Hesaplanabilir AC Direnç Standardının 5 Mhz`e Kadar Modellenmesi ve Üretilmesi

Çınar M., Dolma A., Gülmez Y., Sakarya H., Erkan Ö., Celep M., Hesaplanabilir AC Direnç Standardının 5 MHz’e Kadar Modellenmesi ve Üretilmesi, EMO Bilimsel Dergi, Cilt 1, Sayı 2, Syf 75-82, Aralık 2011

Modelling and Development of Calculable AC Resistor Standard Up To 5 MHz

Mehmet ÇINAR1, Arif DOLMA2, Yakup GÜLMEZ1, Handan SAKARYA1, Ömer ERKAN1, Murat CELEP1

1 TÜBTAK Ulusal Metroloji Enstitüsü (UME)

[email protected], [email protected], [email protected], [email protected], [email protected]

2 Elektronik ve Haberleme Mühendislii Kocaeli Üniversitesi (KOÜ)

[email protected]

Özet

Bu çalımada, AC direnç kalibrasyonları için uluslararası alanda birincil seviye standart olarak kullanılan 1000 Ω bifilar tip hesaplanabilir AC direnç standardının üretilmesi amaçlanmıtır. 1000 Ω bifilar tip hesaplanabilir AC direnç standardının matematiksel modellemesi Matlab® programı kullanılarak 5 MHz’e kadar yapılmıtır. Matematiksel modelleme kullanılarak 1000 Ω bifilar tip hesaplanabilir AC direncin geometrik boyutları belirlenlenmi ve hesaplanabilir AC direncin üretimi gerçekletirilmitir. Hesaplanabilir AC dirence DC akım uygulanarak direncin kararlılıına etki eden hataların belirlenmesi için deneysel çalımalar yapılmıtır. 1000 Ω bifilar tip hesaplanabilir AC direnç standardının DC akım uygulanarak yapılan ölçümleri, TÜBTAK UME’de kurulu Quantum-Hall sistemine izlenebilir olarak gerçekletirilmitir. Tasarımı gerçekletirilen hesaplanabilir AC dirence, DC akım uygulanarak yapılan ölçümler sonucunda 1 ppm/gün kararlılık deeri elde edilmitir. Anahtar kelimeler: Hesaplanabilir AC direnç, zlenebilirlik, Kararlılık, Metroloji

Abstract

In this study, it is aimed to fabricate 1000 Ω bifilar type AC calculable resistance standard used as primary level reference AC resistance standard internationally. Mathematical modeling of 1000 Ω bifilar type AC calculable resistance standard is performed in Matlab® program up to 5 MHz. Geometrical dimensions of 1000 Ω bifilar type AC calculable resistance standard is determined using the mathematical modeling and fabricated according to the geometrical dimensions defined in the mathematical modelling. Experimental studies are performed to define the parameters affecting the stability of the resistance standard by applying a DC current onto the

resistance standard. DC resistance measurements of 1000 Ω bifilar type AC calculable resistance standard are traceable to the Quantum-Hall resistance installed in TÜBTAK UME (National Metrology Institute of Turkey). It is found that the stability of 1000 Ω bifilar type AC resistance standard is 1 ppm/day as a result of DC measurements. Keywords: Calculable AC Resistance, Traceability, Stability, Metrology

1. Giri

Deeri geometrik boyutları kullanılarak hesaplanabilen dirence hesaplanabilir AC direnç denir ve en basit ekilde eitlik (1)’de verildii gibi hesaplanmaktadır [1, 2].

Z

1 1  jL

jC

(1)

Burada, R direnç (Ω), L indüktans (H), C kapasitans (F) ve ω açısal frekans (rad/s)’tır.

R, L ve C parametreleri frekansa balı parametreler olduundan frekans yükseldikçe direncin hesaplanması zorlaır [1, 3].

Bu çalımada, matematiksel modelleme kullanılarak 1000 Ω bifilar tip hesaplanabilir AC direncin 5 MHz’e kadar DC-AC farkının en az olacak ekilde tasarlanması ve üretilmesi amaçlanmıtır. Gelitirilecek hesaplanabilir direncin metrolojik seviyede standart olarak kullanılması hedeflenmitir. Bu sebeple matematiksel modelde 5 kHz’de DC-AC frekans baımlılıı baıl olarak 10-8 ve DC akım uygulanarak yapılan ölçümleri sonucunda ppm seviyesinde kararlılıkta bir direnç tasarlanmak istenmektedir. Empedans ölçüm cihazlarının daha yüksek frekanslarda ölçüm alma kabiliyetlerinin artması nedeniyle AC direnç kalibrasyonlarında yüksek frekanslarda

ölçümlere ihtiyaç duyulmaya balanmıtır. Bu sebeple bu çalıma kapsamında 5 MHz’de hesaplanabilir AC direncin DCAC frekans baımlılıının seviyesinin belirlenmesi beklenmektedir.

1000 Ω Bifilar tip hesaplanabilir AC direnç standartlarının gelitirilmesi için matematiksel modellemeden yararlanarak tasarımdan kaynaklı hatalar en az seviyede tutulur [1, 4]. Matematiksel modellemede, Maxwell denklemlerinden elde edilen eitliklerin, Matlab® kullanılarak hesaplanması ile direncin geometrik boyutları belirlenmitir [3, 4]. 1000 Ω Βifilar tip hesaplanabilir AC direncin geometrik boyutları belirlenirken teller arası kapasitans, manyetik-elektrik ekran ile tel arasındaki kapasitans, telin kendi indüktansı, teller arasında oluan indüktans, topraa kaçak iletkenlik ve kapasitans, teller arasındaki kaçak iletkenlik ve kapasitans, deri etkisi, girdap akımlarından gelen olumsuz etkilerin deerleri en az olacak ekilde tasarım gerçekletirilmitir. Direnç telinin çapı, direnç telleri arasındaki mesafe, direnç telinin boyu, manyetik-elektrik ekranın çapı, manyetik-elektrik ekranın kalınlıı, manyetik-elektrik ekran malzemesinin özgüldirenci ve direnç telinin özgüldirenci tasarım parametreleri olarak alınmı ve bu deerler deitirilerek tasarım gerçekletirilmitir.

