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Die Bewahrung und Weitergabe der Einheit der elektrischen Wechselleistung erfolgt jetzt durch ein Analog-Digitales Primärnormal

30.12.2005

Das Primärnormal der PTB für die elektrische Wechselleistung basiert auf der digitalen Abtastung der elektrischen Wechselgrößen Spannung und Stromstärke, wobei die Einheit Watt aus einer Verhältnismessung von Spannung und Stromstärke und dem Quadrat des Effektivwertes einer Spannung [1] abgeleitet wird. Die Verhältnismessung ergibt den Wert eines Widerstandes, so dass die Einheit Watt aus den Einheiten Volt und Ohm eindeutig auf die SI Einheiten rückgeführt wird. Ausführliche theoretische und experimentelle Untersuchungen haben ergeben, dass ein derartiges Normal Messunsicherheiten unter 5 µW/VA aufweist. Obwohl die Messunsicherheiten des Systems ausreichend klein sind, blieb das System stark abhängig von der Stabilität einer internen Gleichspannungsreferenz und möglichen störenden Effekten infolge der harmonischen Komponenten der zu messenden Wechselsignale.

Da der Effektivwert eines Signals beliebiger Kurvenform mit Hilfe von Thermokonvertern mit der geringsten Messunsicherheit bestimmt werden kann, schien es sinnvoller, beim Normal die Messung des Effektivwertes nicht mehr aus den Abtastwerten selbst, sondern aus einer AC-DC Transfermessung mit Thermokonvertern zu ermitteln. Auf diesem Wege kann die Messunsicherheit für den Effektivwert und die Einheit Leistung verringert werden. Die Einbindung eines Thermokonverters in ein schnell messendes digitales System erforderte die Verfeinerung der AC-DC Transfermessungen [2], um die langsamen thermischen Messprozesse zu beschleunigen. Bild 1 zeigt das hybride Primärnormal, das aus den Originalkomponenten [1] und einer "Schnellen synchronen AC-DC Transfer-Einheit" (bestehend aus einem Thermokonverter, Nanovoltmeter, synchronem Schalter, DC Voltmeter und DC Quelle) zusammengesetzt ist. Mit dieser Einheit kann man transiente Vorgänge am Ausgang des Thermokonverters mittels elektronischer Unterstützung weitestgehend vermeiden [3]. Es ergeben sich dadurch geringere Wartezeiten während der Wechsel von AC zu DC, so dass eine genaue Bestimmung des Effektivwertes in kürzester Zeit möglich wird.

Bisherige umfangreiche Untersuchungen deuten darauf hin, dass Messunsicherheiten kleiner als 1,5 mW/VA (für k = 1) für alle Phasenverschiebungswinkel zwischen Stromstärke und Spannung erreichbar sind.


Bild 1: Das hybride Primärnormal der PTB für die elektrische Leistung besteht aus einem digitalen Abtastsystem und einer Einheit für eine synchrone AC-DC Transfermessung mittels Thermokonverter.

Referenzen:
[1] G. Ramm, H. Moser, A. Braun, "A new scheme for generating and measuring active, reactive and apparent power at power frequencies with uncertainites of 2.5 x 10-6", IEEE Trans. Instrum. Meas., vol. 48, no. 2, pp 422-426, April 1999.
[2] W. G. Kürten Ihlenfeld, E. Mohns, "Speeding-Up AC-DC Transfer Measurements With Thermal Converters", IEEE Trans. Instrum. Meas., vol. 54, no.1, pp. 268-272, February 2005.
[3] E. Mohns, W. G. Kürten Ihlenfeld, "Fast Synchronous AC-DC Transfer With Thermal Converters", IEEE Trans. Instrum. Meas., vol. 54, no. 2, pp. 791-794, April 2005.