5. Эталоны, Стандартные образцы и меры

Для обеспечения единства измерений необходима тождественность единиц, в которых проградуированы все средства измерений одной и той же физической величины.

Единство измерений достигается путем точного воспроизведения и хранения установленных единиц физических величин и передачи их размеров применяемым средствам измерений.

Размер единицы физической величины (размер единицы) – количественная определенность единицы физической величины, воспроизводимой или хранимой средством измерения. Размеры единиц воспроизводятся, хранятся и передаются с помощью эталонов.

Высшим звеном в метрологической цепи передачи размеров единиц измерений являются эталоны.

Эталон единицы физической величины – средство измерений, предназначенное для воспроизведения и (или) хранения единицы данной величины и передачи ее размера нижестоящим по поверочной схеме средствам измерений и утвержденное в качестве эталона в установленном порядке.

Поверочная схема – это нормативный документ, устанавливающий соподчинение средств измерений, участвующих в передаче размера и единицы от эталона к рабочим средствам измерений (с указанием методов и погрешностей при передаче). Различают государственные и локальные поверочные схемы.

Конструкция эталона, его свойства и способ воспроизведения единицы определяются природой данной физической величины и уровнем развития измерительной техники в данной области измерений.

Эталон должен обладать, по крайней мере, тремя тесно связанными друг с другом существенными признаками (по М.Ф.Маликову) – неизменностью, воспроизводимостью и сличаемостью.

Наивысшую в стране точность воспроизведения единицы обеспечивает первичный эталон. Эталон, получающий размер единицы непосредственно от первичного эталона данной единицы, называется вторичным. Эталон, предназначенный для передачи размера единицы рабочим средствам измерений, называется рабочим. Эталон, обладающий наивысшими метрологическими свойствами в данной лаборатории, организации, предприятии, от которого передают размеры единицы подчиненным эталонам и имеющимся средствам измерений, называется исходным эталоном.

Исходным эталоном в стране служит первичный эталон, исходным эталоном для республики, региона, министерства (ведомства) или предприятия может быть вторичный или рабочий эталон. Вторичный или рабочий эталон, являющийся исходным эталоном для министерства (ведомства) нередко называют ведомственным эталоном.

Эталоны, стоящие в поверочной схеме ниже исходного эталона, обычно называют подчиненными эталонами.

Размер единицы, хранимой подчиненными эталонами или рабочими, может быть установлен по отношению к национальному первичному эталону. При этом может быть несколько ступеней сравнения (через вторичные и рабочие эталоны).

При необходимости рабочие эталоны подразделяют на разряды (1-й, 2-й, ..., -й). В этом случае передачу размера единицы осуществляют через цепочку соподчиненных по разрядам рабочих эталонов. При этом от последнего рабочего эталона в этой цепочке размер единицы передают рабочему средству измерений.

Государственный первичный эталон – это первичный эталон, признанный решением уполномоченного на то государственного органа в качестве исходного на территории государства.

Национальный эталон – это эталон, признанный официальным решением служить в качестве исходного для страны. Термины государственный эталон и национальный эталон отражают по существу одно и то же понятие.

Эталон, принятый по международному соглашению в качестве международной основы для согласования с ним размеров единиц, воспроизводимых и хранимых национальными эталонами, называется международным.

Кроме этого, имеет место одиночный, групповой, транспортируемый эталоны, суть который ясна из их названий, а также эталон сравнения, применяемый для сличения эталонов, которые по тем или иным причинам не могут быть непосредственно сличены друг с другом.

Совокупность государственных, первичных и вторичных эталонов составляют эталонную базу страны, являющейся основой обеспечения единства измерений в стране. Для руководства работ по хранению государственных эталонов устанавливают специальную категорию должностных лиц – ученых хранителей государственных эталонов, назначаемых из числа ведущих в данной области специалистов метрологов.