Hesaplanan geometrik boyutlara göre bifilar tip hesaplanabilir AC direncin üretimi gerçekletirilmitir. Direnç teli olarak isaohm kullanılmıtır [6]. saohm direnç telinin uçları manganin direnç telinin uçları ile birletirilmesinde kontak problemleri oluur [7, 8]. Bu çalımada kontak problemlerine çözüm üretmek amacıyla metanol kaynaı, nokta kaynaı, direnç telinin kaplanması ve geleneksel lehimleme yöntemleri denenmitir [7, 8]. Bu yöntemler kullanılarak direnç telleri birletirilmi ve numuneler hazırlanmıtır. Hazırlanan numunelerin kontak dirençleri, ppm (milyonda bir) seviyesinde hassasiyete sahip HP3458A model bir multimetre kullanılarak ölçüldü ve kararlılıkları izlenmitir. Bu çalımalar sonrası nokta kaynaı sistemi kullanılarak yapılan kontaklarda en küçük kontak direnci ve yüksek kararlılık deerleri elde edilmitir. Bu nedenle direnç tellerinin birletirilmesinde nokta kaynaı sisteminin kullanılarak kontakların birletirilmesi yöntemi tercih edilmitir. 4-terminal ölçüm noktasının tanımlandıı kontak noktalarında ise manganin ve bakır telleri kalay-gümübakır alaımlı lehim kullanılarak birletirilmitir.

Kontakların nokta kaynaı sistemi ile birletirilmesinden önce, birletirilecek isaohm ve manganin direnç tellerinin uçları kimyasal malzemeler kullanılarak kirlilikten arındırılmıtır [9]. Böylece, birletirme sırasında kirliliklerin neden olduu olumsuz durumlar bertaraf edilerek daha iyi kontak salanması ve direncin kararlılıının artırılması hedeflenmitir.

Direncin kararlılıını daha da artırmak için ısıl ilem uygulanır. [10]. Doru ısıl ilem yöntemi deneysel çalımalar ile belirlenmitir.

1000 Ω bifilar tip hesaplanabilir AC direncin kararlılıını belirlemek amacıyla DC akım uygulanarak ölçümler yapılmıtır. Ölçümlerde 0,01 ppm seviyesinde kararlılıkla ölçüm yapabilen MI6010B otomatik direnç ölçüm köprüsü ve referans DC direnç standartları kullanılmıtır. Gerçekletirilen ölçümler TÜBTAK UME’de kurulu Quantum-Hall sistemine izlenebilir olarak alınmıtır [11]. Ölçümler sonucunda 1000 Ω bifilar tip hesaplanabilir AC direnç standardının kararlılıı belirlenmitir.

2. 1000 Ω Bifilar Tip Hesaplanbilir AC Direncin Matematiksel Modelleme ile Geometrik Boyutlarının Belirlenmesi

Hesaplanabilir AC direncin frekans baımlılıı en az olacak ekilde matematiksel modellemesi yapılır [1, 13]. Bunun için direnç telinin çapı, direnç telleri arasındaki mesafe, direnç telinin boyu, manyetik-elektrik ekranın çapı, manyetik-elektrik ekranın kalınlıı, manyetik-elektrik ekran malzemesinin özgüldirenci ve direnç telinin özgüldirenci parametrelerinin deerleri deitirilerek, hesaplanabilir AC direncin frekans baımlılıı mümkün olan en düük deerde olması hedeflenmitir. Böylece teller arası kapasitans, manyetikelektrik ekran ile tel arasındaki kapasitans, telin kendi indüktansı, teller arasında oluan indüktans, topraa kaçak iletkenlik ve kapasitans, teller arasındaki kaçak iletkenlik ve kapasitans, deri etkisi ve girdap akımlarından gelen etkilerin deerleri en az olması salanmıtır.

Bifilar tip hesaplanabilir AC direncin iletim hattı ekil 1’de gösterilmitir [1, 4]. letim hattında omik direnç deerine ek olarak kapasitans, indüktans ve kayıp iletkenlik etkileri olumaktadır [1, 4].

x=0

UH

m

1/ρ0 C0 1/ρ1 C1

x=Λ

UL

ekil 1 : Bifilar tip hesaplanabilir AC direncin iletim hattı modeli

ekil 1’de,

 : Çift iletkenin uzunluu r : DC akım direnç deeri λ : Direnç telinin indüktansı m : Tellerin arasındaki karılıklı indüktansın deeri C0 : Toprakla teller arasındaki kapasitas deeri C1 : Tellerin arasındaki kapasitans deeri ρ0 :Tellerin toprakla arasındaki kayıp iletkenlik deeri ρ1 :Tellerin arasındaki kayıp iletkenlik deeridir.

ekil 1’deki iletim hattı (ζ67) metal bir kutu içerisine konularak manyetik-elektrik olarak ekranlanmı ve edeer devresi ekil 2’de gösterilmitir [1, 4]. Ekranlama sonucunda ekil 2’de gösterilen kapasitans, indüktans ve dirençler olumaktadır.

