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Verbesserte Messeinrichtung für die

Kalibrierung von Brückennormalen im

Frequenzbereich von 225 Hz bis 5 kHz

Florian Beug, Axel Kölling, Harald Moser, Michael Hinz

303. PTB-Seminar

Aktuelle Fortschritte von Kalibrierverfahrenim Nieder- und Hochfrequenzbereich

Braunschweig, 17. Mai 2017

2 / 23303. PTB-Seminar · 17.05.2017 Florian Beug et al. · PTB · AG 2.12

Inhalt

Alter und neuer Messaufbau für Brückennormal KalibrierungenAlter und neuer Messaufbau für Brückennormal Kalibrierungen

Ergebnisse und Unsicherheitsanalyse der Kalibriermessplätze Ergebnisse und Unsicherheitsanalyse der Kalibriermessplätze

Einleitung und Motivation statische BrückennormaleEinleitung und Motivation statische Brückennormale

Zusammenfassung und SchlussfolgerungenZusammenfassung und Schlussfolgerungen


Die elektrische Messkette

• Elektrische Messungen mit Dehnungsmessstreifen- (DMS-) Aufnehmern

DMS-Aufnehmer

Messkörper

Eingeleitete Kraftführt zur Dehnung

kR

R

Wandlung Dehnung in Widerstandsänderung

Widerstandsänderung wirdin messbare Spannungumgewandelt

4433

44

2211

11

sp

br

ΔΔ

Δ

ΔΔ

Δ

RRRR

RR

RRRR

RR

U

U

Ubr Usp

R1

R2

R4

R3

Grundlagen DMS-Messungen

Typische Werte:

V10,Ω350 spi UR

mV20V10Ω700

Ω349,3

Ω700

Ω350,7br

U

Ω0,7ΔΔΔΔ 4231 RRRR

Einfaches Beispiel: DMS R1 und R3 werden gestreckt, R2 und R4 werden gestaucht

3

sp

br 102V

mV2

V10

mV20 U

U

Größe VerhältnisUnsicherheit

(k=2)

V

V101

V

V

500

1

V

mV1010

V

mV2

V

μV0,01

V

mV2

8

6

sp

br

U

U


• Messverstärker für DMS Aufnehmer und deren statische Kalibrierung

Die elektrische Messkette

Messverstärker (mit Anzeige)

mV/V

± 2,000.00 mV/V

Statisches

Brückennormal

0,5

1

25

10

20

50

mV/V

D

D

Messverstärker (mit Anzeige)

mV/V

± 2,000.00 mV/V

Statisches

Brückennormal

0,5

1

25

10

20

50

mV/V

D

D

• DMS-Aufnehmer mit DC Speisespannung• Brückenverstimmung Ubr/Usp ist eine ratiometrische Größe in mV/V (z.B. 2 mV/V „full scale“)

• Das statische Brückennormal simuliert eine definierte (ratiometrische) Brückenverstimmung in mV/V zur Kalibrierung von Messverstärkern.

Messverstärker (mit Indikator)

mV/V

Fs ±2,000.00 mV/V

= F = ± 2,000.00 kN

DMS-Kraftaufnehmer

Usp

Ubr

Grundlagen statische Brückennormale


Inhalt






Kalibrierung von Brückennormalen

• Letzte Publikation zu statischen Brückennormal Kalibrierungen:

• Publikation von Günther Ramm aus 1990 war zuletzt die Referenz für Brückennormal Kalibrierungen.

• Dabei wird das Spannungsverhältnis zwischen dem Eingang F-G und dem Ausgang A-D kalibriert.

• Publikation von Günther Ramm aus 1990 war zuletzt die Referenz für Brückennormal Kalibrierungen.

• Dabei wird das Spannungsverhältnis zwischen dem Eingang F-G und dem Ausgang A-D kalibriert.

A

D

F

G


Brückennormal

• Der alte Messaufbau (Setup I) für die Brückennormal-Kalibrierung

• Zwei separate Verhältnismessungen sind nötig um das A-D zu F-G Spannungsverhältnis durch Differenzbildung zu ermitteln.

• Die A- und D-Potentiale müssen dafür während der Zeitspanne beider Messungen stabil sein und sich nicht durch das Umschalten beeinflussen lassen.

