hrvatski

Mjerni sustav za pohranjivanje jedinice volt elektroničkim etalonima napona

U uvodnom dijelu su navedeni neki osnovni načini apsolutnog pohranjivanja i reprodukcije jedinice volt naponskim i vatnim vagama, ostvarivanjem volta preko osnovne SI jedinice ampera te ulogom etalona napona u tom lancu sljedivosti. Prikazan je i sažetak razrade problema po poglavljima. Vrhunsko mjeriteljstvo i načini pohranjivanja jedinice volt u vrhunskoj točnosti prikazani su u drugom poglavlju. Opisan je ukratko fenomen pojave supravodljivosti, načelo rada kvantnog Josephsonovog etalona za pohranjivanje jedinice istosmjernog napona te osnovni princip pohranjivanja napona Zenerovim elektroničkim etalonima. Poglavlje završava osvrtom na ostvarivanje sljedivosti na području istosmjernog napona te svih uređaja koji se u tom lancu prenošenja sljedivosti izravno oslanjaju na referentni etalon napona. Budući da je istosmjerni napon veličina koju danas vrlo točno poznajemo, i o kojoj ovisi niz električkih i neelektričkih veličina, istaknuta je važnost njezina dobrog prenošenja na niže razine točnosti i na druga područja (istosmjerna struja i otpor, izmjenični napon i struja, snaga, energija, temperatura, itd.). Detaljan način rada i značajke elektroničkih etalona napona, s obzirom na vremensku stalnost te neke utjecajne veličine kao što su temperatura, relativna vlažnost zraka i atmosferski tlak, opisane su u trećem poglavlju. Eksperimentalnim putem određeni su i temperaturni koeficijenti svakog od elektroničkih etalona koje posjeduje Primarni elektromagentski laboratorij (PEL), kao nositelj nacionalnih etalona napona, te je dobiveno vrlo dobro slaganje s rezultatima utvrđenim u nekim drugim mjeriteljskim institutima. U svrhu dobivanja rezultata s najmanjom mjernom nesigurnošću, neophodno je bilo proučiti sve tipove šuma koji postoje kod usporedbe dvaju elektroničkih etalona napona. Tako je u četvrtom poglavlju utvrđeno da se za optimiranje mjernog postupka (postavljanje pravih vremena integracije i komutacije) i detekciju lošeg rada mjernog sklopovlja prikladnom pokazala metoda određivanja minimuma Allanove varijance. Autokorelacijskom funkcijom te određivanjem njenih karakterističnih svojstava pokazan je način na koji se koreliranim mjerenjima (1/f šum) može na ispravan način izračunati mjerna nesigurnost rezultata. Kao prijedlog budućeg nastavka istraživanja naveden je primjer uporabe valićne transformacije na analizu uzoraka i određivanja korelacija u mjerenjima istosmjernog napona. Bez specijalno razvijenog mjernog sklopovlja bilo bi nemoguće određivati značajke etalona napona, niti provoditi međusobne usporedbe u vrhunskoj točnosti. U petom poglavlju je opisana problematika mjerenja malih napona, poništavanja termonapona i utjecaja svih ostalih pogrješaka (neujednačeni otpori izolacije), te je na osnovu toga postavljen niz zahtjeva koje treba ispuniti. Nadalje, detaljno je opisan postupak konstrukcije i izrade razvijenog nanovoltnog preklopnika KomEta relejne izvedbe, kod kojeg je postignuto da su stacionarni termonaponi između svake kombinacije od 16 ulaznih kanala manji od ±50 nV. Kao mjerilo malih naponskih razlika razvijen je digitalni nanovoltmetar nPEL, koji omogućuje istodobno mjerenje napona uz zamijenjene polaritete ulaznih stezaljki, čime se, za razliku od konvencionalnih nanovoltmetara, takvom mjernom metodom značajno skraćuje vrijeme mjerenja i utjecaj nestacionarnih termonapona. Takva izvedba može se primijeniti i kao digitalni nanovoltni preklopnik, a 1/f šum se ovakvim načinom mjerenja potiskuje