Precyzyjne rezystory o małych wartościach rezystancji (przyjmuje się zwykle, że są to wartości ≤ 10 Ω spełniają w przyrządach i układach pomiarowych najczęściej funkcję przetworników prądu na napięcie. Zakres zastosowań rezystancyjnych przetworników prądu na napięcie w obwodach prądu przemiennego (AC) jest bardzo szeroki. Jednym z najważniejszych obszarów zastosowań są pomiary w elektroenergetyce. Rezystory AC (boczniki) stanowią ważny element torów pomiarowych m.in. takich przyrządów jak analizatory, rejestratory i mierniki parametrów jakości energii elektrycznej, przetworniki mocy i prądu, amperomierze, watomierze, fazomierze, multimetry cyfrowe, elektroniczne liczniki energii elektrycznej. Stosowane są również w kalibratorach prądów i mocy, urządzeniach elektroenergetycznej automatyki zabezpieczeniowej, prądowych sondach oscyloskopowych, jako obciążenie przekładników prądowych, itp.

Rosnące wymagania związane z zapewnieniem odpowiedniej jakości energii elektrycznej powodują wzrost zapotrzebowania na przyrządy o zwiększonej dokładności pomiaru w coraz szerszym paśmie częstotliwości. W odniesieniu do rezystorów wzorcowych AC powoduje to konieczność pomiaru ich rezystancji z niepewnością rzędu 10 µΩ/Ω w paśmie częstotliwości akustycznych. Ponadto wymagana jest coraz częściej znajomość nie tylko rezystancji AC, czy też modułu impedancji rezystora, ale również argumentu impedancji rezystorów, na podobnym poziomie niepewności.

W ramach projektu rozwojowego opracowano system pomiarowy do wzorcowania rezystorów wzorcowych o małych wartościach rezystancji, w tym powszechnie stosowanych w przemyśle boczników (rezystorów AC), w zakresie częstotliwości akustycznych. System składa się z generatora i digitizera zrealizowanych w oparciu o wysokiej klasy komercyjne moduły PXI firmy National Instruments oraz opracowanych przez autorów bloków funkcjonalnych systemu: wzmacniacza transkonduktancyjnego i precyzyjnych transformatorów pomiarowych oraz wzmacniaczy pomiarowych. Praca systemu jest nadzorowana przez komputer PC z wykorzystaniem specjalistycznego, zrealizowanego w środowisku LabWindows/CVI, oprogramowania. Najważniejsze parametry sytemu pomiarowego:

• zakres rezystancji wzorcowanych rezystorów: 0,001 Ω – 10 Ω,
• zakres częstotliwości pomiarowych: 40 Hz – 10 kHz,
• maksymalna wartość prądu pomiarowego 10 A (RMS),
• pomiar rezystancji AC (składowej czynnej impedancji) oraz stałej czasowej wzorcowanego rezystora,
• względna niepewność standardowa pomiaru rezystancji AC (składowej czynnej impedancji):
  • o 0,001 Ω – 0,1 Ω → 500 ppm – 100 ppm
  • o 1 Ω – 10 Ω → 10 ppm,
• możliwość porównań rezystorów wzorcowych czterokońcówkowych (four terminal 4T) i czterokońcówkowych współosiowych (four terminal coaxial – 4C).

Poszczególne elementy (bloki funkcjonalne) wchodzące w skład systemu pomiarowego tj. generator z digitizerem, wzmacniacz transkonduktancyjny, bufory napięciowe mogą pracować niezależnie i dzięki temu mogą być wykorzystane w wielu innych układach pomiarowych. Generator i digitizer może być wykorzystany jako osobny system pomiarowy do precyzyjnego pomiaru zespolonego stosunku napięć. Dzięki zastosowaniu sekwencyjnej metody pomiaru zespolonego stosunku napięć, która wykorzystuje tylko jeden kanał digitizera, uzyskano możliwość wyznaczanie charakterystyk częstotliwościowych amplitudowych i fazowych badanych układów z niepewnością na poziomie kilku ppm w zakresie częstotliwości (40÷10000) Hz. Między innymi taki system może być stosowany do precyzyjnych badań właściwości metrologicznych wzmacniaczy i transformatorów pomiarowych. Wzmacniacz transkonduktancyjny jest kolejnym elementem systemu, który może być traktowany jako osobny produkt i stosowany w innych układach pomiarowych. Wzmacniacz transkonduktancyjny charakteryzuje się pasmem częstotliwości od 40 Hz do 20 kHz, maksymalnym prądem wyjściowym 10 A (RMS) oraz pięcioma zakresami transkonduktancji: 0,1, 1, 2, 3 i 4 A/V. Cechą wyróżniającą zrealizowany w ramach projektu rozwojowego wzmacniacz transkonduktancyjny jest możliwość płynnej regulacji (z 16-bitową rozdzielczością) stałej transkonduktancji na każdym z zakresów. Konstrukcja wzmacniacza jest na tyle elastyczna, że stosunkowo prostymi środkami można zwiększyć jego zakres częstotliwości roboczych i maksymalny prąd wyjściowy.

Aktualnie trwają prace przygotowujące system do wdrożenia w Laboratorium Wzorców Wielkości Elektrycznych Głównego Urzędu Miar w Warszawie.

    

• dr hab. inż. Wiesław Miczulski, prof. UZ
• dr hab. inż. Ryszard Rybski, prof. UZ - kierownik projektu
• dr inż. Leszek Furmankiewicz
• dr inż. Janusz Kaczmarek
• dr inż. Mirosław Kozioł
• dr inż. Mariusz Krajewski

Literatura   

[1] Rybski R., Kaczmarek J., Kozioł M.: A high-resolution PXI digitizer for a low value resistor calibration system. IEEE Trans. on Instrumentation and Measurement, 2013, Vol. 62, no. 6, s. 1783 - 1788.

[2] Rybski R., Kaczmarek J., Kozioł M.: Characterization of a digitizer for a low value resistor calibration system in the audio-frequency band. Conference on Precision Electromagnetic Measurements - CPEM 2012. Washington, DC, USA, 2012, IEEE Conference Publications, 2012, s. 580 – 581, ISBN: 978-1-4673-0442-9.

[3] Rybski R., Kaczmarek J., Kozioł M.: A study of the metrological properties of a two-channel sampling module for an AC standard resistor calibration system. Przegląd Elektrotechniczny, Nr 1a. 2013, s. 78-80.

[4] Rybski R., Kaczmarek J., Kozioł M.: Cyfrowy generator napięcia sinusoidalnego do dokładnych pomiarów impedancji. Prace Komisji Metrologii Oddziału Polskiej Akademii Nauk w Katowicach - (Konferencje; 15), 2011, s. 168 - 171.

[5] Rybski R., Kaczmarek J., Kozioł M.: Aktywny transformator izolujący do zastosowań w pomiarach dokładnych w paśmie akustycznym. Pomiary, Automatyka, Kontrola, 2013, Vol. 59, nr 4, s. 323 – 325.