Первичный эталон обеспечивает воспроизведение единицы с наивысшей в стране точностью (по сравнению с другими эталонами той же единицы). Воспроизведение единицы физической величины – совокупность операций по материализации единицы физической величины с помощью государственного первичного эталона. Различают воспроизведение основных и производных единиц. Воспроизведение основной единицы – воспроизведение единицы путем создания фиксированной по размеру физической величины в соответствии с определением единицы. Первичный эталон основной единицы должен воспроизводить единицу в соответствии с ее определением, утвержденной Генеральной конференцией по мерам и весам ГКМВ (ГОСТ 8.417-2002). Приведем определения единиц основных величин : длина – метр, масса – килограмм, время – секунда, сила электрического тока – ампер, температура – кельвин, количество вещества – моль, сила света – кандела.

Метр есть длина пути, проходимого светом в вакууме за интервал времени 1/299792458 с (XVII ГКМВ, 1983).

Килограмм есть единица массы, равная массе международного прототипа килограмма (III ГКМВ, 1901).

Секунда есть время, равное 9192631770 периода излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133 (XIII ГКМВ, 1967).

Ампер есть сила неизменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади кругового поперечного сечения, расположенным в вакууме на расстоянии 1 м один от другого, вызвал бы на каждом участке проводника длиной 1 м силу взаимодействия, равную 2·10^–7 Н (IX ГКМВ, 1948).

Кельвин есть единица термодинамической температуры, равная 1/273,16 части термодинамической температуры тройной точки воды (XIII ГКМВ, 1967).

Моль есть количество вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько содержится атомов в углероде-12 массой 0,012 кг. При применении моля структурные элементы должны быть специфицированы и могут быть атомами, молекулами, ионами, электронами и другими частицами или специфицированными группами частиц (XIV ГКМВ, 1971).

Кандела есть сила света в заданном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частотой 540·10^–12 Гц, энергетическая сила света которого в этом направлении составляет 1/683 w/sr (XVI ГКМВ, 1979).

Следует отметить, что создание и совершенствование эталонов является чрезвычайно сложной задачей, требующей больших усилий коллективов ученых, инженеров, конструкторов и производственников. Это объясняется, в первую очередь, высокой точностью эталонов единиц электрических величин, превышающей в десятки раз точность рабочих средств измерений. К тому же требования к точности воспроизведения единиц величин непрерывно растут. В современных эталонах все большее применение находят новейшие достижения физики, химии, технологии.

Кроме национальных эталонов единиц, существуют и международные эталоны Международного бюро мер и весов (МБМВ), которое проводит систематические международные сличения эталонов национальных метрологических организаций разных стран с международными эталонами и между собой.

Государственный первичный эталон единиц длины – комплекс средств, воспроизводящих метр в виде 1650763,73 длин волн излучения в вакууме, соответствующего переходу между определенными уровнями атома криптона-86. Эталон обеспечивает воспроизведение метра с относительным средним квадратическим отклонением результата измерений, не превышающим 510^-9.

Государственный первичный эталон единицы массы – килограмма состоит из национального прототипа килограмма (гири из платиново-иридиевого сплава) и эталонных весов, предназначенных для передачи размера единицы массы вторичным эталонам. Среднее квадратическое отклонение относительной погрешности воспроизведения эталоном единицы массы равно 710^-9.

В настоящее время ведутся работы по созданию «естественного» эталона единицы массы, например, с использованием подсчета числа молекул.

Государственный первичный эталон единицы времени – комплекс средств, обеспечивающий воспроизведение единиц с относительным средним квадратическим отклонением результата измерений, не превышающим 110^-13, при неисключенной относительной систематической погрешности, не превышающей 110^-12. Этот эталон является также эталоном единицы частоты – герца.