ispod razine od 1 nV, što je mjerenjem minimuma Allanove varijance i potvrđeno. U šestom poglavlju je detaljno opisana razvijena virtualna programska podrška ostvarena programskim paketom LabView, kao sastavnom dijelu mjerne metode koji služi za upravljanje svih elemenata te izračune i pohrane podataka. Automatiziranim mjernim postupkom i virtualnim mjernim instrumentima ostvaruje se neophodna vrlo visoka razina pouzdanosti u određivanju vrijednosti etalona napona. Pohranjivanje jedinice napona oslanja se na dobro poznavanje izlaznog napona svakog od etalona unutar skupnog etalona napona laboratorija PEL. Zbog toga je u sedmom poglavlju provedena analiza primjenom metode najmanjih kvadrata svih etalona napona koji čine skupni etalon, na sve tri karakteristične naponske razine (10 V, 1, 018 V, 1 V). Dobiveni podaci su pokazali da se nesigurnost procjenjivanja njihovih izlaznih napona razlikuje pa im se trebaju pridijeliti različite težine pri računanju napona skupnog etalona. Osmo poglavlje prikazuje primjenu razvijenog mjernog sklopovlja i virtualnih instrumenata na novi način pohranjivanja skupnog etalona napona pomoću težinskog matričnog računa, koji se temelji na pažljivom pridjeljivanju težina svim etalonima u skupini, mjerenju međusobnih razlika napona nanovoltnim komparatorom te određivanju izlaznog napona svakog etalona u skupini na bilo koji dan umjeravanja. Izlazni napon referentnog etalona dobiven ovakvim izračunom, biva određen ne samo predikcijom pravcima regresije, već i ispravljen prema trenutno izmjerenim razlikama napona svih etalona u skupini. Rezultati dobiveni konkretnim mjerenjima ukazuju na višu razinu pouzdanosti i kakvoću rezultata dobivenu ovakvim izračunom nego što je to do sada bio slučaj, kad se u određivanju koristio samo jedan referentni etalon napona. Imajući u vidu saznanja i zaključke dobivene u četvrtom poglavlju, u devetom se poglavlju pristupilo definiranju svih kritičnih parametara (trajanje uzorkovanja, interval između uzorkovanja, interval ponavljanja, temperaturna stalnost, i dr.) potrebnih za postizanje optimalnog mjernog postupka prilikom pohranjivanja skupnog etalona napona, unutar vremenskog intervala od 6 mjeseci do jedne godine, koliko je potrebno da bi se ponovo obavilo umjeravanje Josephsonovim kvantnim etalonom napona. Nadalje, prikazani su rezultati validacije razvijenog mjernog sustava za usporedbu elektroničkih etalona napona usporedbom s kvantnim etalonom napona, a dobivena odstupanja između dva načina određivanja jedinice volt od 30 nV na 10-voltnoj razini, te 3 nV na 1-voltnoj naponskoj razini, dokazuju ispravnost ostvarenog. U desetom poglavlju predložen je mjerni postupak za umjeravanje nepoznatog etalona napona primjenom razvijenog mjernog sustava, uz detaljan prikaz izračuna i sastavnica mjerne nesigurnosti. Kako bi se potvrdila vrhunska razina točnosti elektroničkog skupnog etalona napona te njegova sljedivost prema najvišoj točnosnoj razini, rezultati su validirani usporedbom prema novonabavljenom Josephsonovom kvantnom etalonu napona PEL-JAVS. On je pak, radi njegove validacije, uspoređen s kvantnim etalonom njemačkog nacionalnog mjeriteljskog instututa PTB tijekom 2007. godine. Rezultati te međunarodne usporedbe pokazali su slaganje dvaju kvantnih JAVS unutar 0, 5 nV na razini 10 V, što je prikazano u jedanaestom poglavlju. U zaključku se analiziraju ostvareni mjerni rezultati i daju smjernice za daljnji rad.

pohranjivanje jedinice električkog napona; elektronički etaloni; nanovoltni preklopnik; naponski komparator

nije evidentirano