Informations techniques

Performance du pont de mesure thermométrique à résistanceétalon primaire type CTR9000 (F900)
Fiche technique WIKA IN 00.31

Le pont thermométrique à résistance étalon primaire type
CTR9000 est conçu spécifiquement pour les thermomètres
à résistance pour fournir la meilleure incertitude de mesure
de l’instrument possible. Les travaux sur la validation de laperformance ont duré un an et demi. Pendant ce temps, ungrand nombre d'essais a été effectué. Ce rapport fournit desdétails sur certains des tests clés utilisés pour déterminer lesaspects les plus critiques de la performance du CTR9000(F900).
Le travail a été réalisé dans le département de recherche etdéveloppement, qui n'est pas climatisé, les températuresambiantes ont donc varié entre environ 16 °C et 30 °C. Cetenvironnement ne convient pas pour la mesure électriquede précision. Il est donc réaliste de s'attendre à ce quele CTR9000 (F900) doive être égal ou supérieur à laperformance indiquée par ces tests lorsqu'il est utilisé dansla plupart des laboratoires de température, à condition quede bonnes mesures aient été effectuées.

Pont de mesure thermométrique à résistance étalonprimaire type CTR9000, version 20 ppb d'incertitude
de mesure de l’instrument

Précision
Un paramètre de performance clé pour le pont de mesure
thermométrique à résistance étalon primaire de type
CTR9000 (F900) est sa précision, car cela limite finalementl'incertitude d'étalonnage qui peut être atteinte en utilisant lepont.
La haute précision de ± 20 ppb revendiquée dans laspécification est difficile à valider. Cela est dû à l'incertitude
des tests utilisés et la difficulté de trouver des produits
appropriés pour être utilisés dans de tels tests.
Les approches suivantes ont été adoptées pour valider laprécision :Contrôle de cohérence interne
Le pont de mesure thermométrique à résistance étalon
primaire type CTR9000 (F900) utilise un transformateur deratio pour effectuer les mesures (figure 1) :Fiche technique WIKA IN 00.31 ∙ 03/2015

Figure 1 : Concept de mesure
Transformateur de ratio
I:nRSDétecteurRXPage 1 sur 6Les deux résistances RS et RX conduisent le même courant.
Le transformateur de ratio est utilisé pour équilibrer la tension
développée à travers une résistance inconnue (RX) contre
la tension à travers une résistance étalon connue (RS). Etant
donné que le ratio de la tension à travers le primaire et lesecondaire d'un transformateur idéal est égal au rapport dunombre de tours (n), le rapport des résistance RS et RX alorsétant égal au rapport du nombre de tours :RX = n ∙ RS (en équilibre)
Le transformateur de ratio est en fait composé d'une série detransformateurs mis en cascade. Chaque transformateur ades prises en intervalles décimaux (10:1, 10:2, 10: 3 ... 10: 9)
et fournit une décade de résolution pour le pont. Étant
donné que le secondaire comprend un certain nombre
d'enroulements individuels, il est possible de connecter deuxde ces enroulements “dos à dos” et d'utiliser un détecteur
sensible directement pour mesurer la différence entre eux.
Nous pouvons donc calculer les erreurs de linéarité qui
se produiraient lorsque les segments d'enroulement sontconstitués dans l'enroulement secondaire complet.

Cependant, cette approche ne soumet pas les enroulements
aux tensions communes auxquelles ils sont confrontés dansla pratique. Ceci est important car les relations complexesde capacité d'inter-enroulement vont injecter un courant
qui dépend de ces tensions de mode commun. L'approche
utilisée était donc la connexion de tous les segments dusecondaire dans leur arrangement prévu et la comparaisonde ceux-ci avec un enroulement de référence.
Le transformateur de ratio a deux enroulements“supplémentaires” qui conduisent normalement les décades
suivantes, et l'un de ces enroulements a été utilisé commeréférence dans la mesure.
La “décade” la plus importante fournit en fait un ratio jusqu'à
1,2 pour donner l'étendue requise pour la thermométrie.
Cette décade détermine effectivement la linéarité de mesure,
car c'est l'endroit où les signaux sont plus grands et, parconséquent, où les erreurs de ratio ont l'impact le plus fort
sur la mesure.
L'inter-comparaison d'enroulement a été faite sur cettedécade afin de confirmer la linéarité de mesure du pont demesure thermométrique à résistance. Les résultats (avec lesincertitudes de mesure) sont présentés dans la figure 2.