Появление высокостабильных лазеров позволило осуществить согласованное определение метра и секунды на основе одной линии излучения. В связи с этим в 1983 г. XVII Генеральной конференцией по мерам и весам принято решение о новом определении метра, в соответствии с которым метр определен как длина пути, проходимого светом в вакууме за 1/299792548 долю секунды. В настоящее время ведутся работы по созданию единого эталона единиц времени, частоты и длины. При этом используется фундаментальная зависимость , где – путь, проходимый излучением; c = 299792548 м/с – скорость света (излучения); – время.

Государственный первичный эталон единицы силы постоянного электрического тока – ампера (регламентируется ГОСТ 8.022-91) – это комплекс средств, в состав которых входят токовые весы. В токовых весах, представляющих собой рычажные равноплечие весы, с одной стороны на коромысло действует сила взаимодействия двух соленоидов, обтекаемых постоянным током, а с другой – гиря известной массы. При равновесии весов сила тока определяется через массу гири, ускорение свободного падения в месте расположения весов и постоянную электродинамической системы (двух соленоидов), зависящую от формы и размеров соленоидов, диаметра сечения провода соленоидов, значения относительной магнитной проницаемости среды и т. д. Таким образом, ампер воспроизводится через основные единицы – метр, килограмм и секунду. В настоящее время наиболее точный результат измерения силы тока выражается числом из пяти цифр. Эталон воспроизводит размер ампера с относительным средним квадратическим отклонением результата измерений, не превышающим 410^-6, при относительной систематической погрешности, не превышающей 810^-6.

Шкала силы электрических токов – аддитивная шкала отношений. Определение ампера менялось дважды. По определению 1893, относящемуся к системе международных практических электрических единиц, международный ампер – неизменяющийся ток, который, проходя через водный раствор азотнокислого серебра, при соблюдении спецификации выделяет 0,0011180 г серебра в 1 с. Эталон ампера – серебряные вольтаметры – создавались децентрализованно, по определению и воспроизведению ампер не был независимой единицей, т. к. определялся через грамм и секунду.

В 1948 г. при создании МКСА вместо международных практических электрических единиц были введены абсолютные практические электрические единицы: при этом размер ампера и других электрических единиц изменился. Международный ампер, определённый в 1893 г., стал равен 0,99985 абсолютного ампера. Абсолютные практические электрические единицы вошли в СИ. Как было сказано выше, определение ампера в СИ – это сила неизменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади кругового поперечного сечения, расположенным в вакууме на расстоянии 1 м друг от друга, вызывал бы на каждом участке проводника длиной 1 м силу взаимодействия, равную 2·10^–7 Н. Такое определение связало ампер уже с тремя основными единицами – метром, килограммом и секундой, оно не может быть воплощено в каком-либо техническом устройстве. Поэтому в большинстве стран в качестве эталона ампера использовались (и частично используются) установки, реализующие ампер путём измерения либо силы (ампер-весы различных конструкций), либо момента сил, действующих на катушку с током, помещённую в магнитное поле другой катушки. Модельные расчёты такого рода устройств содержат неопределённости в реализации международного определения. Отсутствие единой пригодной для реализации международной спецификации для этих устройств сделало необходимыми международное сличение и принятие для единицы ампера некотоpoгo среднего значения, т. е. введение централизованной СОЕИ. Так как эталонные меры силы тока отсутствуют, сличаются меры электрического сопротивления, прокалиброванные на национальном эталоне ампера – ампер-весах.

Различные модификации ампер-весов конструктивно похожи. Все они выполняются из немагнитных материалов. К одной чашке весов подвешивается подвижная катушка, коаксиальная с неподвижной, большего диаметра. На другой чашке находится уравновешивающий груз. Обмотки катушек в простейшем случае соединены последовательно. Отличия сводятся к размерам катушек, числам витков, иногда к схеме подключения (со средней точкой обмотки неподвижной катушки или без неё). При прохождении через них электрического тока подвижная катушка втягивается в неподвижную или выталкивается из неё, и для восстановления равновесия нужно изменить массу уравновешивающего груза. Значение силы электрического тока определяется выражением ,

где т – масса уравновешивающего груза;

g – ускорение силы тяжести;

М – взаимоиндуктивность;

х – взаимное смещение катушек.