Çınar M., Dolma A., Gülmez Y., Sakarya H., Erkan Ö., Celep M., Hesaplanabilir AC Direnç Standardının 5 MHz’e Kadar Modellenmesi ve Üretilmesi, EMO Bilimsel Dergi, Cilt 1, Sayı 2, Syf 75-82, Aralık 2011

UH 1

C1

UL 2

C2

Elde edilen eriler yardımıyla ∆G deeri en küçük olacak ekilde belirlendi ve empedansın gerçel kısmına etkisi azaltılmıtır.

R 16 R1 C6

R 2 R 27 C7

L 16 R6

ζ 67

L 27

6 L 36

R3 R 36

C3

7 L 47 R4 R 47 C4

R7

ekil 2 : 4-terminal hesaplanabilir AC direncin edeer devresi

ekil 2’de gösterilen hesaplanabilir AC direncin matematiksel modellemesi Maxwell denklemlerinden elde edilen eitliklerin kullanılması ile yapılmıtır [1, 2, 3].

Eitlikler ile direncin gerçel ve sanal kısımlarının empedans deerleri belirlenerek. aaıda verilen etkilerin en az olacaı modelleme gerçekletirilmitir. Bu etkiler, direnç telleri arasındaki kapasitans, direnç telleri ile ekran arasındaki kapasitans, direnç telinin özindüktansı, direnç telleri arasındaki karılıklı indüktans etkisi, teller arasında ve tellerin ekranla arasında oluan kayıp iletkenlik etkileridir. Bu etkilerin deerlerini belirlemek için tablo 1’de verilen parametrelerin deerleri, fiziksel ve manyetik-elektrik durumlar gözönüne alınarak optimum seviyede belirlenmitir.

Etkilerden gelen deerlerin hesaplanmasından sonra 1000 Ω bifilar tip hesaplanabilir AC direncin gerçel kısmın empedans deeri eitlik (2) kullanılarak hesaplanmıtır [3, 4].

Re 

1

ω

L

1 720

Rω15C

–

4C

(2)

R : Nominal direnç deeri (Ω) C0 : Ekran ile direnç teli arasında oluan kapasitans etkisi (pF) C1 : Direnç telleri arasında oluan kapasitans etkisi (pF) L : Özindüktans etkisi (nH)

M : Karılıklı indüktans etkisi (nH) G0 : Ekranla tel arasında oluan iletkenlik (S) G1 : Teller arasında oluan iletkenlik (S)  : Açısal frekanstır (rad/sn).

Direncin deerinin deimesine sebep olan dier iki faktör ise deri etkisi ve girdap akımları etkisidir [4]. Yüksek frekanslarda deri etkisinden dolayı dirençten geçen akım direnç telinin yüzeyinden akmak ister. Bu durumda direnç telinin kesitide frekansa balı olarak deimekte ve direncin deeri deitirmektedir. Girdap akımlarıda deri etkisine benzer olarak direncin deerinde deiime sebep olmaktadır.

Eitlik (4) ve Eitlik (5) kullanılarak deri etkisi ve girdap akımlarından kaynaklanan etkilerin deerleri Matlab®’de hesaplanmıtır. Hesaplanan deerler frekansa balı eriler eklinde elde edildi ve bu eriler ile deri ve girdap akımlarından gelen etkiler en az olacak ekilde direncin geometrik boyutları tekrar belirlenmitir.

1 12

r4

ω

(4)

πDρωd R

ωΛ

1 πDρωd

a D

(5)

RAC : Direncin AC deeri (Ω)

RDC : Direncin DC deeri (Ω) rw : Direnç telinin yarıçapı (cm)  : Açısal frekans (rad/sn)  : Manyetik-elektrik özdirenç (Ω-1⋅cm-1) µ : Boluun manyetik geçirgenlii (VsA-1cm-1) R : Nominal direnç deeri (Ω) D : Ekranın iç çapı (cm)

 : Ekran malzemesinin özgül direnci (Ω⋅cm) d : Ekran kalınlıı (cm)  : Çift hattın uzunluudur (cm).

∆G, deri etkisi ve girdap akımları etkilerinin toplamı direncin AC deerinin DC deerinden ne kadar farklı olduunu, yani “toplam direnç deiimi” deerini vermektedir [4, 5]. Buna göre toplam direnç deiimi Eitlik (6) kullanılarak belirlenmitir.

Toplam

Deri

Etkisi

Girdap

Akımlar

(6)

Tasarlanan 1000 Ω bifilar tip hesaplanabilir AC direnç standardının geometrik boyutları ve manyetik-elektrik parametreleri Tablo 1’de verilmitir.

Eitlik (2)’nin paydasında bulunan ve direncin deerini deitiren kısım ∆G olarak adlandırıldı ve eitlik (3)’de verilen ∆G’nin deeri Matlab® kullanılarak hesaplanarak, frekansa balı olarak grafii oluturulmutur (ekil 3 ve 4).

