10. díl, N4L seriál: Porozumění kalibraci výkonu – 10 otázek a odpovědí

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.

Není to proto, že inženýři jsou dnes kritičtější než dříve, je to nevyhnutelný výsledek moderních technologií, které zahrnují širší škálu frekvenčních komponent a zároveň dosahují úrovně účinnosti, která se ve starších provedeních neočekávala ani jí nedosahovaly.

V reakci na tuto rostoucí potřebu se mnoho dodavatelů přístrojů zapojilo do vzájemného předhánění ve specifikacích svých zařízení, které často spíše matou, než pomáhají potenciálním uživatelům a může být téměř nemožné odvodit smysluplnou specifikaci nebo provést skutečné srovnání různých měřicích přístrojů.

Stále častější přístup je následovat rčení, že při měření "byste měli věřit tomu, co je prokázáno, a ne tomu, co se tvrdí". O takovém přístupu je třeba mnoho říct, protože důkazy jsou mnohem přesvědčivější než marketingové tvrzení, ale bez patřičného popisu vhodných technik a jasnosti údajů zůstává šance přejít od problému matoucí specifikace výrobku k matoucí definici smysluplné kalibrace.

Poskytnutím odpovědí na 10 běžných otázek si tento dokument klade za cíl rozptýlit některá nedorozumění týkající se kalibrace a vysvětlit, kde kalibrace přináší nebo nepřinese hodnotu inženýrovi, který se snaží stanovit nejvhodnější řešení pro potřebu měření.

1.Zlepšuje kalibrace přesnost přístroje?  

Jednoduchá odpověď je: NE.

V oblasti metrologie je kalibrace procesem porovnávání odečtu měřicího zařízení s hodnotou známého zdroje nebo "standardu" měření. Sledovatelnost normy a procesy použité při kalibraci ovlivní úroveň nabízené kalibrace, ale jakákoli kalibrace je pouze srovnáním s jiným zařízením se známou přesností.

Je možné, že kalibrační laboratoř bude také nabízet seřizovací nebo optimalizační službu (což v případě zájmu N4L standardně dělá), ale to se liší od procesu kalibrace a pokud není výslovně definováno, měli byste předpokládat, že kalibrací není dosaženo žádné změny přesnosti přístroje, jednoduše potvrdíte, jaká je stávající přesnost.

2. Jsou si všechny kalibrace rovny?

Opět ne.

Standard používaný v kombinaci s akreditací laboratoře a souvisejícími procesy bude určovat úroveň kalibrace, kterou může laboratoř nebo poskytovatel služeb nabídnout.

"Norma" je známý a sledovatelný referenční bod a vyšší úrovně kalibrace kombinují nejistotu jejich standardu (standardních hodnot) s kvantifikovatelnými nejistotami kalibračního systému a prokázanou opakovatelností kalibrovaného výrobku. Pomocí statistické analýzy těchto údajů se odvozuje celková "nejistota" s definovanou "úrovní spolehlivosti" nad definovaným pásmem měření.

Na nejvyšší úrovni kalibrace bude laboratoř akreditována iso17025 a tato akreditace je spravována akreditačním orgánem, který je ve Spojeném království UKAS, "Akreditační služba Spojeného království". V České republice pak ČIA
“Český institut pro akreditaci”

3. Musí být kalibrace akreditována podle ISO17025, aby měla vypovídající hodnotu?

To závisí na konkrétním účelu kalibrace.

Pokud uživatel potřebuje pouze ověřit, zda výrobek zůstává v toleranci, která je snadno prokázána vnějškem dostatečně známou přesností, a neexistuje požadavek na sledovatelnost kalibrace nad rámec srovnání s tímto odkazem, pak by nebylo nutné usilovat o vyšší úrovně pro kalibraci.

