Kalibrierung – Toleranzen und Messergebnisse
Einführung
Wenn Kunden ISO/IEC 17025-zertifizierte Kalibrierlaboratorien mit der Erstellung von Kalibrierberichten für Danisense-Stromwandler beauftragen, ist es wichtig, dass die Kunden eine aktive Entscheidung darüber treffen, ob die Kalibrierberichte nur die gemessene Genauigkeit des Stromwandlers angeben sollen, oder ob auch Erklärungen über die Konformität mit bestimmten Spezifikationen auf der Grundlage vordefinierter Entscheidungsregeln abgegeben werden sollen. Im letzteren Fall sind die Anforderungen an das Kalibrierungslabor in der Norm ISO/IEC 17025 eindeutig festgelegt:
“Wenn der Kunde für die Prüfung oder Kalibrierung eine Konformitätserklärung mit einer Spezifikation oder Norm verlangt, müssen die Spezifikation oder Norm und die Entscheidungsregel klar definiert sein. Die gewählte Entscheidungsregel ist dem Kunden mitzuteilen und mit ihm abzustimmen, es sei denn, sie ist in der verlangten Spezifikation oder Norm enthalten.”
Bei Danisense sind wir der Meinung, dass es in den Fällen, in denen Konformitätserklärungen gemäß dem obigen Absatz erforderlich sind, wichtig ist, dass der Kunde aktiv an der Definition der Toleranzspezifikation beteiligt ist, um sicherzustellen, dass der Kalibrierungsbericht den vom Kunden gewünschten Wert hat. Wir können zwischen diesen beiden Fällen unterscheiden:
- Konformitätserklärungen für den Stromwandler werden im Hinblick auf die spezifischen Kundenanforderungen geschrieben, die sich aus der Kundenanwendung ergeben, oder
- Die Konformitätserklärungen für den Stromwandler beziehen sich auf die allgemeinen Spezifikationen des Datenblatts
In beiden Fällen können Kunden, die sich aktiv für Spezifikationen entschieden haben, die für die Konformitätserklärungen für den Messwertaufnehmer verwendet werden sollen, diese Zahlen auch verwenden, um ein Kalibrierungslabor zu wählen, das Kalibrierungsunsicherheiten liefern kann, die viel niedriger sind als die berechneten Spezifikationen, die für ihre Anwendung erforderlich sind. Letzteres hilft zu vermeiden, dass die vordefinierten Entscheidungsregeln zu nicht schlüssigen Konformitätserklärungen führen.
In den folgenden Abschnitten wird beschrieben, wie Sie die Toleranzspezifikationen auf der Grundlage allgemeiner Datenblattdaten berechnen können, falls der Kunde keine Spezifikationen zur Verfügung stellen kann, die aus der speziellen Anwendung des Stromwandlers stammen.
Gerätekonfigurationen für die Kalibrierung
Es gibt grundsätzlich drei verschiedene Gerätekonfigurationen, die kalibriert werden können.
- Stromwandler mit Stromausgang
- Stromwandler mit Spannungsausgang
- Stromwandler mit Stromausgang + DaniSense System Interface Unit(DSSIU) mit Spannungsausgangsmodul(VOM)
Die Konfigurationsoptionen werden im folgenden Artikel sowie im Handbuch beschrieben:
Stromwandler mit Stromausgang
Kalibrierlabore bieten dem Kunden oft zwischen 5 und 10 Messpunkte an. Allerdings gibt es in dieser Hinsicht keine Norm, so dass der Kunde die Messpunkte frei wählen kann. Es sind lediglich die technischen Randbedingungen der Laborausrüstung zu berücksichtigen.
Sobald die zu prüfenden Stromwerte bestimmt wurden, kann die Genauigkeit gemäß dem Datenblatt berechnet werden. Die Genauigkeiten für den DS200ID Stromsensor werden unten berechnet. Die erforderlichen Werte finden Sie auf Seite 2 des Datenblatts.
Die erforderlichen Parameter sind in der folgenden Abbildung rot markiert. Die Genauigkeitsberechnung wird unten für ein DC-Signal durchgeführt.
Der folgende absolute Fehler ergibt sich für 15 A oder 5 % des primären Nennstroms DC:
Mit dieser Formel ist es möglich, den absoluten Fehler in mA für alle Testpunkte zu berechnen. Die Toleranz kann auch als prozentualer Fehler definiert werden
Stromwandler, die auf der firmeneigenen Flux-Gate-Technologie von Danisense basieren, sind recht robuste und langlebige Produkte, aber Stress und Alterung der physikalischen Materialien während des Gebrauchs können die Leistung auf lange Sicht geringfügig beeinträchtigen. Bei der Kalibrierung gebrauchter Geräte können diese Alterungsprozesse in die Toleranzgrenzen einbezogen werden. Die Offset-Stabilität im Laufe der Zeit
können Sie dem Datenblatt entnehmen. Dieser Parameter kann auch zu dem absoluten Fehlerwert 𝜖𝑡𝑜𝑡 addiert werden. Dies führt zu einer entsprechenden Berechnungsformel.
