A&T 2016, Torino Lingotto Fiere Sessione specialistica del 20 aprile 2016, ore 12:20 - 13:30 Relatori: Pierpaolo Capra, Flavio Galliana, Roberto Cerri, Marco Lanzillotti, Luca Roncaglione (INRIM)

1. Nuovi campioni e sistemi di misura elettrici
di alto livello per applicazioni metrologiche e
per confronti di misura interlaboratorio
Pier Paolo Capra, F. Galliana, R. Cerri,
M. Lanzillotti, L. Roncaglione
INRIM, Torino, Italy
A & T 2016 – Lingotto
TORINO 20-21 Aprile 2016

2. INRIM – Compiti istituzionali
L’INRIM svolge le funzioni di istituto metrologico primario in Italia. Alcuni tra i
suoi compiti istituzionali si riassumono in:
• ricerca finalizzata alla realizzazione dei campioni primari delle unità di base e
derivate del Sistema Internazionale SI;
• disseminazione della unità SI mantenute;
• confronto a livello internazionale e nazionale dei campioni realizzati.

3. Allo scopo di far fronte ai compiti istituzionali che prevedono il mantenimento e il
trasferimento della riferibilità l’INRIM compie studi e ricerche per la costruzione di
campioni materiali e strumenti di misura. Nel caso di campioni di grandezze elettriche le
proprietà ricercate sono:
INRIM – Compiti istituzionali
• Stabilità a breve e lungo termine
• coefficienti di temperatura estremamente contenuti
• elevata resistenza a parametri di influenza ambientale
• elevata resistenza alle sollecitazioni meccaniche
• possibilità di uso come campioni viaggiatori per confronti interlaboratorio (ILC’s)

4. Prototipi di campioni elettrici
Campione di tensione continua con
valori selezionabili da 10 V a 100 V a
basso rumore ed elevata stabilità
Resistori campione da 1 Ω e 10 kΩ a
elevata stabilità a breve e lungo termine,
dotati di un controllo attivo della
temperatura

5. Artifact Calibration
Con il termine Artifact Calibration si identifica un processo per il trasferimento
della riferibilità elettrica a partire da un limitato numero di campioni materiali.
La strumentazione che implementa questa tecnologia è caratterizzata da
procedure di taratura più semplici, accurate e meno onerose economicamente
delle tecnologie
Fluke Calibrator 5700 Series
Agilent Digital Multimeter 3458A
10V DC
1 Ω
10 kΩ
Artifact Standards

6. INRIM Artifact Standards
Fluke Calibrator 5700 Series
Agilent Digital Multimeter 3458A1÷100V THVS
1 Ω - 10 kΩ
INRIM Artifact
Standards
GPIB
GPIB
Il prototipo INRIM dispone di funzioni specifiche sviluppate per l’artifact
calibration, per l’uso come campione viaggiatore e come riferimento di prima
linea di un laboratorio.

7. Campioni di resistenza
I due campioni di resistenza sono
ottenuti con delle reti resistive
collegate in modo da ridurre il
coefficiente di potenza. L’unità
elettronica di interfaccia e di controllo
termico è separata dai campioni per
ridurre i disturbi elettrici.
Tramite un computer è possibile leggere ed
impostare la temperatura del contenitore
termico dei resistori, con la possibilità di
effettuare delle correzioni del valore di
resistenza. Il sistema di controllo mantiene il
valore dell’ultima taratura e può effettuare
correzioni per ridurre gli effetti della deriva
temporale

8. 1.00129770
1.00129775
1.00129780
1.00129785
1.00129790
1.00129795
1.00129800
0 20 40 60 80 100
No. measurements
Resistance(ohm)
-0.005
-0.004
-0.003
-0.002
-0.001
0.000
0.001
0.002
0.003
0.004
0.005
Temperatura(°C)
R (ohm)
T (°C)
Campioni di resistenza
Il resistore da 1 ohm mostra una
stabilità a breve termine confrontabile
con quella di un campione mantenuto
in bagno d’olio, dell’ordine di 4×10–8.
La stabilità ottenuta è parzialmente
dovuta al sistema di controllo termico
dei morsetti voltmetrici.
La stabilità a medio temine, valutata a
circa 6 mesi dalle fasi di assemblaggio
e costruzione. L’andamento mostra un
fenomeno transitorio che spesso si
presenta in seguito a stress meccanici
prodotti in fase di costruzione.

