Präzise Spannungs- und Strommessungen im AC/DC Transferverfahren

test eqipment in practical use
benedienst
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Präzise Spannungs- und Strommessungen im AC/DC Transferverfahren

Beitrag von benedienst »

Ich schreibe hier mal das nieder was ich in den letzten Monaten Beruflich getrieben habe. Grüße dabei an unsere PTB Kollegen.

AC/DC Transfer ist die Kunst die Genauigkeit einer Bekannten Gleichgröße auf eine Wechselgröße zu transferieren. Tatsächlich wird dieses schon sehr alte Verfahren heute noch fast unverändert und mit gleich gebliebenen Messmitteln angewandt und ermöglicht unter den richtigen Bedingungen selbst bei Frequenzen bis zu 100 MHz Messunsicherheiten im ppm Bereich.

Eingesetzt werden als Messmittel Thermale Spannungskonverter, welche im Kern einem Leistungsmesser nicht unähnlich sind. Sie bestehen aus einem Heizelement und einem Zweimetallkontakt in einer hermetischen Glaspille. Ein externes Anpassnetzwerk und Vorwiderstände passen den Thermalkonverter an den jeweils gewünschten Messbereich und Quellimpedanz an. Die vom Thermoelement erzeugte Spannung kann mit einem Nanovoltmeter oder Millivolt Meter gemessen werden und bewegt sich im Bereich um die 7 mV. Hinzu kommt, das Thermalkonverter, ähnlich wie Detektoren ein annähernd quadratisches Übersetzungsverhältnis Eingang zu Ausgang aufweisen, welches charakterisiert werden muss.

Das Messverfahren selbst ist in der Anwendung relativ einfach: Messe AC, dann DC (in + und - für den Offset) und passe die DC so lange an, bis der Spannungsausgang des Konverters der AC Messung entspricht, messe noch einmal AC und kompensiere den Drift.
Die Fehlereinflüsse des Verfahrens sind denen einer klassischen HF Leistungsmessung sehr ähnlich, können aufgrund der eingesetzten Messmittel jedoch sehr gut kontrolliert werden.

Die Messung lässt sich vom Spannungsbereich auch im Strombereich durchführen, wobei nicht die Spannungs, sondern die Stromantwort bei der Charakteristischen Impedanz des Konverters betrachtet wird. Eine Bereichserweiterung erfolgt hier natürlich über Shunts.

Bei der Kalibrierung der Thermalkonverter und anderer präziser AC Messgeräte wird immer gegen einen zweiten Thermalkonverter in einem Referenzaufbau verglichen. Dies habe ich für den komplexeren Strommessbereich bei uns im Labor nach drei Jahren Reparatur und Systemumstellung quasi von Null auf neu realisiert.

Die Messgröße AC/DC Stromstärketransfer wird bei AC Shunts wie den Fluke A40 verwendet. Der Messaufbau besteht aus einem Stimulus, welcher AC wie DC liefern kann, in meinem Fall ein Fluke 5700A mit einem der besten Transkonduktanzverstärker die man für Geld kaufen kann, dem Clarke Hess 8100. Dieser deckt den Strombereich von 300uA bis 100A und gleitend Frequenzen von DC bis 100kHz ab.

Verglichen wird der Prüfling gegen einen Referenzshunt, die Detektion der an den Ausgängen der Shunts anfallenden Spannungen wird von zwei speziellen Planaren Multijunction Thermalkonvertern übernommen. Diese bieten gegenüber klassischen TVCs den Vorteil das die Ausgangsspannung um den Faktor 10-15 größer ist und sich somit mit einem "einfachen" 8 1/2 Stellen Multimeter wie dem HP3458A messen lässt, von welchem hier zwei zum Einsatz kommen.
Da hier die Größe von AC wie DC annähernd identisch und bekannt ist, die Spannungsausgänge der TVCs ebenfalls, fallen die Multimeter, wie auch der Stimulus aus den Betrachtungen zur Messunsicherheit fast völlig raus. Ein Rest Auflösung und Rauschen bleibt.