Je-li požadována zdokumentovaná sledovatelnost, lze k dosažení "sledovatelné" kalibrace použít kalibraci proti kalibrátoru s certifikací ISO17025. Kalibrátor s certifikací ISO17025 se někdy označuje jako "sekundární norma" a jedná se o sledovatelný odkaz, protože je kalibrován podle "primární normy". Použité zařízení a jmenovitá přesnost výsledků uspokojí většinu aplikací tam, kde není vyžadována akreditovaná certifikace.
Pokud je vyžadována nejvyšší úroveň kalibrace a musí být akreditována certifikace, například u měřicích produktů, které budou samy použity jako sledovatelná norma, musí být tento měřicí výrobek kalibrován a certifikován "akreditovanou" laboratoří IS O17025.

4. Jak mohu vědět, že akreditovaná laboratoř ISO17025 je vhodná pro konkrétní potřebu?

Pokud akreditační orgán vydá laboratoř s akreditací ISO17025, vždy se tak děje s odkazem na definovaný "harmonogram akreditace", někdy označovaný jako "rozsah akreditace" nebo jednoduše "harmonogram". Harmonogram každé laboratoře se může v průběhu času měnit a převládající harmonogram pro jakoukoli akreditovanou laboratoř ISO17025 je definován vydávajícím akreditačním orgánem. Například nejnovější akreditační plán laboratoře N4L je vždy zveřejněn na webových stránkách UKAS.
Z toho vyplývá, že vhodnost laboratoře pro jakoukoli specifickou kalibraci by měla být založena specifických množstvích definovaných v plánu akreditace, nikoli pouze na skutečnosti, že laboratoř je akreditována iso17025.

Po nastavení některých základních principů kalibrace se nyní zaměřujeme na kalibrační otázky specificky spojené se světem přesné analýzy výkonu.

5. Proč jsou produkty pro měření výkonu běžně dodávány bez kalibračního certifikátu pokrývající celý frekvenční rozsah?

To je částečně způsobeno historií výkonových aplikací, kde frekvence zájmu byla převážně o sinusovou vlnu 50/60 Hz s fázovým posunem mezi napětím a proudem, a částečně proto, že komerčně dostupné kalibrační systémy nepokrývaly dodnes s dostatečnou přesností frekvenční rozsah, přes který jsou moderní analyzátory výkonu povinny pracovat.

6. Jak může dodavatel měřicího přístroje bez úplné kalibrace podpořit nárokovanou specifikaci?  

Termín "splnění specifikace již od návrhu" se běžně používá a je životaschopným procesem. Existuje mnoho příkladů výrobků, které spoléhají na splnění specifikace již od návrhu, a to buď proto, že není praktické poskytovat kalibraci na každém výrobku, nebo byla specifikace dostatečně prokázána ve fázi validace návrhu, aby tvrdila, že kalibrace na každém následujícím výrobku není nutná.
Bohužel existuje mnoho případů, kdy se argument "specifikace podle návrhu" používá k odůvodnění neexistence kalibrace bez jakéhokoli důkazu, že návrh byl v jakékoli fázi ověřen smysluplným nebo sledovatelným způsobem. To vyvolává ospravedlnitelnou otázku: "Jak víte, že váš design splňuje specifikaci, pokud nikdy nebyl v praxi vyzkoušen?"

7. Je možné kalibrovat moderní analyzátor výkonu v jeho kompletním frekvenčním rozsahu?

Ano.

Na základě dříve zmíněného principu, že "byste měli věřit tomu, co je prokázáno, a nikoli tomu, co se tvrdí", mohou uživatelé důvodně očekávat, že přístroj bude kalibrován, tj. prokázán, v jeho úplném rozsahu provozní frekvence. Koneckonců, pokud uživatel zaplatil za širokopásmový měřicí přístroj, mohli bychom si představit, že existuje zájem o prokázanou přesnost v tomto frekvenčním rozsahu. Proto bych se zdálo normální očekávat, že kalibrace celého rozsahu bude standardním procesem pro přesný měřicí přístroj, ale překvapivě jsou N4L jediným výrobcem analyzátoru výkonu, který to udělal.

