Diskussion

Mätresultaten visar att den konstruerade lågbrusmätaren kan detektera laddning i storleksordningen femtocoulomb. I Fig. 20 ses exempel på att en laddningssignal med så lågt topp-till-topp-värde som 1,3 fC kan detekteras. Prestandan är tillräcklig för att mäta triboelektrisk störning i super-lågbruskabel, något som många kommer-siella mätutrustningar inte klarar eftersom deras mätkablar ofta är av samma eller sämre prestanda än mätobjektet.

De mätningar som genomförts hittills och som sammanfattas av Tab.2 i kapitel 3.7 pekar åt att en super-lågbruskabel ger i storleksordningen en tusendel så mycket tri-boelektrisk störning som en högpresterande koax utan halvledande skikt, och en hundradel så mycket som en lågbruskabel. Mätvärdena i Tab.2 kan även tolkas som att införandet av halvledande skikt mellan returledare och dielektrikum sänker den triboelektriska uppladdningen från 2600 fC till 142 fC det vill säga med 2458 fC och införandet av ytterligare ett halvledande skikt mellan mittledare och dielektrikum sänker laddningen med ytterligare 139 fC till cirka 3 fC. Detta bekräfta teorin att den mesta triboelektriska uppladdningen sker mellan returledare och dielektrikum på grund av att ytan och rörelsen är störst mellan dessa.

Mätning av frekvensgång, tidskonstant, förström och offsetspänning samt kalibrering visar alla god överensstämmelse med teorin och visar att laddningsförstärkaren fun-gerar som tänkt. Den uppmätta prestandan uppfyller de uppsatta målen för detta projekt. Sammantaget tyder resultaten på att det valda konceptet fungerar och im-plementering av lågbrusmätaren i Habia Cables produktion är redan planerad. Projektet har i viss mån påverkats av Covid-19 utbrottet genom att arbetet fått utfö-ras hemifrån [25]. Detta innebar att de inte fanns möjlighet att göra tester med Ha-bia Cables befintliga lågbrusmätare, vilket hade önskats för att kunna göra en jämfö-relse med den nykonstruerade lågbrusmätaren. De mätningar som utförts på kabel hade också kunnat vara mer produktionsmässiga om den riktiga testriggen hade kun-nat användas istället för att fixera mätobjekten med tejp.

Några enstaka test gjordes dock med Habia Cables befintliga lågbrusmätare på upp-drag åt författaren. Mätningarna gjordes på samma batch av RGL 404 som användes för att testa den nykonstruerade lågbrusmätaren och mätresultaten låg i området 100–400 pC, beroende på böjningarnas amplitud och frekvens. Alla mätningar som utfördes på RGL 404 med den nykonstruerade lågbrusmätaren ligger också inom detta område vilket tyder på att testuppsättningen som använts varit lik den som an-vänds på Habia Cable.

En del arbete med inbyggnadlådan som skulle utförts på Habia Cables verkstads-av-delning har inte kunnat genomföras, så viss testning och anpassning efter projektets avslutande kommer att krävas innan lågbrusmätaren kan implementeras i produkt-ionen.

Under projektets gång har några problem uppmärksammats. Bland annat orsakade kondensatorn C21 oscillationer i matningsspänningen vilket beskrivits i kapitlet 3.3-speciella komponentval. I detta projekt löstes problemet genom att artificiellt öka kondensatorns ekvivalenta seriemotstånd. Men detta försämrar kondensatorns av-kopplingsförmåga, så en bättre lösning skulle vara att byta spänningsregulatorn VR4

till en regulator som inte ställer samma krav på kondensatorn.

En ändring som genomförts är att brytfrekvensen för lågpassfiltret på hundragång-ersutgången sänkts genom ändring av värdet på kondensatorn C3. Vid initiala mät-ningar på super-lågbruskabel var utsignalen svår att avläsa på grund av högfrekvent brus. Sänkning av brytfrekvensen till cirka 16 Hz minskade bruset och gjorde tolk-ning av utsignalen betydligt lättare. Skillnaden illustreras i Fig. 21.

Figur 21. Skillnaden mellan utsignalen från 100X-utgången före och efter sänkning av brytfrekvensen. Före sänkning till vänster och efter sänkning till höger. Samma mätobjekt och samma

spänningsskala har använts.