Gemessen wird nun mit den synchron getriggerten DMMs nun DC+, AC, DC-, AC , DC+, etc. immer im Wechsel. Kalibriergröße ist nun die Ablage der Ausgangsspannung AC zu DC wobei die bekannten AC/DC Transferdifferenzen der Referenzen abgezogen werden.

wer mehr infos haben möchte, kann sich gerne mit mir in verbindung setzen, das Thema ist einigermaßen anspruchsvoll und es gibt viele Fallstricke und Fehler in die man laufen kann.
Messaufbau für einen Fluke A40B-500mA Shunt (Prüfling links im bild)
Messaufbau für einen Fluke A40B-500mA Shunt (Prüfling links im bild)
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gruß
Bene
Henrik_V
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Re: Präzise Spannungs- und Strommessungen im AC/DC Transferverfahren

Beitrag von Henrik_V »

Oh fein,
Lass uns doch darüber Mal ein +X Bierchen trinken... :)

Erstmal Danke für den schönen Bericht.
Muss erstmal Kaffee machen..

Allen einen guten Rutsch
Und ein schöneres 2022!
Gruß Henrik

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Messtechniker
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Re: Präzise Spannungs- und Strommessungen im AC/DC Transferverfahren

Beitrag von Messtechniker »

Super. Dieses Thema hat mich schon immer umtrieben. Damit ich den Aufbau
besser kapier, wäre es schön, wenn du den Messaufbau etwas näher erläutern könntest.
Dazu habe ich in bester Anleitungsmanier das Bild schon mal mit Pfeilen und Nummern
versehen.
IMG_9687.jpg
IMG_9687.jpg (46.95 KiB) 3354 mal betrachtet
Henrik_V
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Re: Präzise Spannungs- und Strommessungen im AC/DC Transferverfahren

Beitrag von Henrik_V »

Für den Shoke (10) gibt's noch den Trick einer Schnüffelwicklung,
Wenn da Strom drin ist, muss noch optimiert werden :D
Zuletzt geändert von Henrik_V am 01 Jan 2022, 00:40, insgesamt 1-mal geändert.
Gruß Henrik

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dh7dn
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Re: Präzise Spannungs- und Strommessungen im AC/DC Transferverfahren

Beitrag von dh7dn »

Hallo Bene,

danke für die Erklärung! Dein Foto ist ja Metrologie-Overkill :mrgreen: (1) und (11) sind die Digitalmultimeter HP/Agilent 3458A, (2) ist wohl der Fluke 5700A Kalibrator, (3) ist wohl der Clarke Hess 8100. An sich ist das Setup sehr sauber und selbsterklärend :mrgreen:
Der Thermalkonverter (8) ist deine Referenz, oder?

Viele Grüße und einen guten Rutsch an alle Wellencineasten! :mrgreen:
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benedienst
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Re: Präzise Spannungs- und Strommessungen im AC/DC Transferverfahren

Beitrag von benedienst »

Ein frohes neues Jahr zusammen!

Soooo der Messaufbau:

1 ist der 3458A der Referenzseite, 11 passend dazu der vom Prüfling

2 ist die Spannungsquelle für den CH8100. Ein Fluke 5700A, die PTB setzt im Gegensatz zu mir gleich zwei ein, welche über einen Transferschalter umgelegt werden.

3 ist der Clarke Hess Transkonduktanzverstärker

4 ist der IPHT/PTB MJTC der Referenzseite (Ich wage vorsichtig zu behaupten das wir weltweit das einzige kommerzielle Labor sind, welches die Dinger einsetzt, die MJTC sind eine Kooperative entwicklung von IPHT und der PTB)

Die 5 im hintergrund ist ein Adapter LC auf Spade lug. LC ist die Koaxialbuchse am Verstärkerausgang. Die wird aber erst bei Strämen > 2 A innteressant.

6 ist der Referenz A40B-500mA, die Kalibrierung erfolgt auf Nominalstrom, also 500 mA.

7 Ist ein Kalibrier T-Stück. Nicht mit einem Divider oder normalem T-Stück zu verwechseln. Es schaltet die angeschlossenenn Shunts in Reihe.

8 und 9 ist gespiegelt demnach Prüflingsshunt und der MJTC der Prüflingsseite.

10 ist eine Spule zur Gleichtaktunterdrückung von Störeinflüssen. Sie verbessert die Stabilität der Messung indem Magnetische Einstreuungen zwischen HI, LO und Guard kurzgeschlossen werden.

12 ist ebenfalls ein T-Stück, mit einigenn anderen schätzchen eine freundliche Spende von Dr. Funck von der PTB.

