ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΤΟΜΕΑΣ ΦΥΣΙΚΗΣ ΣΤΕΡΕΑΣ ΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ. Διπλωματική Εργασία

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΤΟΜΕΑΣ ΦΥΣΙΚΗΣ ΣΤΕΡΕΑΣ ΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ Διπλωματική Εργασία ΔΙΑΚΡΙΒΩΣΗ ΕΝΑΛΛΑΣΣΟΜΕΝΟΥ ΡΕΥΜΑΤΟΣ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΚΑΙ ΥΛΟΠΟΙΗΣΗ ΠΡΟΤΥΠΗΣ ΔΙΑΤΑΞΗΣ της ΧΡΙΣΤΙΝΑΣ ΣΦΕΤΣΙΟΥ Επιβλέπων Καθηγητής: Χαρίτων Πολάτογλου ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ 2016

2 ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Με την ολοκλήρωση της παρούσας διπλωματικής εργασίας θα ήθελα να ευχαριστήσω τον επιβλέποντα Καθηγητή μου, κ. Χαρίτωνα Πολάτογλου, Καθηγητή του Τμήματος Φυσικής της Σχολής Θετικών Επιστημών του Α.Π.Θ., για την εξαιρετική ευκαιρία που μου προσέφερε με το άνοιγμα ενός νέου επιστημονικού ορίζοντα για εμένα, τον κλάδο της Μετρολογίας, αλλά και την υποστήριξη του με την συνεχή παρακολούθηση της πορείας της εργασίας. Θα ήθελα επίσης να ευχαριστήσω το Επιστημονικό προσωπικό του Ε.Ι.Μ. που με υποδέχθηκε με ευχαρίστηση στο χώρο εργασίας του και με έκανε κοινωνό του επιστημονικού του έργου. Ιδιαιτέρως, θα ήθελα να εκφράσω τις ειλικρινείς μου ευχαριστίες στην κ.μυρτώ Χολιαστού, Προϊσταμένη του Τμήματος Ηλεκτρικών Κυκλωμάτων Χαμηλών Συχνοτήτων του Εθνικού Ινστιτούτου Μετρολογίας, για την αποτελεσματική καθοδήγηση και την πολύτιμη βοήθεια της, για την κατανόηση του επιστημονικού αντικειμένου και την επιτυχή ολοκλήρωση της διπλωματικής μου εργασίας. Τέλος, θα επιθυμούσα να ευχαριστήσω την οικογένεια μου, για την ενθάρρυνση, ηθική συμπαράσταση και οικονομική υποστήριξη που μου προσέφεραν όλα τα χρόνια των σπουδών μου. 2

3 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Η διακρίβωση του εναλλασσόμενου (AC) ρεύματος επιτυγχάνεται με τη σύγκρισή του με το συνεχές () ρεύμα. Η σύγκριση βασίζεται στο θερμικό αποτέλεσμα που έχουν αντίστοιχα το AC και το ρεύμα πάνω σε επίπεδους θερμικούς μετατροπείς (PMJTC). Από τη σύγκριση αυτή εμφανίζεται μια διαφορά στο θερμικό αποτέλεσμα για ίδιες ονομαστικές τιμές AC και ρεύματος. Μετά από διαδοχικές μετρήσεις καταγράφεται ο μέσος όρος της διαφοράς αυτής και υπολογίζεται η αβεβαιότητα της. Τα μεγέθη αυτά είναι της τάξης των λίγων ppm. Έτσι σχηματίζεται ένα πλήρες πιστοποιητικό για κάθε πρότυπο θερμικό μετατροπέα. Αυτοί οι πιστοποιημένοι θερμικοί μετατροπείς στη συνέχεια αποτελούν το πρότυπο διακρίβωσης εναλλασσόμενου (AC) ρεύματος για οποιοδήποτε άλλο προς διακρίβωση αντικείμενο στο μέγεθος αυτό. 3

4 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΠΕΡΙΛΗΨΗ... 3 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η Μετρολογία Η Ιστορία/ταυτότητα του ΕΙΜ Ορολογία Το IO 17025: Γενικές απαιτήσεις για την Ικανότητα των Εργαστηρίων, Δοκιμών και Διακριβώσεων Στόχος ΘΕΩΡΙΑ AC- Transfer Difference Η AC- διαφορά δ Φαινόμενα Φυσικής ΜΕΤΑΦΟΡΑ AC- ΤΑΣΗΣ (AC- VOLTAGE TRANFER) Διαδικασία Διακρίβωσης Εξοπλισμός και Μέσα Πειραματική Διάταξη Αβεβαιότητα / Uncertainty Παράγοντες Αποτελέσματα Διακρίβωσης/ Calibration Results Περιγραφή του λογισμικού υπολογισμού της AC τάσης Πλήρες cale-up του ΕΙΜ για την εναλλασσόμενη τάση Ιχνηλασιμότητα Τάσης στο ΕΙΜ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ AC- CURRENT Περιγραφή των προτύπων αναφοράς του ΕΙΜ Εξοπλισμός και Μέσα Πειραματική Διάταξη Πειραματική Διαδικασία Διαφορά Ac-dc Μετρητική Διαδικασία Υπολογισμός Αβεβαιότητας Περιγραφή του λογισμικού υπολογισμού της διαφοράς AC

5 4.9 Το πρότυπο του ΕΙΜ στα 10mA είναι ο PMJTC (1V) διακριβωμένος στο PTB Αποτελέσματα δχ Αβεβαιότητα: ΠΡΟΤΑΣΕΙΣ ΓΙΑ ΤΗΝ ΑΠΟΚΤΗΣΗ ΚΙ ΟΛΟΚΛΗΡΩΣΗ ΤΟΥ ΠΡΟΤΥΠΟΥ AC ΡΕΥΜΑΤΟΣ Κατασκευή hunts AC Current Transfer with hunts (EIM) Πρόταση Justervesenet Παράρτημα Tee Connectors N Type Connectors Παράρτημα

6 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1.1 Η Μετρολογία Η μετρολογία είναι η επιστήμη που υλοποιεί, διατηρεί και ελέγχει τις πρότυπες μονάδες μέτρησης που χρησιμοποιεί ο άνθρωπος στη σύγχρονη κοινωνία π.χ. το μέτρο (m), το κιλό (Kg), το ρεύμα (I) κι άλλα. Τόσο στην καθημερινότητα αλλά και κυρίως στη βιομηχανική και βιοτεχνική παραγωγή είναι αναγκαία η ακρίβεια στις μετρήσεις και η διασφάλισή της. Δεν είναι ίσως τόσο πρόβλημα αν η ζυγαριά στο μανάβη έχει ένδειξη 1Kg ενώ στην πραγματικότητα το βάρος είναι 950gr αλλά μια ελάχιστη διαφορά στα mgr κάποιας ουσίας σε ένα φαρμακευτικό σκεύασμα θα ήταν καταστροφική. Δεν δημιουργείται τόσο πρόβλημα με τις κοινές μετρήσεις μήκους και πλάτους σε ένα σπίτι για την επιλογή επίπλων αλλά η κατασκευή κουφωμάτων θα ήταν καταστροφική χωρίς τη διασφάλιση, σε διαστατικά και ακουστικά μεγέθη, της κατασκευαστικής εταιρίας. Έτσι γεννάται η ανάγκη για ακρίβεια στις μετρήσεις, χαμηλές τιμές σφάλματος και χρήση αντίστοιχων κλιμάκων και μεθόδων για τη διασφάλισή τους. Συνεπώς, η μετρολογία είναι υπεύθυνη να δώσει μια τιμή, μια αβεβαιότητα για την τιμή αυτή και μια μονάδα μέτρησης για το εκάστοτε μέγεθος χρησιμοποιώντας επιστημονικά διασφαλισμένες μεθόδους. Οι διακριβώσεις των διαφόρων μεγεθών γίνονται με σύγκριση ενός πρότυπου (standard) με ένα προς διακρίβωση αντικείμενο (Test, UnitUnderTest). Έτσι σχηματίζεται η αλυσίδα ενός μεγέθους. Έχοντας στην κορυφή την υλοποίηση της μονάδας, με τη χρήση μαθηματικώς αποδεδειγμένων μεθόδων φυσικής, βάση της οποίας διακριβώνεται ένα δευτερεύον πρότυπο και στη συνέχεια ένα επόμενο. Κάθε πρότυπο απαιτείται να έχει τουλάχιστον τέσσερις τάξεις μεγέθους μεγαλύτερη ακρίβεια από το προς διακρίβωση αντικείμενο. Η αλυσίδα αυτή διακριβώσεων σχηματίζει μια πυραμίδα, η οποία διασφαλίζει την ποιότητα και την ιχνηλασιμότητα (διασφαλισμένη προέλευση) των μετρήσεων. Η ιχνηλασιμότητα αναγράφεται σε κάθε πιστοποιητικό που δίνεται από ένα μετρολογικό ινστιτούτο και είναι η απόδειξη της εγκυρότητας του. Μια πυραμίδα ιχνηλασιμότητας δεν θα είχε καμία αξία αν η κορυφή της, ή τουλάχιστον ένα στάδιο δίπλα στην κορυφή της, δεν ήταν ορθή, δηλαδή πιστοποιημένη. Η ορθότητα στα αποτελέσματα μιας μονάδας ενός ινστιτούτου δίνεται από την επιτυχή συμμετοχή της σε διεργαστηριακές μετρήσεις ή αλλιώς με τη 6

