URSI-TÜRKİYE’2014 VII. Bilimsel Kongresi, 28-30 Ağustos 2014, ELAZIĞ
Sıcaklık Kontrollü Pasif Faz Standardı Yapımı
Gülay Gülmez1, Yakup Gülmez1, Hakan Karacadağ1, Ömer Erkan1, Cem Hayırlı1, Nesrin Galiç1
1
TÜBİTAK UME, Gebze, Kocaeli, Tel: 0-262-6795000
[email protected], [email protected]
Özet: Mevcut empedans ölçüm sistemleri manuel ölçüm alabilen ve frekans bölgesi dar olan köprülerdir ve
yüksek doğrulukta empedans ölçüm sistemleri kurulumu, çalıştırılması zordur ve çok deneyimli kullanıcıya
ihtiyaç vardır. Empedans ölçümleri için Avrupa Birliği’ne bağlı bir Ortak Araştırma Projesi başlatılmıştır. Bu
projede biri sayısal köprü diğeri Josephson köprü olmak üzere yüksek doğrulukta 20 Hz – 20 kHz frekans
aralığında iki tip ölçüm köprüsü kurulması hedeflenmektedir. Bu projede kurulacak olan köprülerin
performanslarının karşılaştırılması için aktif ve pasif empedans standartları gerçekleştirilecektir. Bu makalede
UME’nin bu proje kapsamında ürettiği ±30◦ ve ± 60◦ değerlerinde 1 mK kararlılığa sahip sıcaklık kontrollü
pasif faz standartları anlatılacaktır.
Abstract: The present dissemination is based on manually operated coaxial bridges that can only be used over a
limited range of frequencies.In addition, the construction and operation of high accuracy impedance
measurement systems are very complicated and require highly skilled operators. A Joint Research Project (JRP)
as European Union Project was started for new impedance measurement systems. The type of measurement
system will be developed in this project, which are Josephson bridges and digital bridges in the frequency range
of 20 Hz to 20 kHz with high accuracy. Active and passive impedance standards will be produced to compare the
performance of these measurement systems.temperature controlled ±30◦ and ± 60◦ passive phase standards with
±1 mK stability produce by TÜBİTAK UME will be describes in this article.
1. Giriş
Empedans birimi, doğrudan pasif elektronik devre elemanları üreticileri tarafından kullanılır. Bunun yanında
dirence dayanan sıcaklık ölçümlerinde, pil elektrot analizi için elektrokimyasal empedans spektroskopisinde,
iyonize radyasyon ışınımı ölçümünde, ses ve titreşim ölçüm cihazlarında, dokunmatik ekran ve yakıt seviye
ölçerlerde, dolaylı olarak kullanılan önemli bir birimdir.
Günümüzde yüksek doğruluğa sahip empedans ölçüm sistemleri manuel olarak ölçüm yapabilen ve oran trafoları
kullanılarak bilinen empedans ile bilinmeyen empedansı karşılaştırma yöntemine dayanan sistemlerdir. Bu
ölçüm sistemlerinin kurulumları için çok sayıda indüktif gerilim bölücülere, dedektörlere ve sinyal kaynaklarına
ihtiyaç duyulur ve hem kurulumu hem de çalıştırılıp ölçüm alınması çok tecrübeli çalışanlara ihtiyaç duyar. Aynı
zamanda her bir empedans için farklı ölçüm sistemi kurmayı gerektirir. İndüktans ölçümleri için Maxwell Wien
köprüsü, kapasitans ölçümleri için ekranlı 2 veya 4 terminal kapasitans köprüsü kurmak gerektiği gibi.
Sistemlerin ölçüm frekans aralıkları da 50 Hz -10 kHz aralığındadır.
Empedans ölçümleri için Avrupa Birliğine bağlı bir Ortak Araştırma Projesi başlatılmıştır. Bu projede biri
sayısal köprü diğeri Josephson köprü olmak üzere yüksek doğrulukta iki tip ölçüm köprüsü kurulması
hedeflenmektedir. Bu ölçüm sistemleri ile farklı oranlarda ve farklı fazlarda empedanslar ölçülebilecek, farklı
empedanslar birbiri ile karşılaştırılabilecek ve frekans aralığı 20 Hz-20 kHz aralığına genişletilebilecektir[1]. Bu
iki tip ölçüm sistemine dayanan ölçüm sistemleri on farklı ülkenin metroloji enstitüsünde kurulacaktır. Bu ölçüm
sistemlerinin performanslarının birbiri ile karşılaştırılabilmesi için bu proje kapsamında aktif ve pasif geniş bir
aralıkta empedans standartları gerçekleştirilecektir. Bu proje de TÜBİTAK UME’nin görevi ±30◦ , ± 60◦
değerlerine sahip farklı empedans değerlerinde faz standartları üretmektir.