В процессе исследования все величины правой части определяются возможно точнее. Поэтому можно рассчитать значение т, соответствующее, например, силе электрического тока в 1 А, а включив в цепь катушек эталонный резистор, можно откалибровать эталонные меры э. д. с.

Из приведённого описания ампер-весов следует, что если через катушки пропустить электрический ток, сила которого определена с высокой степенью точности независимым методом, то можно рассчитать значение т, т. е. прокалибровать меру массы, не обращаясь к эталону килограмма. Такой путь создания эталона массы весьма привлекателен, однако пока не удалось достичь требуемой точности.

В 1992 г. утверждён национальный эталон ампера России, размер которого определяется с использованием квантовых эталонов вольта и ома, основанных на Джозефсона эффекте и квантовом Холла эффекте. Он воспроизводит некоторые интервалы шкалы силы постоянных токов. В результате погрешности эталон ампера снизились на два порядка.

Разрабатываются квантовые эталоны ампера, основанные на измерении магнитной индукции методом ЯМР.

Из двух дополнительных единиц СИ (радиана и стерадиана) с помощью эталона воспроизводится единица плоского угла – радиан. Воспроизведение последнего осуществляется методом калибровки, исходя из того, что сумма всех центральных смежных углов многогранной призмы равна 2π рад (360°).

Государственный первичный эталон единицы плоского угла состоит из 36-гранной призмы, эталонной угломерной автоколлимационной установки, включающей фотоэлектрические автоколлиматоры с электронным цифровым отсчетным устройством, позволяющим выполнять измерения в пределах от –6" до +6", и системы для установки и поворота многогранной призмы.

Цена отсчетного устройства автоколлиматора 0,01". Среднее квадратическое отклонение результата измерения не превышает 0,02".

Для поддержания единства измерений можно ограничиться созданием эталонов только основных величин. Однако для облегчения выполнения этой задачи созданы эталоны производных единиц. Рассмотрим некоторые эталоны производных единиц электрических величин.

В состав государственного эталона вольта входят: мера напряжения на основе эффекта Джозефсона (возникновение напряжения между двумя разделенными тонким слоем диэлектрика сверхпроводниками в высокочастотном электромагнитном поле); группа насыщенных нормальных элементов (см. п. 5.3) для хранения размера единицы, компенсатор постоянного тока для сличения нормальных элементов. Эталон воспроизводит размер вольта с относительным средним квадратическим отклонением результата измерения, не превышающим 510^-8, при относительной неисключенной систематической погрешности, не превышающей 110^-6.

Государственный эталон единицы сопротивления воспроизводит ом с помощью 10 манганиновых катушек сопротивления с относительным средним квадратическим отклонением результата измерений, не превышающим 110^-7, при неисключенной относительной систематической погрешности, не превышающей 510^-7.

Государственный эталон единицы емкости воспроизводит фарад с помощью конденсатора с относительным средним квадратическим отклонением результата измерений, не превышающим 710^-7, при неисключенной относительной систематической погрешности, не превышающей 1310^-7.

Государственный эталон единицы индуктивности воспроизводит генри с помощью четырех катушек индуктивности с относительным средним квадратическим отклонением результата измерений, не превышающим 110^-5, при неисключенной относительной систематической погрешности, не превышающей 110^-5.

Единицы магнитных величин воспроизводятся с помощью соответствующих эталонов. В стране имеются первичные эталоны магнитной индукции, магнитного потока и магнитного момента.

Для передачи размера единиц магнитных величин от первичных эталонов к рабочим средствам измерений используют рабочие эталоны и стандартные образцы магнитных величин.

Меры электрических величин. Мера – средство измерений, предназначенное для воспроизведения и (или) хранения физической величины одного или нескольких заданных размеров, значения которых выражены в установленных единицах и известны с необходимой точностью.

