10. časť; Séria N4L: Chápanie kalibrácie výkonu – 10 otázok a odpovedí

Vzhledem ke zvýšené složitosti moderních technik přeměny energie a měření výkonu v kombinaci s potřebou zlepšit efektivitu výrobků vyžadují inženýři energetické elektroniky větší jistotu přesnosti měřicího přístroje, než bylo v minulosti nutné.

Nie je to preto, že inžinieri sú dnes kritickejší ako predtým, je to nevyhnutný výsledok moderných technológií, ktoré zahŕňajú širšiu škálu frekvenčných komponentov a zároveň dosahujú úrovne účinnosti, ktoré sa v starších transpozíciách neočakávali ani nedosiahli.

V reakcii na túto rastúcu potrebu sa mnohí dodávatelia prístrojov zapojili do vzájomného predháňania v špecifikáciách svojich zariadení, ktoré často skôr mátajú ako pomáhajú potenciálnym užívateľom a môže byť takmer nemožné odvodiť zmysluplnú špecifikáciu alebo vykonať skutočné porovnanie rôznych meracích prístrojov.

Čoraz častejším prístupom je nasledovať príslovie, že pri meraní "mali by ste veriť tomu, čo je dokázané, a nie tomu, čo sa tvrdí". O takomto prístupe je potrebné veľa povedať, pretože dôkazy sú omnoho presvedčivejšie ako marketingové tvrdenia, ale bez primeraného opisu vhodných techník a zrozumiteľnosti údajov zostáva šanca prejsť od problému zavádzajúcej špecifikácie výrobku k zavádzajúcej definícii zmysluplnej kalibrácie.

Poskytnutím odpovedí na 10 bežných otázok má tento dokument za cieľ rozptýliť niektoré nedorozumenia týkajúce sa kalibrácie a vysvetliť, kde kalibrácia prináša alebo neprináša hodnotu inžinieri, ktorý sa snaží nájsť najvhodnejšie riešenie pre potreby merania.

1.Zlepšuje kalibráciu presnosti prístroja?  

Jednoduchá odpoveď je: nie

V oblasti metrológie je kalibrácia procesom porovnania odčítania meracieho zariadenia s hodnotou známeho zdroja alebo "štandardu" merania. Vysledovateľnosť normy a postupy použité pri kalibrácii ovplyvnia úroveň ponúkanej kalibrácie, ale akákoľvek kalibrácia je len porovnaním s iným zariadením so známou presnosťou.

Je možné, že kalibračné laboratórium bude ponúkať aj nastavovaciu alebo optimalizovaciu službu (čo v prípade záujmu N4L štandardne robí), ale to sa líši od procesu kalibrácie a ak nie je výslovne definované, mali by ste predpokladať, že kalibráciou sa nedosiahne žiadna zmena presnosti prístroja, jednoducho potvrďte, aká je súčasná presnosť.

2. Sú si všetky kalibrácie rovné?

Opäť nie.​

Norma používaná v kombinácii s akreditáciou laboratória a súvisiacimi procesmi určí úroveň kalibrácie, ktorú môže laboratórium alebo poskytovateľ služieb ponúknuť.

"Norma" je známy a vysledovateľný referenčný bod a vyššie úrovne kalibrácie kombinujú neistotu ich štandardu (štandardných hodnôt) s kvantifikovateľnou nepresnosťou kalibračného systému a preukázanou opakovateľnosťou kalibrovaného produktu. Pomocou štatistickej analýzy týchto údajov sa odvodí celková "neistota" s definovanou "úrovňou spoľahlivosti" nad definovaným rozsahom merania.

Na najvyššej úrovni kalibrácie bude laboratórium akreditované podľa ISO 17025 a táto akreditácia bude spravovaná akreditačným orgánom, ktorý je v Spojenom kráľovstve UKAS, "Akreditačná služba Spojeného kráľovstva". V Českej republike ČIA “Český akreditační inštitút ”

3. Musí byť kalibrácia akreditovaná podľa ISO 17025, aby mala vypovedateľnú hodnotu?

Závisí to od konkrétneho účelu kalibrácie.

Ak používateľ potrebuje len overiť, či výrobok zostáva v tolerancii, ktorú možno ľahko preukázať vonkajšou dostatočne známou presnosťou, a neexistuje požiadavka na vysledovateľnosť kalibrácie nad rámec tohto odkazu, potom by nebolo potrebné hľadať vyššiu úroveň pro kalibrácie.