7 διεθνή ορολογία CMCs (Calibration and Measurement Capability). Σε κάθε διεργαστηριακή, συμμετέχουν τα εθνικά ινστιτούτα των χωρών ή και μεγάλα ιδιωτικά. Σε μια διεργαστηριακή γίνονται διαδοχικές μετρήσεις πάνω στο ίδιο μέγεθος, υπό τις ίδιες συνθήκες και κάποιες φορές πάνω στο ίδιο αντικείμενο (ανάλογα με το μετρούμενο μέγεθος και τη φύση του) από όλα τα συμμετέχοντα ινστιτούτα. Τα αποτελέσματα με την αβεβαιότητά τους συγκεντρώνονται και συγκρίνονται. Μόνο ένα ινστιτούτο με αποδεκτά διεργαστηριακά, επιτυχή CMCs αποτελέσματα θεωρείται πιστοποιημένο και ικανό για την εκτέλεση περαιτέρω διακριβώσεων και την έκδοση των αντίστοιχων πιστοποιητικών. 1.2 Η Ιστορία/ταυτότητα του ΕΙΜ Το Ελληνικό Ινστιτούτο Μετρολογίας (ΕΙΜ), είναι ο Εθνικός Φορέας Μετρολογίας της Ελλάδος και Σύμβουλος της Ελληνικής Πολιτείας σε θέματα μετρολογίας και μετρήσεων. Το ΕΙΜ από τις 23 Ιανουαρίου 2013 αποτελεί σύμφωνα με το ν.4109/2013, ανεξάρτητη υποδομή-μονάδα του Εθνικού Συστήματος Υποδομών Ποιότητας (ΕΣΥΠ). Η έδρα και οι εγκαταστάσεις του ΕΙΜ βρίσκονται στη Βιομηχανική Περιοχή της Θεσσαλονίκης. Εικόνα 1: Εθνικό Ινστιτούτο Μετρολογίας Αξιοποιώντας τις υπερσύγχρονες υλικοτεχνικές υποδομές, την τεχνολογία αιχμής και την τεχνογνωσία του προσωπικού του, αναπτύσσει δραστηριότητες, προωθεί συνεργασίες και χορηγεί υπηρεσίες που συμβάλλουν σημαντικά στην ανάπτυξη της εθνικής οικονομίας και στη βελτίωση της ανταγωνιστικής της θέσης. Οι υπηρεσίες του συμβάλλουν καθοριστικά στην ποιότητα προϊόντων και υπηρεσιών, στη βελτίωση των μεθόδων και διαδικασιών του παραγωγικού και 7

8 κατασκευαστικού τομέα, καθώς και στη διασφάλιση των εμπορικών συναλλαγών, ιδιαίτερα στην προστασία και την ασφάλεια του καταναλωτή. Οι βασικοί σκοποί και οι αρμοδιότητες του ΕΙΜ, όπως καθορίζονται από το Ν.2231/94 είναι: Η υλοποίηση των βασικών και παράγωγων μονάδων μέτρησης του διεθνούς συστήματος μονάδων (.I.) με την τήρηση των αντίστοιχων προτύπων και διατάξεων. Η ανάπτυξη μεθόδων και τεχνικών μέτρησης. Η υποστήριξη του εθνικού μετρολογικού συστήματος της χώρας. Η λειτουργία εργαστηρίων διακρίβωσης και η έκδοση πιστοποιητικών διακρίβωσης. Η διάδοση της μετρολογίας και της μετρολογικής γνώσης. Η ανάπτυξη και διάθεση υλικών αναφοράς. Η εκπροσώπηση της χώρας στους διεθνείς οργανισμούς μετρολογίας. 1.3 Ορολογία Διακρίβωση (Calibration): Μια ομάδα/αλληλουχία διαδικασιών, υπό συγκεκριμένες συνθήκες, που ορίζουν τη σχέση που ισχύει ανάμεσα στις τιμές των ποσοτήτων που υποδεικνύονται από ένα όργανο μέτρησης ή ένα μετρητικό σύστημα ή ένα υλικό αντικείμενο ή ένα αντικείμενο αναφοράς και την αντίστοιχη τιμή που υποδεικνύει το πρότυπο. Προσαρμογή (adjustment) ενός μετρητικού οργάνου: Η διαδικασία η οποία ακολουθείται ώστε το όργανο μέτρησης να είναι κατάλληλο για χρήση και ικανό για να πάρει τις βέλτιστες μετρήσεις του. Η διαδικασία αυτή, ανάλογα με το όργανο, μπορεί να πραγματοποιείται είτε φυσικά είτε μέσω του αντίστοιχου λογισμικού του. Metrological confirmation: Ένα σύνολο διαδικασιών που απαιτείται για να επιβεβαιωθεί ότι ο μετρητικός εξοπλισμός συμμορφώνεται με τις απαιτήσεις για το σκοπό λειτουργίας του (IO [3]). Ανάλυση (Resolution) της ένδειξης μιας συσκευής: Η μικρότερη διακριτή (αριθμητική) ένδειξη της οθόνης ενός οργάνου η οποία έχει επιστημονική υπόσταση. Στα ψηφιακά όργανα τα χαρακτηριστικά της ανάλυσης 8

9 υποδεικνύονται από τον αριθμό των ψηφίων που εμφανίζονται (χωράνε) στην οθόνη του οργάνου. Full cale: Μέγιστη ένδειξη ενός οργάνου στο εκάστοτε εύρος του. Λειτουργικό Τεστ (Functional test): Ένα τεστ που πραγματοποιείται σε ένα όργανο έτσι ώστε να διαπιστωθεί ότι οι λειτουργίες του εκτελούνται σωστά. elf-calibration (αυτοδιακρίβωση): Μια εσωτερική ρυθμιστική διαδικασία ενός οργάνου, που εκτελείται με στόχο την αύξηση της ακρίβειάς του. Crestfactor: Ο λόγος των τιμών ανάμεσα στα μέγιστα ενός AC σήματος και στην ενεργό του τιμή. 1.4 Το IO 17025: Γενικές απαιτήσεις για την Ικανότητα των Εργαστηρίων, Δοκιμών και Διακριβώσεων. Στο IO περιγράφονται λεπτομερώς όλες οι συνθήκες και οι προϋποθέσεις που πρέπει να πληροί ένα ινστιτούτο μετρολογίας ώστε να θεωρείται αξιόπιστο. Οι προϋποθέσεις αυτές προβλέπουν αυστηρά πρωτόκολλα για κάθε τμήμα και στάδιο του ινστιτούτου: Διοικητικές απαιτήσεις Εξυπηρέτηση πελατών Διορθωτικές και προληπτικές ενέργειες Τεχνικές απαιτήσεις Προσωπικό Χώροι εγκατάστασης και περιβαλλοντικές συνθήκες Μέθοδοι δοκιμών και διακριβώσεων κι επικύρωσή τους Εξοπλισμός Ιχνηλασιμότητα μετρήσεων Χειρισμός αντικειμένων δοκιμής και διακρίβωσης Σύνταξη εκθέσεων αποτελεσμάτων 1.5 Στόχος Ο στόχος της εργασίας αυτής είναι ο σχεδιασμός και η υλοποίηση του προτύπου του εναλλασσόμενου ρεύματος για το Ελληνικό Ινστιτούτο Μετρολογίας (ΕΙΜ). Για την επίτευξη αυτού του στόχου χρειάστηκε: 1. Η μελέτη της θεωρίας του αντίστοιχου προτύπου για την τάση (V). 9

10 Φαινόμενα μεταφοράς εναλλασσόμενων και συνεχών μεγεθών (AC- Transfer). 2. Στήσιμο της διάταξης μεταφοράς της τάσης (V) και ενδεικτικές μετρήσεις. Κατανόηση των τεχνικών χαρακτηριστικών των επί μέρους εξαρτημάτων. 3. Μελέτη θεωρίας και πιθανά σενάρια διάταξης μεταφοράς ρεύματος. 4. Υλοποίηση και μετρήσεις με τον ήδη υπάρχοντα εξοπλισμό. 5. Ολοκληρωμένες προτάσεις υλοποίησης προτύπου. 2. ΘΕΩΡΙΑ 2.1 AC- Transfer Difference Η μεταφορά AC- ενώνει την συνεχή τάση (-V), της οποίας η ιχνηλασιμότητα πηγάζει από το κβαντικό φαινόμενο Hall, με την εναλλασσόμενη, σε ένα μεγάλο εύρος συχνοτήτων, χρησιμοποιώντας τα θερμικά αποτελέσματα του ηλεκτρικού ρεύματος. Δεκαετίες τεχνολογικής ανάπτυξης έχουν συμπληρωθεί έως ότου να μπορέσει να χρησιμοποιηθεί αυτή η απλή ιδιότητα για την ανίχνευση των τιμών της αβεβαιότητας (τάξης μεγέθους ppm) τόσο στην εναλλασσόμενη τάση όσο και στο ρεύμα, πέρα από τις συχνότητες που ανιχνεύει το ανθρώπινο αυτί, Hz. Τα εναλλασσόμενα ρεύματα και οι τάσεις συνδέονται με τα αντίστοιχα συνεχή τους χρησιμοποιώντας κατάλληλες συσκευές AC μεταφοράς. Οι συσκευές αυτές ανταποκρίνονται (θερμαίνονται) και στο συνεχές και στο εναλλασσόμενο, με τρόπο γνωστό σε εμάς και στις δυο περιπτώσεις. Το πιο γνωστό είδος τέτοιας συσκευής, το οποίο προσφέρει υψηλή ακρίβεια στις μετρήσεις, είναι ένα θερμικό πρότυπο AC- μεταφοράς. Η καρδιά ενός τέτοιου προτύπου είναι ένα θερμοστοιχείο, ένα πολύ κοντό θερμαίνον καλώδιο (αντίσταση) με ένα θερμό ζεύγος προσαρμοσμένο στις άκρες του, κλεισμένα σε μια γυάλινη φυσαλίδα κενού (JTC). Το συνεχές και το εναλλασσόμενο σήμα εφαρμόζονται εναλλάξ στην αντίσταση ενώ ταυτόχρονα η τάση εξόδου του θερμού ζεύγους μας πληροφορεί για τη θερμοκρασία της. 10

11 Σε μια ιδανική συσκευή η ένδειξη της θερμοκρασίας, τάση εξόδου, θα ήταν η ίδια είτε εφαρμοζόταν συνεχές σήμα είτε εναλλασσόμενο (ενεργός τιμή) της ίδια τιμής, στην αντίσταση. Το ιδανικό αυτό σενάριο πλησιάζουν πολύ οι πολλαπλοί θερμικοί μετατροπείς πολλών επαφών (MJTC) ενώ πλέον χρησιμοποιούνται οι επίπεδοι θερμικοί μετατροπείς πολλών επαφών (PMJTC), οι οποίοι χρησιμοποιούνται και σε αυτή την εργασία. Ο πρώτος κατασκευάστηκε στο NPL το Πριν από αυτούς χρησιμοποιήθηκε στις διατάξεις μεταφοράς το απλό θερμοστοιχείο, που περιεγράφηκε πιο επάνω, το οποίο δυστυχώς λόγω των φαινομένων Peltier και Thomson εμφανίζει μεγάλες θερμοκρασιακές διαφορές κι άρα και μεγάλες διαφορές στις τάσεις εξόδου του (ακόμα κι όταν έχουμε ίδια ενεργό τιμή εναλλασσόμενου και συνεχούς σήματος). Η διαφορά κατά την AC- μεταφορά (AC- Transfer Difference) είναι ουσιαστικά η διαφορά ανάμεσα στο απαιτούμενο συνεχές σήμα και στο αντίστοιχο εναλλασσόμενο σήμα ώστε να μετρήσουμε την ίδια τάση εξόδου (θερμοκρασία). Η διαφορά αυτή εκφράζεται σε ppm, parts per million, του συνεχούς σήματος. 2.2 Η AC- διαφορά δ Η διαφορά στην απόκριση της μέσης τιμής dc και ac τάσης είναι η «ac-dc διαφορά» και ένας διορθωτικός παράγοντας, ο οποίος ως επί το πλείστον συμβολίζεται παραδοσιακά με το γράμμα δ, ισοσταθμίζει τη διαφορά αυτή. Το πρόσημο του δ είναι τέτοιο ώστε περισσότερο ac από ότι dc τάση απαιτείται για την ίδια έξοδο, όταν το πρόσημο είναι θετικό. Συνεπώς μια ac τάση ισούται με τη γνωστή μέση τιμή dc τάσης συν το δ. Όταν η μέση τιμή της dc τάσης και το δ είναι ανιχνεύσιμα (traceable) σε ένα εθνικό 11