• Zwei separate Verhältnismessungen sind nötig um das A-D zu F-G Spannungsverhältnis durch Differenzbildung zu ermitteln.

• Die A- und D-Potentiale müssen dafür während der Zeitspanne beider Messungen stabil sein und sich nicht durch das Umschalten beeinflussen lassen.


A- und D- Messung:

D0D2111211

sp

DG

A0A2111211

sp

AG

DDDDU

U

DDDDU

U

Das Teilungsverhältnis des Kalibrierteilers TN1 ist:

25

11112 DD

Kalibrierergebnis: Brückennormal Verhältnis:

Darstellung des Kalibrierergebnisses in Form der Korrektion KS1 (Differenz zum Nennverhältnis) in mV/V:

sp

DGAG

sp

1SAD,

1SX,U

UU

U

UD

nX1SX,1S DDK



• Die METAS Kalibriereinrichtung adaptiert die separate A- und D-Messung.

• Die Unsicherheiten sind geringfügig höher 15·10-6 mV/V als die per Kalibrierung an METAS weitergegebene Unsicherheit von 10·10-6 mV/V.

• Die METAS Kalibriereinrichtung adaptiert die separate A- und D-Messung.

• Die Unsicherheiten sind geringfügig höher 15·10-6 mV/V als die per Kalibrierung an METAS weitergegebene Unsicherheit von 10·10-6 mV/V.

• Kunden und andere NMIs beziehen sich auf Publikation von 1990



• Anforderung an neuen Messplatz und Publikation (CPEM 2016/TIM 2017):[IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, vol. 66, no. 6, pp. 1531-1538, June 2017. doi: 10.1109/TIM.2017.2653520]

Erweitertes Anforderungsprofil für neuen Messplatz:

• Reduzierung von Kalibrier-Aufwand und -Zeit

• Erweiterung des Frequenzbereiches von 225 Hz 4,8 kHz

Die Ergebnisse wurden auf der CPEM 2016 präsentiert und in TIM publiziert.

Die neue Publikation bildet die Basis für die CMC-Einträge und dient als Referenz für Kalibrierkunden.


Brückennormal• Nur eine Messung ist nötig um das A-D zu

F-G Spannungsverhältnis zu messen.

• Die A-D Spannungsdifferenz ist demnach direkt gemessen und unterliegt somit keinen Störungen durch Spannungsschwankungen bzgl. GND.

• Die Kalibriezeit konnte um 2/3 im Vergleich zum alten Aufbau reduziert werden.

• Nur eine Messung ist nötig um das A-D zu F-G Spannungsverhältnis zu messen.

• Die A-D Spannungsdifferenz ist demnach direkt gemessen und unterliegt somit keinen Störungen durch Spannungsschwankungen bzgl. GND.

• Die Kalibriezeit konnte um 2/3 im Vergleich zum alten Aufbau reduziert werden.

• Der neue Messaufbau (Setup II) für die Brückennormal-Kalibrierung


Das Kalibrierergebnis ergibt sich aus dem Abgleich des D0 Wertes:

Dabei wird die Korrektion KS2 in mV/V direkt erhalten:

2S0,T0,50

sp

2SAD,

2SX, DDDU

UD

nX2SX,2S DDK


• Herzstück der neuen Kalibriereinrichtung ist der Kalibrier-Trennteiler KT 24 mit einem Teilungsverhältnis von 1/20.

• Der KT 24 wird in Reihe hinter dem acht-dekadischen Teiler Sullivan F9200 betrieben.

• Durch eine elektronisch gesteuerte Magnetisierungswicklung kann er direkt hinter den 8-dekadischen Teiler (KT 15) geschaltet werden ohne diesen zu belasten.

• Die Anschlüsse zu den A- und D-Potentialpunkten sind mit hochpräzisen Bufferverstärkern versehen (keine Belastung des Brückennormals).

• Der Auskoppelwandler ist im Gehäuse integriert wodurch die Komplexität des Messaufbaus reduziert wird.

• Der neue PTB Messaufbau (Setup II)

Kalibriereinrichtung mit KT 24

KT 24 im Detail



Inhalt






Vergleich der Kalibriermessplätze

• Brückennormal Kalibrierungen mit beiden Messplätzen

• Der alte (Setup I) und der neue Messplatz (Setup II) wurden unter Verwendung von drei verfügbaren Brückennormalen Charakterisiert.