ωL

1  720

Rω15C 

4C

(3)

Tablo 1 : 1000 Ω Bifilar tip AC direncin geometrik boyutları ve manyetik-elektrik parametreleri

Parametreler Direnç telinin boyu (cm) Nominal direnç deeri (Ω) Direnç telleri arasındaki mesafe (cm) Direnç telinin yarıçapı (cm)

Ekranın iç çapı (cm) Ekran kalınlıı (cm) Ekran malzemesinin özgüldirenci (Ω⋅cm) Dielektrik katsayısı (F/cm) Boluun manyetik geçirgenlii (VsA-1cm-1) Direnç malzemesinin özgül iletkenlii (Ω1⋅cm-1)

Sembolu  R a rw D d

0 ε0 µ 

Deeri 11,2 1000 0,2 0,0011

8 0,2 2,8210-6 8,854 ⋅10-10 4π⋅10-9 (1/132)⋅106

Tablo 2’de geometrik boyutlara uygun olarak hesaplanan kapasitans ve indüktans deerleri, tablo 3’de ise 1000 Ω bifilar tip hesaplanabilir AC direncin gerçel kısmının empedansı, sanal kısmının empedansı ve zaman sabitinin frekansa balı olarak hesaplanmı deerleri verilmitir.

Tablo 2 : UME 1000 Ω bifilar tip AC direncin hesaplanan kapasitans ve indüktans deerleri

C0 (pF) 1,4

C1 (pF) 0,2

L (nH) 281

M (nH) 46

Tablo 3 : UME 1000 Ω bifilar tip AC direncin gerçel, sanal kısmın frekansa balı empedans ve zaman sabiti deerleri

50 Hz 159 Hz 500 Hz 1592 Hz 5 kHz 15,9 kHz 50 kHz 159 kHz 500 kHz 1592 kHz 5 MHz

Empedansın Gerçel kısmın

1000,00

1000,04

Empedansın Sanal kısmın

0,1⋅10-3 0,3⋅10-3 1,1⋅10-3 3,7⋅10-3 11,7⋅10-3 37,2⋅10-3 117⋅10-3 234⋅10-3

1,2

3,7

11,7

Zaman sabiti (s)

0,37⋅10-9

Zaman sabiti deeri, indüktif, kapasitif etkilerden gelen hataların bir göstergesidir [8, 13, 14]. Bu etkilerden gelen hataların azaltılması tasarlanan direncin frekans baımlılıının azaltıldıı anlamına gelir. Bu sebeple hesaplanabilir AC direnç tasarlanırken zaman sabiti deerinin en az seviyede olması istenir. Tablo 4’de UME 1000 Ω hesaplanabilir AC direnç standardının zaman sabiti deerinin literatürdeki çalımalarla karılatırılması verilmitir. Zaman sabiti deerleri deerlendirildiinde UME 1000 Ω bifilar tip hesaplanabilir AC direncin DC-AC direnç deerleri arasındaki farkın azatıldıı anlaılmıtır.

Tablo 4 : Zaman sabiti deerlerinin karılatırılması

Zaman sabiti (ns)

UME 1000 Ω 0,37

[8] nolu kaynak

0,9

[13] nolu kaynak

Tablo 1’de verilen geometrik boyutlar ve parametrelere göre Matlab®’de hesaplanan girdap akımları etkisi, deri etkisi, ∆G ve toplam baıl direnç deiimi deerleri 5 kHz’e kadar ekil 3’de erisel olarak gösterilmitir. ekil 3’deki eriler incelendiinde

∆G’ den gelen etkinin girdap akımları ve deri etkisine göre üst frekans deerinde 100 kat yüksek olduu görülmütür. Bu durumda “toplam direnç deiimine” en büyük etkinin ∆G ifadesinden geldii anlaılmıtır.

-13

2000 2500 3000 Deri Etkisi

2000 2500 3000 Delta G

1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 Toplam Direnc Degisimi

0 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 f(Hz)

ekil 3 : Girdap akımları, deri etkisi, ∆G ve toplam direnç deiiminin frekansa balı erileri (5 kHz’e kadar)

ekil 3’deki “toplam direnç deiimi incelendiinde 5 kHz frekans deerinde 1000 Ω bifilar tip hesaplanabilir AC direncin deerinin DC-AC farkının baıl olarak yaklaık 2·10-9 olduu yani 1000 Ω nominal deerindeki dirençte 2·10-6 Ω' luk DC-AC farkının olutuu anlaılmıtır.

Tablo 5’deki veriler incelendiinde literatürde yapılan çalımalarla, elde edilen verilerin uyumlu olduu görüldü, ayrıca hassas LCR metrelerin AC direnç kısımlarının kalibrasyonlarını yapmak [15] için performans testlerini içeren bilgiler incelendi ve (örnein Agilent 4284A) 1 kHz frekans deerinde ppm seviyesinde AC direnç standardının kullanılması yeterli olduu görülmütür. Bu nedenlerle tasarlanan 1000 Ω bifilar tip hesaplanabilir direnç standardının metrolojik seviyede bir standart olduu anlaılmıtır.

Çınar M., Dolma A., Gülmez Y., Sakarya H., Erkan Ö., Celep M., Hesaplanabilir AC Direnç Standardının 5 MHz’e Kadar Modellenmesi ve Üretilmesi, EMO Bilimsel Dergi, Cilt 1, Sayı 2, Syf 75-82, Aralık 2011

Tablo 5 : ∆G ve girdap akımlarından gelen etkilerin karılatırılması

∆G deeri

Girdap akımları etkisinin deeri

Frekans 5 kHz

UME 1000 Ω 2·10-9

3·10-11

[4] nolu kaynak 5,5·10-9

1,1·10-9

Tablo 1’de verilen geometrik boyutlar ve parametrelere göre Matlab®’de hesaplanan “girdap akımları” etkisi, “deri etkisi”,

“∆G” ve “toplam baıl direnç deiimi” deerleri 5 MHz’e kadar ekil 4’de erisel olarak gösterilmitir. ekil 4’deki eriler incelendiinde üst frekans deerlerinde ∆G’ den gelen etkinin girdap akımları ve deri etkisine göre 100 kat yüksek olduu görülmütür. Bu durumda “toplam direnç deiimine” en büyük etkinin yine ∆G ifadesinden geldii ve 5 MHz’de ∆G ifadesinin 5 kHz sonuçlarına gore yaklaık 10000 kat arttıı anlaılmıtır.