12 ινστιτούτο, το ινστιτούτο αυτό μπορεί να ανιχνεύσει και να διακριβώσει μέσω του προτύπου της και την ac τάση. Η τιμή του δ ενός προτύπου μεταφοράς ac-dc καθορίζεται και πιστοποιείται είτε από ένα εθνικό ινστιτούτο είτε από κάποιο δευτερεύον πιστοποιημένο ινστιτούτο. Εικόνα 2: Ελεγκτής Διακόπτη και φίλτρο συχνοτήτων. 12

13 2.3 Φαινόμενα Φυσικής Thomson effect: στο ρεύμα, τα e - στο μικρότερο δυναμικό (πχ. πιο αρνητικά) έχουν μεγαλύτερη ενέργεια και ζεσταίνουν την αντίσταση περισσότερο. Άρα πιο πολύ στη μια άκρη και πιο λίγο στην άλλη. Έτσι προκύπτει το reversal error. Ανάλογα με τη φορά του ρεύματος έχουμε διαφορετική κλιμάκωση της θερμοκρασίας από δεξιά προς τα αριστερά κι αντίστροφα. Συνεπώς αν το θερμοστοιχείο δεν είναι ακριβώς στη μέση, ώστε να υπολογίζεται η μέση τιμή ανάμεσα στις εναλλαγές, υπάρχει ένα επιπλέον σφάλμα στις μετρήσεις που μειώνει την ακρίβεια στο αποτέλεσμα σημαντικά. (Δεν υπάρχει στο AC Thomson Effect). Peltier Effect: Όλα τα σημεία επαφής μέσα στον converter με τα καλώδια εξόδου είναι επαφή ανόμοιων μετάλλων, οπότε αναπτύσσεται τοπικά θερμότητα από τα e- που προσπαθούν να ανακατανεμηθούν στα ανόμοιου σθένους άτομα πλέγματος. (Δεν υπάρχει στο AC). kin Effect: η εξάρτηση της AC-D C difference από τη συχνότητα (από την συχνότητα f εξαρτάται και η ταχύτητα του ηλεκτρονίου) οφείλεται στο ότι το ίδιο το μαγνητικό πεδίο του AC ρεύματος αναγκάζει το ρεύμα να ρέει σε μικρό επιφανειακό στρώμα του αγωγού. Άρα περιορισμένο σε μικρό όγκο βρίσκει μεγαλύτερη αντίσταση. Η αντίσταση αυξάνει ως f. Αυτό ισχύει είτε για τον heater του thermalconverter είτε για τον heater της εξωτερικής αντίστασης (resistors). 13

14 Level Dependence: στην υψηλή τάση οι μεγάλες αντιστάσεις ζεσταίνονται πολύ και οι διαστάσεις τους αλλάζουν (η χωρητικότητα αντίσταση- σώμα αλλάζει). Η εξάρτηση είναι u 2 και είναι αισθητή στις μεγάλες συχνότητες >300KHz.Για αυτό το λόγο το PTB κατασκεύασε planar resistors, ώστε η πλάκα στην οποία ακουμπάει το φιλμ να απορροφά όλη τη θερμότητα (ζεσταίνεται το πολύ 4oC). Επίσης το coating που έχουν δημιουργεί μια παράλληλη αντίσταση. Frequency Dependence: οι διαφορές ανάμεσα στα AC- σήματα κάτω από τα 100Hz οφείλονται στο ότι περισσότερη θερμότητα χάνεται από την αντίσταση (του thermal converter) στη μέγιστη ενέργεια από ότι χάνεται στην ελάχιστη. Στις συχνότητες πάνω από 100Hz ο χρόνος εναλλαγής ανάμεσα στη μέγιστη και στην ελάχιστη τιμή ενέργειας είναι τόσο μικρός ώστε η θερμοκρασία δεν προλαβαίνει να κάνει ανάλογες αυξομειώσεις, αλλά παίρνει μια σχεδόν σταθερή τιμή. Στις χαμηλές συχνότητες η θερμοκρασία τείνει να ακολουθήσει το σήμα εισόδου (στη διπλάσια συχνότητα). Στην περίπτωση αυτή τα μέγιστα στην καμπύλη της θερμοκρασίας, που ακολουθούν τα μέγιστα της καμπύλης της εισερχόμενης τάσης, παρουσιάζουν πλατό στις κορυφές τους καθώς υπάρχει πολύ μεγαλύτερη απώλεια θερμότητας από ότι στα αντίστοιχα ελάχιστα των καμπυλών τάσης και θερμοκρασίας. Αυτά τα πλατό κατεβάζουν το μέσο όρο της ενέργειας που ανιχνεύεται και έτσι σε αυτές τις 14

15 περιπτώσεις, απαιτείται περισσότερο εναλλασσόμενο AC από ότι συνεχές σήμα ώστε να πάρουμε την ίδια τάση εξόδου. Η διαφορά δ σε αυτή την περίπτωση θα έχει θετικό πρόσημο. Εικόνα 3: ingle Junction and Thermal Effects Reversal Error: η θερμική απόκριση μια συσκευής διαφέρει ανάλογα με το εάν εφαρμόζουμε σε αυτή εναλλασσόμενη ac τάση ή συνεχή τάση +dc dc. Η διαφορά στην απόκριση από +dc σε dc τάση ονομάζεται reversal error (σφάλμα εναλλαγής) και καθορίζεται από τη συνεχή εναλλαγή στην εφαρμογή μιας +dc τάσης και μιας μικρότερης ή μεγαλύτερης dc τάσης, τέτοιας ώστε να έχει την ίδια απόκριση στο πρότυπο μεταφοράς με το +dc. Η μέση τιμή των απόλυτων τιμών της ορθής κι ανάστροφης τάσης χρησιμοποιείται ως ονομαστική τιμή της. 15

16 3. ΜΕΤΑΦΟΡΑ AC- ΤΑΣΗΣ (AC- VOLTAGE TRANFER) Εικόνα 4: AC- Voltage Transfer (Tee parallel) Περιγραφή: Πρότυπο μεταφοράς ac-dc τάσης Κατασκευαστής: PTB Τύπος: PMJTC (2V) Ημερομηνία Διακρίβωσης: Από έως Συνθήκες Διακρίβωσης Ambient Conditions Από From Έως To Αβεβαιότητα Uncertainty Θερμοκρασία Temperature [ o C] : 22,5 23,5 0,3 Σχετική Υγρασία Relative Humidity [%]: Εικόνα 5: Διάφορα Καλώδια που Χρησιμοποιήθηκαν 16

17 3.1 Διαδικασία Διακρίβωσης Η διαδικασία πραγματοποιήθηκε με συγκριτική μέτρηση του οργάνου PMJTC 2V του PTB με το πρότυπο μεταφοράς ac-dc του ΕΙΜ, PMJTC 1V του PTB. Η μέθοδος διακρίβωσης περιγράφεται στην τεχνική διαδικασία του Εργαστηρίου TΔ 05 (ELF-F)-1 ΔΙΑΚΡΙΒΩΣΗ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΩΝ AC- (2-Ιαν.2009) του Συστήματος Διαχείρισης Ποιότητας σύμφωνα με το IO Εξοπλισμός και Μέσα Ο εξοπλισμός που χρησιμοποιείται για την διακρίβωση του προτύπου είναι ο εξής: Πρότυπη πηγή τάσης Ως πρότυπη πηγή τάσης χρησιμοποιείται ο Διακριβωτής Πολλαπλών λειτουργιών Wavetek Ειδικά για τη μέτρηση των 100mV, επειδή η αντίσταση εξόδου της πηγής Wavetek 4808 στην κλίμακα των 100mV είναι μικρή (30Ω), χρησιμοποιείται αντί αυτής, η κλίμακα του 1V στην ονομαστική τιμή της και παρεμβάλλεται διαιρέτης τάσης 10:1. Η τάση μετά τη διαίρεσή της διατρέχει μερικούς έλικες γύρω από ένα πηνίο σιδήρου (choke), ώστε να παρεμποδίζονται τυχόν ανακλώμενα σήματα, ειδικά στις υψηλές συχνότητες. Πρότυπη πηγή AC τάσης Χρησιμοποιείται ένας δεύτερος Διακριβωτής Πολλαπλών λειτουργιών Wavetek Κατά τη διάρκεια της διακρίβωσης συστήνεται να γίνει μέτρηση της συχνότητας της πηγής σε κάθε τιμή συχνότητας που θα διακριβωθεί ο πρότυπος μετατροπέας AC-. Ηλεκτρονική μονάδα διακόπτη / Ελεγκτή / Διαμορφωτή Η αλλαγή της τάσης εισόδου από σε AC γίνεται αυτόματα μέσω ηλεκτρονικού υπολογιστή με τη χρήση ενός συστήματος τριών συσκευών: 1. τη μονάδα διακόπτη, η οποία χρησιμοποιείται για να πραγματοποιεί την εναλλαγή μεταξύ των πηγών AC και τάσης. Η μονάδα του διακόπτη αυτού έχει τη δυνατότητα να εναλλάσσει τάσεις μέχρι 5 kv σε ρεύμα εντάσεως μέχρι 20 Α. Ο νεκρός χρόνος είναι λιγότερος από 5 ms 2. τη μονάδα του διαμορφωτή που περιέχει : I. πέντε φίλτρα αιχμής (notchfilters) που χρησιμοποιούνται για να ελαχιστοποιήσουν τον θόρυβο (ripples) του σήματος εξόδου των θερμικών μετατροπέων στις χαμηλές συχνότητες. 17