Es ist sicherlich unwahrscheinlich, dass sich der Parameter “Stabilität über die Zeit” nur in eine Richtung mit dem angegebenen Maximum bewegt und somit den größtmöglichen Fehler erzeugt. Aus diesem Grund berücksichtigen einige Benutzer diesen Parameter nur mit einer berechneten Wahrscheinlichkeit. Die obige Formel kann jedoch verwendet werden, um das Worst-Case-Szenario gemäß dem Datenblatt zu berechnen.
Um die Kommunikation mit den Kalibrierlaboratorien zu erleichtern, sollte der Kunde seine eigenen erforderlichen Toleranzwerte definieren und diese in der Bestellung für das Kalibrierlabor angeben. Wenn die Messwerte innerhalb dieser relevanten Toleranzwerte liegen, können die Kunden den Stromwandler weiterhin in ihrer Anwendung verwenden.
Stromwandler mit Spannungsausgang
Um einen Spannungsausgang direkt aus dem Gehäuse des Stromwandlers zur Verfügung zu stellen, wird ein Spannungsausgangsmodul(VOM) direkt im Gehäuse installiert. Das Spannungssignal kann über ein Standard-BNC-Kabel an der BNC-Buchse mit dem jeweiligen Messinstrument verbunden werden.
Stromwandler mit Spannungsausgang haben in der Regel etwas höhere Fehlerwerte aufgrund der zusätzlichen – Umwandlung des sekundären Strom- in ein Spannungsausgangssignal im Stromwandler selbst, die andernfalls auf der Benutzerseite mit etwa der gleichen Genauigkeitsverschlechterung durchgeführt werden müsste. Der eingebaute Messwiderstand führt auch dazu, dass die Fehlerwerte des Verhältnisses im Laufe der Zeit aufgrund der Drift der physikalischen Komponenten ansteigen können.
Im Datenblatt werden diese zusätzlichen Alterungsprozesse mit dem Parameter “Ratio stability” angegeben. Wenn also ein Gerät, das bereits eine gewisse Zeit vom Kunden verwendet wurde, kalibriert werden muss, sollte dieser Parameter bei der Berechnung der Fehlertoleranzen ebenfalls berücksichtigt werden.
Für neue Geräte kann das gleiche Verfahren wie für Stromwandler mit Stromausgang verwendet werden.
Formel zur Berechnung der Fehlergrenzen für neue Geräte mit Spannungsausgang:
Formel zur Berechnung der Fehlergrenzen der verwendeten Geräte mit Spannungsausgang:
Wie am Ende des vorherigen Kapitels beschrieben, ist dies ein Worst-Case-Szenario. Es liegt im Ermessen des Kunden, welche Toleranzwerte er benötigt und wie er die Parameter “Offset-Stabilität über die Zeit” und “Verhältnis-Stabilität” berücksichtigt. Die obige Formel ist das Worst-Case-Szenario gemäß dem Datenblatt.
Strommesswandler mit DaniSense System InterfaceUnit (DSSIU)
In dieser Konfiguration befindet sich das Spannungsausgangsmodul(VOM) im DSSIU-6-1U-V. Der Spannungsausgang wird über die Mini-XLR-Buchse (3) bereitgestellt.
Im Prinzip können die VOMs im DSSIU-6-1U-V ohne einen zugehörigen Stromwandler kalibriert werden. Dazu wird über den D-SUB-Anschluss ein Stromsignal an den Prüfling angelegt, das dem Stromausgangssignal des zu verwendenden Stromwandlers entspricht. Die Testpunkte werden im Voraus mit dem Kunden vereinbart.
Die Toleranzwerte für die implementierten Module finden Sie im Datenblatt des DSSIU-6-1U-V. Achten Sie auch hier auf die Komponentendrift in VOMs und stellen Sie daher sicher, dass die Stabilität über die Zeit bei den Toleranzberechnungen berücksichtigt wurde.
Bitte beachten Sie, dass sich die hier angegebenen Parameter auf die folgenden Werte beziehen.
Offsetfehler | ppm bezieht sich aufIPN DC
Verhältnisfehler | ppm bezieht sich auf den Messwert
Es wird jedoch empfohlen, den Stromwandler in Verbindung mit der Systemeinheit zu kalibrieren. Dadurch wird die gesamte Strommesskette bis hin zum Messgerät kalibriert. In diesem Fall werden die Stromwandler den einzelnen Kanälen zugewiesen.
