5.4 Узгодження розміру ампера в частотному і динамічному діапазонах

В п. 4.7 показано, що еталон одиниці сили постійного струму можна створити на основі закону Ома , при цьому значення напруги і опору простежується до еталонів на ефектах Джозефсона і Холла. Далі, як показано на рис. 5.24, одиниця сили струму переноситься на змінний струм за допомогою методу теплового компарування.

Рис. 5.24. Схема узгодження еталонів ампера

Дещо складніше відбувається відтворення одиниці сили струму на ВЧ методом електродинамічного перетворення, де для визначення сили струму необхідно також обчислювати сталу еталона через геометричні і механічні вимірювання.

5.5. Висновок

Основним методом, на якому базується еталони одиниць змінної напруги і сили змінного струму, є метод теплового компарування, тобто порівняння з напругою або силою постійного струму за еквівалентною тепловою дією.

Домінуючою похибкою компарування при цьому є похибка переходу з постійного струму на змінний або частотна похибка, пов’язана з наявністю у схемах термоперетворювачів реактивних елементів і поверхневого ефекту. Тому апаратурна реалізація методу теплового компарування в різних частотних піддіапазонах відрізняється, а основним напрямком метрологічних досліджень при створенні відповідних еталонів є оцінка і мінімізація частотної похибки.

Оптимальним методом, який дозволяє перенести розмір вольта в діапазон високих напруг на постійному і змінному струмі, є метод масштабного перетворення.

Широкі частотний і динамічний діапазони, в яких необхідно вимірювати параметри електричного струму, перш за все напругу, призвели до необхідності створення кількох первинних еталонів вольта.

Методи теплового компарування дозволяють забезпечити простежуваність вимірювання параметрів постійного і змінного струмів до найбільш точних еталонів у галузі електрики (первинного еталона ЕРС на ефекті Джозефсона і первинного еталона електричного опору на квантовому ефекті Холла) і тим самим забезпечити узгодженість розмірів вольта і ампера в частотному і динамічному діапазонах.

Варто також сказати про дослідження щодо використання квантового ефекту Джозефсона для вимірювання змінної напруги і, в перспективі, створення єдиного квантового еталона вольта на постійному і змінному струмі. Концепцію побудови такого еталона в Росії розглянуто в [39]. Суть методу (див. рис. 5.25) полягає в порівнянні змінного синусоїдального сигналу з “джозефсонівським” сигналом східчастої формиза допомогою деякого нуль-індикатора (наприклад, СКВИДа^). При цьому проводиться порівняння площин чи, що те ж саме, середньовипрямлених значень порівнюваних сигналів. Опорним сигналом служить сигнал (напруга), відтворений мірою на основі ефекту Джозефсона . Східчастий сигналможе бути отриманий шляхом дискретних відліків з виводів джозефсоновської матриці, розташованих, наприклад, за двоїчним кодом. Різниця напруг (див. вид різницевого сигналу на рис. 5.25) подається на вхід СКВИДа, фільтрується, підсилюється, випрямляється на фазочутливому детекторі і надходить на регулятор рівня у вигляді сигналу помилки. При рівності середньовипрямлених значеньнапруга сигналу помилки дорівнює нулю; для переходу до середньоквадратичних чи амплітудних значень напруги (відповідно до виразів (5.5),) необхідно застосовувати масштабні перетворювачі напруги.

Рис. 5.25. Спрощена схема відтворення змінної напруги

Такий спрощений розгляд уявляється досить ясним, однак практична реалізація даного еталона містить у собі ряд питань. Це створення керованої матриці з безгістерезисними джозефсонівськими переходами, формування східчастого сигналу із заданими параметрами, побудова прецизійного масштабного перетворювача в ряд інших. Проблемою створення еталона змінної напруги на основі ефекту Джозефсона займається ряд метрологічних центрів світу, що володіють технологією створення багатоелементних матриць (PTB, NIST та ін.).

Відзначимо, що перші результати в цьому напрямку уже є в ряді країн, в тому числі і в Росії.

Роботи в цьому напрямку активно продовжуються.

Контрольні питання

1. На якому методі ґрунтується відтворення розмірів вольта і ампера на змінному струмі, який закон фізики лежить в основі цього методу?

2. Чим відрізняються апаратурні реалізації методу відтворення одиниці напруги на низьких, середніх і високих частотах?

3. Як забезпечується єдність вимірювання напруги в усіх частотних і динамічних діапазонах?

4. Чому створюється кілька еталонів одної і тієї ж ФВ, чи не можна обійтися одним?

5. Який метод дозволяє перенести розмір вольта у діапазон високих напруг?

6. Які типові складові похибки мають місце при реалізації методу теплового компарування?

7. Як забезпечується простежуваність еталонів вольта і ампера на змінному струмі до еталонів на квантових ефектах Джозефсона і Холла?

У літературі часто зустрічаються синоніми СКЗ – діюче, ефективне значення.

Якщо вздовж провідника існує градієнт температури, то при проходженні струму в ньому із гарячої в холодну ділянку через явище термо-ЕРС виділяється додаткове тепло (окрім Джоулевого), а при переході електронів з холодної у гарячу ділянку – додаткове тепло поглинається.

СКВИД – Від початкових букв англійських слів Superconducting Quantum Interference Device – надпровідний квантовий інтерференційний прилад. Використовується для вимірювань слабких магнітних полів (до 10^-18 Тл), струмів (до 10^-10 А) та напруг (до 10^-15 В) на основі ефекту Джозефсона і явлення квантування магнітного потоку.

117