18 II. αντιστάσεις που ελέγχονται ηλεκτρονικά για να μηδενίσουν τη διαφορά των τάσεων εξόδου των θερμικών μετατροπέων όταν η διακρίβωση γίνεται με το διαφορικό τρόπο (differential mode). III. διαμορφωτή ο οποίος καθορίζει αν ο τρόπος διακρίβωσης θα είναι δύο καναλιών ή διαφορικός. Στον τρόπο δυο καναλιών μετρώνται οι τάσεις εξόδου των δύο προτύπων ανεξάρτητα η μία από την άλλη, ενώ στο διαφορικό τρόπο μετράται η έξοδος του ενός προτύπου και η διαφορά των εξόδων των δύο προτύπων. 3. τη μονάδα του ελεγκτή που επιτρέπει τον χειροκίνητο έλεγχο ή τον έλεγχο μέσω Η/Υ και είναι εξοπλισμένη με πληκτρολόγιο, οθόνη LCD και δύο θύρες επικοινωνίας GPIB και R-232 Πρότυπο Νανοβολτόμετρο Η τάση εξόδου του Προτύπου Μεταφοράς AC- τάσης μετράται με το νανοβολτόμετρο Keithley 2182A αφού διέλθει από τη μονάδα του διαμορφωτή. Στην περιοχή μέτρησης των 10 mv η διακριτική ικανότητα του οργάνου είναι 1 nv, ενώ στην περιοχή των 100 mv είναι 10 nv. Πρότυπο Ψηφιακό Πολύμετρο Όταν η τάση εξόδου του Προτύπου που διακριβώνεται είναι της τάξης του 1V ή μεγαλύτερη χρησιμοποιείται το Ψηφιακό Πολύμετρο HP ,5 ψηφίων. Στην περιοχή μέτρησης του 1V η διακριτική ικανότητα του οργάνου είναι 10 nv. Διαφορετικά για τη μέτρηση της τάσης εξόδου του Προτύπου χρησιμοποιείται ένα δεύτερο νανοβολτόμετρο Keithley 2182A. Όλα τα δυναμικά guard του κυκλώματος έχουν οδηγηθεί σε ένα κοινό σημείο γείωσης και επίσης ο αρνητικός ακροδέκτης (LO) των τάσεων εξόδου συνδέεται επίσης με την κοινή αυτή γείωση. Εικόνα 6: Περιβάλλον LabView 18

19 3.3 Πειραματική Διάταξη Wavetek 4808 AC Wavetek 4898 Ac-dc switch Choke 10:1 Divider tandard Tee UUT Filter Keithley 2182A HP3458A / Keithley 2182A 19

20 Πειραματική Διάταξη 20

21 3.4 Αβεβαιότητα / Uncertainty Η αβεβαιότητα που αναφέρεται είναι το γινόμενο της τυπικής αβεβαιότητας (u) με τον συντελεστή κάλυψης k = 2 (διευρυμένη αβεβαιότητα) και προσδιορίστηκε σύμφωνα με το έντυπο «Guide to the Expressionof Uncertaintyin Measurements» (IO 1995). Γενικώς, η τιμή της μετρούμενης ποσότητας περιέχεται στο προσδιοριζόμενο εύρος με πιθανότητα 95% περίπου. Η εκτίμηση της αναφερόμενης αβεβαιότητας δεν εμπεριέχει ενδεχόμενες μακροπρόθεσμες μεταβολές. 3.5 Παράγοντες UNCERTAINTY BUDGET δ δ δconn ect δdrift δlevel δresle vel level Re slevel connect the ac-dc difference of the thermal converter which is used as a reference. The 2V reference is directly calibrated at PTB at all frequencies.the other reference standards are also calibrated in PTB at selected voltage-frequency points. The remaining voltage-frequency points are calibrated at EIM with a scale-up or scale-down procedure. the difference between the ac-dc differences of the two standards: it is derived from the measurement. It has the following uncertainty contributions: measuring setup, common mode error and repeatability of the measurement result. The measurement result is the average of a set of 12 consecuitivemeasurments. Differentsetsaretakenatdifferentdays. the correction to the measured difference δ of the converters which is induced by the use of different connectors in the different steps of the scale-up (Τ-connector, N-N connector, etc.) The correction to the ac-dc difference of the reference standard, due to the time that has passed from its last calibration. The calibration of the EIM reference standards with the scale up and scale down procedure is performed immediately after the standards return from their PTB calibration. o, the drift uncertainty is relevant in u(1v), u(3v) (where the PMJTC (2 V) is used) and in all the levels of the u (δ) of best-device-calibration. the correction to the ac-dc difference δ of the reference standard, because during the scale up calibration procedure it has been used at different input levels. the correction to the ac-dc difference δ of the reference standard, when it is combined with a resistor, because the resistor during the scale up calibration procedure has been used at different voltage levels (especially at high voltage). Inourcaseitis 0 (zero) drift 21

22 3.6 Αποτελέσματα Διακρίβωσης/ Calibration Results Τιμές της διαφοράς ac-dc σε διάφορες συχνότητες Κλίμακα/ Range PMJTC 2V Διαφορά ac-dc (ppm)/ Ac-dc difference (ppm) Τάση εισόδου/ Input voltage 1 khz 300kHz 1 MHz 2V 1V Αβεβαιότητες τιμών μεταφοράς ac-dc στις μετρηθείς συχνότητες Αβεβαιότητα διαφοράς ac-dc (k=2) (ppm) / Uncertainty of ac-dc difference (k=1) (ppm) tandard Uncertainty k=1 1KHz 300KHz 1MHz etup Connectors, Tee Commonmodeerror Type A Drift of primary standard since its calibration at PTB Current Level Dependence Low Frequency Level Dependence EIM's 1V standard V Uncertainty Αβεβαιότητα διαφοράς ac-dc (k=2) (ppm) / Uncertainty of ac-dc difference (k=2) Κλίμακα/ Range Τάση εισόδου/ PMJTC 1 khz 300 khz 1 MHz Input voltage 2V 2V 1V

23 Παρατηρήσεις Η διαφορά ac-dc ενός προτύπου αναφοράς ορίζεται ως: U U U AC out AC out, όπου U AC είναι η τιμή rms της εναλλασσόμενης τάσης εισόδου και είναι η τιμή της συνεχούς τάσης εισόδου, η οποία όταν εφαρμοστεί σε διαφορετικές πολικότητες, προκαλεί μέση τάση εξόδου ίση με την τάση εξόδου που προκαλείται με την U AC The AC- difference of a reference standard is defined as: U U U AC out AC out, where U AC U is the rmsvalue of the ac input voltage and is the dc input voltage, which when applied with different polarities generates an average output voltage equal to the output voltage generated with U AC. 1. Αρνητική τιμή της διαφοράς ac-dc σημαίνει ότι απαιτείται μικρότερη τάση AC από ότι για να προκαλέσει την ίδια τάση εξόδου του θερμικού μετατροπέα. Αnegative value of the ac-dc difference indicates that a smaller AC voltage than a voltage is required for the thermal converter to give equal output voltages. 2. Κάθε τιμή του πίνακα αποτελεσμάτων είναι η μέση τιμή 6 μετρήσεων του προτύπου PMJTC 2V του PTB ως προς το πρότυπο του ΕΙΜ. 3. Every value of the table results is the mean value of 6 measurements of the PMJTC 2V του PTB standard against the EIM standard. 3.7 Περιγραφή του λογισμικού υπολογισμού της AC τάσης Στην κεντρική οθόνη του προγράμματος εμφανίζονται τα υπομενού των ρυθμίσεων των πηγών και AC, του αυτόματου διακόπτη MKP και των οργάνων μέτρησης όπως επίσης και δύο παράμετροι που αναφέρθηκαν παραπάνω : 23

24 Το όριο για την ρύθμιση σε ppm; σε περίπτωση που ο λόγος V V n V AC είναι μεγαλύτερος, η μέτρηση δεν λαμβάνεται υπόψη στον υπολογισμό του μέσου όρου δ meas [mallerthan (ppm) ], Το πλήθος των κύκλων μέτρησης που θα ληφθούν υπόψη στον υπολογισμό του μέσου όρου δmeas [ tabilizedcycles]. Εικόνα 7: Περιβάλλον LabView Στο υπομενού καθορισμού της τιμής τάσης ορίζεται στην πρώτη ακολουθία μετρήσεων η τιμή της τάσης εισόδου ενώ στην επόμενη ακολουθία η νέα τιμή της τάσης υπολογίζεται από το πρόγραμμα και εισάγεται αυτόματα. Όριο ασφαλείας για το ανώτατο επιτρεπτό όριο τάσης (Voltage Limit) θεωρείται από πρόγραμμα αυτόματα το 10% επιπλέον της οριζόμενης τιμής τάσης. 24

25 3.8 Πλήρες cale-up του ΕΙΜ για την εναλλασσόμενη τάση 1200 V 600 V Holt 11 Thermoelement 10.0mA + Resistor 119,6 kω Holt 11 Thermoelement 5.0 ma 400 V 300 V 200 V 120 V 100 V 60 V 40 V 30 V 20 V 12 V 10 V 6 V 4 V 3 V 2 V 1 V 500 mv 350 mv 100 mv Holt 11 Thermoelement 2.5 ma + Resistor 119,6 kω Holt 11 Thermoelement 2.5mA + Resistor 39,6 kω Holt 11 Thermoelement 2.5mA + Resistor 11,6 kω Holt 11 Thermoelement 2.5mA + Resistor 3,6 kω Holt 11 Thermoelement 2.5mA + Resistor 800 Ω 90 Ω - PMJTC + Resistor 119,6 kω Holt 11 Thermoelement 5.0 ma + Resistor 39,6 kω Holt 11 Thermoelement 5.0mA + Resistor 11,6 kω Holt 11 Thermoelement 5.0mA + Resistor 3,6 kω Holt 11 Thermoelement 5.0mA + Resistor 800 Ω Holt 11 Thermoelement 5.0mA Holt 11 Thermoelement 10.0mA + Resistor 39,6 kω Holt 11 Thermoelement 10.0mA + Resistor 11,6 kω Holt 11 Thermoelement 10.0mA + Resistor 3,6 kω Holt 11 Thermoelement 10.0mA + Resistor 800 Ω Holt 11 Thermoelement 10.0mA Holt 11 Thermoelement 2.5mA 25

26 3.9 Ιχνηλασιμότητα Τάσης στο ΕΙΜ ΔΙΕΘΝΕΣ ΠΡΟΤΥΠΟ ΠΡΩΤΕΥΟΝΤΑ ΠΡΟΤΥΠΑ AC ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΠΡΩΤΕΥΟΝΤΑ ΠΡΟΤΥΠΑ AC- (ΕΙΜ) ΠΡΟΤΥΠΑ ΑΝΑΦΟΡΑΣ AC ΤΑΣΗΣ (EIM) Πρότυπα Μεταφοράς ΠΡΟΤΥΠΑ ΕΡΓΑΣΙΑΣ EIM 26