Kalibrierungsmessungen und Ergebnisse
Für einige Anwendungen sind Konformitätserklärungen erforderlich. In diesem Fall schickt der Kunde die Strommesswandler an ein nach IEC 17025 akkreditiertes Prüflabor, das entsprechende Genauigkeitsmessungen anbietet. Im Prinzip ist es Sache des Kunden, die erforderlichen Toleranzgrenzen (einzuhaltende Genauigkeitswerte) zu definieren. Häufig werden die Toleranzgrenzen anhand der Datenblätter der Stromwandler für die einzelnen Messstellen berechnet und in den jeweiligen Konformitätserklärungen als Entscheidungsgrundlage dokumentiert.
Jedes nach IEC 17025 akkreditierte Prüflabor muss auch die Messunsicherheit angeben, die für die einzelnen Messpunkte besteht. Dementsprechend werden die Messwerte oft grafisch mit der zugehörigen Messunsicherheit dargestellt.
Das obige Diagramm zeigt, dass nur die Messung A mit einer Wahrscheinlichkeit von 100 % innerhalb der Toleranzgrenzen liegt. Bei Messung B besteht das Risiko, dass der gemessene Wert aufgrund der großen Messunsicherheit ebenfalls außerhalb der Toleranzgrenze liegt. Dies bedeutet, dass eine falsche Entscheidung über die Konformität getroffen werden kann.
Um dies bei der Auswertung der Messergebnisse sichtbar zu machen, wurden “nicht-binäre Aussagen” eingeführt. So kann das Messergebnis B aus der obigen Abbildung mit einem “bedingten Pass” statt mit einem “Pass” bewertet werden. Diese Bezeichnung macht sofort deutlich, dass das Messergebnis eine Restwahrscheinlichkeit enthält, dass der Stromwandler doch außerhalb der Toleranzgrenzen liegt.
Oft sind die Messunsicherheiten größer als die berechneten Toleranzgrenzen des Stromwandlers. Dies kann zu “Conditional Fail”-Bewertungen führen. Aufgrund der geringeren Messunsicherheiten in anderen Kalibrierlaboratorien besteht oft eine hohe Wahrscheinlichkeit, dass der Stromwandler trotz dieser Bewertung innerhalb der Toleranzgrenzen gemäß den Spezifikationen des Datenblatts liegt.
Um eindeutige binäre Bewertungen von Laboren zu erhalten, deren Messunsicherheiten im Verhältnis zu den Toleranzgrenzen als hoch eingestuft werden, empfiehlt Danisense, die Messunsicherheiten bei der Berechnung der Toleranzgrenzen zu berücksichtigen.
Diese Empfehlung lässt sich am besten anhand eines realen Beispiels veranschaulichen. Ein DC-Kalibrierungsbericht der DS600ID enthält zum Beispiel die folgenden Messergebnisse.
Die gemessene Abweichung von und einschließlich 20 % des primären Nennstroms liegt über der im Datenblatt festgelegten Toleranz. In den oben genannten Formeln zur Berechnung der Gesamtgenauigkeit des Stromwandlers erhalten wir ein Ergebnis in A. Es ist sehr üblich, die Abweichung in % des gemessenen Wertes Ireading anzugeben. Mit den folgenden Formeln ist es möglich, die positiven und negativen maximalen Toleranzwerte in % zu berechnen.
Maximale Toleranzen in % der I-Ablesung laut Datenblatt:
Die Datenblatttoleranz kann nun mit der doppelten Messunsicherheit des Labors in beiden Richtungen der Y-Achse addiert werden. Die Formeln lauten wie folgt.
Für einen besseren Überblick ist es sinnvoll, die gemessene Abweichung mit der berechneten Messunsicherheit anzuzeigen. Der Vollständigkeit halber sollten hier auch die Formeln erwähnt werden.
Das folgende Diagramm zeigt die Messwerte des Stromwandlers DS600ID, die vom Kalibrierlabor ab 20% des Nennstroms als “Conditional Fail” bewertet wurden. Die roten Kreuze liegen außerhalb der berechneten Toleranzwerte. Die Messunsicherheiten sind jedoch im Verhältnis zu den Toleranzgrenzen als hoch zu bewerten.
Die dunkelblauen Toleranzgrenzen für den Stromwandler wurden jeweils um das Doppelte der Messunsicherheit des Labors für die jeweiligen Messpunkte erhöht. Die horizontalen grünen Balken stellen die angepassten Toleranzgrenzen dar. Das Kalibrierungslabor ist nun in der Lage, klare binäre Aussagen zu machen.
Besondere Aspekte der AC-Kalibrierung
Die Berechnung der Genauigkeit von AC-Signalen erfolgt nach demselben Schema, auch wenn die Berechnungsformel für den Gesamtfehler DC- und AC-Effektivwerte enthält.