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Rechnersteuerbares Brückennormal zur Kalibrierung von Temperaturmessbrücken

07.12.2006

Die Kalibrierung von Temperaturmessbrücken mit geringer Unsicherheit erfordert niedrige Rauschbandbreiten (bis herab zu 0,1 Hz), um die erforderliche Auflösung zu erzielen. Wird dann noch eine große Anzahl von Messpunkten gewünscht und jeder Messwert als Mittelwert aus zehn oder mehr Einzelmessungen gebildet, kann eine Kalibrierung sehr zeitaufwändig werden. Als rationelle Lösung bietet sich ein automatischer Messplatz an. Da bisherige Brückennormale (siehe PTB-Jahresbericht 2005 "Verringerte Messunsicherheit für Wechselspannungs-Temperaturmessbrücken mit neuem Brückennormal") nur manuell zu bedienen waren, wurde ein rechnersteuerbares Normal entwickelt und aufgebaut (Bild 1). Wie bei den manuellen Normalen dient auch hier als Basis ein induktiver Zweikern-Spannungsteiler mit 24 Teilwicklungen und separater Magnetisierungswicklung (Prinzip siehe Bild 2). Der von der zu kalibrierenden Temperaturmessbrücke gelieferte Messstrom wird über den Widerstand R in eine Spannung gewandelt und als Eingangsspannung an den Teiler gelegt. Der Widerstand ist einstellbar, so dass sich unterschiedliche Messbedingungen für die zu untersuchende Brücke simulieren lassen. Die Möglichkeit, an den Abgriffen a und b des induktiven Teilers verschiedene TeilungsverhältnisseDb und Da auswählen zu können, erlaubt die Einstellung der in der Tabelle zusammengestellten Spannungsverhältnisse UT/US.
Die Widerstände und die Teilerabgriffe des als CCBS (Computer Controlled Bridge Standard) bezeichneten, automatischen Brückennormals werden über Relais umgeschaltet. Die Bedienung erfolgt wahlweise rechnergesteuert über eine galvanisch vom Messkreis getrennte USB-Schnittstelle oder manuell mit Hilfe integrierter Drehschalter (siehe Bild 1). Eine in LabVIEW entwickelte Steuersoftware bietet die Möglichkeiten, das Brückennormal zu programmieren, die Parameter der Messbrücke einzustellen, deren Messwerte auszulesen und anschließend die Messabweichung sowie die zugehörige Messunsicherheit zu berechnen.
Das rechnersteuerbare Brückennormal von Typ KT 20A ist für die Messfrequenzen 25 Hz und 75 Hz ausgelegt und kann Spannungsverhältnisse UT/US zwischen 0,09 und 3,0 darstellen. Für sämtliche Spannungsverhältnisse kleiner als 1,5 ist die erweiterte Messunsicherheit U(UT/US) geringer als 3•10-8 (Erweiterungsfaktor k = 2). Sie steigt mit zunehmendem Spannungsverhältnis an und erreicht bei UT/US = 3,0 etwa 6•10-8. Damit können sämtliche Wechselspannungs-Temperaturmessbrücken, die in Staatsinstituten und Kalibrierlaboratorien im Einsatz sind, bei allen in der Praxis vorkommenden Spannungsverhältnissen mit der erforderlichen Unsicherheit rückführbar kalibriert werden.

 UT/US = Da/Db - 1
DaDb = 11/24Db = 10/24Db = 9/24Db = 6/24
10/24--0,111 111 1110,666 666 666
11/24-0,100 000 0000,222 222 2220,833 333 333
12/240,090 909 0900,200 000 0000,333 333 3331,000 000 000
13/240,181 818 1810,300 000 0000,444 444 4441,166 666 666
14/240,272 727 2720,400 000 0000,555 555 5551,333 333 333
15/240,363 636 3630,500 000 0000,666 666 6661,500 000 000
...............
20/240,818 181 8181,000 000 0001,222 222 2222,333 333 333
21/240,909 090 9091,100 000 0001,333 333 3332,500 000 000
22/241,000 000 0001,200 000 0001,444 444 4442,666 666 666
23/241,090 909 0901,300 000 0001,555 555 5552,833 333 333
24/241,181 818 1811,400 000 0001,666 666 6663,000 000 000

Tabelle: Spannungsverhältnisse UT/US, die sich durch entsprechende Wahl der Teilungsverhältnisse Da und Db mit dem rechnersteuerbaren Brückennormal darstellen lassen.


Bild 1: Foto des in der PTB entwickelten und aufgebauten rechnersteuerbaren Brückennormals vom Typ KT 20A.


Bild 2: Vereinfacht dargestelltes Prinzip des rechnersteuerbaren Brückennormals (CCBS) zur Kalibrierung einer Temperaturmessbrücke (TB).