Vid mätning av frekvensgången som beskrivits i process och resultat, användes inled-ningsvis en kondensator på 10 pF på laddningsförstärkarens ingång. Detta gav stor avvikelse i frekvensgången jämfört med teorin. Troligtvis var 10 pF för liten kapaci-tans så att strökapacikapaci-tanser från omgivningen påverkade mätningen. Vid byte till en kondensator på 100 pF uppmättes en frekvensgång enligt Fig. 17 som stämde väl överens med den teoretiska frekvensgången.

En annan ändring som övervägts är att ändra förstärkningen på tiogångersutgången till tusen då detta ytterligare skulle underlätta mätningen av super-lågbruskabel.

4.1.1 Hållbarhet och miljö

Då lågbrusmätaren som konstruerats är en prototyp och som mest tre enheter plan-eras byggas, en för varje fabrik hos Habia Cable som tillverkar denna typ av produk-ter, har de mest tekniskt lämpade materialen använts vid tillverkningen. Vid en större serietillverkning skulle konstruktionen och komponentval kunna ses över för att minimera materialförbrukningen och använda material med mindre miljöpåver-kan. Till exempel användes Tenn-Bly legering vid lödning eftersom den innehåller mindre aggressivt flussmedel [26]. Då lödningen gjordes för hand utan tillgång till filtrering av flussångor var detta att föredra.

Den förfinade lågbrusmätaren bidrar till en förbättrad produkt- och process-känne-dom vilket kan leda till minskat skrot vid tillverkningen. Förbättrad produktkänne-dom kan leda till produktutveckling som i sin tur kan bidra till noggrannare mät-ningar i slutkundens applikation. Till exempel skulle ett kärnkraftverk kunna drivas aningen mer effektivt då dessa kablar kan används för effekt- och strålnings-detekto-rer inuti reaktorn. På dessa sätt kan projektet bidra till delmål 8.4 ”Förbättra resurs-effektiviteten i konsumtion och produktion” i FN:s Agenda 2030 [27].

Ytterligare fördelar med den konstruerade lågbrusmätaren är att den är billig, liten och lätt att reparera. Den utgör en skräddarsydd mätutrustning för en specifik mät-ning, så ingen mätutrustning som är dyr och mer komplicerad än nödvändigt behö-ver köpas in. Detta bidrar också till delmål 8.4 ”Förbättra resurseffektiviteten i kon-sumtion och produktion” i FN:s Agenda 2030 [27].

5 Slutsatser

En lågbrusmätare baserad på en laddningsförstärkare som kan detektera laddningar i storleksordningen några enstaka femtocoulomb har konstruerats. Kretsen kan göra mätningar från uppskattningsvis 0,1 fC under gynnsamma förhållanden och upp till max 100 pC, vilket motsvarar ett dynamiskt omfång på 1000 000 gånger. Lågbrus-mätaren är lämpad till att kvantifiera triboelektriska störningar i de bästa lågbruskab-larna, så kallad super-lågbruskabel. En avgörande faktor för detta är att mätobjektet kan kopplas in direkt på laddningsförstärkarens ingång utan några mellanliggande mätkablar som kan försämra mätningen. En annan bidragande faktor är att ladd-ningsförstärkaren inte har försetts med många mätområden eftersom det skulle in-nebära flera komponenter i återkopplingen som kan ge störning i själva mätkretsen. Mätningar visar att super-lågbruskabel genererar cirka en tusendel så mycket tri-boelektrisk störning som en högpresterande koaxialkabel utan halvledande skikt och cirka en hundradel så mycket som en lågbruskabel. Mätningarna bekräftar också teo-rin att den mesta triboelektriska uppladdningen sker mellan skärm och dielektrikum eftersom kontaktytan och rörelsen är störst mellan dessa.

Laddningsförstärkaren kan utföra kvasi-statisk mätning samt dynamisk mätning ovanför 0.1 Hz. Den dynamiska mätningen kompenserar för drift av utspänningen på grund av termiska effekter i förstärkaren eller mätobjektet, eller förstärkarens förströmmar. Uppmätt brytfrekvens vid dynamisk mätning stämde med beräknad teori.