Figure 2 : Non-linéarité causée par des erreurs de transformateur de ratio

Erreur/ppb de UNITY+1,00,0Incertitude affichée avec k = 2-1,000,20,40,60,81

1,21,4Ratio
Ce test confirme que la non-linéarité provoquée par leserreurs de ratio dans le transformateur est inférieure à 1
ppb et est donc négligeable par rapport à la performance
spécifiée de 20 ppb.
Ce test mesure uniquement la linéarité ; il ne vérifie pas si
l'enroulement complet fournit précisément un ratio de l'unité.
Toute erreur dans les mesures de ratio du zéro ou de l'unitécontribue davantage à la précision de mesure totale réaliséepar le pont de mesure thermométrique à résistance.

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Cependant, il est facile de vérifier la performance de “l'unité”
en connectant la borne de potentiel pour RX à RS.
Il est également facile de vérifier la performance du “zéro”
en connectant un court-circuit à quatre bornes à la placede RX. Ces fonctions de test sont intégrées dans le pont etmises à disposition à l'aide des touches du panneau avant.
Elles fournissent un contrôle de performance de l'instrument
simple et utile.

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Vérification complémentaire
Bien que le pont de mesure à résistance étalon primairetype CTR9000 (F900) soit équipé d'une fonction d'auto-test
UNITY, il est nécessaire de vérifier la précision des mesuresde ratio lorsqu'on utilise de réelles résistances.
On peut atteindre ce but en reliant deux résistances devaleur similaire au pont et en mesurant le ratio, et ensuiteen échangeant les résistances et en mesurant le ratio une
nouvelle fois. Les ratio doivent être réciproques, de sorte quele produit des deux ratios doit être l'unité. L'erreur de mesure
est donc égale à la moitié de la différence entre le produitdes deux ratios et de l'unité.
Deux résistances Wilkins ont été utilisées lors des essais.
Bien que le coefficient de température et le coefficientde puissance de ces résistances soient faibles, ils sontsignificatifs au niveau de la mesure (ppb) sur laquelle nous
travaillons. L'interruption du courant vers les résistancesalors qu'on est en train de les échanger manuellement fait
que la température et donc la valeur des résistances vavarier de manière significative, ce qui sera suivi d'une duréede stabilisation relativement longue.

Cette difficulté a été surmontée dans les tests au moyen
de relais reed pour échanger les connexions vers lesrésistances en l'espace de quelques millisecondes, un lapsde temps qui est assez court pour n'avoir pas d'impact sur larésistance.
Le coefficient de température des résistances (2 ppm/°C)
signifie qu'un changement de 1 mK de température donne
une erreur de 2 ppb. Les résistances utilisées dans le test ont
donc été choisies pour avoir correspondu aux coefficients detempérature, elles ont été utilisées dans un environnementde température stable et les mesures ont été effectuées
rapidement afin de minimiser l'effet du coefficient detempérature sur la mesure.
Le résultat des vérifications complémentaires dans un certain
nombre de ponts de mesure thermométrique à résistance est
indiqué dans le tableau 1. Les vérifications complémentaires
confirment que la précision du ratio du pont à l'unité est
conforme aux spécifications.

Tableau 1 : Erreurs complémentaires mesurées

CTR9000 (F900) S/N

R1/R2

R2/R1

R1/R2 x R2/R1

Erreur/ppb7869005009

1,000037014

0,999963000

1,000000013-6,578669003007

1,000032194

0,999967804

0,999999997

1,57869001005

1,000035132

0,999964862

0,999999992

4

Comparaison avec un IVD retraçable
Bien que les calculs d'exécution et les mesures sur letransformateur de ratio indiquent que le pont de mesure
thermométrique à résistance étalon primaire type CTR9000(F900) atteint la précision indiquée, il était nécessaire detrouver un moyen de fournir une vérification de performancepour l'instrument entier qui était traçable par rapport auxétalons nationaux.
A cet effet, une unité de test de ratio (RTU) a été utilisée,qui est un diviseur inductif de tension (IVD) de notre propre
conception, est utilisée comme étalon de référence del'entreprise.
La RTU fournit des ratios à des multiples entiers d'onzièmes ;ce réglage de ratio particulier est utile car il exerce tous
les chiffres de chaque décade lorsqu'utilisé sur l'étendue
allant de zéro à l'unité et ainsi fournit une vérification
approfondie des prises de ratio. La RTU a été envoyée au
PTB (Physikalisch-Technische Bundesanstalt), le laboratoire
national d'étalonnage d'Allemagne.