• Die Brückennormale unterscheiden sich bzgl. Des internen Aufbaus (induktive bzw. resistive Spannungsteiler).

• Der interne BN-Aufbau hat Rückwirkungen auf die Kalibriermessplätze.

• Die im Folgenden angegebenen Unsicherheiten sind eine Charakteristik des Messplatzes bzgl. der in Verbindung mit dem jeweiligen Brückennormal (unter optimalen Bedingungen) erreichbaren Messunsicherheit.

Brückennormal Brückennormal

Induktiver Aufbau Resistiver Aufbau


-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10

-160

-120

-80

-40

0

40

80

120

160

-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10

-160

-120

-80

-40

0

40

80

120

160

Brückennormal:

BN100A, f = 225 Hz

Brückennormal:

BN100A, f = 225 Hz

Ko

rre

kti

on

KS

1 (

10

-6 m

V/V

)

Usp

= 1 V

Usp

= 5 V

Usp

= 10 V

(a)Setup I

(alter Messplatz)

Setup II

(neuer Messplatz)

Nennverhältnis DnX

(mV/V)

(b)

Usp

= 1 V

Usp

= 5 V

Usp

= 10 V

Ko

rre

kti

on

KS

2 (

10

-6 m

V/V

)

Nennverhältnis DnX

(mV/V)


• Kalibrierung des induktiven Brückennormals BN100A

• Das Brückennormal BN100A basiert auf induktiven Spannungsteilern.

• Das hoch präzise BN100A wird ausschließlich bei der Messfrequenz f =225 Hz betrieben.

• Das BN100A ermöglicht durch die symmetrische Erdung am Ausgangsteiler auf beiden Kalibriermessplätzen sehr stabile Messungen.

• BN100A Kalibrierungen wurden für 1 V, 5V, und 10 V Speisespannung durchgeführt.

• Kalibrierergebnisse zeigen die typische lineare Abhängigkeit mit einer negativen Steigung von -7∙10-6 bis -15∙10-6.


-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10

-20

-10

0

10

20

Usp

= 1 V

Usp

= 5 V

Usp

= 10 V

Brückennormal:

BN100A, f = 225 Hz

Ka

l.-D

iff.

(K

S2 -

KS

1)

(1

0-6 m

V/V

)

Nennverhältnis DnX

(mV/V)

0 2 4 6 8 10

5

10

15

3

Brückennormal:

BN100A, f = 225 Hz

U(KS1

) ,Usp

= 1 V

U(KS1

) ,Usp

= 5 V

U(KS1

) ,Usp

= 10 V

U(KS2

) ,Usp

= 1 V

U(KS2

) ,Usp

= 5 V

U(KS2

) ,Usp

= 10 V

KS

1 u

nd

KS

2 U

ns

ich

erh

eit

(1

0-6 m

V/V

)

Nennverhältnis DnX

(mV/V)

• Die Messung des BN100A zeigte die geringsten erweiterten (k=2) Mess-unsicherheiten, die weitgehend unter 10∙10-6 mV/V liegen und nur eine geringe Abhängigkeit von der Speisespannung zeigen.

• Die Unsicherheiten konnten durch den neuen Kalibrieraufbau geringfügig verkleinert werden.

• Die Kalibrierdifferenz KS2-KS1 zwischen den Kalibrierungen mit beiden Messplätzen ist für 1 V Speisespannung am größten.

• Dennoch bleibt die Kalibrierdifferenz innerhalb der Summe der jeweiligen Unsicherheiten U(KS2)+U(KS1).


• Kalibrierung des induktiven Brückennormals BN100A


-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10

-2000

-1000

0

1000

2000

-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10

-2000

-1000

0

1000

2000

Brückennormal:

K148, Usp

= 5 V

Ko

rre

kti

on

KS

1 (

10

-6 m

V/V

)

225 Hz

595 Hz

995 Hz

2495 Hz

4795 Hz

(a)

Setup I

(alter Messplatz)

Brückennormal:

K148, Usp

= 5 V

225 Hz

595 Hz

995 Hz

2495 Hz

4795 Hz

Setup II

(neuer Messplatz)

Nennverhältnis DnX

(mV/V)

(b)

Ko

rre

kti

on

KS

2 (

10

-6 m

V/V

)

Nennverhältnis DnX

(mV/V)

• Das Brückennormal K148 basiert auf resistiven Spannungsteilern.