27 4. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ AC- CURRENT Διακρίβωση του εναλλασσόμενου ρεύματος βάση του συνεχούς, με τη χρήση επίπεδων θερμικών μετατροπέων (PMJTC) και αντιστατών ρεύματος (current shunts). Μέτρηση της διαφοράς δ ανάμεσα τους, με χρήση κατάλληλης διάταξης που επιτρέπει την ακαριαία εναλλαγή ανάμεσα σε συνεχές κι εναλλασσόμενο ρεύμα. Η διαδικασία αυτή είναι αυτοματοποιημένη μέσα από το περιβάλλον LabView, τα όργανα λειτουργούν σε slave mode και οι μετρήσεις καταγράφονται αυτόματα σε αρχείο excel. 4.1 Περιγραφή των προτύπων αναφοράς του ΕΙΜ PMJTC για περιοχή τάσης εισόδου από 100 mv έως 1V. Ως πρότυπο αναφοράς για τις τάσεις εισόδου 100 mv έως 1V χρησιμοποιείται ένας επίπεδος θερμικός μετατροπέας πολλών επαφών (planar multijunction thermal converter, ή PMJTC), ο οποίος κατασκευάστηκε στο Γερμανικό Εθνικό Μετρολογικό Ινστιτούτο PTB με αισθητήρα που παρασκευάστηκε στο κέντρο Τεχνολογίας Institutfur Physikalische HochtechnologieeV, Jena στη Γερμανία. Η σχέση της τάσης εισόδου με την τάση εξόδου του PMJTC είναι τετραγωνική, έτσι σε είσοδο 1 V παράγεται έξοδος 100mV, ενώ στην είσοδο των 100mV, που αποτελεί το 1/10 της ονομαστικής τιμής εισόδου παράγεται έξοδος 1mV, το 1/100 της μέγιστης εξόδου. PMJTC Αντίσταση 90Ω Υλικό αντίστασης NiCri Αριθμός θερμοστοιχείων 100 Ονομαστική τάση εισόδου 1V Τάση εξόδου (στην ονομαστική είσοδο) 100mV Σφάλμα εξάρτησης από την αντιστροφή <1ppm Εικόνα 8: Επίπεδος Θερμικός Μετατροπέας (PMJTC) 27

28 PMJTC για περιοχή τάσης εισόδου από 200 mv έως 2 V. Ως πρότυπο αναφοράς για τις τάσεις εισόδου 200 mv έως 2 V χρησιμοποιείται ένας επίπεδος θερμικός μετατροπέας πολλών επαφών (planar multijunction thermal converter, ή PMJTC), ο οποίος κατασκευάστηκε στο Γερμανικό Εθνικό Μετρολογικό Ινστιτούτο PTB με αισθητήρα που παρασκευάστηκε στο κέντρο Τεχνολογίας Institutfur Physikalische Hochtechnologiee.V, Jena στη Γερμανία. Η σχέση της τάσης εισόδου με την τάση εξόδου του PMJTC είναι τετραγωνική ομοίως. PMJTC Αντίσταση 400Ω Υλικό αντίστασης NiCri Αριθμός θερμοστοιχείων 100 Ονομαστική τάση εισόδου 2V Τάση εξόδου (στην ονομαστική είσοδο) 200mV Σφάλμα εξάρτησης από την αντιστροφή <1ppm 4.2 Εξοπλισμός και Μέσα Ως πρότυπη πηγή AC και ρεύματος χρησιμοποιείται ο Διακριβωτής Πολλαπλών λειτουργιών Wavetek 4808 Τρείς αντιστάσεις ρεύματος (διακλαδωτές) Guildline 7320 των 1Ω,10Ω και 100Ω και ένας Quadtech των 10Ω Πρότυπο Νανοβολτόμετρο. Η τάση εξόδου του Προτύπου Μεταφοράς AC- τάσης μετράται με το νανοβολτόμετρο Keithley 2182A αφού διέλθει από τη μονάδα του διαμορφωτή. Ηλεκτρονική μονάδα Διαμορφωτή / Ελεγκτή Η μονάδα του διαμορφωτή περιέχει : πέντε φίλτρα αιχμής (notchfilters) για να ελαχιστοποιήσουν το θόρυβο (ripples) του σήματος εξόδου των θερμικών μετατροπέων στις χαμηλές συχνότητες. αντιστάσεις που ελέγχονται ηλεκτρονικά για να μηδενίσουν τη διαφορά των τάσεων εξόδου των θερμικών μετατροπέων όταν η διακρίβωση γίνεται με το διαφορικό τρόπο (differentialmode). διαμορφωτή ο οποίος καθορίζει αν ο τρόπος διακρίβωσης θα είναι δύο καναλιών ή διαφορικός. Στον τρόπο δυο καναλιών μετρώνται οι τάσεις εξόδου των δύο προτύπων ανεξάρτητα η μία από την άλλη, ενώ στο 28

29 διαφορικό τρόπο μετράται η έξοδος του ενός προτύπου και η διαφορά των εξόδων των δύο προτύπων. Η μονάδα του ελεγκτή που επιτρέπει τον χειροκίνητο έλεγχο ή τον έλεγχο μέσω Η/Υ και είναι εξοπλισμένη με πληκτρολόγιο, οθόνη LCD και δύο θύρες επικοινωνίας GPIB και R-232. Εικόνα 9: Διακόπτης - Ελεγκτής - Φίλτρο 4.3 Πειραματική Διάταξη Η πρότυπη πηγή συνδέεται με το ένα ζεύγος θερμικού μετατροπέα κι αντίστασης και μετά με το επόμενο ζεύγος σε σειρά. Σε αντίθεση με τη διάταξη της τάσης όπου τα ζεύγη αντίστασης και θερμικού μετατροπέα είναι συνδεδεμένα παράλληλα μεταξύ τους, με ένα κατάλληλο Tee, εδώ υλοποιείται η σύνδεση ανάμεσα στο στάνταρ και στο προς διακρίβωση ζεύγος σα να υπήρχε ένα Tee σύνδεσης σε σειρά. Στην πραγματικότητα έχει υλοποιηθεί μια σύνδεση ανάμεσα στα ζεύγη θερμικών μετατροπέων και αντιστάσεων που να προσομοιάζει ένα Tee σύνδεσης σε σειρά. Το επίπεδο αναφοράς (referenceplane) όταν χρησιμοποιείται συνδετήρας Τ βρίσκεται στο μέσω του συνδετήρα Τ. Σε κάθε πιστοποιητικό διακρίβωσης θα πρέπει να ορίζεται το επίπεδο αναφοράς των μετρήσεων. Η διάταξη υλοποιείται κατά αυτό τον τρόπο ώστε να δέχονται το ίδιο ρεύμα ακριβώς και οι δυο θερμικοί μετατροπείς. Κάθε θερμικός μετατροπέας είναι συνδεδεμένος με μια έξοδο N-type με ένα νανοβολτόμετρο αφού περάσει πρώτα από τον διαμορφωτή. 29

30 Εικόνα 10: Πρότυπα και hunts σε διακρίβωση. 30

31 4.4 Πειραματική Διαδικασία Η πρότυπη πηγή δίνει αρχικά ένα εναλλασσόμενο ρεύμα το οποίο διέρχεται πρώτα από το ένα ζεύγος κι έπειτα από το άλλο. Τα νανοβολτόμετρα μετράνε τις αντίστοιχες τάσεις εξόδου από τους θερμικούς μετατροπείς και καταγράφουν τη μέτρηση σε αρχείο excel. Στη συνέχεια η πηγή δίνει συνεχόμενο ρεύμα κι επαναλαμβάνεται και καταγράφεται η μέτρηση. Ένας πλήρης κύκλος μέτρησης αποτελείται από μετρήσεις με την εξής σειρά, AC- + - AC - -AC. Από το πρόγραμμα απαιτούμε να καταγράψει 6 μετρήσεις από τη στιγμή που θα πληρείται η απαίτηση δs<10ppm. 31

32 Εικόνα 11: Νανοβολτόμετρα Keithley 4.5 Διαφορά Ac-dc Η διαφορά ac-dc ενός προτύπου αναφοράς ορίζεται ως: U U AC (1), όπου out AC out U U AC U είναι η rms τιμή της ac τάσης εισόδου που δέχεται το πρότυπο είναι η dc τάση εισόδου που πρέπει να εφαρμόσουμε στο πρότυπο, ώστε να δώσει την ίδια τάση εξόδου, όπως και στην U AC. Η σχέση απόκρισης της τάση εξόδου ως προς την τάση εισόδου ενός προτύπου μεταφοράς ac-dc είναι γνωστή. Για ένα θερμικό μετατροπέα για παράδειγμα, είναι τετραγωνική: η τάση που αναπτύσσει το θερμοστοιχείο είναι ανάλογη της θερμοκρασίας, η οποία είναι ανάλογη της θερμότητας Joule που καταναλώνεται στην αντίσταση εισόδου, που με τη σειρά της είναι ανάλογη του n τετραγώνου της τάσης εισόδου. Στη γενική περίπτωση είναι: V k U (2), όπου Vείναι η τάση εξόδου και U η τάση εισόδου, kείναι μια σταθερά, ενώ nείναι ο εκθέτης που χαρακτηρίζει τον θερμικό μετατροπέα και είναι περίπου ίσος με 2. Η πραγματική τιμή του n μπορεί να είναι γνωστή από τα τεχνικά του χαρακτηριστικά ή μπορεί να μετρηθεί με ακρίβεια μεταβάλλοντας την τάση εισόδου κατά μικρά ποσά γύρω από την τάση διακρίβωσης και μετρώντας την τάση εξόδου. Η διαδικασία αυτή περιγράφεται στην Ο. 05 (ELF-F-1)-4 Υπολογισμός Εκθέτη Μετατροπέα AC-. Εισάγοντας τη σχέση (2) στον ορισμό (1), είναι δυνατό να εκφράσουμε τη διαφορά ac-dc εξολοκλήρου από τις τάσεις εξόδου του. Output Voltage = k x V 2 in V +V Input Voltage