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Les incertitudes (k = 2) pour les deux mesures sontprésentées par les “barres d'erreur”. Il est intéressant denoter que “l'erreur” du pont de mesure thermométrique àrésistance est une image miroir de “l'erreur” de l'étalonnagedéterminée par le PTB.
Ceci suggère que les “erreurs” d'étalonnage déterminées
dans ce test sont le résultat des “erreurs” dans les valeurs
attribuées par le PTB dans leur étalonnage et qu'elles nesont pas réelles. Cela ne signifie pas que les valeurs PTB
sont mauvaises, car les valeurs nominales ou de conception
pour la RTU sont confortables dans les incertitudes
déclarées par PTB.
Avec les incertitudes disponibles sur l'étalonnage PTB dela RTU, il est impossible d'utiliser uniquement ce test pourconfirmer la précision. Cependant, la relation d'image miroir
frappante entre les deux résultats en combinaison avec lescalculs de conception pour la RTU prouve qu'il est légitime
d'utiliser les ratios nominaux RTU dans le test.

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Comme WIKA utilise les valeurs nominales de conception
pour la RTU dans le test d'étalonnage, nous pouvons
constater que les erreurs sont très petites.
L'erreur maximale est seulement de 14 ppb et l'écart type est
de 5 ppb.

pont de mesure thermométrique à résistance atteignent
facilement la précision de 20 ppb déclarée. En outre,
la comparaison du pont de mesure thermométrique àrésistance par rapport à la RTU indique que la linéarité del'instrument entier est conforme à sa spécification.

Les contrôles de cohérence interne confirment que lalinéarité des éléments clés dans le système de mesure duBruit
Bien qu'il ne fasse pas partie de la spécification formelle
de l'instrument, le niveau de bruit du pont de mesure
thermométrique à résistance étalon primaire type CTR9000(F900) est essentiel dans la détermination de l'incertituded'étalonnage qui peut être atteinte avec cet équipement.
Le pont de mesure thermométrique à résistance mesure
le rapport de résistance en équilibrant la tension à travers
les résistances connues et inconnues au moyen d'untransformateur de ratio. L'électronique complexe qui entourele transformateur sert à faire un “bootstrap” au transformateurde sorte que les courants magnétiques présents dans letransformateur ne chargent pas les résistances de manière
significative, car ceci conduirait à des erreurs de mesure. Ces
circuits ne font pas directement partie du circuit de mesure,donc leur contribution au bruit est limitée au bruit présent surles très faibles courants de polarisation consommés par lesamplificateurs qui sont reliés aux lignes de potentiel de larésistance RS.

Le détecteur de compensation à zéro utilisé contribueégalement au bruit de mesure. L'impédance de pont
est adaptée à l'impédance de bruit du détecteur par untransformateur pour optimiser le bruit de mesure. Pour untransformateur idéal, toute résistance “vue” à travers untransformateur a son impédance transformée dans une
proportion de 2 à 1.
Le bruit du système de détecteur (référé à l'entréed'amplificateur de détecteur) peut être considéré comme un
bruit de tension (VN) et un bruit de courant (IN) équivalent àcelui indiqué à la figure 3.
Le moyen le plus facile de déterminer la contribution du bruitde détection dans le bruit de mesure total est de référer lescomposants de bruit de détecteur à la position XX.

Figure 3 : Système d'adaptation de bruit utilisé
Transformateur de ratio
I:nA

Transformateur d'adaptation
d'impédance
I:mX

RS

Pré-amplificateur

VNBINXRX

DétecteurCAmplificateur deprotectionPont AC

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Détecteur avec adaptation d'impédance

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A ce point, l'impédance du pont est de :RB = RX + n ∙ 2 ∙ RS
Remarque :Lors de la mesure de faibles résistances (SPRT à hautetempérature ou applications cryogéniques), les résistancesde ligne sont importantes et doivent être incluses dans lecalcul de l'impédance de pont.
En vue de cette analyse, elles sont ignorées, donc le bruit VN
à X-X est donné par :VN ∙ 2 = [m ∙ IN ∙ RB] ∙ 2 + [ VN ] 2
La valeur optimale (la plus basse VN 2) pour m (réglagede transformateur) est déterminée en différenciant cetteexpression par rapport à m et en la réglant sur zéro afin dedonner :Bruit minimal lorsque :VN = m ∙ 2 ∙ R ∙ B
Lorsqu'on prend en considération qu'un transformateur
idéal transforme toute impédance par n2, il en résulte
que la performance de bruit optimale est obtenue
lorsque le transformateur adapte l'impédance de bruitdu détecteur à l'impédance du circuit de mesure. Cette
installation correspondant au bruit permet au pont demesure thermométrique à résistance d'approcher la limite
fondamentale de Bruit Johnson sur l'étendue normale demesure de résistance utilisée dans la thermométrie.

