników napięć i prądów od 0,001% do 5% może być skompletowany jeden z trzech zestawów wzorcowych narzędzi pomiarowych przedstawionych na rys.1: zestaw kalibratorów różnych klas, zestaw jednego kalibratora, zestaw kalibratora i multimetru. Klasa testowanych mierników 10 1 średnich klas wysokich klas 0,1 0,01 0,001 wysokich klas średnich klas średnich klas Multimetr wysokich klas Zestaw kalibratorów Zestaw jednego Zestaw kalibratora i multimetru kalibratora Rys.1. Zestawy wzorcowych narzędzi pomiarowych do testowania mierników napięć i prądów różnych klas Zestaw kalibratorów różnych klas złożony jest z kalibratora średnich klas i kalibratora wysokich klas, który powinien mieć przynajmniej trzykrotnie wyższą klasę niż klasa najbardziej wymagającego sprawdzanego miernika. Zestaw ten umożliwia racjonalne korzystanie z kalibratorów ze względu na relacje "kalibrator badany miernik", jednak realizacja zestawu jest bardzo kosztowna i w przypadku małego strumienia badanych mierników prowadzi do niepełnego czasowo wykorzystania kalibratora.
high volt. SENS OUTP thd ovl standby standby DC 100mV DC 1V 50Hz 10V 60Hz 100mV 1V 10V 100V 1000V 1mA 10mA 100mA 1A 10A 100V 400Hz 50Hz 60Hz 400Hz fext. 1000V fext. Zestaw jednego kalibratora stanowi kalibrator wysokich klas. Realizacja takiej koncepcji jest tańsza i powala w większym stopniu wykorzystywać posiadane wzorce, jednak w skrajnych przypadkach prowadzi do nieracjonalnych sytuacji badania miernika klasy 5% za pomocą kalibratora klasy 0,0005%. Znaczna część mierników niskich klas charakteryzuje się dużym poborem mocy przez obwody wejściowe, z kolei kalibratory wysokich klas mają zazwyczaj małą dopuszczalną obciążalność wyjścia. Dlatego też w takich sytuacjach często dochodzi do niemożności dopasowania energetycznego wejścia miernika wyjścia kalibratora. Typowym przykładem mogą być opisane w [1] zagadnienia testowania miliwoltomierzy o dużym poborze prądu. Zestaw kalibratora i multimetru złożony z kalibratora średnich klas i multimetru wysokich klas. Przy sprawdzaniu mierników niskich i średnich klas kalibrator pełni jednocześnie funkcję źródła sygnałów i wzorca, natomiast przy sprawdzaniu mierników wysokich klas kalibrator pełni funkcję źródła sygnałów a multimetr pełni funkcję wzorca. Realizacja takiej koncepcji jest najtańsza, ponieważ: cena multimetru jest przynajmniej dwu-trzykrotnie niższa od ceny kalibratora uniwersalnego tej samej klasy, cena kalibratora znacznie rośnie wraz ze wzrostem. Ekonomiczny zestaw pomiarowy Na rysunku 2 przedstawiony jest ekonomiczny zestaw pomiarowy do testowania mierników napięć i prądów złożony z kalibratora średniej klasy [2] i multimetru wysokiej klasy [3]. przypadku potrzeby automatyzacji pomiarów minimalny skład zestawu uzupełniany jest o komputer klasy PC, którego cena stanowi nieznaczną część ceny całego zestawu. Do zacisków wyjściowych kalibratora podłączane są badane mierniki. Programowanie zestawu odbywa się przez operatora: albo z klawiatury kalibratora i multimetru, albo poprzez komputer. calmet Calibrator C-101 power 1mA 10mA 100mA 1A 10A 100V,1kV COM V,A calmet Rys.2. Zestaw pomiarowy do testowania mierników napięć i prądów różnych klas