33 Για τη διακρίβωση ενός μετατροπέα ac-dc (Χ), χρησιμοποιούμε έναν πρότυπο μετατροπέα () του οποίου την τιμή δ της διαφοράς ac-dc και του εκθέτη n γνωρίζουμε εκ των προτέρων. Tα δύο πρότυπα συνδέονται παράλληλα με την πηγή τάσης, εφαρμόζεται αρχικά τάση ac και καταγράφονται οι δύο τάσεις εξόδου. Στη συνέχεια εφαρμόζεται τάση dc και αυτή ρυθμίζεται με μικρές αλλαγές ώστε τελικά η τάση εξόδου του προτύπου αναφοράς να είναι ίδια όπως ήταν στην εφαρμογή της τάσης ac.από τον ορισμό της διαφοράς ac-dc (1) λαμβάνουμε για τον άγνωστο θερμικό μετατροπέα ac-dc AC 1 (3) AC out U U Εξαιτίας του ότι η έξοδος του άγνωστου θερμικού μετατροπέα στην είσοδο τάσης δεν είναι ακριβώς ίση αλλά είναι ελάχιστα διαφορετική από την έξοδο κατά την είσοδο τάσης AC, η αντίστοιχη είσοδος (ορίζεται ως U ) η οποία θα δώσει θεωρητικά ίση έξοδο είναι ελάχιστα διαφορετική από αυτή που εφαρμόζεται εκείνη τη στιγμή (ορίζεται ως U) U ( dv) dv V U U du U U 1 U U 1 n V nv n (4) όπου, V, V είναι οι τάσεις εξόδου του άγνωστου προτύπου στην τάση εισόδου dc και AC ac αντίστοιχα καιn Χ είναι ο εκθέτης που χαρακτηρίζει τον μετατροπέα. Το διαφορικό du υπολογίζεται από τη εξίσωση (2) και το αρνητικό πρόσημο εισάγεται απαραίτητα στη σχέση εάν U παράγει αντίθετο αποτέλεσμα από το dv. Σύμφωνα με την εξίσωση (4) η εξίσωση (3) διαμορφώνεται: U AC 1 1 (5). U V AC V 1 nv Ομοίως, για την ac-dc διαφορά του γνωστού θερμικού μετατροπέα λαμβάνουμε: out AC 1 όπου, AC out U U out U είναι η είσοδος που θα παράγει την ίδια έξοδο στην είσοδο τάσης AC. Εξ αιτίας του ότι UAC/U έχει ήδη εκφρασθεί ως προς τον όρο δμε τη σχέση (5) η παραπάνω εξίσωση μπορεί να γραφεί ως : AC V V 1 U U AC 33 U U (6).

34 Η έξοδος του γνωστού θερμικού μετατροπέα στην είσοδο τάσης είναι επίσης διαφορετική από την έξοδο κατά την είσοδο τάσης AC (περισσότερο από ότι στον άγνωστο μετατροπέα, διότι η ρύθμιση γίνεται στον άγνωστο μετατροπέα). Η αντίστοιχη είσοδος η οποία θα δώσει θεωρητικά ίση έξοδο είναι: U ( dv) dv V AC V U U du U U 1 U U 1 n V nv n V (4) όπου, V, V AC είναι οι τάσεις εξόδου του άγνωστου προτύπου στην τάση εισόδου dc και ac αντίστοιχα καιn είναι ο εκθέτης που χαρακτηρίζει τον μετατροπέα. Η εξίσωση (6) τότε γίνεται : U AC 1 1 (7). U V AC V 1 n V Συνδυάζοντας τις εξισώσεις (5) και (7) λαμβάνουμε: 1 1 VAC 1 n VAC 1 n V V V V V 1 n AC V V V n AC V V VAC V 1 n V VAC V n V Υπό τη συνθήκη ρύθμισης μπορούμε να θεωρήσουμε ότι ισχύει η προσέγγιση: V AC V 1. n V V Επίσης εάν δ <<1 (π.χ. δ <<1000ppm), AC V μπορούμε να υποθέσουμε ότι 1. n V Τελικά λαμβάνουμε : V V V V (8), k V k V AC AC Δηλαδή η διαφορά μεταξύ των δ Χ και δ μπορεί να εκφραστεί μόνο από τις τάσεις εξόδου των δύο θερμικών μετατροπέων. Όταν αυτή η διαφορά υπολογισθεί, προστίθεται η τιμή δ του γνωστού μετατροπέα (από το πιστοποιητικό διακρίβωσής του) και υπολογίζεται η τιμή δ Χτου άγνωστου μετατροπέα ως : V k V V AC Που διαμορφώνεται απλούστερα ως: (9) V V k V AC 34

35 V V V V (10). n V n V AC AC Ας σημειωθεί ότι, εξαιτίας του ότι η ρύθμιση γίνεται στο άγνωστο πρότυπο, ο λόγος V n V V είναι μικρός και έτσι η πραγματική τιμή του εκθέτη n x δεν χρειάζεται να είναι γνωστή. Αντίθετα η ακριβής τιμή του n είναι σημαντική για το σωστό υπολογισμό του δ. Πρέπει επίσης να σημειωθεί ότι η απόκριση των AC- προτύπων μεταφοράς είναι συνήθως διαφορετική όταν εφαρμόζονται dc + και dc - τάσεις (reversal error). Έτσι, παρεμβάλλεται ένα επιπλέον βήμα dc - (με αντεστραμμένη πολικότητα) και υπολογίζεται η μέση τιμή της απόκρισης του θερμικού μετατροπέα στις τάσεις dc + και dc -. AC 4.6 Μετρητική Διαδικασία Όλα τα όργανα, δηλαδή οι πηγές και τα βολτόμετρα προθερμαίνονται για περισσότερο από 2 ώρες, ενώ οι συνδέσεις μεταξύ τους και με τα πρότυπα πραγματοποιούνται τουλάχιστο 15 λεπτά πριν την έναρξη της μέτρησης ώστε να επιτυγχάνεται θερμική ισορροπία. Η διαδικασία της μέτρησης είναι ίδια για τις δύο διατάξεις. Η διαδικασία της μέτρησης αυτοματοποιήθηκε πλήρως με τη χρήση Η/Υ. Το λογισμικό που χρησιμοποιείται αναπτύχθηκε σε περιβάλλον προγραμματισμού LABVIEW και η επικοινωνία με τις πηγές και τα όργανα μέτρησης του εργαστηρίου έγινε με το πρωτόκολλο GPIB. Στο πρόγραμμα τίθενται οι παράμετροι των σημάτων εισόδου, δηλαδή οι τιμές τάσης dc, ac και η συχνότητα και όλες οι παράμετροι που αφορούν τη μέτρηση των σημάτων εξόδου, όπως οι κλίμακες των βολτομέτρων και ο αριθμός των σημείων που θα λαμβάνονται για κάθε μία μέτρηση. Επίσης ορίζεται συγκεκριμένη χρονοκαθυστέρηση που θα μεσολαβήσει από την εφαρμογή της τάσης εισόδου έως τη μέτρηση της τάσης εξόδου. Η τάση εισόδου εφαρμόζεται σε κύκλους, καθένας από τους οποίους έχει την αλληλουχία: ac, dc +, ac, dc -, ac, όπου ένα επιπλέον βήμα ac έχει παρεμβληθεί ανάμεσα στην εφαρμογή των τάσεων dc + και dc - για να αποφευχθεί η θερμική αποσταθεροποίηση των θερμικών μετατροπέων κατά το νεκρό χρόνο της αλλαγής 35

36 από dc + σε dc -. Σε κάθε βήμα, την εφαρμογή της τάσης εισόδου ακολουθεί χρονοκαθυστέρηση 60 sec και στη συνέχεια λαμβάνονται μετρήσεις των τάσεων εξόδου των δύο προτύπων. Στο τέλος κάθε κύκλου υπολογίζεται η σχετική διαφορά V V n V AC (11), όπου V είναι η μέση τιμή των βημάτων dc +, dc - και V AC η μέση τιμή των τριών βημάτων ac. Στη συνέχεια, η τάση εισόδου dc διορθώνεται ως U new old ( V VAC U 1 ) (6) n V και ο επόμενος κύκλος εκτελείται με τη νέα τιμή. Όταν επιτευχθεί η συνθήκη ρύθμισης του προγράμματος (στην πράξη, αυτή είναι η σχετική διαφορά (5) να είναι μικρότερη από 10ppm), τότε εκτελούνται 12 τελευταίοι κύκλοι, σε καθέναν από τους οποίους υπολογίζεται η διαφορά (3) μεταξύ των χαρακτηριστικών δχ, δ. Στη συνέχεια υπολογίζεται η μέση τιμή των 12 κύκλων, τίθεται η γνωστή τιμή δ του προτύπου αναφοράς και υπολογίζεται από την (4) η ζητούμενη διαφορά ac-dc του προς διακρίβωση προτύπου. Τα αποτελέσματα των μετρήσεων αποθηκεύονται στον υπολογιστή σε μορφή αρχείου Excel για περαιτέρω επεξεργασία. Υπόδειγμα του αρχείου αυτού υπολογισμών της τιμής δ παρατίθεται στο Ε.05-(ELF-F-1)-1 «Αρχείο Υπολογισμών Διαφοράς AC -». Στη συνέχεια ο υπολογισμός του δχ εκτελείται σε ένα αρχείο Excel, το οποίο περιλαμβάνει τα αποτελέσματα για όλα τα πρότυπα και όλα τα βήματα για τη διαδικασία αύξησης της κλίμακας (step up procedure). 4.7 Υπολογισμός Αβεβαιότητας Η αβεβαιότητα (δχ) της διακρίβωσης σε κάθε βήμα αύξησης της κλίμακας της τάσης που αναφέρθηκε παραπάνω (step up procedure) υπολογίζεται σύμφωνα με την Ο.05 (ELF-F-1)-1 Υπολογισμός Αβεβαιότητας Μετατροπέων AC Περιγραφή του λογισμικού υπολογισμού της διαφοράς AC Στην κεντρική οθόνη του προγράμματος εμφανίζονται τα υπομενού των ρυθμίσεων των πηγών και AC, του αυτόματου διακόπτη MKP και των οργάνων μέτρησης όπως επίσης και δύο παράμετροι που αναφέρθηκαν παραπάνω: 36

37 Το όριο για την ρύθμιση σε ppm; σε περίπτωση που ο λόγος V V n V AC είναι μεγαλύτερος, η μέτρηση δεν λαμβάνεται υπόψη στον υπολογισμό του μέσου όρου δ [maller than (ppm) ]o αριθμός των κύκλων μέτρησης που θα ληφθούν υπόψη στον υπολογισμό του μέσου όρου δ [tabilized cycles]. 37

38 1A h 1Ω PA + hunt 1Ω 300mA 200mA h 10Ω tep 4 PB + hunt 10Ω 100mA h 10Ω tep 3 PA + hunt 10Ω 50mA 20mA h100ω tep 2 10 ma 90-1 PB(2V) +hunt 100Ω tep 1 PA (1V, 90Ω) 38