Till lågbrusmätaren har en kalibreringskrets tagits fram som inte förlitar sig på en precisionskondensator med mycket låg kapacitans, vilken kan vara svår att mäta utan tillgång till redan kalibrerad laddningsförstärkare och som är känslig för strökapaci-tanser och läckströmmar. Kalibreringskretsen genererar istället en konstant ström vilken är lättare att mäta med hög noggrannhet. Lågbrusmätaren är också utrustad med en separat inbyggd kalibreringsfunktion som kan användas för att snabbt kon-trollera laddningsförstärkarens funktion och att inte kalibreringen har ändrats. Den konstruerade lågbrusmätaren ger Habia Cable en ökad kännedom om deras låg-brus- och super-lågbruskablar, vilket kan leda till process- och produktförbättringar.

Förslag på förbättringar/fortsatt arbete innefattar:

 Konstruktion av snabbinkoppling. I dagsläget måste kabel lödas direkt på laddningsförstärkarens ingång.

 En lucka behöver göras i lågbrusmätarens lock för att enkelt komma åt under in och urkoppling av mätobjektet.

 _{En enklare användarmanual bör tas fram, som beskriver lågbrusmätarens}

funktion, användning, kalibreringsförfarande samt förväntad prestanda.

 _{Möjlighet till ställbar brytfrekvens på utgångarnas lågpassfilter skulle}

Referenser

[1] K. D. Lee, “Experimental study of coaxial cable noise mechanism on ion chamber measurement line for PHWR,” ICCAS 2010 - Int. Conf. Control.

Autom. Syst., pp. 835–838, 2010, doi: 10.1109/ICCAS.2010.5669753.

[2] L. S. McCarty and G. M. Whitesides, “Electrostatic charging due to separation of ions at interfaces: Contact electrification of ionic electrets,”

Angew. Chemie - Int. Ed., vol. 47, no. 12, pp. 2188–2207, 2008, doi:

10.1002/anie.200701812.

[3] R. Alphonce, Heureka! : fysik. Kurs 1. Stockholm: Natur & kultur, 2011. [4] A. F. Diaz and R. M. Felix-Navarro, “A semi-quantitative tribo-electric series

for polymeric materials: The influence of chemical structure and properties,”

J. Electrostat., vol. 62, no. 4, pp. 277–290, 2004, doi:

10.1016/j.elstat.2004.05.005.

[5] S. Pan and Z. Zhang, “Fundamental theories and basic principles of triboelectric effect: A review,” Friction, vol. 7, no. 1. Tsinghua University Press, pp. 2–17, Feb. 01, 2019, doi: 10.1007/s40544-018-0217-7.

[6] S. Naik, R. Mukherjee, and B. Chaudhuri, “Triboelectrification: A review of experimental and mechanistic modeling approaches with a special focus on pharmaceutical powders,” International Journal of Pharmaceutics, vol. 510, no. 1. Elsevier B.V., pp. 375–385, Aug. 20, 2016, doi:

10.1016/j.ijpharm.2016.06.031.

[7] E. P. Fowler, “MICROPHONY OF COAXIAL CABLES.,” Proc. Inst. Electr.

Eng., vol. 123, no. 10, pp. 1043–1046, 1976, doi:

10.1049/piee.1976.0232.

[8] K. L. Kaiser and K. I. Palmer, “Cable transient voltages due to

microphonics,” J. Electrostat., 2007, doi: 10.1016/j.elstat.2007.05.008. [9] S. Buchman, J. Mester, and T. J. Sumner, “Charge Measurement,” in The

Measurement, Instrumentation, and Sensors Handbook, J. G. Webster, Ed. CRC

Press LLC, IEEE Press, 1999.

[10] A. S. Marinov, O. P. Stanchev, and E. B. Bekov, “Application of charge amplifiers with Polyvinylidene Fluoride materials,” in 2014 37th International

Convention on Information and Communication Technology, Electronics and Microelectronics, MIPRO 2014 - Proceedings, 2014, pp. 91–95, doi:

10.1109/MIPRO.2014.6859539.