przypadku testowania mierników niskich i średnich klas funkcję wzorca pełni kalibrator i błąd zestawu wg rys.2 opisany jest wzorem [4]: R=δK K NU K + U K (1) gdzie: δk K U K NU K składowa multiplikatywna błędu kalibratora, składowa addytywna błędu kalibratora, wartość nastawy napięcia wprowadzonej przez operatora, który jest liniową funkcją składowych błędu kalibratora określanych przez producentów kalibratorów. przypadku testowania mierników wysokich klas funkcję wzorca pełni multimetr i błąd zestawu wg rys.2 opisany jest wzorem [4]: δk R = 1 + δk NU K - U -δk NU K - U (2) gdzie: δk składowa multiplikatywna błędu multimetru, U składowa addytywna błędu multimetru, który w przybliżeniu jest liniową funkcją składowych błędu multimetru. Koncepcje budowy rodziny kalibratorów uniwersalnych Szerokozakresowy kalibrator napięć i prądów stałych i przemiennych jest wyrobem trudnym i wymagającym zarówno podczas projektowania, jak i produkcji. Jednocześnie znaczący producenci kalibratorów starają się mieć w ofercie przynajmniej jedno wykonanie kalibratora uniwersalnego, który jest zazwyczaj wizytówką możliwości firmy. ogólnym przypadku poszukiwany jest kalibrator o możliwie dużych: zakresie napięć i prądów, zakresie częstotliwości sygnałów przemiennych,, obciążalności wyjść, co niestety wpływa na wzrost ceny, masy, gabarytów i zawodności kalibratora. Poszukiwanie rozwiązań optymalnych prowadzi do budowy rodzin kalibratorów uniwersalnych o: różnych ach - 9821, 9822 i 9823 firmy Time Elekctronics [5], rozszerzonych zakresach prądów przez zastosowanie wzmacniacza transkonduktancji 5220A lub zwiększonej mocy zakresu 1000V przez zastosowanie wzmacniacza mocy 5205A z kalibratorem 5100B firmy Fluke [6], różnych funkcjach 4800 i 9100 firmy avetek [7,8]. Tradycyjna krajowa droga budowy rodziny kalibratorów uniwersalnych (rys.3) polegała na opracowaniu kalibratorów o różnych właściwościach wg zupełnie różnych konstrukcji: GA1 [9], SQ10 [10], SQ7000 [11] i C101 [2] i była rozciągnięta w czasie do tego stopnia, że jeden producent nie był w stanie oferować klientowi możliwości wyboru wdrożenie nowego kalibratora łączyło się z wycofaniem starszego. Najmłodszy z krajowych kalibratorów uniwersalnych kalibrator typu C101 opracowany został wg nowej koncepcji budowy rodziny kalibratorów uniwersalnych koncepcji "wspólnej matki". Istota pomysłu polega na opracowaniu konstrukcji wyjściowej kalibratora, która w różnych wykonaniach (np. na życzenie klienta) może mieć różne moce wyjściowe (duże), różne zakresy
sygnałów wyjściowych, różne i specjalne funkcje. "matka" powinien spełniać szereg sprzecznych wymagań takich jak: niski pobór mocy od zasilania sieciowego (np. typowo 20VA) i możliwość zainstalowania dodatkowych mocy dla obsługi zwiększonej obciążalności wyjścia, luźne wewnętrzne upakowanie z wolnymi miejscami dla wmontowania dodatkowych układów, małą wagę (np.13kg), aby po wmontowaniu dodatkowych układów był niezbyt ciężki, niską cenę (np.4000$), aby w specjalnym wykonaniu był jeszcze dostępny cenowo, dużą użyteczność parametryczną i funkcjonalną w wykonaniu podstawowym. Opracowanie kalibratora o takich wymaganiach wymaga stosowania skutecznych i jednocześnie prostych rozwiązań konstrukcyjnych. GA1 1981-84 SQ10 1986-95 SQ7000 1995- matka powinien mieć duże rezerwy: mocy, objętości, wagi i ceny C101 1996- C101B 1997- C101C 1997- C101D 1997- C101E 1998- C101X 50VA przy 20A I AC do 100A zorcowanie z pulpitu Pulpit technologiczny U+I+f pasma częstotliwości symulacja termoelementów kalibrator R+L+C Rys.3. Ilustracja krajowej drogi budowy rodziny kalibratorów uniwersalnych Charakterystyka rodziny kalibratorów serii C101 C101 wykonanie podstawowe kalibratora napięć i prądów stałych i przemiennych do 1100V i 20A. Umożliwia testowanie mierników niskich i średnich klas oraz w połączeniu z multimetrem wg rys.2 tworzy ekonomiczny zestaw pomiarowy do badania mierników wysokich klas. C101B wykonanie o zwiększonej do 50VA mocy wyjściowej zakresu 20A prądów stałych i przemiennych. Umożliwia testowanie mierników cęgowych prądu stałego i przemiennego o przepływach do 1000...2000 amperozwoi. tym celu do wyjścia kalibratora podłączana jest zwojnica z drutu miedzianego o liczbie zwoi do 50...100 zwoi, na którą zamykane są cęgi testowanego miernika. skazania miernika cęgowego powinny być równe nastawie prądu na