Ak sa vyžaduje zdokumentovaná vysledovateľnosť, na dosiahnutie "vysledovateľnej" kalibrácie sa môže použiť kalibrácia proti kalibrátoru certifikovanému podľa ISO 17025. Kalibrátor s certifikáciou ISO17025 sa niekedy označuje ako "sekundárna norma" a je to vysledovateľný odkaz, pretože je kalibrovaný podľa "primárnej normy". Použité zariadenia a menovitá presnosť výsledkov uspokoja väčšinu aplikácií, kde sa nevyžaduje akreditovaná certifikácia. Ak sa vyžaduje najvyššia úroveň kalibrácie a musí sa akreditovať, napríklad v prípade meracích výrobkov, ktoré sa majú použiť ako vysledovateľná norma, tento merací výrobok musí byť kalibrovaný a certifikovaný "akreditovaným" laboratóriom IS O17025.

4. Ako môžem vedieť, že akreditované laboratórium ISO17025 je vhodné pre konkrétne potreby?

Ak akreditačný orgán vydá laboratórium s akreditáciou ISO17025, vždy sa tak stane s odkazom na definovaný "akreditačný harmonogram", niekedy nazývaný "rozsah akreditácie" alebo jednoducho "harmonogram". Harmonogram každého laboratória sa môže časom meniť a prevládajúci harmonogram pre každé akreditované laboratórium ISO17025 definuje vydávajúci akreditačný orgán. Napríklad najnovší akreditačný plán laboratória N4L je vždy uverejnený na webovej stránke UKAS.
Z toho vyplýva, že vhodnosť laboratória na akúkoľvek špecifickú kalibráciu by mala byť založená na špecifických množstvách stanovených v akreditačnom pláne, a nielen na skutočnosti, že laboratórium je akreditované podľa ISO 17025.

Po nastavení niektorých základných princípov kalibrácie sa teraz zameriavame na kalibračné otázky špecificky spojené so svetom presnej analýzy výkonu.

5. Prečo sa výrobky na meranie výkonu zvyčajne dodávajú bez osvedčenia o kalibrácii pokrývajúceho celý frekvenčný rozsah?

Je to čiastočne spôsobené históriou výkonových aplikácií, kde frekvencia záujmu bola prevažne o sinusovú vlnu 50 / 60 Hz s fázovým posunom medzi napätím a prúdom, a čiastočne preto, že komerčne dostupné kalibračné systémy nepokrývali dodnes s dostatočnou presnosťou frekvenčný rozsah, cez ktorý sú moderné analyzátory výkonu povinné pracovať.

6. Ako môže dodávateľ meracieho prístroja bez úplnej kalibrácie podporiť požadovanú špecifikáciu? 

Termín "splnenie špecifikácií už od návrhu" sa bežne používa a je životaschopným procesom. Existuje mnoho príkladov výrobkov, ktoré sa spoliehajú na súlad so špecifikáciou už od návrhu, a to buď preto, že nie je praktické poskytovať kalibráciu pre každý výrobok, alebo preto, že špecifikácia bola dostatočne preukázaná vo fáze validácie návrhu, aby tvrdila, že kalibrácia pre každý ďalší výrobok nie je potrebná.Žiaľ, existuje mnoho prípadov, keď sa argument "špecifikácia podľa návrhu" používa na odôvodnenie nekalibrácie bez akéhokoľvek dôkazu, že návrh bol v ktorejkoľvek fáze overený zmysluplným alebo vysledovateľným spôsobom. To vyvoláva odôvodnenú otázku: "Ako viete, že váš dizajn spĺňa špecifikáciu, ak nebol nikdy v praxi vysvätený?"

7. Je možné kalibrovať moderný analyzátor výkonu v jeho úplnom frekvenčnom rozsahu?

Áno.

Na základe spomínanej zásady, že "mali by ste veriť tomu, čo je preukázané, a nie tomu, čo sa tvrdí", používatelia môžu oprávnene očakávať, že prístroj bude kalibrovaný, t. j. preukázaný, v jeho úplnom rozsahu prevádzkovej frekvencie. Koniec koncov, ak používateľ zaplatil za širokopásmový merací prístroj, mohli by sme si predstaviť, že existuje záujem o preukázanú presnosť v tomto frekvenčnom rozsahu. Preto by som sa zdalo normálne očakávať, že kalibrácia celého rozsahu bude štandardným postupom pre presný merací prístroj, ale prekvapujúco sú N4L jediným výrobcom analyzátora výkonu, ktorý to urobil.