-7

Deri Etkisi

Delta G

Toplam Direnc Degisimi

f(Hz)

ekil 4 : Girdap akımları, deri etkisi, ∆G ve toplam direnç

deiiminin frekansa balı erileri (5 MHz’e kadar)

ekil 4’deki “toplam direnç deiimi incelendiinde 5 MHz frekans deerinde 1000 Ω bifilar tip hesaplanabilir AC direncin deerinin DC-AC farkının baıl olarak yaklaık 5·10-5 olduu yani 1000 Ω nominal deerindeki dirençte 0,05 Ω'luk DC-AC farkının olutuu anlaılmaktadır. Tablo 6’da direncin 1 MHz‘de DC-AC direnç deeri farkının literatür çalımaları ile karılatırılması verilmitir.. Frekans baımlılıının logaritmik artması sebebiyle 1 MHz frekans deerinin üstündeki deerlerde en az 5 kat daha iyi sonuçların elde edildii deerlendirilmitir.

Tablo 6 : DC-AC direnç deeri farkının karılatırılması

Baıl DC-AC direnç deeri farkı

UME 1000 Ω

1 MHz 0,2·10-5

[13] nolu [15] nolu kaynak kaynak

2·10-4

1·10-5

Elde edilen veriler deerlendirildiinde

tasarlanan

hesaplanabilir AC direncin metrolojik ölçümler için yeterli

olduu görülmektedir.

3. 1000 Ω Bifilar Tip Hesaplanabilir AC Direncin Üretilmesi

Tasarımı tamamlanan hesaplanabilir AC direncin üretim aamasında en önemli problem kontak noktalarının doru bir ekilde birletirilmesidir [7, 8]. Bu çalımada iletim hattı olarak Isabellenhutte firmasının ürettii yüksek özgül dirence sahip 20 µm çaplı isaohm teli kullanılmıtır saohm direnç telinin nikel alaımlı olması nedeniyle kontak problemleri olumutur [7, 8]. saohm direnç telinin direkt olarak 4 terminal balantı noktasında 2,5 mm çaplı bakır ile birletirilmesinin zor olması nedeniyle isaohm direnç teli once 0,5 mm çaplı manganin direnç teli ile birletirilmitir.. Bu iki direnç telinin birletirilmesi için farklı yöntemler kullanılarak çalımalar gerçekletirilmitir. Bu çalımalar metanol kaynaı, nokta kaynaı ve geleneksel lehimleme yöntemleridir [7, 8], Bu yöntemler dıında isaohm direnç telinin bakır ile kaplanması konusunda çalımalar da gerçekletirilmitir. Bu çalımalar sonucunda nokta kaynaı ile birletirme ilemi salıklı bir ekilde gerçekletirilmitir.

Direnç tellerini nokta kaynaı yöntemi ile birletirmeden once kirliliklerden temizlemek için kimyasal bir prosedür uygulanmıtır [9]. Bunun için 20 µm çaplı isaohm direnç teli yaklaık 1000 Ω olacak ekilde kesildi. Kesilen isaohm direnç teli öncelikle izopropil alkol banyosunda kaba temizlik için 20 dakika bekletildi. Alkol banyosundan çıkartılan isaohm direnç teli ya temizleyici sprey ile temizlendi. Daha sonra isaohm direnç telinin yüzeyi, daha iyi kontak için aındırıldı. Aındırma için isaohm direnç teli çinko klorür (agressive flux) banyosunda 10 dakika bekletildi. saohm direnç teli çinko klorür banyosundan çıkartıldıktan sonra krom-nikel alaımlarda oksit tabakalarının temizlenmesi ilemi (pickling yöntemi) için kromik asit içerisinde 10 dakika bekletildi. saohm direnç teli kromik asit içerisinden çıkartıldıktan sonra tekrar izopropil alkol banyosuna bırakıldı. Bu ekilde isaohm direnç teli birletirme ilemine hazır duruma getirildi. saohm direnç telinin birletirilecei 0,5 mm çaplı manganin direnç telinin boyu yaklaık 0,5 cm olacak kesildi. Manganin direnç teline de isaohm direnç teli ile aynı kimyasal prosedür uygulandı. Ancak isaohm direnç teli için kullanılan kromik asit yerine manganin direnç teli için sülfirik asit kullanıldı.

Nokta kaynaı sistemi kontak temizleyici ile temizlenerek, uygulanacak kaynak süresinin zamanı belirlenerek, kimyasal prosedür ile temizlenmi isaohm ve manganin direnç tellerinin birletirilmesi ilemine geçildi. Birletirme ilemine balanmadan önce nokta kaynaı sistemi yine kontak temizleyici ile temizlendi. 20 µm çaplı isaohm direnç teli altta,

0,5 mm çaplı manganin direnç teli üstte olacak ekilde nokta kaynaı sistemine yerletirildi. Daha sonra teller üstten sıkıtırılarak kaynak ilemi için kaynak makinasından 3 saniyeyi amayacak ekilde manyetik-elektrik darbe uygulandı.

Bu yöntemle nominal deeri yaklaık 1000 Ω olan 3 adet direnç teli hazırlanmıtır. Hazırlanan direnç tellerine Tablo 7’de belirtildii ekilde farklı ısıl ilem prosedürleri uygulanmıtır.. Böylece, direnç tellerinde yüksek kararlılıın elde edilmesi için gereken ısıl ilem yöntemi belirlenmitir.

