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Erweiterung des Stromstärkemessbereiches des Leistungsnormals auf 100 A

02.12.2010

Die derzeit erreichbaren niedrigen Messunsicherheiten von etwa (3…10) · 10-6 sind mit dem Primärnormal für elektrische Wirkleistung im Spannungsbereich bis 240 V und im Strombereich bis 10 A realisiert. Die Rückführung der Sekundärnormale (Leistungskomparatoren) bei höheren Stromstärken erfolgte bislang über umständliche Aufbaumessungen mit Hilfe eines Zusatzstromwandlers. Die erreichten Messunsicherheiten lagen dabei im Bereich von etwa 30 · 10-6 und sind somit um eine Größenordnung schlechter.
Der bisher eingesetzte Transkonduktanzverstärker begrenzte den maximal erzeugbaren Strom auf 10 A. Andere kommerziell verfügbare Stromverstärker mit höheren Ausgangsströmen mangelte es an der notwendigen Stabilität oder an der erforderlichen spektralen Reinheit. Seit einigen Jahren baut ein deutscher Hersteller ein Leistungsnormal auf Basis des PTB Primärnormals - das erforderliche Know-How kam dabei im Rahmen eines Technologietransfer-Projekts aus der PTB. Der Hersteller entwickelte auch einen bis 100 A arbeitenden Transkonduktanzverstärker, der die für ein hochgenaues Leistungsnormal erforderlichen Spezifikationen erfüllt. Dieser Stromverstärker wurde jetzt in das Primärnormal integriert. Sein Strompfad ist in der Abbildung dargestellt, der zur Leistungsbildung erforderliche Spannungspfad wurde weggelassen.
Die Funktionsweise des Leistungsnormals bis 10 A basiert darauf, dass der mit ausreichend hoher Stabilität erzeugte Prüfstrom durch den Strompfad des Prüflings (DUT) und einen als Normal dienenden Strom-Spannungskonverter (KW03 + KR11) fließt. Dessen Ausgangsspannung UI wird abgetastet, sodass über die bekannten Korrektionen rechnerisch auf den Prüfstrom ITest geschlossen werden kann.
Der Strom-Spannungskonverter (IU-Konverter) ist allerdings nur für Stromstärken bis
10 A geeignet. Abhilfe schafft hier die Kaskadenanordnung mit einem zweiten Stromwandlers, der speziell bei Strömen über 10 A dem IU-Konverter vorgeschaltet wird. Dieser elektronisch-fehlerkompensierte Stromwandler wird in den Bereichen
(5 A – 10 A – 20 A – 50 A – 100 A) / 5 A verwendet. Die Rückführung dieser Übersetzungsverhältnisse bei 50 und 60 Hz erfolgt mit einer Messunsicherheit von 3 µA/A bzw. 3 µrad. Die gesamte Messunsicherheit des Primärnormals erhöht sich um diesen Beitrag.
Damit ergibt sich eine gesamte Messunsicherheit von etwa (5…11) 
· 10-6 für das Kalibriersystem im erweiterten Strombereich zwischen 10 A und 100 A, bei ansonsten beliebigen Spannungen bis 240 V und Phasenwinkeln innerhalb ± 180°. Im Vergleich zu den bisher erreichten Messunsicherheiten von etwa 30 · 10-6 ist das ein deutlicher Fortschritt. Die verringerten Messunsicherheiten wurden durch verschiedene Vergleichsmessungen verifiziert.

 

Bild:
Strompfad des Leistungsnormals mit dem Stromverstärker, dem Strompfad des Prüflings, zwei Normalstromwandlern und einem Messwiderstand

 


Ansprechpartner:
  Enrico Mohns
Fachbereich 2.3: Elektrische Energiemesstechnik