Un tableau Excel a été produit qui calcule le facteur debruit théorique pour le pont de mesure thermométrique àrésistance pour toute condition de fonctionnement (ceci peutêtre fourni aux clients du pont de mesure thermométriqueà résistance étalon primaire de type CTR9000 (F900) pouraider à prédire des bilans d'incertitude).
Celui-ci prédit que pour une résistance de 10 Ω mesurée à25 °C, le pont de mesure thermométrique à résistance (réglésur une impédance de 10 Ω) générerait un bruit de ratio RMSde 62 ppb à 0,7071 mA et de 9 ppb à 5 mA.
Les mesures correspondantes ont été effectuées à l'aide derésistances étalon Wilkins dans un bain d'huile stabilisé entempérature, avec les résultats indiqués dans le tableau 2.
Tableau 2 : Chiffres de bruit calculés et mesurés
Courant de test

Bruit RMS
calculéBruit RMS
mesuré

0,7071 mA

62 ppb57 ppb

5 mA

9 ppb

5 ppb

Les mesures confirment que le niveau de bruit du pont
de mesure thermométrique à résistance étalon primairetype CTR9000 (F900) est comme prévu par les calculs
de conception et s'approche le plus possible de la limite
fondamentale de Bruit Johnson.

Pour exemple :Le Bruit Johnson fondamental sur une sonde à résistanceétalon en platine (SPRT) de 25,5 Ω à 0 °C mesurée avec
une largeur de bande de 0,5 Hz est de 893 pV et le bruit demesure réalisable avec un CTR9000 (F900) correctement
configuré est équivalent à seulement 958 pV (seulement 7 %au-dessus de la limite fondamentale).

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Précision du courant de pont
La précision du courant de pont est importante en raison
de l'effet d'auto-échauffement dans une sonde à résistanceétalon en platine (SPRT). Cela fait que la résistance de laSPRT à une température définie est dépendante du courantde mesure dans une proportion qui est significative au niveaud'incertitude cible de 20 ppb.
La précision du courant de pont est donc importante si la
SPRT doit être utilisée comme une sonde étalon de transfert
à un courant déterminé, ou si le courant de pont doit êtremodifié pour permettre une extrapolation en retour vers larésistance de puissance nulle. Le courant de pont a étémesuré à l'aide d'un multimètre Keithley 2000 pour mesurer
la tension développée à travers une résistance Wilkinsétalonnée.
Les erreurs entre le courant mesuré et le courant attendu
pour tous les réglages de pont sont indiquées au tableau 3.
Ce test confirme que la précision du courant se trouve,confortablement, dans les Ω ±0,1 % spécifiés.

Tableau 3 : Erreur de courant du pont
Réglage de courant du pont en mA

Erreur en %50√20,01

20√20,01

50

-0,01

20-0,0110√20,02

100,05

5√2-0,02

5-0,042√2-0,03

2-0,04√2-0,01

10,02

0,5√20,01

0,5-0,010,2√20,000,2-0,010,1√20,020,10,05

Conclusion
Le pont de mesure thermométrique à résistance est conçu
pour être aussi protégé contre les effets environnementaux
que possible (en particulier le bruit électrique et latempérature). Il devrait donc être possible aux utilisateursd'atteindre la performance en question.
Il est toutefois important pour les utilisateurs de mettre enplace le pont de mesure thermométrique à résistance étalon
primaire correctement afin de réaliser cette performance.
En particulier, les utilisateurs doivent régler le gain de pontcorrectement (comme indiqué dans le mode d'emploi).

© 2016 WIKA Alexander Wiegand SE & Co. KG, tous droits réservés.
Les spécifications mentionnées ci-dessus correspondent à l'état actuel de la technologie au moment de l'édition du document.
Nous nous réservons le droit de modifier les spécifications et matériaux.

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09/2016 FR based on 03/2015 ENComme édicté au début, les résultats de test ci-dessus sontune sélection limitée des tests complets effectués sur le pont
de mesure thermométrique à résistance étalon primaire type
CTR9000 (F900) sur les derniers 18 mois.
Cependant, ces tests sont ceux qui mettent en question
les critères de performance les plus importants pour cet
instrument (précision, bruit et précision de courant de pont).
Ces tests confirment que la performance de ce pont demesure thermométrique à résistance se trouve bien dans sa
spécification de performance.