• Das K148 zeigt Korrektionen mit einer linearen Abhängigkeit vom Nominalwert:

mit negativer Steigung (-16∙10-6 bis -10∙10-6) für Frequenzen zwischen 225 Hz und 995 Hz,

und positiver Steigung für die Frequenzen 2495 Hz und 4795 Hz.

• Für ein resistives Brückennormal zeigt das K148 vergleichsweise stabile Messergebnisse mit dem alten Kalibriermessplatz.


• Kalibrierung des resistiven Brückennormals K148


-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

Brückennormal:

K148, Usp

= 5 V

225 Hz

595 Hz

995 Hz

2495 Hz

4795 Hz

Ka

l.-D

iff.

(K

S2 -

KS

1)

(1

0-6 m

V/V

)

Nennverhältnis DnX

(mV/V)

0 5 10

10

100

1000

3

4795 HzBrückennormal: K148, Usp

= 5 V

995 Hz

2495 Hz

U(KS1

) (Setup I)

U(KS2

) (Setup II)

225 Hz

595 Hz

KS

1 u

nd

KS

2 U

nsic

herh

eit

(1

0-6 m

V/V

)

Nennverhältnis DnX

(mV/V)

• Die Unsicherheiten für K148 konnten mit dem neuen Messplatz um Faktoren von 2 bis 7 verbessert werden.

• Die Unsicherheit bei 225 Hz nähern sich denen des BN100A.

• Die Kalibrierdifferenz KS2-KS1 liegt innerhalb der Summe der Unsicherheiten U(KS2)+U(KS1).

• Für höhere Frequenzen sind die Unsicherheitsgrenzen (U(KS2)+U(KS1)) nur am Rand des Graphen zu sehen.




-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10

-2000

-1500

-1000

-500

0

500

1000

1500

2000

-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10

-2000

-1500

-1000

-500

0

500

1000

1500

2000

Brückennormal:

K3608, Usp

= 5 V

Ko

rre

kti

on

KS

1 (

10

-6 m

V/V

)

225 Hz

595 Hz

995 Hz

2495 Hz

4795 Hz

(a)Setup I (alter Messplatz)

Brückennormal:

K3608, Usp

= 5 V

225 Hz

595 Hz

995 Hz

2495 Hz

4795 Hz

Setup II (neuer Messplatz)

Nennverhältnis DnX

(mV/V)

(b)

Ko

rre

kti

on

KS

2 (

10

-6 m

V/V

)

Nennverhältnis DnX

(mV/V)

• Das K3608 ist ebenfalls ein Brückennormal welches auf resistiven Spannungsteilern basiert.

• Während der Kalibrierung mit dem alten Messaufbau (Setup I) konnten bei 15 maligen hin- und herschalten zwischen der A- und D-Messung sehr deutliche Potentialschwankungen dieser beiden Messungen beobachtet werden.

• Für den alten Messaufbau sind die Unsicherheiten durch diese Potentialvariationen insbesondere bei höheren Messfrequenzen deutlich erhöht.




-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10

-800

-600

-400

-200

0

200

400

600

800

Brückennormal:

K3608, Usp

= 5 V 2495 Hz

4795 Hz

225 Hz

595 Hz

995 Hz

Ka

l.-D

iff.

(K

S2 -

KS

1)

(1

0-6 m

V/V

)

Nennverhältnis DnX

(mV/V)

• Die Unsicherheiten der Kalibriermessungen unter Verwendung des K3608 ließen sich durch den neuen Messplatz am stärksten verbessern (um Faktoren zwischen 4 und 35).

• Die Unsicherheit bei 225 Hz liegt unter 10∙10-6 mV/V.

• Der Unterschied zwischen den Kalibriermessungen mit den beiden Messplätzen ist für das K3608 am größten.

• Dennoch stimmen die Kalibrierungen mit beiden Messplätzen innerhalb ihrer Unsicherheiten überein.