kalibratorze pomnożonej przez liczbę zwoi zwojnicy. Przy dowolnych nastawach prądu kalibrator może pracować w sposób ciągły bez konieczności wyłączania dla stygnięcia. Notatka. 1996 roku firma avetek [7] jako pierwsza zaoferowała kalibrator uniwersalny z zakresem 20A o zwiększonej mocy do 44VA dla prądów stałych i 50VA dla prądów przemiennych z możliwością testowania mierników cęgowych o przepływach do 1000 amperozwoi. Przy dużych nastawach prądu czas pracy kalibratora jest ograniczany do 2 minut z wymaganym cyklem ¼ praca i ¾ przerwa. Dotychczas zadanie to rozwiązywano przez stosowanie kalibratora uniwersalnego w połączeniu z dodatkowym wzmacniaczem transkonduktancji o dużej mocy wyjściowej [6], który zasilał zwojnicę. C101C wykonanie o rozszerzonym do 100A zakresie prądów przemiennych. Umożliwia badanie przekładników prądowych bezpośrednich liczników energii elektrycznej prądu przemiennego, układów automatyki zabezpieczeniowej i amperomierzy z zakresami do 100A. Notatka. Nie jest znany kalibrator uniwersalny o zakresie prądów powyżej 20A. C101D wykonanie z możliwością wzorcowania kalibratora z pulpitu sterującego. Teoretyczne podstawy opracowanej metody wzorcowania opisano w [12]. Zaproponowane rozwiązanie w odróżnieniu od tradycyjnych metod wzorcowania z wykorzystaniem potencjometrów i wkrętaka nie wymaga otwierania obudowy kalibratora, oraz w odróżnieniu od nowych cyfrowych metod wzorcowania nie wymaga stosowania komputera i specjalistycznego oprogramowania. Zatem dowzorcowanie kalibratora może odbywać się w akredytowanym laboratorium w czasie procedury okresowego sprawdzania i uwierzytelniania kalibratora dotychczas kalibratory dowzorcowywano tylko w laboratorium producenta. C101E...X planowane kolejne wykonania kalibratora: z technologicznym pulpitem sterującym z możliwością współrzędnościowego wprowadzania danych na wyświetlaczu ciekłokrystalicznym w układzie X-Y, z możliwością odtwarzania charakterystyk termometrycznych znanych termopar, o zwiększonej odtwarzanych sygnałów i szerszym paśmie częstotliwości, z możliwością odtwarzania parametrów dynamicznych jakości energii elektrycznej [13]. Uzasadnieniem realizacji tego nowego w metrologii elektrycznej kierunku badań jest wprowadzanie na krajowy rynek normalizacyjny wymagań IEC-EN na parametry jakości energii elektrycznej oraz uzyskanie w kalibratorze C101 dużych szybkości procesu przejściowego [14], z możliwością odtwarzania parametrów R+L+C Charakterystyka rozwiązań konstrukcyjnych kalibratorów serii C101 Konstrukcja mechaniczna kalibratorów ma znaczny wpływ na masę, gabaryty, cenę i niezawodność całego urządzenia. Naturalnym jest dążenie do stosowania możliwie małej liczby: detali mechanicznych, które są drogie, ciężkie i nie uczestniczą w procesie odtwarzania napięć i prądów, złączy, które negatywnie wpływają na niezawodność urządzenia, sztywnych pasowanych połączeń, które źle znoszą transport. Można wyróżnić trzy etapy rozwoju konstrukcji mechanicznej kalibratorów uniwersalnych: konstrukcja panelowa, w której funkcjonalne moduły elektroniczne zamknięte są w samodzielne mechanicznie bloki wsuwane do obudowy kalibratora. Konstrukcja ta jest ciężka i droga i stosowana jest w przypadkach, gdy duża liczba elementów elektronicznych i ciężkich podzespołów w całości wypełnia objętość obudowy i z tego powodu nie można stosować innych, bardziej racjonalnych rozwiązań. Przykładami konstrukcji panelowej są krajowe kalibratory GA1 i SQ7000 [9,11],