Karşılaştırılacak ölçüm sistemleri yüksek doğruluğa sahip olduğundan dolayı gerçekleştirilecek olan faz
standartların kararlılığını arttırmak için sıcaklık kontrollü olarak üretilmesi gerekmektedir. Bu makalede sonraki
bölümlerde öncelikle faz standartlarının yapımı daha sonra da sıcaklık kontrol sistemi anlatılacaktır.
2. Faz Standartları Yapımı
2.1 Negatif Faz standartları
Negatif faz standartları, uygun değerlerdeki direnç ve kapasitans standartları birbirine paralel bağlanarak Şekil
1a’daki gibi 4 terminalli ve ekranlı olacak şekilde gerçekleştirilmiştir. Kablo hatalarını engellemek için baskı
URSI-TÜRKİYE’2014 VII. Bilimsel Kongresi, 28-30 Ağustos 2014, ELAZIĞ
devre tasarımı metal bir kutu kapağındaki sma tipi koaksiyel konnektörlere doğrudan bağlanacak şekilde
gerçekleştirilmiştir (Şekil 1 b).
Şekil 1a. Negatif Faz standardı şematik gösterimi
Şekil 1b. Negatif Faz Standardı baskı devresi
Şekil 1a’da verilen devrenin empedans eşitliği Eşitlik 1’de verilmiştir. Empedansın açısının eşitliği ise Eşitlik
2’de verilmiştir. Faz standartlarındaki kapasitans ve direnç değerlerini belirlemek için Eşitlik 2 kullanılmıştır.
Ölçüm sistemleri 1 kHz frekansında karşılaştırılacağından dolayı hesaplamalarda ölçüm frekansı 1 kHz
alınmıştır. Faz standartlarında kullanılan direnç ve kapasitör değerleri Tablo 1’de verilmiştir.
(1)
(2)
Faz standartlarının kararlı olabilmesi için seramik dielektrikli kapasitörler olan NPO tipi kapasitörler ve Vishay
markalı foil tipi ve metal film tipi dirençler kullanılmıştır. NPO kapasitörlerin sıcaklık katsayıları yaklaşık 30
µF/F/◦C’dir. Vishay foil dirençlerin 1 µΩ/Ω/◦C’den düşüktür. Metal film dirençlerin sıcaklık katsayısı ise
yaklaşık 15 µΩ/Ω/◦C’dir.
Tablo1. Negatif faz standartları yapımında kullanılan direnç ve kapasitör değerleri
R
1 MΩ
1 MΩ
92 kΩ
9,2 kΩ
10 kΩ
100 kΩ
C
275 pF
92 pF
1 nF
10 nF
27 nF
2,7 nF
-60◦
-30◦
-30◦
-30◦
-60◦
-60◦
2.2 Pozitif faz standartları
Pozitif faz standartları uygun değerlerdeki indüktör ve dirençlerin birbirine seri olarak bağlanması ile
gerçekleştirilmiştir. Negatif faz standartlarında kapasitör olarak yüksek kararlılığa sahip ve sıcaklık katsayısı
düşük küçük devre elemanları bulmak mümkündür , ancak küçük devre elemanı olarak üretilen indüktörler ferit
çekirdekli olup sıcaklık katsayıları ve gerilim bağımlılıkları yüksektir. Bu projede yüksek kararlılığa sahip
standartlar gerektiğinden bu tip indüktörler kullanılmamıştır. Bunun yerine boyutları büyük olsa da toroidal hava
çekirdeğe sahip GenRad 1482 tipi indüktans standartları kullanılmıştır. Bu standartların gerilim bağımlılıkları
çok düşüktür ve sıcaklık katsayıları yaklaşık 40 µH/H/◦C ’dir. Bu standartların hem maliyeti yüksek olduğundan
hem de boyutları büyük olduğundan bir indüktans standardına iki adet direnç seri bağlanarak bir kutunun içinde
iki adet faz standardı Şekil 2’de görüldüğü gibi gerçekleştirilmiştir. İndüktans standardına seri bağlanan dirençler
metal film dirençlerdir. Direnç bağlantıları indüktans standart kutularının içi açılarak standardın Low terminal
ucuna bağlanmış ve kutunun kapağı faz standardındaki bağlantılara uygun olarak yeniden üretilmiştir. Pozitif faz
standartları da 4-terminalli ve ekranlı olacak şekilde üretilmiştir. Şekil 2’de verilen faz standardının empedans ve
açı eşitliği Eşitlik 3 ve 4’te verilmiştir. İndüktans ve direnç değerleri Eşitlik 4’ten hesaplanmıştır.