9. 9.9998450
9.9998460
9.9998470
9.9998480
9.9998490
9.9998500
0 20 40 60 80 100 120
No. measurements
Resistance(kohm)
-0.003
-0.002
-0.001
0.000
0.001
0.002
0.003
Temperature(°C)
R (ohm)
T (°C)
-0.10
-0.05
0.00
0.05
0.10
0 50 100 150 200
Relativevariation(x10-6)
measurement days
10 kΩ standard
Il resistore da mostra una stabilità a
medio termine molto elevata, dovuta
non solo all’effetto del controllo
termico ma anche ad un lungo
periodo di invecchiamento
La stabilità del resistore da 10 kohm, a
breve termine, valutata in circa 5×10–8 ,
è confontabile con quella che si ottiene
con un resistore campione ad elevata
stabilità (10 kΩ Standard ESI mod.
SR104)
Campioni di resistenza

10. Campione decadico di tensione continua
Specifiche tecniche
•stabilità confrontabile a quella di calibratori di tensione continua o
multifunzione di elevato livello;
•elevata attitudine al trasporto, adatto per confronti interlaboratorio;
•Alimentato a batteria opera in modalità flottante, con significativa riduzione
del rumore di modo comune dovuti alla rete;
•rumore in uscita estremamente contenuto, normalmente inferiore a calibratori
dc alimentati a rete
•Primo prototipo di una versione espandibile fino a 1000 V già in fase di
sperimentazione;

11. Schema di principio del riferimento THVS
Doppia alimentazione
rete o a batterie Utilizza dei DC‐DC
converter
Riferimento di tensione
ad elevata stabilità
Massa
flottante
Potenza costante
sul regolatore di
potenza in uscita.
Componentistica
di controllo
operante in bassa
tensione

12. THVS a confronto con due calibratori a 100 V
-2.5
-2.0
-1.5
-1.0
-0.5
0.0
0.5
1.0
1.5
0 10 20 30 40 50 60 70
(Ore)
Scartorelativodalvaloreiniziale(ppm)
THVS
DATRON4000
FLUKE5440B

13. Specifiche elettriche THVS
• tensioni d’uscita decadiche fino a 100 V impostabili mediante un selettore
esterno sul pannello frontale per mezzo di deep switches;
• rumore d’uscita a 100 V ≤ 36 μV rms con funzionamento a rete;
• rumore d’uscita a 100 V ≤ 26 μV rms con funzionamento a batteria;
• correnti d’uscita ≤ 5 mA;
• stabilità valutata a 24h pari a 4.6×10–8 da confrontare con l’analoga
stabilità di 9.5×10–8 e 1.4×10–7 di due calibratori di tensione continua
presi in esame;
• stabilità valutata a 180gg pari a 1.4×10–6.

14. Conclusioni
Strumenti e campioni di grandezze elettriche sono stati costruiti all’INRIM e
confrontati con dispositivi equivalenti di tipo commerciale. Le specifiche
elettriche ottenute sono, dello stesso ordine di grandezza e in alcuni casi
migliori dei dispositivi equivalenti.
I prototipi INRIM sono più semplici, meno costosi e progettati per poter
essere utilizzati facilmente come campioni viaggiatori.
A causa dei risultati positivi ottenuti con il campione di tensione continua
fino a 100 V la sperimentazione proseguirà con l’estensione fino a 1000 V

15. fine
GRAZIE!
Pier Paolo Capra p.capra@inrim.it
Flavio Galliana f.galliana@inrim.it
Roberto Cerri r.cerri@inrim.it
Marco Lanzillotti m.lanzillotti@inrim.it
Luca Roncaglione l.roncaglione@inrim.it