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Verbesserte Kalibrierung kleiner Wechselstromstärken

24.11.2016

Das Dienstleistungsangebot zur Einheiten-Weitergabe und Beratung für DAkkS-Laboratorien und andere NMIs wurde durch die Entwicklung und Inbetriebnahme von neuen Normalen für den Wechselstromstärke-Gleichstromstärke-Transfer verbessert.

 

 

 

Kalibrierungen von Wechselstromstärke-Messgeräten und Transfergeräten für den Wechselstromstärke-Gleichstromstärke-Transfer werden besonders stark im Bereich kleinerer Stromstärken von 100 µA bis 2,2 mA bei Frequenzen von 10 Hz bis 100 kHz nachgefragt.

Für solche Kalibrierungen kamen bislang planare Vielfach-Thermokonverter (planar multijunction thermal converters – PMJTCs) mit einem Heizer-Widerstand von rund 1.400 O zum Einsatz. Dieser vergleichsweise hohe Widerstand ist nötig, um bei den geringen Stromstärken eine hinreichend große Heizleistung und damit eine mit geringen Messunsicherheiten zu bestimmende Ausgangsspannung zu erzielen. Dennoch erhöhen sich die erreichbaren Messunsicherheiten am unteren Bereichsende wegen des Rauschens der Ausgangsspannung von nur noch rund 1 mV deutlich. Eine weitere Erhöhung des Heizer-Widerstandes ist technologisch nicht möglich. Außerdem bewirkt ein großer Heizer-Widerstand, zusammen mit unvermeidbaren Kapazitäten des Aufbaus und parallel geschalteter Steckverbindungen, eine mit der Frequenz quadratisch ansteigende Wechsel-Gleich-Transferdifferenz, was die erreichbare Messunsicherheit begrenzt.


Daher wurden neue Normale aufgebaut, die aus der Kombination eines Strom-Messwiderstandes (Shunt) und eines Verstärkers mit einem PMJTC bestehen. Um die Eingangs-Kapazität gering zu halten, wurde der Shunt in das Gehäuse des Verstärkers integriert, so dass sich ein kompakter Stromstärke-zu-Spannung-Umsetzer ergibt, dessen Ausgangsspannung dem PMJTC zugeführt wird. Durch Optimierung der für den Verstärker eingesetzten Bauteile lässt sich der Dynamikbereich des PMJTCs voll ausnutzen und es werden geringe Wechsel-Gleich-Transferdifferenzen von weniger als 40 µA/A für den Messpunkt 100 µA und 100 kHz erreicht. Der durch die statistischen Schwankungen der Messwerte verursachte Beitrag zur Messunsicherheit, bislang der größte Beitrag, ist nun so klein, dass praktisch nur noch die Unsicherheiten des Skalen-Aufbaus zum Tragen kommen.


Der bis zu Frequenzen von 1 MHz flach verlaufende Frequenzgang der Wechsel-Gleich-Transferdifferenz ermöglicht auch Stromstärke-Kalibrierungen bei höheren Frequenzen, die für die Bewertung von leitungsgebundenen elektromagnetischen Störungen in zunehmendem Umfang benötigt werden.