Tablo 7 : Isıl ilem yöntemleri

Tel numarası (Nr) 1

Uygulanan ilem

Hiçbir ilem yapılmamıtır. 175 oC sıcaklıkta fırın içerisinde 2 saat ısıtılıp 1 saat souk suda oklanmıtır. Bu ilem 10 kez tekrarlanmıtır. 175 oC sıcaklıkta fırın içerisinde 72 saat süreyle tutulmutur.

Not: 250 oC üzerinde bir sıcaklıkta isaohm direnç telinin manyetik-elektrik özelliinin bozulması nedeniyle ısıl ilem çalımaları 175oC’de gerçekletirilmitir [9].

3.1. Direnç Telinin Kararlılıı le lgili Deneysel Çalımalar

Hazırlanan 3 adet direnç tellerinin iki ucunda banana tip konektör olan bir düzenek hazırlanmıtır.. Karılıklı iki banana konektör arasına gerdirilen direnç telleri ısıl izolasyonlu bir dolap içerisine yerletirilerek MI6010B model otomatik DC akım karılatırmalı direnç ölçüm köprüsüne 4-terminal olarak balandı. MI 6010B otomatik direnç ölçüm köprüsünde yaklaık 15 gün boyunca gerçekletirilen ölçümler sonucunda ekil 5’te verilen sonuçlar elde edilmitir. Erilerde verilen standart sapma hesaplamalarında ilk 3 günlük veriler dikkate alınmamıtır.

Nr.1 1020,0164

1020,0162

1020,0160

1020,0158

1020,0156

ekil 5a : Nr.1 direnç telinin 15 günlük kararlılıı (standart sapma 0,1 ppm)

988,365 988,360 988,355 988,350 988,345

Nr.2

ekil 5b : Nr.2 direnç telinin 15 günlük kararlılıı (standart sapma 3 ppm)

993,1275 993,1270 993,1265 993,1260 993,1255 993,1250

ekil 5c : Nr.3 direnç telinin 15 günlük kararlılıı (standart sapma 0,3 ppm)

Eriler incelendiinde 1 numaralı direnç telinin ilk 7 günlük deerlerinde kararlılıın daha düük olduu ancak 7.günden sonra alınan ölçümlerde kararlılıın arttıı, direnç deerinde herhangi bir kayma olmadıı (ekil 5a), 2 numaralı direnç telinde ise kararlıın kısa dönemde salandıı ancak direncin uzun dönemde kaydıı gözlemlendi (ekil 5b). Son olarak 3 numaralı telinde ise ilk 5-6 günlük ölçümlerde direnç deerinin sürekli kaydıı ancak sonraki ölçümlerde ise kaymanın azaldıı ve kararlılıın artıı görüldü (ekil 5c).

Deneysel çalımalar sonucunda 1 numaralı direnç telinde 0,1 ppm kararlılık ve tekrarlanabilirliin elde edilebilecei, 2 numaralı direnç telinde sürekli bir kaymanın gözlendii bu sebeple ısıl ilem periyodunun ve eklinin uygun olmadıı, 3 numaralı direnç telinde ise kararlılıın arttıı (0,3 ppm seviyesinde) ve kayma eiminin azaldıı bu nedenle sıcaklık katsayısının daha iyi olacaı öngörülerek kullanılmasının uygun olacaı deerlendirilmitir. Deneysel çalımalar sonucu elde edilen verilerin beklenen seviyelerde olduu görülmütür.

3.2. 1000 Ω Bifilar Tip Hesaplanabilir AC Direncin Üretilmesi ve Ölçümler

Direncin kararlılıının artırılması ile ilgili deneysel çalımalar tamamlandıktan sonra direnç telinin matematiksel modelde elde edilen geometrik boyutlara uygun olarak hazırlanmı olan mekanik sisteme montajı yapılmıtır. Montaj ilemi yapılırken özellikle direnç telleri arasındaki mesafenin 2 mm. olması ve merkezde olmasına dikkat edilmitir.

Hesaplanabilir AC direnç standardının ekil 6’da verildii gibi 4-terminal + ekran balantı tipine göre tasarlanmıtır [8 ,17].

Çınar M., Dolma A., Gülmez Y., Sakarya H., Erkan Ö., Celep M., Hesaplanabilir AC Direnç Standardının 5 MHz’e Kadar Modellenmesi ve Üretilmesi, EMO Bilimsel Dergi, Cilt 1, Sayı 2, Syf 75-82, Aralık 2011

Ölçüm uçları noktasında kontak direncini azaltmak için “postoffice” tip konektör tercih edilmitir. 4-terminal balantı noktasında 2,5 mm çaplı bakır tel, manyetik-elektrik direncinin yüksek olması sebebiyle ekran ile direnç teli arasında PTFE malzeme, direnç telinin gerginliinin ayarlanmasında kompozit malzeme tercih edilmitir. Kompozit malzemenin tercih edilmesinin iki nedeni vardır. Birincisi manyetik-elektrik direncinin PTFE kadar iyi olması dier nedeni ise mekanik olarak daha hassas ilenebilir olmasıdır. Bu malzeme ile iki tel arasındaki 2 mm‘lik mesafe salanabilmitir. Standardın kutusu ise 7075 serisi alüminyum malzemeden yapılmıtır. 7075 serisi alüminyum malzeme tercih edilmesinin nedeni ise manyetikelektrik ekran kalitesinin daha iyi ve aırlıın düük olmasıdır.

