- •5 Еталони одиниць напруги і сили змінного струму
- •5.1 Еталони одиниці напруги змінного струму
- •5.1.1 Параметри напруги змінного струму
- •5.1.2 Основні методи точного вимірювання (відтворення) напруги змінного струму
- •5.1.3 Еталон змінної напруги в діапазоні низьких і середніх частот
- •5.1.4 Еталон одиниці напруги на високих частотах
- •5.2 Узгодження розміру вольта в частотному і динамічному діапазонах
- •5.2.1 Еталони високої напруги постійного та змінного струму
- •5.2.2 Узгодження еталонів вольта
- •5.3 Еталони одиниці сили змінного струму
- •5.3.1 Еталон сили струму в діапазоні низьких і середніх частот
- •5.3.2 Еталон сили струму в діапазоні високих частот
- •5.4 Узгодження розміру ампера в частотному і динамічному діапазонах
- •5.5. Висновок
5.3.2 Еталон сили струму в діапазоні високих частот
Вимірювання сили струму високої частоти необхідні для контролю параметрів засобів зв'язку, радіолокації, радіонавігації, контролю якості виробів радіотехнічної та електронної промисловості. Широке поширення одержали термоамперметри, що працюють у діапазоні частот до 300 МГц, а також вимірювачі сили струму в еквіваленті антени. Вимірювання сили струму на ВЧ необхідні в широкому динамічному діапазоні – від сотень міліампер до сотень ампер, при цьому значенням струму характеризують інтенсивність сигналу на “передавальній стороні” радіотехнічних систем. Для забезпечення повірок амперметрів ВЧ у деяких країнах, зокрема в Росії, створені еталони одиниці сили струму ВЧ [23, 37]. Розглянемо принцип його побудови.
Відтворення одиниці сили струму ВЧ базується на електродинамічному перетворенні енергії електромагнітного поля в механічну енергію коливань кільця, розташованого в цьому полі. Схему первинного перетворювача наведено на рис. 5.23. У результаті дії ВЧ-струму, що протікає по внутрішньому провіднику коаксіальної лінії, у металевому кільці наводиться вторинний струм, і через взаємодію двох струмів з'являється обертаючий момент . Значеннявизначається силою струму і параметрами системи за виразом [23]:
, (5.11)
де – сила струму ВЧ у лінії; – взаємоіндукція між лінією і кільцем; – активний опір кільця; – частота струму; – кут повороту кільця щодо площини поперечного перерізу лінії; – пружність нитки підвісу.
Обертаючий момент, відповідно до (5.11), залежить від сили струму, геометричних характеристик кільця, взаємного розташування кільця і лінії, активного опору кільця і частоти струму. Кільце виконується з матеріалу з високою провідністю, так що при досить високій частоті () залежність періоду механічних коливань кільця від частоти струму є досить слабкою.
З викладеного очевидно, що при незмінній геометрії рухливої системи і високій частоті період коливань буде тільки функцією струму в лінії.
Середнє квадратичне значення сили струму визначається за формулою
, (5.12)
де – стала еталона, що залежить від його геометричних розмірів; – період власних коливань кільця при наявності струму в лінії; – період власних коливань кільця, обумовлений пружністю нитки підвісу й інших факторів при відсутності струму в лінії.
Період коливань визначається через число коливань, що відлічуються автоматично за допомогою променя світла, який направляється на дзеркальце, і електронного секундоміра (рис. 5.23).
Рис. 5.23. Схема первинного перетворювача еталона
Процедура вимірювань за допомогою еталона полягає в наступному. Спочатку визначають період власних коливань при відсутності струму, а потім електромагнітом закручують рухливу систему на кут, включають вимірюваний струм, звільняють підвіс і відраховують необхідне число коливань за допомогою фотореле, лічильника імпульсів, електронного секундоміра, до якого підводиться еталонна частота 10 кГц.
Випадкова похибка еталона значною мірою залежить від зовнішніх факторів: нестабільності струму, вібрацій фундаменту, конвекційних потоків, електростатичних зарядів. Для їхнього зменшення вживають спеціальні заходи.
Основними складовими систематичної похибки є: похибки визначення і, зв'язані з загасанням коливань; похибка визначення постійної еталона; похибка, викликана відмінністю умов при вимірюванні струму і визначенні.
Головна задача метрологічного дослідження еталона – визначення його сталої , яке може бути проведене як розрахунковим, так і експериментальним шляхом.
Розрахунковий метод полягає у визначені зв'язку між характеристиками кільця, конфігурації поля коаксіальної лінії, моменту інерції і т.ін. і подальшим розрахунком . Експериментальний метод ґрунтується на вимірюванні відомого значення струму на одній з частот, іншими словами, порівнянні результатів вимірювання струму описаним та іншим методами (наприклад, методом теплового чи фотоелектричного компарування).
Створений у Росії еталон має такі метрологічні характеристики [23]:
діапазон відтворення сили струму, А 3 – 100;
діапазон частот, МГц 0,1 – 300;
невиключена систематична похибка 1·10-4;
СКВ результату вимірювання 5·10-4.
Як вторинні і робочі еталони сили струму високої частоти в СНД застосовуються прецизійні ВЧ-амперметри, що базуються на електродинамічному, термоелектричному чи фотоелектричному методах. Ці амперметри забезпечують вимірювання сили струму в діапазоні частот до 300 МГц із похибкою від 0,5 до 2,5 %.