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 | ||||
---|---|---|---|---|
Da | Db = 11/24 | Db = 10/24 | Db = 9/24 | Db = 6/24 |
10/24 | - | - | 0,111 111 111 | 0,666 666 666 |
11/24 | - | 0,100 000 000 | 0,222 222 222 | 0,833 333 333 |
12/24 | 0,090 909 090 | 0,200 000 000 | 0,333 333 333 | 1,000 000 000 |
13/24 | 0,181 818 181 | 0,300 000 000 | 0,444 444 444 | 1,166 666 666 |
14/24 | 0,272 727 272 | 0,400 000 000 | 0,555 555 555 | 1,333 333 333 |
15/24 | 0,363 636 363 | 0,500 000 000 | 0,666 666 666 | 1,500 000 000 |
... | ... | ... | ... | ... |
20/24 | 0,818 181 818 | 1,000 000 000 | 1,222 222 222 | 2,333 333 333 |
21/24 | 0,909 090 909 | 1,100 000 000 | 1,333 333 333 | 2,500 000 000 |
22/24 | 1,000 000 000 | 1,200 000 000 | 1,444 444 444 | 2,666 666 666 |
23/24 | 1,090 909 090 | 1,300 000 000 | 1,555 555 555 | 2,833 333 333 |
24/24 | 1,181 818 181 | 1,400 000 000 | 1,666 666 666 | 3,000 000 000 |
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).