Различают следующие разновидности мер:

однозначная мера – мера, воспроизводящая физическую величину одного размера (например, гиря 1 кг);

многозначная мера – мера, воспроизводящая физическую величину разных размеров (например, штриховая мера длины);

набор мер – комплект мер разного размера одной и той же физической величины, предназначенных для применения на практике как в отдельности, так и в различных сочетаниях (например, набор концевых мер длины);

магазин мер – набор мер, конструктивно объединенных в единое устройство, в котором имеются приспособления для их соединения в различных комбинациях (например, магазин электрических сопротивлений).

При оценивании величин по условным (неметрическим) шкалам, имеющим реперные точки, в качестве «меры» нередко выступают вещества или материалы с приписанными им условными значениями величин. Так, для шкалы Мооса мерами твердости являются минералы различной твердости. Приписанные им значения твердости образуют ряд реперных точек условной шкалы.

По точности воспроизведения физической величины меры бывают 1, 2 и 3-го разрядов, причем наименьшая погрешность воспроизведения у меры 1-го разряда. По допускаемой погрешности воспроизведения значения физической величины рабочие меры относят к различным классам точности.

По наименованию воспроизводимой единицы меры делятся на меры э.д.с. или электрического напряжения; меры электрического сопротивления; меры электрической емкости; меры индуктивности и взаимной индуктивности; меры магнитной индукции; меры магнитного потока. Широкое применение имеют магазины сопротивлений, емкости и индуктивности, обеспечивающие ряд дискретных значений.

Меры э.д.с. и электрического напряжения. В качестве образцовой меры э.д.с. используют нормальные элементы (НЭ). НЭ представляют собой специальный источник химической энергии, состоящий из стабильного обратимого гальванического элемента с точно известной э.д.с. Обратимость гальванического элемента заключается в том, что при его разряде химическая реакция протекает в одном направлении, а при заряде, т. е. при восстановлении, в обратном. Выпускают нормальные элементы двух типов - насыщенные и ненасыщенные, в зависимости от того, насыщенный или ненасыщенный водный раствор сернокислого кадмия используется в них в качестве электролита. Отличаются они своими характеристиками.

Н асыщенный нормальный элемент (рисунок 5.1) состоит из Н-образного стеклянного сосуда, заполненного определенными веществами. Верхние концы сосуда запаяны, а в нижние впаяны платиновые проволочки-выводы.

П

-

оложительным электродом насыщенного нормального элемента является ртуть, а отрицательным – амальгама кадмия. Анодная ветвь имеет следующее заполнение: ртуть – 1, сульфат ртути – 2, кристаллы сульфата кадмия – 3. Катодная ветвь состоит из следующих частей: амальгама кадмия – 4 (10 – 12 % кадмия и 88 – 90 % ртути), кристаллы сульфата кадмия – 5. Средние части 6 обеих ветвей заполнены насыщенным раствором сульфата кадмия, содержащего избыток кристаллов CdS0₄8/3Н₂О. Кристаллы сульфата кадмия 3 и 5 обеспечивают сохранение насыщения электролита 6. Нормальный элемент заключен в металлический, деревянный или пластмассовый кожух с хорошо изолированными зажимами, к которым присоединяются проводники от электродов.

Значения э.д.с. насыщенного НЭ при 20 ºС лежат в диапазоне Е₂₀ = 1,018540 – 1,018730 В. Согласно ГОСТ 1954-82 насыщенные НЭ могут иметь один из следующих классов точности: 0,0002; 0,0005; 0,001; 0,002; 0,005. Эти значения соответствуют наибольшим допускаемым изменениям э.д.с. за 1 год – на 2, 5, 10, 20, и 50 мкВ. Наибольший ток, который можно пропускать через насыщенный НЭ, определяется временным режимом работы и зависит от класса точности элемента. Согласно ГОСТ 1954-82 наибольший допустимый ток лежит в диапазоне от 0,002 до 1 мкА. Если температура НЭ отличается от 20 ⁰С, то изменение э.д.с. следует учитывать по формуле

,

где – э.д.с, В, при температуре t, ºC; Е₂₀ – э.д.с., В, при температуре 20 ºC, указанная в паспорте НЭ. Внутреннее сопротивление насыщенных НЭ составляет 500 – 2000 Ом.

