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Isotherm betriebener Thermokonverter zur rückführbaren Leistungsmessung nicht-sinusförmiger Signale

18.11.2013

Zur Energieversorgung drahtloser Sensoren und mobiler Kleingeräte für Telekommunikation und Datenverarbeitung werden in der Regel Batterien eingesetzt. Sie haben jedoch den Nachteil einer begrenzten Gebrauchsdauer, so dass sie regelmäßig ausgetauscht werden müssen, was Arbeitszeit kostet und umweltschädlichen Abfall erzeugt. Dies führt zu einem steigenden Bedarf an Geräten, die Energie aus der Umgebung in elektrische Energie umwandeln. Solche sogenannten „Energy Harvester“ liefern elektrische Signale, die je nach Arbeitsprinzip und Energiequelle komplexe Kurvenformen aufweisen. In dem vom Fachbereich Gleichstrom und Niederfrequenz geleiteten EMRP Projekt „Metrology for Energy Harvesting“ wurden daher unter anderem Messverfahren zur rückführbaren Messung solcher nicht-sinusförmiger Signale entwickelt.

Eine dieser Entwicklungen ist ein Leistungsmessgerät für beliebige Kurvenformen auf der Basis eines planaren Vielfach-Thermokonverters (PMJTC). Die in der PTB entwickelten und am Institut für Photonische Technologie (IPHT) in Jena gefertigten PMJTC werden bislang zur Kalibrierung sinusförmiger Wechselspannung und Wechselstromstärke eingesetzt, wobei mit einem Wechsel-Gleich-Transfer die geringsten Messunsicherheiten erreicht werden. Allerdings ist dieses Verfahren nur für kontinuierliche Signale mit zeitlich unveränderlicher Amplitude geeignet. Daher wurde ein PMJTC in Zusammenarbeit mit dem IPHT mit einem zweiten Heizwiderstand versehen und durch eine Regelschleife, die diesen zweiten Heizer entsprechend der Aussteuerung durch das zu messende Signal mit einem zusätzlichen Strom versorgt, auf konstanter Übertemperatur gehalten. Die Regelspannung des zweiten Heizers ist ein Maß für den Energieinhalt des Signals am Eingang. Durch Aufzeichnen dieser Spannung und Integration über die Messzeit erhält man die Energie des Eingangssignals während der Messung.

Das Gerät hat eine Nennspannung von 1 V, die mit Hilfe von Vor- und Nebenwiderständen an die Messaufgabe angepasst werden kann, und wird mit sinusförmigen Signalen und Rechteckimpulsen kalibriert. Der Frequenzgang der Messabweichung beträgt ohne Vorwiderstand weniger als 100 μV/V im Frequenzbereich bis 1 MHz. Die erreichte Messunsicherheit für die Energie des Eingangssignals liegt bei einer Messzeit von einigen Sekunden unter 500 μJ/J.

 

 

 

Ansprechpartner: T. Funck
Fachbereich 2.1:  Gleichstrom und Niederfrequenz