39 Βήμα Πρώτο: Στο βήμα αυτό χρησιμοποιείται ως πρότυπο ο θερμικός μετατροπέας του 1V (90Ω) ο οποίος έχει σταλεί προς διακρίβωση και έχει πιστοποιηθεί από το Ινστιτούτο PTB της Γερμανίας. Στο υπόλοιπο κείμενο θα αναφερόμαστε σε αυτόν ως «PA». Ο PA αντέχει ρεύμα έως 10mA οπότε πάνω από τα 10mA χρειάζεται να διακριβωθεί ένα άλλο πρότυπο ώστε να μπορεί να χρησιμοποιηθεί για αυτές τις τιμές (>10mA). Βάση των παραπάνω διακριβώνεται το ζεύγος θερμικού μετατροπέα των 2V παράλληλα συνδεδεμένος με μια αντίσταση 100Ω με πρότυπο το PA. Στο εξής ο θερμικός μετατροπέας των 2V θα αναφέρεται ως PB. Η διάταξη έχει ως εξής, tandard: PA hunt 100Ω UUT: PB Με τον τρόπο αυτό διακριβώνεται το ζεύγος PB+100Ω του οποίου τα χαρακτηριστικά θεωρούμε ότι μένουν σταθερά για όλο το εύρος των τιμών ρεύματος που μπορεί να καλύψει. Εικόνα 12: Βήμα 1ο Βήμα Δεύτερο: Στο βήμα αυτό χρησιμοποιείται ως πρότυπο πλέον το ζευγάρι PB+100Ω του οποίου η ομαλή λειτουργία φτάνει μέχρι τα 20mA. Σε αυτή την τιμή ρεύματος λοιπόν 39

40 διακριβώνεται το επόμενο κατάλληλο πρότυπο ώστε να συνεχίσει να καλύπτεται το εύρος τιμών. Διακριβώνεται το PA+10Ω στα 20mA με πρότυπο το PB+100Ω. Η διάταξη έχει ως εξής: tandard:pb hunt 100Ω hunt 10Ω UUT:PA Με τον τρόπο αυτό διακριβώνεται το ζεύγος PA+10Ω του οποίου τα χαρακτηριστικά θεωρούμε ότι μένουν σταθερά για όλο το εύρος των τιμών ρεύματος που μπορεί να καλύψει. Βήμα Τρίτο: Στο βήμα αυτό χρησιμοποιείται ως πρότυπο το ζευγάρι PA+10Ω του οποίου η ομαλή λειτουργία φτάνει μέχρι τα 100mA. Σε αυτή την τιμή ρεύματος λοιπόν διακριβώνεται το επόμενο κατάλληλο πρότυπο ώστε να συνεχίσει να καλύπτεται το εύρος τιμών. Διακριβώνεται το PB+10Ω στα 100mA με πρότυπο το PA+10Ω. Η διάταξη έχει ως εξής: tandard: hunt 10Ω hunt 10Ω UUT: PB PA Με τον τρόπο αυτό διακριβώνεται το ζεύγος PΒ+10Ω του οποίου τα χαρακτηριστικά θεωρούμε ότι μένουν σταθερά για όλο το εύρος των τιμών ρεύματος που μπορεί να καλύψει. Βήμα Τέταρτο: Στο βήμα αυτό χρησιμοποιείται ως πρότυπο πλέον το ζευγάρι PB+10Ω του οποίου η ομαλή λειτουργία φτάνει μέχρι τα 200mA. Σε αυτή την τιμή ρεύματος 40

41 λοιπόν διακριβώνεται το επόμενο κατάλληλο πρότυπο ώστε να συνεχίσει να καλύπτεται το εύρος τιμών. Διακριβώνεται το PA+1Ω στα 200mA με πρότυπο το PB+10Ω. Η διάταξη έχει ως εξής: tandard:pb hunt 10Ω hunt 1Ω UUT: PA Με τον τρόπο αυτό διακριβώνεται το ζεύγος PA+1Ω του οποίου τα χαρακτηριστικά θεωρούμε ότι μένουν σταθερά για όλο το εύρος των τιμών ρεύματος που μπορεί να καλύψει, το οποίο φτάνει μέχρι και το 1 Ampere. Πίνακας πρόβλεψης τιμών εξόδου: Α/Α Βήματος Πρότυπο Rstandard Υπο Διακρίβωση Αντίσταση Iin Uin Vout 1 PMJTC 1V 85Ω PMJTC 2V + 100Ω 358Ω 10mA 0.8V 71.6V 2 PMJTC 2V + 100Ω 358 PMJTC 1V + 10Ω 95Ω 20mA 0.178V 3.2V 3 PMJTC 1V + 10Ω 95 PMJTC 2V + 10Ω 268Ω 100mA 1.018V 36.78V 4 PMJTC 2V + 10Ω 268 PMJTC 1V + 1Ω 86Ω 200mA 0.197V 3.9V 41

42 Εικόνα 13: Διακόπτης AC- 4.9 Το πρότυπο του ΕΙΜ στα 10mA είναι ο PMJTC (1V) διακριβωμένος στο PTB tandard Thermoelement UUT Thermoelement Current TANDARD UNCERTAINTY uδ (k=1) (ppm) 1 khz File PMJTC (1V) at 10mA 2 PTB Πίνακας 1: Πρότυπο του ΕΙΜ δ δ δconn ect UNCERTAINTY BUDGET FOR ALL VOLTAGE LEVEL FROM 100mV to 1000V level Re slevel connect the ac-dc difference of the thermal converter which is used as a reference. The 2V reference is directly calibrated at PTB at all frequencies. The other reference standards are also calibrated in PTB at selected voltage-frequency points. The remaining voltage-frequency points are calibrated at EIM with a scale-up or scaledown procedure. the difference between the ac-dc differences of the two standards: it is derived from the measurement. It has the following uncertainty contributions: measuring setup, common mode error and repeatability of the measurement result. The measurement result is the average of a set of 12 consecuitivemeasurments. Different sets are taken at different days. the correction to the measured difference δ of the converters which is induced by the use of different connectors in the different steps of the scale-up (Τ-connector, N-N connector, etc.) drift 42

43 δdrift δlevel δresle vel The correction to the ac-dc difference of the reference standard, due to the time that has passed from its last calibration. The calibration of the EIM reference standards with the scale up and scale down procedure is performed immediately after the standards return from their PTB calibration. o, the drift uncertainty is relevant in u(1v), u(3v) (where the PMJTC (2 V) is used) and in all the levels of the u (δ) of best-device-calibration. the correction to the ac-dc difference δ of the reference standard, because during the scale up calibration procedure it has been used at different input levels. the correction to the ac-dc difference δ of the reference standard, when it is combined with a resistor, because the resistor during the scale up calibration procedure has been used at different voltage levels (especially at high voltage). Inourcaseitis 0 (zero) 4.10 Αποτελέσματα δχ Date tandard Thermoelement Resistor Thermoelement UUT Resistor Current δ (ppm) 1 khz EIM's tandard= 8/7/2016 PMJTC (1V) at 10 ma 0,61 PMJTC (1V) - PMJTC (2V) 100 Ω 10 ma 8 8 EIM's tandard= 9/6/2016 EIM's tandard= 29/6/2016 EIM's tandard= 10/6/2016 EIM's tandard= PMJTC (2V) 100 Ω at 20 ma 8 PMJTC (2V) 100 Ω PMJTC (1V) 10 Ω 20 ma PMJTC (1V) 10 Ω at 100 ma 195 PMJTC (1V) Guildline 10 Ω PMJTC (2V) QuadTech10 Ω 100 ma PMJTC (2V) 10 Ω at 200mA 224 PMJTC (2V) 10 Ω PMJTC (1V) 1 Ω 200 ma PMJTC (2V) 1 Ω at 1A 38 Πίνακας 2: Αποτελέσματα δ σε κάθε βήμα. 43

44 4.11 Αβεβαιότητα: 10mA Uncertainty term EIM's PRIMARY TANDARD CALIBRATED IN PTB tandard Thermoelement Resistor UUT TANDARD UNCERTAINTY uδ (k=1) (ppm) Current Thermoelement Resistor 1 khz PMJTC (1V) at 10mA 2 etup PMJTC (1V) PMJTC (2V) 100Ω 10mA 1 Connectors, Tee PMJTC (1V) PMJTC (2V) 100Ω 10mA 1 Common mode error 10mA 0,5 Type A PMJTC (1V) PMJTC (2V) 100Ω 10mA 1 Drift of primary standard since its calibration at PMJTC (1V) 10mA 1 Current Level Dependence PMJTC (1V) from 0mA to 10mA 0,2 Low Frequency Level Dependence PMJTC (1V) from 0mA to 10mA 0 EIM's tandard= PMJTC (2V) 100Ω at 10mA 3 Πίνακας 3: Αβεβαιότητα της διαφοράς δ για την κλίμακα των 10mA. 20mA Uncertainty term tandard Thermoelement Resistor UUT TANDARD UNCERTAINTY uδ (k=1) (ppm) Current Thermoelement Resistor 1 khz EIM's tandard= PMJTC (2V) 100Ω at 20mA 3 etup PMJTC (2V) 10Ω PMJTC (1V) 10Ω 20mA 1 Connectors, Tee PMJTC (2V) 10Ω PMJTC (1V) 10Ω 20mA 1 Common mode error 20mA 0,5 Type A PMJTC (2V) 10Ω PMJTC (1V) 10Ω 20mA 2 Drift of primary standard since its calibration at PMJTC (2V) 20mA 1 Current Level Dependence PMJTC (2V) from 10mA to 20mA 0,2 Low Frequency Level Dependence PMJTC (2V) from 10mA to 20mA 0 EIM's tandard= PMJTC (1V) 10Ω at 20mA 4 Πίνακας 4: Αβεβαιότητα της διαφοράς δ για την κλίμακα των 20mA. 44