Ненасыщенные НЭ отличаются от насыщенных тем, что у них применяется ненасыщенный раствор сульфата кадмия, который не содержит кристаллов CdS0₄8/3Н₂О при температуре выше 4 ºC. Воспроизводимость и стабильность значения э.д.с. ненасыщенных НЭ ниже, чем насыщенных.

Конструкция ненасыщенных нормальных элементов аналогична конструкции насыщенных. Ненасыщенные НЭ выпускаются с классами точности 0,002; 0,005; 0,01 и 0,02. Это соответствует допустимым изменениям э.д.с. на 20, 50, 100 и 200 мкВ в год. Э.д.с. ненасыщенных НЭ лежит в диапазоне Е = 1,018800 – 1,019600 В и незначительно зависит от температуры (не более 0,0002 % на 1 К). Внутреннее сопротивление 300 – 600 Ом. Вследствие пониженных требований к точности воспроизведения значения э.д.с. ненасыщенных нормальных элементов максимальный ток их больше, чем у насыщенных, и составляет 100 мкА. При работе с НЭ следует оберегать их от тряски, опрокидывания, перегрева и воздействия сильного света. Эти требования менее жестки для ненасыщенных НЭ, поэтому они нашли широкое применение в переносных средствах измерения.

В последнее время для получения весьма точного постоянного напряжения с погрешностью 510^-8 используют открытый в 1962 г. эффект Джозефсона. Элемент Джозефсона состоит из двух сверхпроводников, соединенных друг с другом посредством тонкого слоя несверхпроводящего материала. При протекании через сверхпроводники постоянного тока в контактной зоне элемента Джозефсона устанавливается напряжение (эффект постоянного тока Джозефсона). Если на этот постоянный ток наложить переменный ток высокой частоты, то возникает эффект переменного тока Джозефсона. Переменный ток влияет таким образом, что вольт-амперная характеристика у элемента имеет ступенчатую форму. Напряжение каждой ступени

.

Так как отношение двух постоянных (h – постоянная Планка, е – элементарный заряд) также постоянно, то определение напряжения сводится к измерению частоты f. Как известно, частота может быть измерена с очень высокой точностью. При частоте 10 ГГц напряжение ступени U равно примерно 20 мкВ. Это напряжение в противоположность э.д.с. нормального элемента не зависит от внешних факторов, таких как температура, сотрясения, вибрации, электрические нагрузки, старение и т. д. Правда, из-за больших технических сложностей, возникающих при изготовлении установки с элементом Джозефсона, он применяется только при очень высоких требованиях к точности.

Меры электрического сопротивления. Мерами электрического сопротивления называют эталонные резисторы, если они для этой цели сконструированы, изготовлены и прошли государственную поверку. Все другие резисторы называют измерительными. Они могут быть иногда использованы также в качестве эталонных резисторов более низкого порядка, если имеют соответствующее свидетельство о государственной поверке. Предполагается при этом, что они удовлетворяют минимальным требованиям к точности и стабильности.

Эталонные резисторы изготавливают из манганина. Манганин представляет собой сплав из 84 % меди, 12 % марганца и 4 % никеля. Он имеет большое удельное электрическое сопротивление, очень малый температурный коэффициент – порядка 110^-5 К^-1 и малую термо-э.д.с. в паре с медью. Для резисторов сопротивлением от 10^-4 до 10^-2 Ом применяют листовой манганин, от 10^-1 до 10² – манганиновую проволоку, намотанную бифилярно, а для 10³ – 10⁵ Ом – намотанную по Шаперону (рисунок 5.2).

