Nuovi campioni e sistemi di misura elettrici di alto livello per applicazioni metrologiche e

per confronti di misura interlaboratorio

Pier Paolo Capra, F. Galliana, R. Cerri, M. Lanzillotti, L. Roncaglione

INRIM, Torino, Italy

A & T 2016 – LingottoTORINO 20-21 Aprile 2016

INRIM – Compiti istituzionali

L’INRIM svolge le funzioni di istituto metrologico primario in Italia. Alcuni tra i suoi compiti istituzionali si riassumono in:

• ricerca finalizzata alla realizzazione dei campioni primari delle unità di base e derivate del Sistema Internazionale SI;

• disseminazione della unità SI mantenute;

• confronto a livello internazionale e nazionale dei campioni realizzati.

Allo scopo di far fronte ai compiti istituzionali che prevedono il mantenimento e il trasferimento della riferibilità l’INRIM compie studi e ricerche per la costruzione di campioni materiali e strumenti di misura. Nel caso di campioni di grandezze elettriche le proprietà ricercate sono:

INRIM – Compiti istituzionali

• Stabilità a breve e lungo termine• coefficienti di temperatura estremamente contenuti• elevata resistenza a parametri di influenza ambientale• elevata resistenza alle sollecitazioni meccaniche• possibilità di uso come campioni viaggiatori per confronti interlaboratorio (ILC’s)

Prototipi di campioni elettrici

Campione di tensione continua con valori selezionabili da 10 V a 100 V a basso rumore ed elevata stabilità

Resistori campione da 1 Ω e 10 kΩ a elevata stabilità a breve e lungo termine, dotati di un controllo attivo della temperatura

Artifact Calibration

Con il termine Artifact Calibration si identifica un processo per il trasferimentodella riferibilità elettrica a partire da un limitato numero di campioni materiali.La strumentazione che implementa questa tecnologia è caratterizzata daprocedure di taratura più semplici, accurate e meno onerose economicamentedelle tecnologie

Fluke Calibrator 5700 Series

Agilent Digital Multimeter 3458A10V DC

1 Ω

10 kΩ

Artifact Standards

INRIM Artifact Standards

Fluke Calibrator 5700 Series

Agilent Digital Multimeter 3458A1÷100V THVS

1 Ω - 10 kΩ

INRIM ArtifactStandards

GPIB

GPIB

Il prototipo INRIM dispone di funzioni specifiche sviluppate per l’artifactcalibration, per l’uso come campione viaggiatore e come riferimento di prima linea di un laboratorio.

Campioni di resistenza

I  due  campioni  di  resistenza  sono ottenuti  con  delle  reti  resistivecollegate  in  modo  da  ridurre  il coefficiente  di  potenza.  L’unitàelettronica di  interfaccia e di controllo termico  è separata  dai  campioni  per ridurre i disturbi elettrici.

Tramite  un  computer  è possibile  leggere  ed impostare  la  temperatura  del  contenitore termico  dei  resistori,  con  la  possibilità di effettuare  delle  correzioni  del  valore  di resistenza.  Il  sistema  di  controllo mantiene  il valore  dell’ultima  taratura  e  può  effettuare correzioni  per  ridurre  gli  effetti  della  deriva temporale

1.00129770

1.00129775

1.00129780

1.00129785

1.00129790

1.00129795

1.00129800

0 20 40 60 80 100No. measurements

Res

ista

nce

(ohm

)

-0.005

-0.004

-0.003

-0.002

-0.001

0.000

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

Tem

pera

tura

(°C

)

R (ohm)T (°C)

Campioni di resistenza

Il  resistore  da  1  ohm  mostra  una stabilità a breve termine confrontabile con quella di un campione mantenuto in  bagno  d’olio,  dell’ordine  di  4×10–8. La  stabilità ottenuta  è parzialmente dovuta al sistema di controllo termico dei morsetti voltmetrici.

