nuovi campioni e sistemi di misura elettrici di alto livello per applicazioni metrologiche e per...
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Nuovi campioni e sistemi di misura elettrici di alto livello per applicazioni metrologiche e
per confronti di misura interlaboratorio
Pier Paolo Capra, F. Galliana, R. Cerri, M. Lanzillotti, L. Roncaglione
INRIM, Torino, Italy
A & T 2016 – LingottoTORINO 20-21 Aprile 2016
INRIM – Compiti istituzionali
L’INRIM svolge le funzioni di istituto metrologico primario in Italia. Alcuni tra i suoi compiti istituzionali si riassumono in:
• ricerca finalizzata alla realizzazione dei campioni primari delle unità di base e derivate del Sistema Internazionale SI;
• disseminazione della unità SI mantenute;
• confronto a livello internazionale e nazionale dei campioni realizzati.
Allo scopo di far fronte ai compiti istituzionali che prevedono il mantenimento e il trasferimento della riferibilità l’INRIM compie studi e ricerche per la costruzione di campioni materiali e strumenti di misura. Nel caso di campioni di grandezze elettriche le proprietà ricercate sono:
INRIM – Compiti istituzionali
• Stabilità a breve e lungo termine• coefficienti di temperatura estremamente contenuti• elevata resistenza a parametri di influenza ambientale• elevata resistenza alle sollecitazioni meccaniche• possibilità di uso come campioni viaggiatori per confronti interlaboratorio (ILC’s)
Prototipi di campioni elettrici
Campione di tensione continua con valori selezionabili da 10 V a 100 V a basso rumore ed elevata stabilità
Resistori campione da 1 Ω e 10 kΩ a elevata stabilità a breve e lungo termine, dotati di un controllo attivo della temperatura
Artifact Calibration
Con il termine Artifact Calibration si identifica un processo per il trasferimentodella riferibilità elettrica a partire da un limitato numero di campioni materiali.La strumentazione che implementa questa tecnologia è caratterizzata daprocedure di taratura più semplici, accurate e meno onerose economicamentedelle tecnologie
Fluke Calibrator 5700 Series
Agilent Digital Multimeter 3458A10V DC
1 Ω
10 kΩ
Artifact Standards
INRIM Artifact Standards
Fluke Calibrator 5700 Series
Agilent Digital Multimeter 3458A1÷100V THVS
1 Ω - 10 kΩ
INRIM ArtifactStandards
GPIB
GPIB
Il prototipo INRIM dispone di funzioni specifiche sviluppate per l’artifactcalibration, per l’uso come campione viaggiatore e come riferimento di prima linea di un laboratorio.
Campioni di resistenza
I due campioni di resistenza sono ottenuti con delle reti resistivecollegate in modo da ridurre il coefficiente di potenza. L’unitàelettronica di interfaccia e di controllo termico è separata dai campioni per ridurre i disturbi elettrici.
Tramite un computer è possibile leggere ed impostare la temperatura del contenitore termico dei resistori, con la possibilità di effettuare delle correzioni del valore di resistenza. Il sistema di controllo mantiene il valore dell’ultima taratura e può effettuare correzioni per ridurre gli effetti della deriva temporale
1.00129770
1.00129775
1.00129780
1.00129785
1.00129790
1.00129795
1.00129800
0 20 40 60 80 100No. measurements
Res
ista
nce
(ohm
)
-0.005
-0.004
-0.003
-0.002
-0.001
0.000
0.001
0.002
0.003
0.004
0.005
Tem
pera
tura
(°C
)
R (ohm)T (°C)
Campioni di resistenza
Il resistore da 1 ohm mostra una stabilità a breve termine confrontabile con quella di un campione mantenuto in bagno d’olio, dell’ordine di 4×10–8. La stabilità ottenuta è parzialmente dovuta al sistema di controllo termico dei morsetti voltmetrici.
La stabilità a medio temine, valutata a circa 6 mesi dalle fasi di assemblaggio e costruzione. L’andamento mostra un fenomeno transitorio che spesso si presenta in seguito a stress meccanici prodotti in fase di costruzione.
9.9998450
9.9998460
9.9998470
9.9998480
9.9998490
9.9998500
0 20 40 60 80 100 120
No. measurements
Res
ista
nce
(koh
m)
-0.003
-0.002
-0.001
0.000
0.001
0.002
0.003
Tem
pera
ture
(°C
)
R (ohm)T (°C)
-0.10
-0.05
0.00
0.05
0.10
0 50 100 150 200
Rel
ativ
e va
riatio
n (x
10-6
)
measurement days
10 kΩ standard
Il resistore da mostra una stabilità a medio termine molto elevata, dovutanon solo all’effetto del controllotermico ma anche ad un lungoperiodo di invecchiamento
La stabilità del resistore da 10 kohm, a breve termine, valutata in circa 5×10–8 , è confontabile con quella che si ottienecon un resistore campione ad elevatastabilità (10 kΩ Standard ESI mod. SR104)
Campioni di resistenza
Campione decadico di tensione continua
Specifiche tecniche•stabilità confrontabile a quella di calibratori di tensione continua o multifunzione di elevato livello;•elevata attitudine al trasporto, adatto per confronti interlaboratorio;•Alimentato a batteria opera in modalità flottante, con significativa riduzione del rumore di modo comune dovuti alla rete; •rumore in uscita estremamente contenuto, normalmente inferiore a calibratori dc alimentati a rete•Primo prototipo di una versione espandibile fino a 1000 V già in fase di sperimentazione;
Schema di principio del riferimento THVS
Doppia alimentazionerete o a batterie Utilizza dei DC‐DC
converter
Riferimento di tensione ad elevata stabilità
Massaflottante
Potenza costantesul regolatore di potenza in uscita.
Componentisticadi controllo
operante in bassa tensione
THVS a confronto con due calibratori a 100 V
-2.5
-2.0
-1.5
-1.0
-0.5
0.0
0.5
1.0
1.5
0 10 20 30 40 50 60 70(Ore)
Scar
to re
lativ
o da
l val
ore
iniz
iale
(ppm
)
THVS
DATRON4000
FLUKE5440B
Specifiche elettriche THVS
• tensioni d’uscita decadiche fino a 100 V impostabili mediante un selettore esterno sul pannello frontale per mezzo di deep switches;
• rumore d’uscita a 100 V ≤ 36 μV rms con funzionamento a rete;
• rumore d’uscita a 100 V ≤ 26 μV rms con funzionamento a batteria;
• correnti d’uscita ≤ 5 mA;
• stabilità valutata a 24h pari a 4.6×10–8 da confrontare con l’analoga stabilità di 9.5×10–8 e 1.4×10–7 di due calibratori di tensione continua presi in esame;
• stabilità valutata a 180gg pari a 1.4×10–6.
Conclusioni
Strumenti e campioni di grandezze elettriche sono stati costruiti all’INRIM e confrontati con dispositivi equivalenti di tipo commerciale. Le specifiche elettriche ottenute sono, dello stesso ordine di grandezza e in alcuni casi migliori dei dispositivi equivalenti.
I prototipi INRIM sono più semplici, meno costosi e progettati per poter essere utilizzati facilmente come campioni viaggiatori.
A causa dei risultati positivi ottenuti con il campione di tensione continua fino a 100 V la sperimentazione proseguirà con l’estensione fino a 1000 V
fine
GRAZIE!
Pier Paolo Capra [email protected] Galliana [email protected] Cerri [email protected] Lanzillotti [email protected] Roncaglione [email protected]