Kalibratoren für Strom und Spannung

Transkript

1 Kalibratoren für Strom und Spannung Kalibratoren werden überall dort eingesetzt, wo hochgenaue und hochstabile Spannungen und Ströme benötigt werden. in Anwendungsgebiet ist z.b. die Kalibrierung von Messgeräten. In diesem Kapitel werden Ausführungen von Spannungs- und Stromkalibratoren dargestellt. Spannungskalibrator ine sehr häufig angewendete Schaltungsvariante ist im nachfolgenden Bild dargestellt. Herzstück bildet ein hochauflösender DA-msetzer (z.b. 16 oder 18 Bit) Abb.: Konstantspannungsquelle in lektrometerschaltung Die Ausgangsspannung ergibt sich bei einem idealen Operationsverstärker zu A 1 Die Genauigkeit der Ausgangsspannung ist abhängig von: 1. DA-msetzer Linearitätsfehler Verstärkungsfehler Nullpunktfehler Temperaturkoeffizient. egler Leerlaufverstärkung Offsetdrift Offsetspannung 3. Spannungsteiler Absolute Toleranz Temperaturkoeffizient Langzeitstabilität 4. Leistungsverstärker Die Fehler des Leistungsverstärkers werden ausgeregelt, da er sich innerhalb der egelschleife des Operationsverstärkers befindet. Die unter den Punkten 1 bis 4 aufgeführten Fehler können zum Teil durch eine softwaremäßige Korrektur bis auf estfehler ausgeglichen werden.

2 m Garantiefehlergrenzen angeben zu können, ist die Gesamtschaltung hinsichtlich ihrer inzelfehler zu untersuchen. Mit einer Fehlerrechnung lassen sich die Fehlergrenzen quantitativ angeben. ine weitere ealisierungsmöglichkeit ist im nachfolgenden Bild dargestellt. Abb.: Konstantspannungsquelle in invertierender Schaltung Hier gilt für den idealen Operationsverstärker. A 1 Die invertierende Schaltung hat den Vorteil, dass beide egeleingänge virtuell auf Masse liegen und damit keine Gleichtaktaussteuerung des Verstärkers erfolgt. Bei den bisherigen Schaltungen ist das für die Genauigkeit wesentliche Bauelement der DA. in grundsätzlich anderes Verfahren ohne DA nach dem Prinzip der Pulsbreitenmodulation. Hierbei wird die Hauptreferenzquelle mit einem elektronischen Schalter im Puls-/Pausenverhältnis geschaltet und mit einem nachfolgenden Tiefpassfilter der Mittelwert erzeugt. m die gewünschte Gleichspannung mit geringer Welligkeit zu erreichen, sind Filter hoher Ordnung erforderlich. Nach diesem Prinzip werden Kalibratoren gebaut, deren Fehler kleiner als 3 ppm/jahr ist. Die absolute Genauigkeit eines Kalibrators bei beliebigen instellwerten errechnet sich nach Absolute Genauigkeit = Stabilität + Linearität + Transfergenauigkeit Die Transfergenauigkeit ist hierbei von der Genauigkeit des Primärstandards abhängig und dieser bezieht sich auf einen nationalen Standard.

3 Kalibratoren für Strom ine einfache Schaltung ist im nächsten Bild gezeigt. Abb.: Stromquelle für nicht geerdete Verbraucher in lektrometerschaltung Der als egler geschaltete Operationsverstärker erzwingt an seinem invertierenden ingang die Spannung, die über dem Messwiderstand 1 liegt, so dass für einen idealen Operationsverstärker unabhängig vom Lastwiderstand L gilt. I L 1 Diese Schaltung hat folgenden Nachteil: ine Stromspeisung gegen Schaltungsmasse ist nicht möglich ine Schaltung ohne diesen Nachteil ist im folgenden Bild dargestellt. L IL Abb.: Stromquelle für geerdete Verbraucher Der als Subtrahierer beschaltete OP erfasst den durch den Laststrom hervorgerufenen Spannungsabfall M am Messwiderstand M. Die Spannung M wird so geregelt, dass sie gleich der Spannung ist. Die Genauigkeit dieser Anordnung hängt sowohl von der Qualität des Messwiderstandes M als auch von Paarungstoleranzen der Widerstände N und P des Subtrahierers ab. Da gepaarte Präzissions-Widerstände schwierig zu beschaffen sind (lange Lieferzeiten, teuer), wird normalerweise als Subtrahierverstärker ein konfektionierter Baustein verwendet, der die Widerstände "on chip" enthält.

4 Digitale Kalibrierung Sowohl bei Spannungs- als auch bei Stromkalibratoren wird versucht, bekannte und konstante Fehlereinflüsse durch entsprechende Korrekturrechnungen auszugleichen. Da bei elektronischen Messgeräten µps zur Verfügung stehen, können Korrekturen softwaremäßig ausgeführt werden. Bei DA-gesteuerten Quellen ist eine Korrektur der nicht idealen Kennlinie, die den wesentlichen Fehlerbetrag liefert, leicht durchzuführen. Dies soll am Beispiel eines ± 30 V Spannungsgebers mit einen 16 Bit AD erläutert werden. Abb.: Kennlinie eines ± 30 V Spannungskalibrators 16 Bit AD: Schritte bipolar FS FS gewünschter Spannungsbereich: 30, ,000 V Vom DA werden nur ± LSB genutzt, der est verbleibt zur Korrektur von Offset und Verstärkung. Folgende Werte werden zur softwaremäßigen Korrektur benötigt (durch Messung zu ermitteln): Ausgangsspannung bei ingabe (30 V) z.b. 3,5 V werden gemessen = Positiver ndwert Ausgangsspannung bei ingabe (0 V) z. B.,5 V werden gemessen = Offset Korrektur: ingabewert für DA = (Sollwert Offset) / (Positiver ndwert Offset) Beispiel: Gewünschte Ausgangsspannung 7,5 V ingabewert für DA = (7,5V +,5V) / (3,5V +,5V) = 5714 m eine Ausgangsspannung von 7,500 V zu erhalten, muss der DA mit dem Wert 5714 geladen werden.

5 In der Praxis sind Offset- und Verstärkungsfehler wesentlich kleiner als in diesem Beispiel. Bei gekrümmten Übertragungscharakteristiken (Linearitätsfehler) können einzelne Bereiche durch Geraden angenähert werden, was allerdings zu erhöhtem echenaufwand und damit zu einer geringeren Wertausgabe führt. Die zur Korrekturrechnung notwendigen Koeffizienten werden in nichtflüchtigen Speichern verwahrt. Abschließend werden einige Messergebnisse eines Kalibrators dargestellt. Abb.: Linearitäts- und TK-Messung des Kalibrators im Spannungsbetrieb Die Linearitätsmessung über den Aussteuergrenzen des Spannungskalibrators zeigt die Abweichung von der idealen Kennlinie in ppm. Die zackige Kurve ist wie eine "Visitenkarte" des speziellen DA-xemplars, der die Fehler hauptsächlich verursacht. Diese Kurve ist bei Wiederholungsmessungen sehr gut reproduzierbar. Die zweite Kurve kann zur Bestimmung des Temperaturkoeffizienten (TK) herangezogen werden. Bei einer Temperaturänderung von 5 K hat sich ein Fehler von ca. 390 ppm ergeben. Hieraus lässt sich ein TK von etwa 15 ppm/k errechnen.