Nauwkeurigheid handhaven bij wisselende temperatuur

Er wordt steeds vaker gevraagd naar zeer nauwkeurige transducers voor industriële toepassingen die optimale prestaties moeten leveren. Denk hierbij aan medische apparatuur, zoals scanners en MRI-machines, nauwkeurige motorcontrollers, intelligente verbruiksmeters, meettoebehoren en testapparatuur. De meeste van deze toepassingen maken al gebruik van nauwkeurige transducers, maar met een beperkt werktemperatuurgebied van +10 tot +50 ˚C, terwijl veel nieuwe toepassingen om een breder temperatuurgebied vragen, uiteraard met behoud van de hoge nauwkeurigheid. Een goed voorbeeld hiervan zijn de testsystemen voor auto’s.

 

Het ontwerpen en produceren van stroom- en spanningstransducers is het bestaansrecht van fabrikant LEM, ongeacht de hindernissen die moeten worden genomen met betrekking tot de prestaties. Het bedrijf is al jarenlang actief in het ontwerpen en produceren van transducers met hoge prestaties, voor standaard marktsegmenten. Niettemin was het een hele uitdaging om een reeks krachtige transducers voor een breder temperatuurgebied te bouwen, waarbij prestaties en betrouwbaarheid moesten zijn gegarandeerd voor een omgevingstemperatuur van -40 tot +85 ˚C bij hoge nauwkeurigheidsniveaus. Het resultaat van de ontwikkelingsinspanningen: de Ultrastab IT 65-S, IT 205-S, IT 405-S en de IT 605-S.

 

Deze transducers leveren niet alleen een hoge nauwkeurigheid over hun hele temperatuurgebied, maar kunnen ook alle soorten signalen meten - DC, AC, pulserend en samengesteld - en voorzien in galvanische isolatie tussen de primaire (hoge spanning) en secundaire circuits (elektronica). Alhoewel ze zijn ondergebracht in compacte behuizingen, voldoen ze aan de tegenwoordig aan vermogenselektronica gestelde eisen met betrekking tot elektromagnetische compatibiliteit, met goede immuniteit voor externe elektriciteit, magnetisme en elektromagnetische velden.

 

Ze voldoen ook aan andere verplichte prestaties voor specifieke toepassingen, zoals lage emissie, snelle reactietijd, grote bandbreedte, lage faseverschuiving en lage ruis. Bij dit alles moeten een hoge betrouwbaarheid en lange levensduur zijn gegarandeerd door het ontwerp en de productiekwaliteit.

 

Fluxgate

Deze meest recente serie is nog steeds gebaseerd op de fluxgate-technologie, waarbij een zelf-oscillerende frequentie wordt toegepast. Zelfs als de frequentie enigszins varieert, garandeert deze technologie een correcte verzadiging van de fluxgate, ongeacht de omgeving met betrekking tot temperatuurschommelingen en veroudering. Ook worden de prestaties over de hele levensduur van het product gegarandeerd en over het bredere werktemperatuurgebied.

 

Deze betrouwbaarheid wordt bereikt dankzij LEM's interne ontwerpregels die al worden toegepast in industriële marktsegmenten. Hiertoe behoren het houden van de maximale junctietemperatuur onder de worst case van +125 ˚C bij maximale omgevingstemperatuur, minimale belastingsweerstand en maximale voedingsspanning. Extra opvulmateriaal bleek noodzakelijk om vermogensverliezen te dissiperen en om elke opwarming rond elektronicacomponenten te voorkomen. Deze ontwerpregels geven voldoende marge om de betrouwbaarheidsniveaus hoog te houden, zelfs onder ruwe bedrijfsomstandigheden en bredere werktemperatuurgebieden.

 

De nauwkeurigheid van de meting wordt niet alleen bepaald door de tolerantie van de meetweerstand, maar is ook sterk afhankelijk van de gevoeligheid van de fluxdetector. Echter, ondanks de nauwkeurigheid van de DC-meetfunctie, kleven er enkele tekortkomingen aan dit DC-meetsysteem, zie figuur 1. Als de wikkeling D van de fluxdetector wordt gekoppeld met de compensatiewikkeling S, wordt de toegevoerde blokgolfvormige spanning opnieuw geïnjecteerd in de compensatiewikkeling en dit veroorzaakt een parasitaire stroom in de meetweerstand. Echter, de blokgolfvormige spanning die door deze flux wordt geïnduceerd in de wikkeling S kan praktisch geheel worden onderdrukt als er een tweede wikkeling D' (identiek aan D) wordt gemonteerd op een tweede detectorkern binnenin de compensatiewikkeling S. De overblijvende flux (de som van de tegengestelde fluxen in D en D') zal bijzonder kleine spanningspieken opwekken, waardoor het overblijvende signaal correleert met de fluxgate excitatie.