konstrukcja wielokartowa, w której funkcjonalne moduły elektroniczne montowane są na oddzielnych wielu kartach obwodów drukowanych połączonych wspólną magistralą. Konstrukcja ta jest lżejsza i tańsza i stosowana jest w przypadkach, gdy całkowicie wypełniona jest objętość kalibratora głównie lekkimi elementami elektronicznymi i mało jest ciężkich podzespołów. Rozwiązanie wielokartowe stosowane było w starych typach multimetrów. Przykładem konstrukcji wielokartowej jest krajowy kalibrator SQ10 [10], konstrukcja dwukartowa, w której elementy elektroniczne zmontowane są na pionowej karcie obwodu drukowanego równoległego do płyty czołowej i na poziomej płycie głównej urządzenia. Niewielka liczba podzespołów, w tym cięższych, montowana jest do płyty tylnej lub bocznej. rozwiązaniu tym magistrala jest zbędna a łączenie płyt odbywa się małą liczbą elastycznych połączeń. Rozwiązanie dwukartowe stosowane jest od dawna w multimetrach. C101 jest pierwszym krajowym kalibratorem uniwersalnym zrealizowanym w konstrukcji dwukartowej. Konstrukcja mechaniczna dwukartowa porównywalnego kalibratora uniwersalnego w stosunku do panelowej charakteryzuje się następującymi cechami: - wielokrotnie mniejsza liczba detali, 2 razy mniejsza masa, 3 razy niższa cena, - wielokrotne mniejsza liczba połączeń elektrycznych, - bezpośredni dostęp do wszystkich elementów po zdjęciu płyty górnej i dolnej obudowy. Konstrukcja zasilacza i wzmacniacza wyjściowego kalibratorów ma znaczny wpływ na masę, gabaryty, cenę i niezawodność całego urządzenia oraz sprawność energetyczną (stosunek mocy wyjściowej do mocy pobieranej z zasilania sieciowego). stosunku do rozwiązań stosowanych w innych kalibratorach uniwersalnych, w serii C101 zastosowano: jeden wspólny (zamiast kilku) tor wzmacniania sygnałów zmniejszenie masy i gabarytów, wzmacniacz przeciwsobny klasy C (zamiast B) z "wyjściem kolektorowym" (a nie emiterowym) wzrost sprawności energetycznej oraz zmniejszenie masy i gabarytów, dodatkowy nowy rodzaj zabezpieczenia przełączający kalibrator ze stanu pracy ciągłej w stan pulsujący. Zastosowanie wymienionych rozwiązań doprowadziło do ekonomicznej konstrukcji wzmacniacza (spoczynkowy pobór mocy około 1) o małych gabarytach i masie. Rozwiązania układowe części elektronicznej kalibratorów stanowią rezultat wieloletnich krajowych badań [15] struktur i algorytmów pracy kalibratorów uniwersalnych, w szczególności: polepszenia parametrów metrologicznych jak rozszerzenie zakresu odtwarzanych wielkości, polepszenie i dynamiki [16,17] przy bardziej racjonalnym stosowaniu elementów elektronicznych, bardziej wszechstronnego zabezpieczenia kalibratora w przypadkach niewłaściwego stosowania z sygnalizacją takich przypadków w celu zmniejszenia prawdopodobieństwa uzyskania niewiarygodnego rezultatu badania [18]. nioski Pojawienie się na międzynarodowym rynku bardzo dokładnych i stosunkowo tanich multimetrów oraz uruchomienie krajowej produkcji taniego kalibratora uniwersalnego umożliwia budowę ekonomicznego zestawu pomiarowego do testowania mierników napięć i prądów stałych i przemiennych. pełni funkcje wzorca przy badaniu: woltomierzy niskich i średnich klas, amperomierzy prądu stałego do 1A niskich i średnich klas, amperomierzy prądu stałego powyżej 1A oraz wszystkich amperomierzy prądu przemiennego. Multimetr pełni funkcję wzorca przy badaniu woltomierzy wysokiej klasy i amperomierzy prądu stałego do 1A wysokiej klasy.