45 Uncertainty term tandard Thermoelement Resistor 100mA UUT TANDARD UNCERTAINTY uδ (k=1) (ppm) Thermo- Current element Resistor 1 khz EIM's tandard= PMJTC (1V) 10Ω at 100mA 4 etup PMJTC (1V) 10Ω PMJTC (2V) 10Ω 100mA 1 Connectors, Tee PMJTC (1V) 10Ω PMJTC (2V) 10Ω 100mA 1 Common mode error 100mA 0,5 Type A PMJTC (1V) 10Ω PMJTC (2V) 10Ω 100mA 1 Drift of primary standard since its calibration at PMJTC (1V) 100mA 1 Current Level Dependence PMJTC (1V) from 20mA to 100mA 0,2 Low Frequency Level Dependence PMJTC (1V) from 20mA to 100mA 0 EIM's tandard= PMJTC (2V) 10Ω at 100mA 4 Πίνακας 5:Αβεβαιότητα της διαφοράς δ για την κλίμακα των 100mA. 200mA Uncertainty term tandard Thermoelement Resistor UUT TANDARD UNCERTAINTY uδ (k=1) (ppm) Current Thermoelement Resistor 1 khz EIM's tandard= PMJTC (2V) 10Ω at 200mA 4 etup PMJTC (2V) 1Ω PMJTC (1V) 1Ω 200mA 1 Connectors, Tee PMJTC (2V) 1Ω PMJTC (1V) 1Ω 200mA 1 Common mode error 200mA 0,5 Type A PMJTC (2V) 1Ω PMJTC (1V) 1Ω 200mA 4 Drift of primary standard since its calibration at PMJTC (2V) 200mA 1 Current Level Dependence PMJTC (2V) from 100mA to 200mA 0,2 Low Frequency Level Dependence PMJTC (2V) from 100mA to 200mA 0 EIM's tandard= PMJTC (1V) 1Ω at 200mA 6 Πίνακας 6: Αβεβαιότητα της διαφοράς δ για την κλίμακα των 20mA. 45

46 5. ΠΡΟΤΑΣΕΙΣ ΓΙΑ ΤΗΝ ΑΠΟΚΤΗΣΗ ΚΙ ΟΛΟΚΛΗΡΩΣΗ ΤΟΥ ΠΡΟΤΥΠΟΥ AC ΡΕΥΜΑΤΟΣ. Τρείς προτάσεις έγιναν, στη Διοίκηση του ΕΙΜ, με διαφορετικό εύρος τιμών και κόστος απόκτησης. Ο προϋπολογισμός ανεβαίνει κυρίως λόγω της αναγκαιότητας απόκτησης ενός πρότυπου shunt set και αντίστοιχων θερμικών μετατροπέων για κάθε βήμα του scale up. Η πρώτη πρόταση αφορά τη χρήση του υπάρχοντος εξοπλισμού του ινστιτούτου και τη μερική διεύρυνση του. Η δεύτερη προτείνει την κατασκευή κάποιων shunts με στόχο την εξοικονόμηση κάποιου ποσού στον προϋπολογισμό. Η ακρίβεια όμως στις μετρήσεις που θα προσέφερε μια τέτοια κατασκευή είναι αμφισβητήσιμη. Τέλος η πιο ολοκληρωμένη πρόταση αφορά ένα set shuntsπου αναπτύχθηκε από το πανεπιστήμιο του Justervesenet, στη Νορβηγία, και την απόκτηση ξεχωριστών θερμικών μετατροπέων για κάθε βήμα στο scale up. Χρήση Υπάρχοντος Εξοπλισμού ΕΙΜ Χαμηλή σε κόστος καθώς γίνεται χρήση υπάρχοντος εξοπλισμού (χρήση των θερμικών μετατροπέων του 1Voltκαι των 2Volt. Χρήση των huntsτης Guildline και Quad Teck) αλλά και χαμηλή ποιοτικά λόγω της αβεβαιότητας των μετρήσεων του εξοπλισμού και του μικρού εύρους της κλίμακας που καλύπτει. 46

47 47

48 5.1 Κατασκευή hunts hunt (Ω) TC (Ω) hunt TC Voltage caleup Resistance Resistance Current Current (V) 20 ma ma ma ma ma ma ma AllIncluded Resistors Cost (EUR) TC 7.000,00 Calibration 390,00 Total Παρατηρήσεις: Μπορούμε να μειώσουμε το κόστος κάνοντας λιγότερα βήματα κατά 2.000,00. Κατασκευαστική προοπτική!! 48

49 5.2 AC Current Transfer with hunts (EIM) EIM has already an equipment that can be used partially for a few AC- current transfer measurements. The setup consist of: Number Items Description 1 4 hunts 2 1 Tee 3 2 T.C. 4 0 witch 5 0 Amplifier 6 1 ource 7 1 Choke 8 2 Nanovoltemeters Comments : The Tee is built up to connect in series. We built up our own Tee with bananas. 49

50 Εικόνα 14: Tee in series. hunts are connected parallel with the converters. Two different 10Ω hunts (available), one Guildline 7320 and one Quadtek for step 3. Use of two types of T.C., 1V(90Ω) and 2V(400Ω) No need for amplifier as the range is not above 1A. Need to repair the second source, Wavetek Two Keithley nanovoltemeters to read the output. Placed as shown below: CALIBRATOR AC CALIBRATOR AC- WITCH CC tandard TEE UUT 50

51 EIM existing caleup (0mA-1A) 1A h 1Ω 300mA 200mA h 10Ω 100mA h 10Ω 50mA 20mA h100ω 10 ma

52 Budget: There is no real cost for this setup but there is risk in using unique EIM s equipment that could be damaged by random errors. For this reason it would be recommended to equip the laboratory with extra converters (4 new, 2 1V and 2 2V) and repair the Wavetek 4808 that is available. The cost in this case it would be : All Included Cost (EUR) Repair Wavetek 1.500,00 T.C ,00 Tee 200,00 Total: 4.700,00 Comments: Building up this etup, Will be the first small step for AC current in EIM. Will give experience and know-how. Will help future etups. Will help me fulfill my study for university. Εικόνα 15: tendard and UUT. (AC- current Transfer) 52

53 5.3 Πρόταση Justervesenet Η πρόταση αυτή είναι η πιο πλήρης και συνιστώμενη παγκοσμίως για τη σύσταση προτύπου εναλλασσόμενου (AC) ρεύματος. Τα shunts του Justervesenet συνιστά και ο ειδικός στη μελέτη και στο σχεδιασμό πρότυπων διατάξεων ac-dc μεταφοράς Manfred Klonz από το PTB, με τον οποίο υπήρξε επικοινωνία και λήψη συμβουλευτικών οδηγιών. Παρακάτω παρατίθεται η πρόταση όπως παρουσιάστηκε στην υπεύθυνη και στη διοίκηση του ΕΙΜ. JUTERVEENET PROPOAL AC Current Transfer with hunts The setup consist of: Number Items Description 1 8 hunts 2 1 Tee 3 9 T.C. 4 1 witch 5 1 Amplifier 6 2 ources 7 1 Choke 8 2 Nanovoltemeters Placed as shown below: The Tee is built up to connect in a row. hunts are connected parallel with the converters 53

54 CALIBRATOR AC CALIBRATOR AC- WITCH CC TRANCONDUCTANCE AMPLIFIER tandard UUT TEE HUNT HUNT TC TC 54 NANOVOLTEMETER NANOVOLTEMETER

55 Justervesenet Full caleup 20A h 20A 10A h 10A 5A h 5A 3A h 3A 1A h 1A 300mA h 300mA 100mA 30mA 10mA h 100mA h 30mA 55

56 Budget: Justervesenet Full caleup hunt Nominal Current Connectors Price (EUR) 30 ma N 1.467, ma N 1.532, ma N 1.312,00 1 A N 1.789,00 3 A N 1.789,00 5 A N 2.040,00 10 A N 2.226,00 20 A UHF In/N out 3.214,00 Total: ,00 All Included Cost (EUR) hunts ,00 T.C ,00 Tee 200,00 Calibration 390,00 Total: ,00 Comments: Building up this etup, will give the ability to have new CMCs for EIM. Traceability AC-I for EIM. Modification in DMM. upport Intracom that already requests for AC-I calibrations (2000EUR). 56

57 Παράρτημα 1 Tee Connectors Στη συνδεσμολογία της διάταξης για το AC ρεύμα χρησιμοποιούμε διαφορετικό Τ (Tee) connector από ότι χρησιμοποιούμε στη διάταξη για την AC τάση. Η βασική διαφορά είναι ότι το Τ στην πρώτη περίπτωση (ac ρεύμα) συνδέει το πρότυπο με το υπό διακρίβωση αντικείμενο με σειρά, ώστε να διασφαλίζεται πως διαρρέεται όλο το κύκλωμα από το ίδιο ρεύμα. Αντίθετα στη διάταξη της τάσης το Τ (Tee) connector συνδέει τα δυο μέλη παράλληλα καθώς η απαίτηση σε αυτή τη περίπτωση είναι η εφαρμογή ίδια τάσης στα άκρα του προτύπου και του υπό διακρίβωση θερμικού μετατροπέα. ACΡεύμα Ίδιο ρεύμα και στα δύο μέλη. AC Τάση Ίδια τάση και στα δύο μέλη. 57

58 N Type Connectors Η υποδοχή Ν (κονέκτορες Τύπου N ) είναι ένα σπείρωμα, ανθεκτικό στις καιρικές συνθήκες, μεσαίου μεγέθους υποδοχή RF χρησιμοποιείται για να ενώσει ομοαξονικά καλώδια. Ήταν ένας από τους πρώτους κονέκτορες που μπορούν να μεταφέρουν μικροκυμάτων σήματα-frequency, και εφευρέθηκε τη δεκαετία του 1940 από τον Paul Neill των Bell Labs, από τον οποίο πήρε το όνομά του ο σύνδεσμος. Αρχικά, οι υποδοχείς ήταν σχεδιασμένοι για να μεταφέρουν σήματα σε συχνότητες έως 1 GHz σε στρατιωτικές εφαρμογές, αλλά οι σημερινοί κοινού τύπου Ν connectors χειρίζονται εύκολα συχνότητες έως 11 GHz. Πιο πρόσφατες βελτιώσεις στην ποιότητα της ακρίβειας στο σχεδιασμό από τον Ιούλιο Botka, στην Hewlett Packard, έχουν διευρύνει το εύρος εφαρμογών μέχρι τα 18 GHz. Ο αρσενικός connector είναι χειροποίητα σφιγμένος (αν και εκδόσεις με ένα εξαγωνικό παξιμάδι είναι επίσης διαθέσιμες) και έχει ένα διάκενο αέρα μεταξύ του κέντρου και του εξωτερικού αγωγού. Η σύζευξη διαθέτει ένα 5 / 8-24 νήμα. Οι κεντρικές ομοαξονικές επαφές είναι πανομοιότυπες με TNC και BNC βύσματα.. Το όριο ροπής εξαρτάται μόνο από την ποιότητα του νήματος και την καθαρότητά του, ενώ η κύρια επιχειρησιακή απαίτηση είναι η καλή επαφή RF χωρίς σημαντικά βήματα ή κενά. 58