Primjena digitalnih mjerila u pohranjivanju etalona : doktorska disertacija - Ilić, Damir (D. Ilić ; Fakultet elektrotehnike i računarstva, 1999)
U uvodnom dijelu pregledno je prikazan sadržaj svih poglavlja, ukratko su opisane razvijene mjerne metode i analizirani ostvareni mjerni rezultati te njihova primjena. Vrhunsko mjeriteljstvo električkih veličina opisano je u drugom poglavlju. Zbog toga ovdje nalazimo ustrojstvo SI sustava jedinica, načelo rada uređaja za utjelovljenje jedinica električke struje i napona, opis računskog etalona kapaciteta te metodâ za usporedbu etalona otpora s etalonima kapaciteta u vrhunskoj točnosti. Osim toga prikazani su i kvantni etaloni napona i otpora, kojima se danas volt i om pohranjuju s najmanjom nesigurnošću. Treće poglavlje posvećeno je Primarnom elektromagnetskom laboratoriju, koji djeluje u sklopu Fakulteta elektrotehnike i računarstva Sveučilišta u Zagrebu. Opisano je ustrojstvo Laboratorija te slijedni sustav za osnovne elektromagnetske veličine: napon, otpor, kapacitet i frekvenciju. Detaljno su prikazani referentni etaloni koji čine etalonsku osnovu Laboratorija i osiguravaju sljedivost prema međunarodnom sustavu, a to su: elektronički etalon napona s osnovnom razinom 10 V, etaloni otpora od 1 Ω i 10 kΩ, kremeni i zračni etalon kapaciteta od 100 pF te etalon otpora od 100 MΩ vlastite konstrukcije. Na kraju ovog poglavlja opisan je digitalni multimetar HP 3458A, s kojim se napon mjeri do rezolucije od 8½ znamenaka. To je osnovno digitalno mjerilo koje je rabljeno u mjernim metodama za mjerenje efektivne vrijednosti izmjeničnog napona niske frekvencije i faznog pomaka između dva napona, a njime su provedena mjerenja kojih su rezultati prikazani u šestom poglavlju. Za pohranjivanje referentnih etalona otpora u Laboratoriju je konstruiran uljni ultratermostat UTEO-97, koji je prikazan u četvrtom poglavlju. U tom su ultratermostatu za regulaciju temperature primijenjeni NTC otpornici, a kako bi se iz svake izmjerene vrijednosti otpora odredila mjerena temperatura, na temelju dostupnih (tabličnih) podataka određena je nadomjesna krivulja. Prikazano je umjeravanje ukupno 30 NTC otpornika i određivanje pripadnih parametara nadomjesne krivulje. Regulacija referentne temperature od 23 °C u ultratermostatu izvedena je uz računalom upravljan mjerni sustav, u kojem se otpor NTC osjetila izravno mjeri digitalnim multimetrom, dok računalo služi za prikupljanje mjernih podataka, računanje parametara regulacije te ugađanje potrebnih regulacijskih napona preko ugrađenog D/A sučelja. Prikazana je ostvarena stalnost temperature uz navedeni način regulacije i dogrijavanje ulja do referentne temperature, koja tijekom jednog dana može biti bolja od ±1 mK, a u dužem vremenskom razdoblju redovito bolja od ±10 mK. U petom poglavlju prikazana je metoda usporedbe etalona otpora od 100 MΩ s etalonom kapaciteta od 100 pF s pomoću digitalnih voltmetara HP 3458A upravljanih računalom, koja se u Laboratoriju rabi za prenošenje sljedivosti s područja kapaciteta na područje otpora, tj. C→R usporedbu. U tu se svrhu slaže mjerni most u čijoj se jednoj grani nalazi otporničko djelilo omjera 1000:1, a u drugoj grani se, kao gornji element djelila, postavlja etalonski otpornik od 100 MΩ kad se mjerenje obavlja istosmjernom strujom, odnosno etalonski kondenzator od 100 pF kad se mjerenje obavlja izmjeničnom strujom. I u toj grani je omjer dijeljenja 1000:1, jer je donji element djelila etalon otpora od 100 kΩ, dok digitalni voltmetri u oba slučaja mjere napone u dvjema granama mosta na donjem elementu. Analize pokazuju da je očekivana nesigurnost ove metode oko 0,1×10−6, jer je za određivanje otpora etalona od 100 MΩ prema etalonu kapaciteta od 100 pF potrebno poznavati omjere naponâ kod istosmjerne i izmjenične struje. Pritom je detaljno analizirana metoda mjerenja izmjeničnog napona frekvencije 15,873 Hz kad je voltmetar postavljen na istosmjerno naponsko područje te integrira mjereni izmjenični napon tijekom jedne trećine njegove periode (21 ms). Uzorci se uzimaju pomicanjem početka integracije uvijek za isti interval tako da njihove vrijednosti također slijede sinusni valni oblik kao i mjereni napon, odnosno govorimo o “izvedenoj” sinusoidi. Uzimanje uzoraka s frekvencijom koja se razlikuje od frekvencije mjerenog napona ima za posljedicu necijeli broj uzoraka po periodi “izvedene” sinusoide pa je prikazana metoda provlačenja polinoma petog stupnja kroz sumu kvadrata uzoraka u okolišu ništice, kojom se na ispravan način računa efektivna vrijednost “izvedene” sinusoide i u tom slučaju. Opisano je određivanje nepoznatih kapaciteta u granama mosta metodom paralelnog spajanja kapaciteta poznatog iznosa, a posebno je analizirana mogućnost njihovog određivanja mjerenjem faznog pomaka između napona na donjem elementu djelila i ukupnog napona. Šesto poglavlje sadrži analize i rezultate mjerenja faznog pomaka između dvaju napona, mjerenih digitalnim voltmetrima HP 3458A, prema postavkama opisanim u prethodnom poglavlju. Mjerni postupak je automatiziran jer su voltmetri povezani s računalom, koje se rabi za upravljanje mjernim uređajima te za prihvat, analizu i zapis mjernih rezultata. Poglavlje započinje prikazom metode za određivanje početnog faznog kuta “izvedene” sinusoide, koja se temelji na računanju kuta za svaki uzorak “izvedene” sinusoide i provlačenju pravca regresije kroz tako izračunate kuteve. Koeficijent b tog pravca određuje traženi početni fazni kut, a iz razlike dvaju početnih faznih kuteva računa se onda fazni pomak između dva napona. Opisan je standardni mjerni postupak, u kojem se digitalnim voltmetrima mjere dva napona frekvencije 15,873 Hz od omjera amplituda 1:1 do 1000:1 tako da se uzima ukupno 2381 uzorak “izvedene” sinusoide, te za svaki od njih računa srednja vrijednost, efektivna vrijednost i početni fazni kut kako bi se onda izračunao i njihov fazni pomak. Pritom se zbog mjerenja kuteva rabi sinkroni način okidanja voltmetara, kod kojeg je jedan voltmetar “glavni” i on generira okidne impulse koji se prenose “slijednom” voltmetru. Da bi tako izračunati fazni pomak bio ispravan potrebno je uzeti u obzir korekciju, koja ovisi o mjernim opsezima na koje su voltmetri postavljeni te o slijedu okidanja. Analizirana je i eksperimentalno potvrđena metoda određivanja korekcije faznog pomaka za sve kombinacije mjernih opsega od 100 mV do 1000 V. Ona se temelji na kaskadnom mjerenju istog napona dvama voltmetrima koji su prvo postavljeni na iste mjerne opsege, a nakon toga se mjerenje ponavlja uz jedan voltmetar postavljen na prvi viši mjerni opseg. U ovom poglavlju prikazani su rezultati mjerenja korekcijâ faznog pomaka za dva para voltmetara (četiri) HP 3458A opisanom metodom, koje su određene s nesigurnošću od 0,1 µrad. Te se vrijednosti rabe kod mjerenja faznog pomaka naponâ djelila, kojeg čine etalon kapaciteta od 100 pF i etalon otpora od 100 kΩ; pritom se iz izmjerenog faznog pomaka određuje nepoznati parazitni kapacitet koji se nalazi paralelno etalonu otpora, a kojemu doprinos daje i ulazni kapacitet samog voltmetra, pa se može kazati da neizravno voltmetar sam sebi mjeri vlastiti kapacitet. Ovo mjerenje je potrebno kako bi se odredio jedan od koeficijenata (korekcijskih faktora) kod prijelaza sa 100 pF na 100 MΩ metodom opisanom u petom poglavlju. Drugi koeficijent (korekcijski faktor) za istu metodu ovisi o kompenziranosti otporničkog djelila, kojeg čine etaloni otpora od 10 MΩ i 10 kΩ, pa je metoda mjerenja faznog pomaka između napona na donjem elementu djelila i ukupnog napona iskorištena za tu svrhu. Iz izmjerenih faznih pomaka nekompenziranog djelila izračunat je kapacitet koji treba spojiti paralelno gornjem elementu kako bi djelilo postalo kompenzirano. Zbog toga je paralelno etalonu od 10 MΩ spojen zračni kondenzator kapaciteta ugodivog od 0,1 pF do 0,7 pF pa je ponovljeno mjerenje faznog pomaka s tako ugođenim djelilom, kako bi se potvrdila njegova kompenziranost te odredila vrijednost spomenutog koeficijenta. Pritom je za omjer efektivnih vrijednosti napona "izvedenih” sinusoida od 1000:1 ostvarena nesigurnost manja od 0,1×10−6, dok je nesigurnost izmjerenog faznog pomaka manja od 0,1 µrad. U zaključku se analiziraju ostvareni mjerni rezultati, ukazuje na smjernice za daljnji rad te za moguća poboljšanja. Pritom se navode i druge primjene opisane metode za mjerenje faznog pomaka dvama voltmetrima. Na kraju slijede prilozi, popis oznaka i uporabljene literature. Ključne riječi: vrhunska mjerenja električkih veličina, digitalni multimetar, mjerenje izmjeničnog napona, mjerenje faznog pomaka, mjerenje omjera napona, pohranjivanje etalona, etaloni otpora i kapaciteta, mjerenje temperature, NTC otpornici, automatizirane mjerne metode.