Эталон разности электрических потенциалов (напряжения)

Первичный эталон разности электрических потенциа­лов снабжен электрохимическим эталонным элементом (нормальным элементом Вестона). Это специальный гальванический элемент, составные части которого строго подбираются по составу веществ и дозировки.

Бывают элементы насыщенные и ненасыщенные. В качестве основного вещества обычно используется раствор СdSO₄ (сернокислого кадмия). Насыщенные элементы при рабочей температуре содержат нерастворенные кристалы, а ненасыщенные свободных кристалов не имеют.

 

Тип	Класс точн.	Э. д. с., В	Допуст. ток, мкА	Температура 0С	Дрейф De, мкВ за год
Насыщенный	0,001	1,01859..1,01863	1	20,0 ± 0,5	10
	0,002	1,01856..1,01866	1	20,0 ± 2,0	20
	0,005	1,01850..1,01870	1	10.. 40	50
Ненасыщенный	0.02	1,0186..1,0194	10	5.. 55	200

При 20^oС погрешность по напряжению 3*10^-6 при оптимальных условиях, которые заключаются в том, что изменения тем­пературы не превосходят 10^-3 К, отсутствует нагрузка и нет ни вибраций, ни тряски. У элемента Вестона очень длительное тепловое последействие. После того, как он был нагрет до 30^oС, ему может понадобиться 6 месяцев, прежде чем напря­жение на нем полностью стабилизируется и не будет отличаться более, чем на 0,3 мкВ от его номинального значения при 20 °С. Кроме того, элемент Вестона будет со временем стареть, что приведет к увеличению его внутрен­него сопротивления (R _i 500 — 1000 Ом) и уменьшению напряжения на несколько микровольт (в течение первых лет).

Для эталонов более низкого порядка достаточны зенеровские опорные элементы (стабилитроны). Через зенеровский элемент пропускают постоян­ный ток и поддерживают его при постоянной температуре. Он может обес­печить погрешность меньше 10^-5. Зенеровские элементы особенно полезны в качестве переносимых эталонов, их часто применяют в портативной аппа­ратуре.

Уязвимость и сравнительно большая погрешность эталонных элементов заставляют искать эталоны напряжений, которые были бы более постоян­ными и легче воспроизводимыми. Результатом такого поиска стало исполь­зование эффекта Джозефсона в эталонах напряжения. Этот эффект, пред­сказанный в 1962 году английским студентом Брайеном Джозефсоном, на­блюдается в том случае, когда два сверхпроводника располагаются близко один от другого на расстоянии порядка 10^-9 м.

Обычно в качестве проводников используют тонкие пленки из свин­ца, охлажденные до температуры ниже точки перехода. Эти пленки разделе­ны слоем окисла толщиной 1 нм. В этих условиях электроны имеют возмож­ность совершить туннельный переход через образующийся контакт. Этот элек­трический туннельный ток помещают в высокочастотное электрическое поле (с частотой f₀), направленное перпендикулярно по отношению к контакту. В результате зависимость тока от напряжения имеет ступенчатый вид. Эта зависимость характеризуется скачками тока при квантованных значениях напряжения V _j. Напряжение V_j (n), соответствующее п -му скачку (п— целое число), зависит от частоты f₀ по правилу: V_j (n)= nf ₀ (h /2 q), где h и q — фундаментальные физические постоянные, а именно: h — постоянная Планка,  q— заряд электрона. Для целей метрологии значение 2 q /h принято равным 483597,9 ГГц/В. Соеди­няя контакты последовательно, можно получить напряжение порядка 10 мВ с погрешностью всего лишь 4*10^-7 (при f₀ =10 ГГц и температуре 4^о К).

Эталон электрического сопротивления

Эталонами электрического сопротивления являются образцовые резисторы на значения 10^-5 — 10⁹ Ом, намотан­ные проволокой из сплава, свойства которого в наименьшей степени зависят от температуры. Другое требование: малые значения собственной термо э. д. с.

Примером такого сплава является эваном (evanohm), состоящий из 74% никеля, 20% хрома и 6% алюминия и железа. Этот сплав обычно применяют для высокоомных эталонов (10 кОм). Для получения малых сопротивлений (1 Ом) часто используют манганин (86% Сu, 12% Мn, 2% Ni) или константан (54% Сu, 45% Ni, 1% Мn). Для манганина ТКС£0,002% на 1⁰С. Эталоны сопротивлений высокого класса помещают в термостат, температуру в котором поддер­живают с очень большой точностью. Могут быть в виде однозначных мер или в виде магазинов. Изготавливаются в виде катушек с бифилярной намоткой. Классы точности подобных элементов 0,002..0,001. Бифилярная намотка позволяет уменьшить индуктивность катушки.

Эталоны сопротивления чувствительны к влажности и нагреванию за счет рассеяния энергии на самом эталоне. Низкоомные эталоны бывают снабжены двумя парами выводов: токовыми выводами и выводами для измерения напряжения. Это сделано для того, чтобы при измерении сопротивления избежать влияния сопротивления контактов и подводящих проводов. Можно достичь погрешности 1*10 ^-6.