Figuur 1. Technologie van de serie Ultrastab IT xx5.

 

Het magnetische gedeelte van de transducer wordt schematisch aangegeven door de drie kernen in figuur 1. Een vierde wikkeling W wordt tussen de compensatiewikkeling S op de hoofdkern gewikkeld om het frequentiebereik van het transformatie-effect uit te breiden naar lagere frequenties. Deze wikkeling is aangesloten op een integrator die de uitgangsstroom aanpast via de vermogensversterker om daarmee te compenseren voor de te lage geïnduceerde spanning in een frequentiegebied dat te hoog is voor de fluxgate detector.

 

De serie Ultrastab ITxx5  is volledig gespecificeerd voor het nieuwe werktemperatuurgebied van -40 tot +85 ˚C; het resultaat is te zien in de figuren 2 en 3. Hieruit blijkt dat de drift van de offset zeer laag is en dat er bijna geen drift van de lineariteit plaatsvindt over het hele temperatuurgebied, hetgeen resulteert in een totale (globale) nauwkeurigheidsafwijking (X_G) van minder dan 30 ppm bij -40 tot +85 ˚C omgevingstemperatuur, zie figuur 4.

 Figuren 2 en 3. Elektrische offsetdrift en lineariteitsfout van -40 tot +85 °C - IT 605-S model - gemeten in ppm van I_PN.

 

 

Figuur 4. Totale nauwkeurigheidsafwijking van -40 tot +85 ˚C - IT 605-S model - in ppm van I_PN.

 

Al deze specificaties zijn gemeten tijdens typetesten met voldoende aantallen voor ±3σ waardeberekeningen om te kunnen garanderen dat de waarden in de specificatiebladen kloppen.

 

Dankzij het toepassen van een magnetische kern uit een ijzer-nikkel legering en een perfecte homogeniteit van het wikkelproces is de nauwkeurigheid voor wisselspanningsmetingen (AC) bijzonder goed. In figuur 5 is de totale nauwkeurigheid voor AC-metingen van de IT 605-S bij kamertemperatuur weergegeven.

Figuur 5. Totale nauwkeurigheidsafwijking in AC - IT 605-S model - in ppm van I_PN bij kamertemperatuur.

 

Dit materiaal en het specifieke wikkelproces dragen ook bij aan het bereiken van een grote bandbreedte en een zeer lage faseverschuiving zoals dat in de figuren 6 en 7 is afgebeeld.

Figuren 6 en 7. Amplitude- en fasegedrag ten opzichte van de frequentie  - IT 605-S model.

 

Deze frequentiegedragingen kunnen worden bereikt door het combineren van drie verschillende technieken, zie ook figuur 8:

 

Figuur 8. Drie technieken voor een grote bandbreedte en een kleine faseverschuiving.

 

• Fluxgate van DC tot aan de lage frequenties (enkele Hz);
• pick-up spoel, werkend als een Rogowsky spoel die begint bij zeer lage frequenties en die de kleine fout compenseert die ontstaat door de stroomtransformator; en
• de stroomtransformator die werkt tot enkele honderden kHz.

 

Test- en meetinstrumentenmarkt

Test- en meetapparatuur vormt een van de toepassingen die vraagt om een breder werktemperatuurgebied. Bij het kwalificeren van het rendement van op vermogenselektronica gebaseerde apparatuur, zoals inverters/omvormers voor hybride en elektrische voertuigen, windturbines of solarsystemen, of industriële inverters/omvormers en motoren, levert dit niet alleen het gewenste rendement op bij de omgevingstemperatuur - hetgeen kan worden aangetoond bij de testcyclussen - maar ook het rendement over het hele werktemperatuurgebied tijdens praktisch gebruik.

 

Voor het behalen van het beste rendement moet op vermogenselektronica gebaseerde apparatuur zodanig worden ontworpen dat alle gebruikte componenten worden geoptimaliseerd met betrekking tot hun verliezen. Rendementsmetingen voor vermogenselektronica en stuurcomponenten hebben baat bij een zo nauwkeurig mogelijk vermogensmeetsysteem.