Э талонные резисторы могут иметь класс точности от 0,0005 до 0,1 при номинальном сопротивлении от 10^-5 до 10¹⁰ Ом.

На рисунке 5.3 показан внешний вид эталонного резистора. На металлический или фарфоровый каркас 1 наматывается обмотка 2 из манганиновой проволоки, концы которой припаиваются к зажимам 3 и 4. Каркас катушки крепится к корпусу с отверстиями для лучшего охлаждения обмотки. В некоторых конструкциях каркас заполняется трансформаторным маслом, что повышает влагостойкость изоляции и улучшает условия теплоотдачи обмотки.

К атушки снабжаются четырьмя зажимами, два из которых называются токовыми (зажимы 4) и предназначены для включения образцовой катушки в цепь тока, два других называются потенциальными (зажимы 3). Потенциальные зажимы предназначены для измерения падения напряжения на сопротивлении катушки. Эталонные резисторы из манганина могут быть нагружены в воздухе до 1 Вт, а в масляной ванне – до 4 Вт.

При работе в цепях переменного тока может существенную (и нежелательную) роль играть реактивность резистора, обусловленная её индуктивностью и собственной емкостью . При этом полное сопротивление эталонного резистора приближенно дается формулой

.

Отношение характеризует степень реактивности резистора. Величина  называется постоянной времени. Её значение обычно лежит в пределах 10^-8 – 10^-5 с. Чтобы уменьшить , применяют специальные виды намотки (см. рисунок 5.2).

Магазины сопротивлений являются мерами с переменным значением сопротивлений. Применяемые в магазинах катушки сопротивлений обычно имеют простую бифилярную намотку. В магазинах сопротивлений, изготовляемых для измерений с повышенной точностью в цепях переменного тока, для уменьшения постоянной времени катушек применяют более сложные намотки. Во многих случаях магазины сопротивлений используются в качестве реостатов или потенциометров для регулирования тока или напряжения в маломощных электрических цепях. В зависимости от способа переключения сопротивлений магазины делятся на штепсельные и рычажные. Штепсельные имеют набор катушек сопротивлений, соединенных последовательно (рисунок 5.4).

К аждая катушка подсоединяется к латунным пластинам, которые можно соединять между собой с помощью штепселей – конических стержней, вставляемых в специальные гнезда, и тем самым закорачивать катушки. При полностью вставленных штепселях все катушки сопротивлений будут закорочены и сопротивление магазина будет минимальным, наоборот, если все гнезда будут свободны от штепселей, сопротивление магазина будет максимальным.

Рычажные магазины сопротивлений состоят из нескольких декад (рис. 5.5).

Рычажные магазины сопротивлений состоят из нескольких декад (рисунок 5.5).

Концы однотипных катушек сопротивлений для каждой декады подсоединяются к контактам, по которым скользят щетки, жестко скрепленные с рычагами. Суммарное сопротивление магазина отсчитывается по положению рычагов в каждой декаде.

Магазины сопротивлений выпускаются следующих классов точности: 0,01; 0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5 и 1,0. При работе ток (мощность рассеяния) не должен превышать допустимого значения, указанного на маркировке. Магазины сопротивлений, предназначенные для использования на высоких частотах (сотни килогерц и выше), изготовляют из непроволочных резисторов. Точность таких магазинов не лучше класса 1,0.

Меры индуктивности и взаимной индуктивности. Меры индуктивности и взаимной индуктивности выполняют в виде катушек и магазинов. Эталонная катушка состоит из изолированного провода, намотанного на плоский каркас из мрамора, фарфора или пластмассы (рисунок 5.6).