Vývoj kalibračných systémov, ktoré môžu do adjustovať a vysledovateľne overiť presnosť širokopásmových prístrojov na meranie výkonu, nie je triviálny, ale je určite možný, ak si to pridružený výrobca želá. 12 automatizovaných systémov, ktoré bežne kalibrujú všetky výrobky dodávané v ich prevádzkovom rozsahu, N4L dokazuje, že to možno vykonať, a potenciálny používateľ akéhokoľvek presného meracieho prístroja by to mal rozumne očakávať.

8. Prečo sa kalibrácia striedavého prúdu zvyčajne vykonáva len s excitačným signálom sinusoidnej vlny?

Keďže kľúčom ku kalibrácii prístroja je vysledovateľnosť a minimalizácia neistoty, kalibrácia striedavého prúdu zvyčajne zahŕňa len jednu frekvenčnú zložku. To platí najmä v prípade, keď kalibrátor generuje referenčný signál, pretože je relatívne ľahké overiť nízke skreslenie na čistej sinusovej vlne, ale takmer nemožné dosiahnuť podobnú úroveň dôvery na harmonicky skreslený signál.

9. Zabezpečí kalibrácia sinusovou vlnou na vysokú frekvenciu presnosť výkonu v aplikácii s deformovaným prietokom signálu?

Nie.

Vzhľadom na to, že väčšina presnej kalibrácie výkonu je založená na jednej frekvenčnej excitácii sinusovou vlnou, ako je uvedené vyššie, je jednoduché si predstaviť, že kalibráciou s radom frekvenčných bodov sinusových vĺn vo frekvenčnom rozsahu, ktorý zahŕňa harmonické zložky, by sme mohli predpokladať, že celková presnosť výkonu bude súčtom každej preukázanej frekvenčnej zložky. Žiaľ, tento predpoklad je zvyčajne nesprávny z dvoch kľúčových dôvodov.

• Po prvé, nemožno spoľahlivo predpokladať, že akékoľvek nastavenie presnosti merania preukázané v jedinom kalibračnom bode frekvencie bude rovnako platné pre komplexnú harmonickú vlnovú krivku rovnakej frekvencie.
• A po druhé, viac frekvenčných zložiek komplexného procesu môže interagovať spôsobom, ktorý nie je ekvivalentný kalibrácii jednej frekvencie.

Takže aj keď je výhodné kalibrovať na širokom spektre frekvencií, aby sa overila integrita meraní v celom frekvenčnom rozsahu, ako sme diskutovali vyššie, bolo by nesprávne vyhlásiť, že širokouhlá presnosť meradla, ktorý čelí vysoko skresleným priebehom, je týmto procesom spoľahlivo preukázaná.

10. Aký je najlepší spôsob na preukázanie presnosti širokopásmového výkonu pre neinusové aplikácie?

Hlavnou výzvou pre kalibráciu v prostredí, kde nemožno očakávať čistý priebeh sinus, je prekonať komplexný rad neistôt spojených s viacerými frekvenčnými a fázovými zložkami. Súčet všetkých neistôt komponentov takmer určite vedie k celkovej neistote väčšej, ako je kalibračný prístroj.

Tieto problémy sa prekonávajú prijatím techniky merania výkonu, ktorá nie je závislá ani od frekvencie, ani od fázy; Kalorimetria.

Kalorimetria je vo svete metrológie uznávaná ako optimálna referencia pre skutočné výkonové kalibrácie, pretože v elektrickom systéme, ktorý nevytvára žiadne svetlo, zvuk alebo vibrácie, budú skutočné elektrické watty produkovať len jednu formu energie, a to teplo.

Vzhľadom na to, že teplotu možno merať s mimoriadnou presnosťou, z toho vyplýva, že je možné dosiahnuť vysokú presnosť plne sledovateľnej kalibrácie výkonu bez závislosti od frekvencie alebo fázy, takže kalibrácia sa už neobmedzuje len na sinusové signály.

Zdroj: Understanding Power Calibration–10 Questions and Answers

https://www.newtons4th.com/wp-content/uploads/2021/04/APP038-Understanding-Power-Calibration.pdf [cit: 30.6.2021]

Ak máte nejaké otázky alebo potrebujete radu. Neváhajte nás kontaktovať na formulári uvedenom nižšie. Potrebujete kalibrovať prístroj? Môžete použiť naše laboratórium. Hľadáte naopak vhodný kalibrátor? Potom prejdite sem.

Všetky časti seriálu nájdete tu.