 

De zeer nauwkeurige stroomtransducers van LEM in de serie IT Ultrastab worden al jarenlang toegepast voor vermogensanalyses en rendementsberekeningen over een beperkt temperatuurgebied van +10 tot +50 ˚C. De nieuwe stroomtransducers kunnen dezelfde werking garanderen, maar nu over het bredere temperatuurgebied van -40 tot +85 ˚C.

 

Actief vermogen

Het actieve vermogen wordt berekend uit de gemeten stroom- en spanningswaarden. De nauwkeurigheid van de vermogenswaarde is hoofdzakelijk afhankelijk van twee parameters:

 

• 1. De nauwkeurigheid van de gemeten stroom en spanning (amplitudefout); en
• 2. De fasefout die wordt veroorzaakt door de faseverschuiving tussen de spanning en de stroom.

 

Voor stroommeting boven enkele ampères zijn zeer nauwkeurige stroomtransducers nodig als interfaces die zijn aangesloten op de vermogensanalysator. De fasefout (faseverschuiving) is een factor die niet kan worden verwaarloosd in deze toepassing. Inderdaad, de invloed van een fasefout neemt toe met het verslechteren van de arbeidsfactor (power factor).

 

Bij een arbeidsfactor van 1,0 is er geen faseverschuiving tussen stroom en spanning (de arbeidsfactor = cosinus ϕ (phi) als I en U sinusvormige functies zijn in de tijd gezien); phi is de faseverschuiving tussen I en U. Een faseverschuiving van slechts 1˚ zou resulteren in een arbeidsfactor van 0,9998 bij een kleine vermogensfout van slechts 0,2%. Bij een arbeidsfactor van 0,1 is de faseverschuiving tussen spanning en stroom al 84˚. Een extra fasefout van 1˚ die wordt veroorzaakt door een instrument of een transducer zou een enorme vermogensfout van 17,4% veroorzaken.

Dit verklaart de noodzaak voor de hoge nauwkeurigheid en lage faseverschuiving van stroom metende hulpmiddelen.

 

Bovendien moeten vermogensmeters zeer nauwkeurig zijn om het vermogen te kunnen meten aan de ingang en uitgang van de apparatuur die wordt getest omdat het niet mogelijk is om de verliezen rechtstreeks te meten. De verliezen worden dan berekend uit de beide waarden. In het slechtste geval (worst case) zijn de fouten van beide metingen tegengesteld. Dit probleem wordt groter met het rendement van de belasting. Elektrische stuurtrappen hebben een rendement van ongeveer 95% en inverters/omvormers halen tot 99%. Alleen zeer nauwkeurige instrumenten en stroomtransducers die zijn gekoppeld aan vermogensanalysatoren kunnen betrouwbare en acceptabele resultaten leveren.

 

Geoptimaliseerd

Geoptimaliseerde stroomtransducers voor vermogensmetingen over een breed werktemperatuurbereik van -40 tot +85 ˚C, zoals de nieuwe Ultrastab ITxx5-reeks van LEM, combineren alle eisen die aan stroomtransducers voor vermogensmetingen worden gesteld. Offset en lineariteit over het totale temperatuurgebied liggen in het 36 tot 400 ppm bereik voor offset in temperatuur en van 8 tot 12 ppm voor lineariteit in temperatuur; de waarden zijn afhankelijk van het gebruikte model. Een nauwkeurigheid van 1 ppm komt overeen met 0,0001%. Omdat de offset zo klein is, kunnen de transducers worden gebruikt vanaf enkele ampères, en verder kan één model volstaan om het totale gewenste stroommeetbereik te omvatten. Bij andere transducers die verschillende technologieën gebruiken zou het toepassen van meerdere transducers nodig zijn om hetzelfde bereik te bestrijken en om dit nauwkeurigheidsniveau te halen over het hele bereik. Dit levert een niet te verwaarlozen prijsvoordeel op.

 

De fasefout van alle typen ITxx5 transducers bevindt zich ruim beneden een minuut, hetgeen overeenkomt met 1/60 graad. De transducers zijn allemaal galvanisch geïsoleerd. De gelijkstroom (DC) kalibraties zijn mogelijk tot 16 000 A dankzij LEM's ISO 17025 gecertificeerde laboratorium.

 

Michel Ghilardi (R&D programmamanager voor LEM) en Horst Bezold (Signaltec)