Д ля уменьшения активного сопротивления и влияния поверхностного эффекта используется провод, состоящий из большого числа тонких изолированных жил, называемый «литцендрат». Для улучшения изоляции витков и повышения стабильности индуктивности обмотку пропитывают парафином. Витки жестко скрепляются между собой и каркасом.

Катушки взаимной индуктивности состоят из двух индуктивно связанных катушек (рисунок 5.6, б) и могут быть использованы как двухполюсник или четырехполюсник. Катушки индуктивности изготовляют на значения от 0,0001 до 10 Гн, а катушки взаимной индуктивности – на значения от 0,001 до 0,1 Гн. Классы точности таких катушек 0,01; 0,02; 0,05; 0,1; 0,5; 1.

Меры индуктивности применяются для измерения в цепях переменного тока. Каждая катушка, кроме собственной индуктивности , имеет межвитковую емкость и некоторое омическое сопротивление R. Значения и R в мерах индуктивности стремятся получить минимальными.

Катушки индуктивности характеризуются добротностью , причем, чем выше добротность, тем качественней катушка.

Мерами переменных и взаимных индуктивностей служат магазины индуктивностей и вариометры. Магазины индуктивностей представляют собой набор катушек индуктивностей, расположенных в одном корпусе с переключающими устройствами. Чтобы при различных значениях индуктивностей не изменялось активное сопротивление цепи, предусмотрены катушки сопротивления, замещающие активное сопротивление R выключаемых катушек индуктивности.

Вариометры изготовляют из двух индуктивно связанных катушек. Меняя плавно взаимное расположение этих катушек, можно изменять коэффициент взаимной индуктивности. Катушки вариометра можно соединять последовательно или параллельно, что позволяет менять общую индуктивность вариометра в зависимости от угла поворота одной катушки относительно другой. Угол поворота отсчитывается по шкале, а значения индуктивности и взаимной индуктивности определяют по градуировочным таблицам.

Меры электрической емкости. Меры электрической емкости изготовляют в виде измерительных конденсаторов постоянной емкости, магазинов емкостей и конденсаторов переменной емкости. В конденсаторах постоянной емкости диэлектриком является воздух или слюда. Такие «воздушные» и «слюдяные» конденсаторы имеют большое сопротивление изоляции и малые потери в диэлектрике; их емкость не зависит от частоты и формы приложенного напряжения, а зависимость от температуры – минимальна. Особо высокая точность воспроизведения емкости обеспечивается конденсаторами с воздушным диэлектриком, однако из-за больших габаритов они выпускаются до емкости 0,01 мкФ. Конструкция таких конденсаторов определяется рабочим напряжением: при низких напряжениях пластины плоскопараллельные, при высоких – цилиндрические. Погрешность емкости образцовых воздушных конденсаторов находится в пределах ± (0,03 – 0,05) %.

Конденсаторы со слюдяным диэлектриком позволяют получить большие значения емкости при меньших размерах и потому широко применяются в магазинах емкостей как рабочие меры. Слюдяные конденсаторы выпускаются с номинальным значением емкости от 0,01 до 1 мкФ; диэлектрические потери и температурный коэффициент емкости у них в несколько раз больше, чем у воздушных.

В магазинах емкостей необходимое значение емкости подбирается с помощью переключающих устройств штепсельного (рисунок 5.7, а) или рычажного (рисунок 5.7, б) типа. В последнее время образцовые конденсаторы малой емкости – от 1 до 510³ пФ – изготовляют с воздушно-кварцевым или воздушно-полистироловым диэлектриком, а большой емкости – до 10⁸ пФ – со стирофлексным.

В качестве образцовых конденсаторов переменной емкости применяются исключительно воздушные конденсаторы с высококачественной изоляцией ротора от статора и совершенным отсчетным устройством. Максимальная емкость таких конденсаторов не превышает 0,01 мкФ, потери в диэлектрике tg = 10^-4, погрешность установки емкости составляет (0,05 – 0,1) %, температурный коэффициент емкости не превышает 0,003 % на 1°С.