Anzumerken für diejenigen, die sich etwas mehr mit dem Thema umtreiben sei, das der Messaufbau einen Potentialgesteuerten Guard, aud "Driven Guard" einsetzt. Dabei liegen die Gehäuse der MJTC und der Detektor Multimeter auf dem jeweiligen Potential ihres HI Anschlusses am Shunt. Das minimiert, zusammen mit der Symmetrierung des Aufbaus die Fehler die durch parasitäre Kapazitäten in den MJTC und Kabeln entstehen.

@Henrik: Das Bierchen (bzw. den Kaffee) hätte ich gut mit dir ende November trinken können. Da war ich mit einem Kollegen bei euch ein Spannungsnormal von Dr. Schuhmacher abholen und den MJTC rechts im Bild zusammen mit dem hier gezeigten Prüflingsshunt zur Frau Weimann in die HF bringen.

@dh7dn: Alles richtig. Aber meine Referenz wird aus beiden Thermalkonvertern und dem Referenzshunt gebildet. Die Referenzseite macht nur den Tatsächlichen Strom bekannt, bzw. die Nominale AC/DC transferdifferenz. Für die Mathe begeisterten, die Übertragungsformel für die AC/DC Transferdifferenz des Prüflings (vereinfacht) könnt ihr hier unten sehen:
ACDC transfer.png
ACDC transfer.png (48.72 KiB) 3315 mal betrachtet
Martin
Site Admin
Beiträge: 1586
Registriert: 08 Dez 2018, 19:26

Re: Präzise Spannungs- und Strommessungen im AC/DC Transferverfahren

Beitrag von Martin »

ich hoffe du hälst Verfahrensprotokolle die der Konkurenz einen Haufen Gehirnschmalz sparen aus wirtschaftlichen Gründen bedeckt.
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Messtechniker
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Registriert: 03 Feb 2019, 20:45

Re: Präzise Spannungs- und Strommessungen im AC/DC Transferverfahren

Beitrag von Messtechniker »

Danke für die ausführlichen Infos. Ganz schön anspruchsvoll.
Besonders interesant sind die MJTCs. Mehrere ausführliche Artikel
dazu habe ich bereits gefunden. Suche per MJTC +calibration.
Muss ich nur noch lesen und genüßlich verdauen. :D
Ist schon heftig.
benedienst
Beiträge: 58
Registriert: 15 Dez 2018, 20:16

Re: Präzise Spannungs- und Strommessungen im AC/DC Transferverfahren

Beitrag von benedienst »

Die Verfahrensprotokolle für die Kalibrierung sind Industrieweit allgemein zugänglich. Immer im Kopf dabei: Rückführbarkeit und vergleichbarkeit.
Die Implementierung in Prozedur und metrologischer Basis wie MU Budget, Validierung und Quantisierung der Einzelbeiträge der Messunsicherheit ist die Patentschrift eines jeden Labors. Das bleibt natürlich nur mir und den Auditoren der DAkkS zur Einsicht vorbehalten.

Die MJTC sind ein kleiner Orgasmus in der Messtechnik, jeder der schon mal mit normalen Thermalkonvertern gearbeitet hat weis was ich meine XD

gruß
Bene
Henrik_V
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Registriert: 11 Dez 2018, 21:22

Re: Präzise Spannungs- und Strommessungen im AC/DC Transferverfahren

Beitrag von Henrik_V »

benedienst hat geschrieben: 01 Jan 2022, 18:16 Ein frohes neues Jahr zusammen!
...
@Henrik: Das Bierchen (bzw. den Kaffee) hätte ich gut mit dir ende November trinken können. Da war ich mit einem Kollegen bei euch ein Spannungsnormal von Dr. Schuhmacher abholen und den MJTC rechts im Bild zusammen mit dem hier gezeigten Prüflingsshunt zur Frau Weimann in die HF bringen.
...
Tse tse, ..da isser in der Anstalt und meldet sich nicht...
Ich schiebe es mal auf Workload und andere Seuchen :)
Da Ihr nicht Beschleunigt, werden ich oder Denis als DAkkS-Auditor wohl auch nicht bei Euch vorbeikommen....

Aber super Arbeit. Ich meine einschätzen zu können, was da aufgebaut wurde und welche Arbeit dahinter steckt.
Und--- Erweiterung schon in der Urkunde?
Gruß Henrik

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