%96,5 Kalay, %3 Gümü, %0,5 Bakır lehim

Nokta kaynaı

Ölçüm terminalleri canlı uç (Post-Office Konnektörler)

Ölçüm terminalleri ekranı (Post-Office Konnektörler) Kutu üst kapaı (Alüminyum (7075 serisi)) Oring yuvası

Destek çubukları (Paslanmaz çelik(304 serisi))

4-terminal tanım noktası (Bakır)

Balantı ara elemanı (Manganin) Direnç teli (saohm)

Kutu (Alüminyum (7075 serisi))

Ayarlama vidası (Derlin)

Sabitleme parçası (Teflon) Gerdirme parçası (Kompozit) Destek parçası (Kompozit)

ekil 6 : Üretimi yapılan 1000 Ω bifilar tip hesaplanabilir AC direncin gösterimi

3 numaralı direnç teli ile birlikte yine aynı ısıl ilem prosedürüne tabi tutulan ve doruluu %0,1’den daha iyi olan ikinci bir direnç teli hazırlanarak (Nr.4) montajlanmıtır. Bu ekilde aynı ısıl ilem prosedürü uygulanmı iki adet 1000 Ω bifilar tip hesaplanabilir AC direnç hazırlanmıtır. Bu iki 1000 Ω bifilar tip hesaplanabilir AC direnç ısıl izolasyonlu dolap içerisine yerletirilmi ve MI6010B model akım karılatırmalı otomatik DC direnç ölçüm köprüsü ile 15 gün boyunca ölçülmütür. Yapılan ölçüm sonuçları erisel olarak ekil 7 ve ekil 8’de verilmitir. 3 numaralı direnç teli kutuya montaj edildikten sonra gerdirildii için deerinin yaklaık 0,7 Ω arttı görülmütür.

993,884 993,883 993,882 993,881 993,880 993,879 993,878 993,877

ekil 7 : Nr.3 hesaplanabilir AC direnç standardının 15 günlük kararlılıı

Nr.4 999,308 999,306 999,304 999,302 999,300 999,298

21 41 61 81

ekil 8 : Nr.4 hesaplanabilir AC direnç standardının 15 günlük kararlılıı

Ölçümler sonucunda hesaplanabilir AC direnç standardının montajlanmadan önce 0,3 ppm seviyesinde kararlılıkta ve ölçüm sonuçlarının tekrarlanabilirliinin olduunu gözlemlenmitir. Montajlama ilemi yapıldıktan sonra direncin deerinde sürekli bir kayma gözlendi ve tekrarlanabilir olmayan ölçüm sonuçları elde edilmitir. Bu durumda direnç deerindeki kaymanın isaohm veya manganin direnç telinden gelmedii, manganin direnç telinin, 4 terminal ölçüm noktası olan ve lehim yolu ile bakırla birletirilmi kontak noktasından veya bakır tellerin post-office tip konektörlere lehimlendikleri noktadan geldii belirlenmitir.

1000 Ω bifilar tip hesaplanabilir AC direnç standardının DC akım uygulananarak yapılan ölçümlerinde, standardın kısa dönem (1-2 gün) içerisinde izlenebilirlik aktarmak amacıyla kullanılabilecei görülmütür.

3.3. Zaman Sabitininin Belirlenmesi

Hesaplanabilir AC dirençlerin kalibrasyonları zaman sabiti deerleri ölçülerek yapılır [8, 14, 18]. Zaman sabiti deerini dorudan ölçebilen hassas köprülerin UME’de bulunmaması nedeniyle alternatif bir yöntem gelitirilmitir. Gelitirilen bu alternatif yöntem ikincil seviye ölçümlerde kullanılır. Ancak

1000 Ω bifilar tip hesaplanabilir AC direncin zaman sabiti deerleri ile ilgili fikir vermesi amacıyla belirtilen yöntem uygulanmıtır. Bu yöntemde 1000 Ω bifilar tip hesaplanabilir LCR metre kullanılarak AC direncin DC direnç deeri (R) 999,24 Ω ve 1 kHz frekansında reaktans deeri (X) 0,0029 Ω olarak ölçülmütür. Ölçülen direnç ve reaktans deeri kullanılarak zaman sabiti (t = X / (R⋅)) deeri 4,6⋅10-10 s olarak hesaplanmıtır.

4. Sonuçlar

Bu çalımada tasarımı gerçekletirilen 1000 Ω bifilar tip hesaplanabilir AC direnç standardı, DC - 5 kHz frekans aralıında literatürde yapılan çalımalarda elde edilen verilere uygun olarak metrolojik seviyede yapılan ölçümlerde standart olarak kullanılabilecei gösterilmitir. Tasarımın literatürdeki çalımalardan farkı ise DC - 5MHz frekans aralıında direnç deeri farkı en az deiecek ekilde tasarlanmı olmasıdır. Literatürde yapılan çalımalarla ürettiimiz standart dirençlerin deerine ait veriler (DC-AC direnç farkı ve zaman sabiti) karılatırıldıında 1 MHz frekans deerinde en az 5 kat daha iyi bir tasarımın elde edildii görülmütür. Bu durumda 5 MHz’de elde edilen verilerin literatürde yapılan hesaplanabilir AC direnç standartlarından daha düük DC-AC direnç deeri farkına sahip olduu anlaılmaktadır.