Vývoj kalibračních systémů, které do mohou adjustovat a sledovatelně ověřit přesnost širokopásmových přístrojů pro měření výkonu, není triviální, ale je jistě možný, pokud si to přidružený výrobce přeje. S 12 automatizovanými systémy, které běžně kalibrují všechny výrobky dodávané v jejich provozním rozsahu, N4L dokazuje, že to lze provést, a potenciální uživatel jakéhokoli přesného měřicího přístroje by to měl rozumně očekávat.

8. Proč se kalibrace střídavého proudu obvykle provádí pouze s excitačním signálem sinusové vlny?

Vzhledem k tomu, že klíčem ke kalibraci přístroje je sledovatelnost a minimalizace nejistoty, kalibrace střídavého proudu obvykle zahrnuje pouze jednu frekvenční složku. To platí zejména v případě, kdy kalibrátor generuje referenční signál, protože je relativně snadné ověřit nízké zkreslení na čisté sinusové vlně, ale téměř nemožné dosáhnout podobné úrovně důvěry na harmonicky zkresleném signálu.

9. Zajistí kalibrace sinusovou vlnou na vysoké frekvenci přesnost výkonu v aplikaci s deformovaným průběhem signálu?  

Ne.

Vzhledem k tomu, že většina přesné kalibrace výkonu je založena na jedno frekvenční excitaci sinusovou vlnou, jak je uvedeno výše, je snadné si představit, že kalibrací s řadou frekvenčních bodů sinusových vln v frekvenčním rozsahu, který zahrnuje harmonické složky, bychom mohli předpokládat, že celková přesnost výkonu bude součtem každé prokázané frekvenční složky. Tento předpoklad je bohužel obvykle nesprávný ze dvou klíčových důvodů.

• Za první nemůžeme spolehlivě předpokládat, že jakékoli nastavení přesnosti měření prokázané v jediném kalibračním bodě frekvence bude stejně pravdivé pro komplexní harmonickou vlnovou křivku stejné frekvence.
• A za druhé, více frekvenčních složek složitého průběhu může interagovat způsobem, který není ekvivalentní kalibraci jedné frekvence.

Takže i když je výhodné kalibrovat na široké škále frekvencí, aby se ověřila integrita měření v úplném frekvenčním rozsahu, jak jsme diskutovali výše, bylo by nesprávné prohlásit, že širokoúhlá přesnost měřicího přístroje, který čelí vysoce zkresleným průběhům, je tímto procesem spolehlivě prokázána.

10. Jaký je nejlepší způsob, jak prokázat širokopásmovou přesnost výkonu pro nesinusové aplikace?

Hlavní výzvou pro kalibraci v prostředí, kde nelze očekávat čistý průběh sinus, je překonat komplexní řadu nejistot spojených s více frekvenčními a fázovými složkami. Součet všech nejistot komponent téměř jistě vede k celkové nejistotě větší, než je kalibrační přístroj.

Tyto problémy jsou překonány přijetím techniky měření výkonu, která není závislá ani na frekvenci, ani na fázi; Kalorimetrie.

Kalorimetrie je ve světě metrologie uznávána jako optimální reference pro skutečné výkonové kalibrace, protože v elektrickém systému, který nevytváří žádné světlo, zvuk nebo vibrace, budou skutečné elektrické watty produkovat pouze jednu formu energie, a to teplo.

Vzhledem k tomu, že teplotu lze měřit s výjimečnou přesností, z toho vyplývá, že lze dosáhnout vysoké přesnosti plně sledovatelné kalibrace výkonu bez závislosti na frekvenci nebo fázi, takže kalibrace se již neomezuje pouze 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]

Pokud máte nějaký dotaz nebo potřebujete poradit. Neváhejte nás kontaktovat formulářem níže. Potřebujete zkalibrovat přístroj? Můžete využít naši laboratoř. Hledáte naopak vhodný kalibrátor? Pak přejděte zde.

Všechny díly seriálu najdete zde.