     Проволочные резисторы стареют и могут обладать большим дрейфом. Поэтому в настоящее время эталоны сопротивлений основаны на так называемом квантовом эффекте Холла (открытом К. фон Клитцингом в 1980 году). Этот метод позволяет привязать единицу электрического сопротивления Ом, к неизменным физическим постоянным подобно эффекту Джозефсона.

Квантовый эффект Холла наблюдается в том случае, когда полупроводниковая пластина, обладающая эффектом Холла, с большой подвижностью носителей заряда охлаждается до 1^о К и помещается в сильное магнитное поле. Если через пластину пропускается ток величины I, то между ее гранями возникает эдс Холла V _н. У зависимости V _н от интенсивности магнитного поля имеются так называемые плато. Результирующие (квантовые) сопротивления Холла выражаются формулой: R _н (n)= V _н (n)/ I. Здесь R _н (n)=(h / q ²) / N, где N — целое число, a h и q — фундаментальные физические постоянные (h / q ² = 25812,807 Ом). Этот метод позволяет задать единицу электрического сопротивления с погрешностью 2*10 ^-7.

Эталон емкости

     Существуют в виде образцовых конденсаторов с малыми значениями ТКЕ. Диэлектрик – полистирол, кварц, стирофлен, вакуум.

Из четырех коаксиальных цилиндров можно сконструировать конденсатор, емкость которого будет зависеть только от длины цилиндров. Такой конденсатор особенно удобен в качестве эталона емкости, так как необходимо определять точно только длину. Методами оптической интерференции это можно сделать с исключительной точностью. Такие цилиндрические конденсаторы, называемые конденсаторами Томпсона-Лампара (Tompson-Lampard), позволяют достичь погрешности меньше 10^-8. Неудобство заключается в том, что емкость мала (приблизительно 1,9 пФ на метр). В качестве эталонов низших порядков используются другие конфигурации электродов, обеспечивающие значения емкостей 10 — 100 пФ, но обладающие более высокими погрешностями.

Эталон индуктивности

Точные эталоны индуктивности создать трудно. Это обусловлено большим числом параметров, определяющих довольно сложную геометрию катушек и влияющих на точность задания индуктивности. Кроме того, погреш­ность увеличивается за счет потерь энергии, обусловленных сопротивлени­ем провода, эффектов близости и вихревых токов. Катушки наматываются на каркас (обычно фарфоровый). Точность имеющихся в настоящее время эталонов индуктивности составляет примерно 10^-5.

     Для того, чтобы сделать минимальное активное сопротивление используются многожильные провода и специальные методы пайки. При этом достигается более равномерное распределение тока по сечению. Используется провод типа литцендрат. Это медный многожильный провод с изолированными жилами.

Эталон затухания

Обычно в виде четырехполюсников (Т, Н, П, мостовая, Т с перекрытием и др. схемы). Эти схемы используются в измерительных приборах (ваттметры, вольтметры и др), в генераторах.

Схемы резистивных мер затухания основаны на поглощении и рассеивании энергии. Диапазон частот обычно не превышает сотен МГц. В случае СВЧ диапазона эталонные меры поляризационные или предельные.

     Запредельный аттенюатор использует особенности запредельного волновода (l>>l_кр). На приведенном рисунке круглый волновод – запредельный, поле в нем убывает по экспоненте с постоянной затухания const.

Изменяя длину отрезка круглого волновода L можно линейно (в дБ) изменять затухание А_дБ ~ L. Используя точный микрометр можно с высокой точностью устанавливать требуемое значение (до 0.001 дБ).

     Недостаток: так как аттенюатор несогласован по входу и выходу, то обычно включают активные элементы затухания на входе и выходе. Они обеспечивают дополнительное согласование. Начальное затухание при этом ~ 30 дБ и за счет регулировки длины максимальное затухание может достигать 140 дБ.

Лекция 10: Статические характеристики и схемы Измерительных приборов

Объекты измерения можно разделить на «активные» и «пассивные». Для «активного» объекта (то есть в случае, когда информация, которую предсто­ит получить об измеряемом объекте, активна) нужен эталон, чтобы для данного объекта изме­рить их отношение величин сигналов объекта и эталона. Такой эталон должен давать хорошо известный сигнал той же размерности, что и измеряемый сигнал (рис. 1).

Рис. 1. Получение информации об объекте измерения: (а) «Активный»,

(б) «Пассивный» объект измерения

Примером «актив­ных» эталонов являются точные синтезаторы сигналов, источники опорного напряжения и т. д., тогда как измерительные преобразователи, аттенюа­торы и калибровочные резисторы являются «пассивными» эталонами.

К пассивной информации нет дос­тупа, пока она не преобразована в активную фор­му. Для того чтобы сделать это, необходим какой-то источник энергии (источник электрического тока при измерении резистора). С помощью энергии этого источника пассивная информация, име­ющаяся в объекте измерения, становится активной - ток, текущий через резистор, вызывает появление на нем напряжения. Тогда активную информацию можно регистрировать имеющимися техничес­кими средствами, то есть с помощью измерительных средств.