0 2 4 6 8 10

10

100

1000

2

2495 Hz

4795 Hz

U(KS1

) (Setup I)

U(KS2

) (Setup II)

225 Hz

595 Hz

995 Hz

KS

1 u

nd

KS

2 U

nsic

herh

eit

(1

0-6 m

V/V

)

Nennverhältnis DnX

(mV/V)

K3608, Usp

= 5 V


100 1000225 600 2500 5000

10

100

1000

2

Nennverhältnis: Dn = 2 mV/V

Speisespannung: Usp

= 5 V

U(KS2

) BN100A

U(KS2

) K148

U(KS2

) K3608

U(KS1

) BN100A

U(KS1

) K148

U(KS1

) K3608

KS

1 u

nd

KS

2 U

ns

ich

erh

eit

(1

0-6 m

V/V

)

Frequenz (Hz)


• Die Kalibriermessungen zeigten für alle Brückennormalen für Vi=5 V und das Nennverhältnis 2 mV/V eine Verringerung der erweiterten (k=2) Messunsicherheiten.

• Demzufolge konnten die Kalibrierungen problemlos auf den neuen Messplatz umgestellt werden.

• Zusatznutzen: Verringerung Kalibrierzeit auf 1/3.

• Vergleich der Kalibriermessungen mit allen Brückennormalen

• Das Unsicherheitsbudget des alten Messplatzes ist durchweg von den Messvariationen/Potentialschwankungen dominiert.

• Der Neue Messplatz wird bzgl. des Unsicherheitsbudgets von den Beiträgen der induktiven Komponenten dominiert.

BN100A K148 K3608 K148 K3608

Unsicherheitsbeitrag 225 Hz 225 Hz 225 Hz 4795 Hz 4795 Hz

U (TN1) 14% 5% 0% 28% 2%

U ("A"-Mess.) (Type A) 34% 47% 48% 11% 48%

U ("D"-Mess.) (Type A) 35% 22% 52% 18% 48%

U (TN2) 16% 6% 0% 33% 2%

0A/B 1% 20% 0% 10% 0%

U (K S1) ( 10-6 mV/V) 5 12 170 120 560

BN100A K148 K3608 K148 K3608

Unsicherheitsbeitrag 225 Hz 225 Hz 225 Hz 4795 Hz 4795 Hz

U (TN3) 52% 61% 37% 59% 75%

U (D bal) (Type A) 23% 10% 16% 14% 0%

U (TN4) 23% 27% 16% 19% 25%

0,S2 2% 2% 31% 8% 0%

U (K S2) ( 10-6 mV/V) 4 4 5 78 69

Anteil an Gesamtunsicherheit (%)

Anteil an Gesamtunsicherheit (%)Setup II

Setup I


Inhalt






Zusammenfassung und Schlussfolgerungen

• Der verbesserte Messplatz für Brückennormalkalibrierungen wurde für drei verschiedene Brückennormale detailliert untersucht und mit den alten Messplatz verglichen.

• Die Hauptkomponente des neuen Messplatzes ist ein elektronisch gesteuerter zweistufiger Kalibriertrafo, der die A- / D-Potentialdifferenz in einer Messung und damit gleichzeitig und unabhängig von Potentialschwankungen ermöglicht.

• Der neue Messplatz ermöglicht Brückennormalkalibrierungen in einem Drittel der Kalibrierzeit durchzuführen.

• Für resistive Brückennormale (z.B. K3608) zeigt sich insbesondere für höhere Frequenzen eine deutlich reduzierte Unsicherheit durch gleichzeitige A-/D-Messung.

• Für induktive Brückennormale des Typs BN100 zeigen sich vergleichbare Messunsicherheiten auf beiden Messplätzen.

• Durch weiterführende Erkenntnisse aus BN100A Untersuchungen mit dem neuen Messplatz wird es zukünftig eine neue und verbesserte Hardwareversion des BN100A von HBM geben.

Physikalisch-Technische Bundesanstalt

Braunschweig und Berlin

Bundesallee 100

38116 Braunschweig

Dr.-Ing. Florian Beug

Arbeitsgruppe 2.12 Verhältnismessungen, Abtastverfahren

Telefon: 0531 592-2120

E-Mail: [email protected]

www.ptb.de

Stand: 05/17

Vielen Dank!

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