śród dotychczasowych krajowych kalibratorów wszystkich rodzajów seria C101 wyróżnia się najkorzystniejszymi wskaźnikami zarówno dla klienta jak i producenta. Dla klienta ważny jest kompleks właściwości funkcjonalnych, parametrycznych, niezawodnościowych, masy, gabarytów i ceny. Dla producenta ważna jest łatwość powtarzalnej produkcji i wskaźniki ekonomiczne oraz mała liczba reklamacji. Uzyskane wskaźniki pozwalają przypuszczać, że kalibratory serii C101 będą produkowane przez wiele lat z szansą dłuższego okresu produkcyjnego niż rekordowy model 5100 firmy Fluke [6]. LITERATURA [1] Olencki A., Szmytkiewicz J.: Rezystancja wyjściowa kalibratorów napięć. PAK7/1997, s.228-231. [2] napięć i prądów stałych i przemiennych typu C101. Instrukcja obsługi. Calmet, Zielona Góra, 1997. [3] Multimetr HP3458A. Instrukcja obsługi, programowania i konfigurowania. Hewlett Packard, USA, 1994. [4] Olencki A., Szmytkiewicz J.: Komputerowy system pomiarowy do testowania mierników napięcia i prądu. Materiał na II Konferencję Naukową "Systemy pomiarowe w badaniach naukowych i w przemyśle". Zielona Góra, 1998. [5] Multifunction Calibrators. Time Electronics Product Catalogue. Section 5. Time Electronics, England, March 1997. [6] Calibration Instruments 5100B Series. Test & Measurement Catalog. Fluke & Philips, Netherlands, 1992. [7] 4800 Series High Performance Multifunction Calibrators. avetek Corporation, 1996. [8] The Model 9100 Universal Calibration System. User`s Handbook. avetek, USA, March 1996. [9] typu GA-1. Dokumentacja techniczna. Lumel, Zielona Góra, 1982. [10] Olencki A.: napięć i prądów stałych i przemiennych typu SQ10. Norma ZN- 89/MERA-005/337, Lumel, Zielona Góra, 1989. [11] SQ7000. Instrukcja obsługi. Inmel, Zielona Góra, 1996. [12] Szmytkiewicz J.: Cyfrowe wzorcowanie kalibratora uniwersalnego. Seminarium Elektryczne Pomiary Dokładne. Gliwice, 1997. [13] Brajko., Olencki A., Taranow S.: Problems of Electric Power Quality Indexes Measurement. 4 th International Conference Electrical Power Quality and Utilisation, Cracow, Poland, September 23-25, 1997, pp.257-262. [14] Olencki A., Szmytkiewicz J., Taranow S.: Low settling time alternating voltage-current calibrator. New Measurements-challenges and Visions. XIV Imeko orld Congress, Finish Society of Automation, Tampere, Finland, 1-6 June 1997, Volume IVA, pp.298-304. [15] Szmytkiewicz J.: Analiza możliwości poprawy parametrów metrologicznych uniwersalnego kalibratora napięć i prądów stałych i przemiennych. Rozprawa doktorska (w przygotowaniu). Politechnika Zielonogórska, 1998. [16] Olencki A., Szmytkiewicz J., Taranow S.: Low settling time alternating voltage-current calibrator. New Measurements-challenges and Visions. XIV Imeko orld Congress, Finish Society of Automation, Tampere, Finland, 1-6 June 1997, Volume IVA, pp.298-304. [17] Olencki A., Szmytkiewicz J.: Optymalizacja dynamiki procesu przejściowego źródła napięć i prądów stałych i przemiennych. PAK nr7, 1996, str195-197. [18] Olencki A.: y aktualny stan i rozwój. V Sympozjum Klubu Polskie Forum ISO 9000 Metrologia w systemach jakości 2, Mikołajki 1997, tom 2, str.39-50/iii/e.