Таким образом, для измерения «пассивных» объектов (то есть в случае, когда измерительная информация, которую предстоит получить, содержит­ся в объекте в пассивной форме) необходим внешний источник энергии, чтобы возбудить или активизировать соответствующие пассивные свойства данного объекта. Этот возбудитель оказывает воздействие на объект измере­ния, который, в свою очередь, так или иначе, откликается на него. Если известно воздействие, то для того, чтобы узнать свойства объекта, нужно лишь измерить отклик. Фактически отклик содержит активную информацию, как об измеряемом объекте, так и о воздействии. Если воздействие не изве­стно, то для извлечения той части пассивной информации, которая акти­визирована данным воздействием, необходимо осуществить измерение, как отклика, так и самого воздействия.

Если при измерении с помощью используемых техничес­ких средств опреде­ляется отношение двух физических величин, то необходимо чтобы они имели одну и ту же физическую размерность. При этом нужен эталон (мера), который характеризуется известным соотно­шением между воздействием и откликом. Такой пассивный эталон даст возможность про­водить измерения с «пассивным» объектом, как показано на рис. 1

Главное отличие активного РИП от пассивного – наличие стимулирующей части (источника тестового сигнала), который может быть эталонным или хотя бы стабильным на время измерений.

Источники погрешностей

Чтобы в возможно большей степени уменьшить погрешности измерений, полез­но иметь некоторое представление об их источниках. Поэтому рассмот­рим сейчас источники возможных ошибок на основе схемы измерения, изображенной на рис. 2.

 

 

Рис. 2. Взаимодействия измерительной системы с исследуемым объектом, окружающей средой и наблюдателем

Согласно схемы, состоящей из объекта, измерительной системы и наблюдателя, помещенных в определенную окружающую среду, объект и система взаимодействуют друг с другом; объект влияет на измери­тельную систему и наоборот, система оказывает воздействие на объект. Вли­яние объекта на систему желательно. Посредством его осуществляется пере­нос измерительной информации. Влияние системы на объект нежелательно, так как при этом измеряемая величина может заметно изменяться. В этом состоит ошибка обратного влияния. Необходимо попытаться согласовать входной каскад измерительной системы c объектом таким образом, чтобы свести ошибку обратного влия­ния к минимуму.

На рис. 2 показано также взаимодействие между выходом измеритель­ной системы и наблюдателем. Выражение «наблюдатель» употреблено здесь в широком смысле слова, включающем не только регистрацию результатов измерения человеком, но и ЭВМ. Здесь также взаимо­действие измерительной системы и наблюдателя складывается из желатель­ной и нежелательной составляющих. Воздействие измерительной системы на наблюдателя, то есть передача наблюдателю результата работы измери­тельной системы, очевидно, является желательным. Обратное влияние мо­жет приводить к ошибкам, если характер воздействия наблюдателя на изме­рительную систему и степень этого воздействия оказываются такими, что результат измерения меняется.

Вот примеры ошибок такого рода: считыва­ние показаний стрелочного прибора под углом, а не по направлению, пер­пендикулярному к шкале прибора, в результате чего возникает ошибка па­раллакса; нагружающее действие несогласованного (неодушевленного) на­блюдателя на выходные каскады измерительной системы. Чтобы уменьшить ошибки обратного влияния, необходимо осуществить сопряжение выходного каскада измерительной системы с наблюдателем.

Помимо рассмотренных взаимодействий измерительная система на­ходится в двусторонней связи с окружающей средой. Когда характер и сте­пень данного взаимодействия таковы, что окружающая среда существенно влияет на результат работы измерительной системы, это взаимодействие нежелательно, оно вызывает возмущения и помехи. Об этом источнике оши­бок измерения говорят как о возмущающем или «мешающем» воздействии.

Наконец, четвертым источником ошибок измерения являются (несовер­шенные) характеристики самой измерительной системы. Если характеристи­ки системы не соответствуют требованиям данного измерения, то они приво­дят к тому, что измерения оказываются неправильными. Подбирая методики и СИ можно миними­зировать ошибки измерения такого рода.

Обратное влияние на измеряемый объект: согласование

При самом акте измерения всегда в определенной степени оказывается воз­действие на объект. Это может вызвать большее изменение измеряемой ве­личины. Чтобы избежать этого, необходимо согласовать измерительную систему с измеряемым объектом. Обычно бывает достаточно подстроить только входную часть (входной кас­кад) измерительной системы. В зависимости от ситуации различают согла­сование различного рода. Известно три типа такого согласования: классическое согласование импедансов всех частей системы, сопряженное согласование и анэнергетическое согласование. При последнем варианте сводят к минимуму пе­редачу энергии или мощности между объектом измерения и измерительной системой. В результате такого согласования в процессе измерения сколь­ко-нибудь ощутимая энергия не передается на измеряемый объект и не потребляется от него. В некоторых случаях добиться этого позволяет компенсационный метод измерения.