[11] W. Kester, S. Wurcer, and C. Kitchin, “High Impedance Sensors,” in Op Amp

Applications Handbook, W. G. Jung, Ed. Amsterdam: Newnes, 2005.

[12] Kistler Group, “Charge Amplifiers,” 2017.

https://www.kistler.com/?type=669&fid=110771&model=document (accessed Apr. 26, 2020).

[13] Keithley, Low Level Measurements Handbook. 2016.

[14] H. L. Curtis, “Shielding and Guarding Electrical Apparatus Used in

Measurements-General Principles,” Trans. Am. Inst. Electr. Eng., vol. 48, no. 4, pp. 1263–1269, 1929, doi: 10.1109/T-AIEE.1929.5055392.

[15] “Free PCB Design Software | CircuitMaker.” https://circuitmaker.com/ (accessed Mar. 19, 2020).

[16] G. King, “Ask the Applications Engineer-Capacitive Loads on Op Amps,”

Analog Dialogue, vol. 31, no. 2, pp. 19–20, 1997.

[17] Maxim Integrated, “ICM7555/7556,” datasheet, Nov. 1992 Revision 2. [18] Texas Instruments, “LM317L 3-Terminal Adjustable Regulator,” datasheet,

Jul. 2004 [Revised Oct. 2014].

[19] Texas Instruments, “LMP7721 3-Femtoampere Input Bias Current Precision Amplifier,” datasheet, Jan. 2008 [Revised 2014].

[20] Texas Instruments, “OPAx192 36-V , Precision , Rail-to-Rail Input / Output, Low Offset Voltage , Low Input Bias Current Op Amp with e-trim

TM,” datasheet, Dec. 2013 [Revised Nov. 2015].

[21] Cornell Dublilier - CDE, “Types MC and MCN Multilayer RF Capacitors,” datasheet, Oct. 2008.

[22] Coto Technology INC, “9000 Series / Spartan SIP Reed Relays 9000 Series / Spartan SIP Reed Relays,” Aug. 2013.

[23] National Semiconductor, “LMP7721 Multi-Function Evaluation Board Users ’ Guide,” User Guide, Jan. 2010 Revision 1.0.

[24] “OSH Park ~.” https://oshpark.com/ (accessed May 18, 2020). [25] “Covid-19 — Folkhälsomyndigheten.”

https://www.folkhalsomyndigheten.se/smittskydd-beredskap/utbrott/aktuella-utbrott/covid-19/ (accessed May 23, 2020). [26] Kemikalieinspektionen, “Bly i varor,” Www.Kemi.Se, no. 3, 2007, [Online].

Available:

https://www.kemi.se/Documents/Publikationer/Trycksaker/Rapporter/R apport3_07_Bly-i-varor.pdf.

[27] “Globala målen – För hållbar utveckling.” https://www.globalamalen.se/ (accessed May 19, 2020).

Bilaga A

Komponent Kommentar Beskrivning Artikelnummer

5 V, 10x, 12 V, 100x, CAL, DISCH, FLTR, IN Phoenix Contact Conn PC Terminal Block 2 POS 3.81mm Solder ST Thru-Hole 13.5A 1985823

C1, C2, C3 100pF Mica Capacitors 100pF 100V 5% 1210 MC12FA101JTF

C4 10p Mica Capacitors 10pF 500V 0.5pF MC12CD100DTF

C5, C13, C17, C19, C22 0.1u Cap Ceramic 0.1uF 50V X7R 10% SMD 0603 FlexiTerm 125C Paper T/R C0603X104K5RACTU

C6, C7, C11, C12, C15, C16, C18, C20, C21 2.2u Multilayer Ceramic Capacitors MLCC SMD/SMT 25V 2.2uF X7R 1206 10% C1206C225K3RACTU

C8, C9, C10, C14 22u Tantalum Capacitors Polymer SMD 25V 22uF 1311 20% ESR=100mOhms T521B226M025ATE1007280

F1, F2 Littelfuse 100 Series Phosphor Bronze Tin-plated Ear Style Cartridge Fuse Clip 01000020Z

K1, K2, K3 Coto 9002-05-01 Reed Relay 5VDC 350Ohm 0.5A SPST-NO(19.3x5.08x7.6)mm THT Dry 9002-05-01

