Razvoj merilnega postopka za kalibracijo referenčnih kondenzatorjev

Pomemben del dejavnosti področja Meroslovje je razvoj novih merilnih postopkov. V okviru razvojnih dejavnosti smo razvili novi postopek za kalibracijo referenčnih kondenzatorjev do frekvence 30 MHz.

Na področju Meroslovje že vrsto let opravljamo akreditirane kalibracije merilnikov LCR. Merilniki LCR so inštrumenti, ki se uporabljajo za merjenje induktivnosti, kapacitivnosti in upornosti pasivnih elektronskih komponent. V preteklosti je večina merilnikov LCR omogočala meritve do merilne frekvence približno 1 MHz. Potrebe industrije so privedle do razvoja nove generacije merilnikov LCR, ki omogočajo izvajanje meritev pri frekvencah, ki presegajo več deset MHz. Tehnološkemu napredku sledimo tudi kalibracijski laboratoriji z razvojem akreditiranih postopkov, ki zagotavljajo sledljive kalibracije tudi za najbolj zmogljive inštrumente.

Za izvedbo kalibracije merilnika LCR je treba natančno in meroslovno sledljivo poznati vrednosti referenčnih etalonov, ki so uporabljeni pri kalibraciji. V ta namen uporabljamo referenčne upore, kondenzatorje in tuljave, ki smo jih pošiljali na kalibracijo v tujino. Kalibracija referenčnih kondenzatorjev pri višjih frekvencah je zelo zahtevna in dolgotrajna. Posledično jo lahko izvaja le majhno število nacionalnih meroslovnih inštitutov po svetu. Odločitev za razvoj lastnega postopka kalibracije referenčnih kondenzatorjev smo sprejeli zaradi dolgih čakalnih dob kalibracije in zmanjšanja tveganja med transportom.

Razvoj novega merilnega postopka smo pričeli s temeljitim pregledom relevantne znanstvene literature. V literaturi smo identificirali več postopkov, ki bi bili primerni za kalibracijo kondenzatorjev. Odločili smo se za postopek, ki je obetal najmanjšo merilno negotovost in ga je bilo mogoče realizirati z merilno opremo, ki jo imamo v laboratoriju. V merilnem postopku smo uporabili teoretični model referenčnega kondenzatorja, katerega kapacitivnost pri višjih frekvencah je odvisna od vrednosti devetih elementov, ki sestavljajo model. Vrednosti šestih elementov smo določili neposredno iz meritev in izračunov njihovih lastnosti pri nižjih frekvencah. Vrednosti treh elementov pa posredno iz visokofrekvenčnih meritev z uporabo vektorskega analizatorja vezij in računalniških simulacij.

Iz visokofrekvenčnih meritev izračunamo kapacitivnost s precejšno negotovostjo, zato smo numerično simulirali vrednosti treh neznanih parametrov in izračun modela prilagodili visokofrekvenčnim meritvam. Omenjeni korak postopka ni bil opisan v znanstveni literaturi in je predstavljal našo inovacijo, ki poskrbi za zmanjšanje negotovosti končnega izračuna kapacitivnosti. Po končanem razvoju smo postopek verificirali
s primerjavo s tujim nacionalnim meroslovnim inštitutom, kar nam je omogočilo, da smo pridobili akreditacijo za meritve referenčnih kondenzatorjev do frekvence 30 MHz z mednarodno primerljivo majhno merilno negotovostjo.

Rezultat novo razvitega postopka je, da lahko nudimo strankam akreditirano kalibracijo njihovih referenčnih kondenzatorjev in učinkoviteje nudimo storitev kalibracije merilnikov LCR.