La stabilità a medio temine, valutata a circa 6 mesi dalle  fasi di assemblaggio e costruzione. L’andamento mostra un fenomeno  transitorio  che  spesso  si presenta  in seguito a stress meccanici prodotti in fase di costruzione.

9.9998450

9.9998460

9.9998470

9.9998480

9.9998490

9.9998500

0 20 40 60 80 100 120

No. measurements

Res

ista

nce

(koh

m)

-0.003

-0.002

-0.001

0.000

0.001

0.002

0.003

Tem

pera

ture

(°C

)

R (ohm)T (°C)

-0.10

-0.05

0.00

0.05

0.10

0 50 100 150 200

Rel

ativ

e va

riatio

n (x

10-6

)

measurement days

10 kΩ standard

Il  resistore da mostra una stabilità a medio termine molto elevata, dovutanon  solo  all’effetto del  controllotermico ma  anche ad  un  lungoperiodo di invecchiamento

La stabilità del resistore da 10 kohm, a breve termine, valutata in circa 5×10–8 , è confontabile con quella che si ottienecon  un  resistore campione ad  elevatastabilità (10  kΩ Standard  ESI  mod. SR104)

Campioni di resistenza

Campione decadico di tensione continua

Specifiche tecniche•stabilità confrontabile  a  quella  di  calibratori  di  tensione  continua  o multifunzione di elevato livello;•elevata attitudine al trasporto, adatto per confronti interlaboratorio;•Alimentato  a  batteria  opera  in modalità flottante,  con  significativa  riduzione del rumore di modo comune dovuti alla rete; •rumore in uscita estremamente contenuto, normalmente inferiore a calibratori dc alimentati a rete•Primo  prototipo  di  una  versione  espandibile  fino  a  1000  V  già in  fase  di sperimentazione;

Schema di principio del riferimento THVS

Doppia alimentazionerete o a batterie Utilizza dei DC‐DC 

converter

Riferimento di tensione ad elevata stabilità

Massaflottante

Potenza costantesul regolatore di potenza in uscita.

Componentisticadi controllo 

operante in bassa tensione

THVS a confronto con due calibratori a 100 V

-2.5

-2.0

-1.5

-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0

1.5

0 10 20 30 40 50 60 70(Ore)

Scar

to re

lativ

o da

l val

ore

iniz

iale

(ppm

)

THVS

DATRON4000

FLUKE5440B

Specifiche elettriche THVS

• tensioni d’uscita decadiche fino a 100 V impostabili mediante un selettore esterno sul pannello frontale per mezzo di deep switches;

• rumore d’uscita a 100 V ≤ 36 μV rms con funzionamento a rete;

• rumore d’uscita a 100 V ≤ 26 μV rms con funzionamento a batteria;

• correnti d’uscita ≤ 5 mA;

• stabilità valutata a 24h pari a 4.6×10–8 da confrontare con l’analoga stabilità di 9.5×10–8 e 1.4×10–7 di due calibratori di tensione continua presi in esame;

• stabilità valutata a 180gg pari a 1.4×10–6.

Conclusioni

Strumenti e campioni di grandezze elettriche sono stati costruiti all’INRIM e confrontati con dispositivi equivalenti di tipo commerciale. Le specifiche elettriche ottenute sono, dello stesso ordine di grandezza e in alcuni casi migliori dei dispositivi equivalenti.

I prototipi INRIM sono più semplici, meno costosi e progettati per poter essere utilizzati facilmente come campioni viaggiatori.

A causa dei risultati positivi ottenuti con il campione di tensione continua fino a 100 V la sperimentazione proseguirà con l’estensione fino a 1000 V

fine

GRAZIE!

Pier Paolo Capra p.capra@inrim.itFlavio Galliana f.galliana@inrim.itRoberto Cerri r.cerri@inrim.itMarco Lanzillotti m.lanzillotti@inrim.itLuca Roncaglione l.roncaglione@inrim.it