PS1 Tracopower Isolated DC/DC Converters Encapsulated SIP7; 2W Output 1 (Vdc): 15; Output 2 (Vdc): 15 TBA 21223

R1, R4, R11, R12, R15, R17, R18, R20 47k Thick Film Resistors SMD 1/10watt 47Kohms 1% CRCW060347K0FKEA

R2, R3 50G Thick Film Resistors SMD RH73 2A 50G 30% 1000PPM RH73X2A50GNTN

R5, R10, R14, R16 1k Thick Film Resistors SMD 1/10watt 1.0Kohms 1% CRCW06031K00FKEA

R6, R9 7.5k Thick Film Resistors SMD 1/10watt 7.5Kohms 1% CRCW06037K50FKEA

R7, R13, R19 5k Trimmer Resistors SMD 4mm 5Kohms 10% Square Cermet Sealed 3224W1502E

R8 100 Thick Film Resistors SMD 1/10watt 100ohms 1% CRCW0603100RFKEA

R21 500k Trimmer Resistors SMD 4mm 500Kohms 10% Square Cermet Sealed 3224W-1-504E

R22, R23, R25, R26 330 Thick Film Resistors SMD 1/10watt 330ohms 1% CRCW0603330RFKEA

U1 LMP7721MA 3 Femtoampere Input Bias Current Precision Amplifier, 8-pin Narrow SOIC, Pb-Free LMP7721MA/NOPB

U2 OPA2192IDR Op Amp Dual Precision Amplifier R-R I/O ±18V/36V 8-Pin SOIC T/R OPA2192IDR

U3 TLC555CDR 555 Type, Timer/Oscillator (Single) IC 2.1MHz 8-SOIC TLC555CDR

VR1 L78L12ACUTR Positive Voltage Regulator, 12V, 4-Pin SOT-89, Tape and Reel L78L12ACUTR

VR2 L79L12ACUTR Negative Voltage Regulator, -12V, 4-Pin SOT-89, Tape and Reel L79L12ACUTR

VR3 LM317LIDR Linear Voltage Regulators 3Terminal Adj Reg LM317LIDR

VR4 LM337LM/NOPB Linear Voltage Regulators 3TERMINAL ADJ NEG REG LM337LM/NOPB

VR5 LM4041EIM3-1.2 Precision Micropower Shunt Voltage Reference, 3-pin SOT-23, Pb-Free LM4041EIM3-1.2/NOPB

Bilaga B

Bilaga C

Figur 1. Lågbrusmätares utgångssida.

Bilaga D

För initial kalibrering skapades en krets som ger en konstant ström på 1 nA enligt Fig. 1. Strömmen 1 nA fås genom att lägga en spänning på 1 V över ett motstånd på 1 GΩ. Spänningen från ett 9 V batteri delas i en ställbar spänningsdelare till 1 V. I spänningsdelaren sitter en precisions-spännings-shunt LM4041. Precisions-spän-nings-shunten har mycket låg temperaturkoefficient och gör att spänningen driver minimalt med temperaturen. Med en Keithley 2450 Source Measurement Unit kontrollerades att strömmen ut var mycket nära 1 nA.

Med Keithley 2450 SMU gjordes även en noggrann mätning av 1 GΩ-motståndets resistans vilken presenteras i Fig.2. Utifall picoampere-mätare inte finns tillgänglig så kan en noggrann uppskattning av utströmmen från kalibreringskretsen göras base-rat på inspänningen och resistansmätningen.

Bilaga E

Figur 1. Spänningsramp vid kalibrering av 10X utgång. Med Matlab beräknades medellutningen mellan 0,02s och 0,12s till 0,100 V/ms.

Figur 2. Spänningsramp vid kalibrering av 100X utgången. Med Matlab bestämdes medellutningen mellan 0,002s och 0,012s till 1,02 V/ms

Bilaga F

Figur 1. Fyrkantvåg på tio-gångers-utgången vid funktionstest.

Bilaga G

Figur 2. Kabel riggad för böjtest. Locket är öppet för att visa inkopplingen, vid mätning måste locket stängas för att inte störningar från omgivningen ska påverka mätningen.