Matematiksel modellemede 1000 Ω bifilar tip hesaplanabilir AC direnç standardının 5 MHz frekans deerinde DC-AC direnç deeri farkı 40 ppm olarak elde edilmitir. Direnç telinin MI6010B model otomatik DC direnç ölçüm köprüsü ile yapılan deneysel ölçümlerinde ise 0,1 ppm kararlılık deeri elde edilmitir. 1000 Ω Bifilar tip hesaplanabilir AC direncin üretimi yapıldıktan sonra MI6010B model otomatik DC direnç ölçüm köprüsü ile yapılan ölçümlerde ise 1 ppm/gün kararlılık deeri elde edilmitir. Ancak direcin deerinde kayma gözlemlenmitir. Bu nedenle tekrarlanabilir ölçümler alınamamıtır.

Deneysel çalımalar sonucunda 1000 Ω bifilar tip hesaplanabilir AC direncin deerindeki kaymanın isaohm veya manganin direnç telinden gelmedii, manganin direnç telinin, 4 terminal ölçüm noktası olup lehim yolu ile bakırla birletirilmi kontak noktasından veya bakır tellerin post-office tip konektörlere lehimlendikleri noktadan geldii anlaılmıtır.

Üretilen 1000 Ω bifilar tip hesaplanabilir AC dirençte tek yüzeyli konektör tasarımı uygulanmıtır . Bu sayede ölçümlerde kullanılacak ekranlı kablolar arasındaki mesafe azaltılmı ve yüksek frekans uygulamalarında düük belirsizlikte [19] ölçümler alınabilmesi salanmıtır. Ölçüm noktalarında postoffice tipi konektör kullanılarak, kontak direnci azaltılmıtır. Ayrıca kullanılan yöntemde uygulanan kimyasal prosedür ile kontak noktalarındaki kirlilikler giderilerek direnç tellerinin birletirilmesi sırasında daha iyi kontak elde edilmi ve kirliklerden gelen etkinin direncin kararlılıına etkileri ortadan kaldırılmıtrır. leride yapılacak çalımada 1000 Ω bifilar tip hesaplanabilir AC direnç standartlarının sıcaklık katsayılarının belirlenmesi planlanmıtır.

TEEKKÜR: Bu çalımanın her aamasında, desteklerini esirgemeyen TÜBTAK UME’nin çok deerli yöneticilerine teekkür ederiz.

Kaynaklar

[1].Gibbings D.L., ‘’A design for resistors of calculable AC/DC resistance ratio‘’, IEEE Trans. Instrum.Meas., Vol.110, No.2, s.335-347, (1963).

[2].Haddad, R.J., ”A Resistor Calculable from DC to 105 rad/s.”, Msc. Thesis, School of Engineering and Applied Science, George Washington University, (1969).

[3].Graetsh V., ’’Praezisionswiderstaende für Gelich und Wechselstrom’’, PTB-Mitteilungen, 90 26-30, (1980).

[4].Koller H., ’’Prazisionswiderstaende mit berechenbarem Frequenzeinfluss’’, Elektrie 29, s.612-615, (1975).

[5].PTB-Report, ’’Widerstaende mit berechenbarem Frequenzeinfluss’’, (1974).

[6].Schurr J, Wood B. M., Overney F, ”Lineer frequency dependence in AC resistance measurement”, IEEE Trans. Instrum. Meas., 54 512-5, (2005).

[7].Elmquist R.E., ’’Calculable coaxial resistors for precision measurements’’, IEEE Trans. Instrum. Meas., 49 210-5, (2000).

[8].Kucera J, Vollmer E, Schurr J., Bohacek J, “Calculable resistors of coaxial design” Meas.Sc.Technol., 095104, (2009).

[9].Isabellenhütte company, ’’Isaohm Technical information’’.

[10].Semyenov Y.P., ‘’Bifilar AC-DC Resistor Using a Microwire’’, IEEE Trans. Instrum. Meas., Vol.46, No.2, (1997).

[11].Ku Y.S., Hsu C.M., Pang H.L., Hsiao J., Nakanishi ’’DC & AC resistance measurements center for measurements standarts’’, XVII. IMEKO World Congress, Dubrovnik, Croatia, 54 533-7, (2005).

[12].Gülmez Y., Gülmez G., Turhan E., Özkan T., Çınar M., Sözen L., ”New Design of Calculable Resistor”, Precision Electromagnetic Measurements. Conference, Page 348-349, (2002).

[13].Kim H.J., Lee R.D., Semenov Y.P., ”Resistor with calculable dependencies up to 1 MHz”, IEEE Trans. Instrum. Meas., Vol.56, No.2, (2007).

[14].Yasuhiro N., Hiroyuki F., ’’An analysis on the uncertainty of calculating the time constant of the quadrifilar reversed resisitor’’, AIST Bulletin of Metrology, Vol.3, No.3, (2004).

[15].Bohacek J., ”References resistors for calibration of wireband LCR meters”, XVIII Imeko Word Congress, Brazil, (2006).

[16].Arnold A.H.M., Ph.D. D.Eng. Associate Member., ’’Nickel-Chromium-Aluminium-Copper Resistance Wire" National Physical Laboratory, Paper No.2084M, (1956).

[17].Çınar M., Dolma A., Gülmez Y.,”Bifilar Tip Hesaplanabilir AC Direncin Modellenmesi ve Gelitirilmesi”, International Union of Radio Science, KKTC, (2010).

[18].Delahaye F., ”DC and AC Techniques for Resistance and Impedance Measurements”, Metrologia, 29 81, (1992).

[19].Baytarolu, ., Kesikolu, H., Özbay H.Ö., “Metrolojide Kullanılan Temel ve Genel Terimler Sözlüü”, Ulusal Metroloji Enstitüsü, (1994).