(3)
(4)
Şekil 2. Pozitif Faz standardı şematik gösterimi
Pozitif faz standartlarında kullanılan direnç ve indüktans değerleri Tablo 2’de verilmiştir.
URSI-TÜRKİYE’2014 VII. Bilimsel Kongresi, 28-30 Ağustos 2014, ELAZIĞ
Tablo 2. Pozitif faz standartlarında kullanılan direnç ve indüktans değerleri
R
108 Ω
36 Ω
10,8 kΩ
3,6 kΩ
L
10 mH
10 mH
1H
1H
+30◦
+60◦
+30◦
+60◦
3. Faz standartlarının sıcaklık kontrollü hale getirilmesi
3.1 Mekanik Tasarım
Faz standartlarının yapımında seçilen devre elemanlarının sıcaklık bağımlılıkları düşük olmakla birlikte
hedeflenen 1 derece sıcaklık değişimine karşılık milyonda 0,1’den düşük olmasıdır. Bu nedenle faz standartları
kısa dönem sıcaklık değişimi 1 mK olacak şekilde sıcaklık kontrollü hale getirilmiştir.
Negatif faz standartları küçük olduğundan iki adet faz standardı kutusunu . Şekil 3’de görüldüğü gibi metal bir
kutunun içine yerleştirilmiştir. Sıcaklık yalıtımı için strafor kullanılmıştır. Standartları yaklaşık 33◦C’de kararlı
hale getirebilmek için esnek Omega KHLV-202/2-P model ısıtıcılar, standart kutularının alt yüzeyine hava
boşluğu kalmayacak şekilde yapıştırılarak birbirine seri bağlanmıştır. İki adet API GB1074U-3-0 model NTC
(negative sıcaklık katsayısı ) tipi sıcaklık sensörü standart kutusunun üzerine arada hava boşluğu kalmayacak
şekilde yerleştirilmiştir. Hava boşluğu kalması sıcaklık kararlığının 10 mK mertebesine kadar çıkmasına sebep
olmaktadır. Pozitif faz standartları için de içinde direnç eklenmiş GR 1482 model İndüktans standardı, ısı
yalıtımı için ahşap bir kutunun içine yerleştirilmiş ve iki kutu arasına da 5 cm kalınlığında strafor eklenmiştir.
Standartları yaklaşık 30 ◦C’de kararlı hale getirebilmek için Omega SRFG-406/2-P ısıtıcılar indüktans
standardının 4 yüzeyine monte edilmiş ve birbirine seri bağlanmıştır. Bu standartta da iki adet sıcaklık sensörü
indüktans standardının yüzeyine monte edilmiştir.
Şekil 3 Negatif ve Pozitif Faz standartlarının
dış görüntüsü
Şekil 4 Sıcaklık control devresinin elektrik
şeması
3.2 Elektronik tasarım
Elektronik kontrol devresi Şekil 4’te görüldüğü gibi Wheatstone köprüsü ,fark yükselteci, integrator, yükselteç
ve akım sürücü kısımlarından oluşan bir PI devresidir. Wheatstonen köprüsünün bir kolunda NTC tipi sıcaklık
sensörü vardır. Köprüdeki diğer dirençler çalışma sıcaklığına bağlı olarak metal film tipi dirençlerden
belirlenmiştir. Wheatstone köprüsünde ayarlanan noktadan olan fark gerilimi geri beslemeli sisteme hata gerilimi
olarak girmektedir. Devre bu hata gerilimini sürekli düşürecek şekilde çalışmaktadır [2].
4. Sonuç
Bu proje kapsamında 36 Ω - 1 MΩ aralığında dirençler kullanarak ±30◦ ve ± 60◦ değerlerinde 10 adet faz
standardı üretilmiştir. Faz standartları sıcaklık kontrollü hale getirilerek standartların kısa dönem sıcaklık
kararlılıkları yaklaşık ±1 mK mertebesinde elde edilmiştir. Uzun dönem kararlılıkları izlenecektir.
Kaynaklar
[1] Palafox L.“AIMQuTE: Automated Impedance Metrology extending the Quantum Toolbox for Electricity”
Metlologia, Kasım 24-27 2013 Portekiz Brezilya
[2] Gülmez G., Gülmez Y., Turhan E., Özkan T.”Temperature controlled system for inductance standard”
Conference on Precision Electromagnetic Measurements, Mayıs 14-19 2000, Sidney-Australya
Download

155