Метрология и стандартизация / Rossiyskaya metrologicheskaya entsiklopediya. Tom 1 (Okrepilov) 2015

образцовэтихединициобразцовыхприборов. Принятая на конгрессе резолюция ввела понятие «абсолютной практической системы электрических единиц». Название «абсолютная» отражала выражение электрических единиц в терминах механических единиц (длины, веса и времени), а название «практическая» отражала более приемлемыйдляпрактикиразмерединицы, отличныйот СГС. При этом единица силы тока ампер, определялась через ом и вольт.

Вопрос об установлении эталонов не один раз был предметом международного обсуждения. В связи с тем, что напряжение, ток и сопротивление связаны между собойзакономОма, принятиетойилиинойединицывкачествеосновнойбылосвязаносточностьюеепрактической реализациинаосновесвязисмеханическимиединицами.

Попыткиустановитьединицуэлектрическогосопротивления начались в 40-е гг. XIX века, и были связаны с развивающимся телеграфным делом. Первый эталон электрического сопротивления в России был создан Б.С. Якобив1848 г. ипредставлялсобойотрезокмедной проволокиопределенныхразмеров. Онпросуществовал дотехпор, поканеобнаружилось, чтоегосопротивление меняется со временем.

Данный вопрос обсуждался на Четвертом международном конгрессе электриков в Чикаго в 1883 г., что привело к созданию системы международных электрических единиц, опиравшейся на эталоны и явившейся конкретной реализацией системы абсолютных практических единиц. Решения Чикагского конгресса послужили исходным пунктом для законодательств различных государств в области электрических единиц. В частности Австралия, Англия, Соединенные Штаты Америки, Франция, Германия узаконили эти единицы в 1894–1898 гг. Правительственнымизаконамиэтихстран были установлены также эталоны, применяемые для реализации международных электрических единиц: в качествеэталонаэлектрическоготокабылпринятметод воспроизведения сиспользованиемустройствадляпроведенияэлектролиза, получившегоназваниесеребряного вольтаметра. В качестве эталона единицы напряжения (илиэлектродвижущейсилы) былпринятметод, воснову которого положен опыт создания электрохимических элементов (нормальных элементов Кларка и Вестона).

В качестве эталона единицы электрического сопротивления был принят так называемый «ртутный ом», представляющийсобойртутнуюячейку. Переходнартутный ом был обусловлен тем, что из всех металлов ртуть свободна от недостатков, которые были характерны для меди: еелегкополучитьвчистомвиде, жидкоесостояние исключаетвозможностьизменениямолекулярнойструктуры, а температурный коэффициент сопротивления (ТКС) ртути значительно ниже, чем у меди.

Одновременно проводились исследования по осуществлению абсолютных измерений электрических единицспомощьюампер-весовиквадрантногоэлектро- метра лорда Кельвина, основанных на использовании закона Ампера.

Лондонская международная конференция по электрическим единицам и эталонам 1908 г. установила международные единицы независимо от абсолютных единиц. ОфициальнымипредставителямиРоссиинаэтой

конференциибылипрофессораН.Г. ЕгоровиЛ.П. Свенторжецкий. Считая, что в качестве основной системы должна оставаться система абсолютных практических единиц, конференция приняла в качестве основы законодательства и для практических целей электрических измерений систему международных электрических единиц, основнымиединицамикоторойявляютсямеждународный ом и международный ампер.

Международный ом определен как сопротивление при неизменяющемся электрическом токе и при температуре тающего льда ртутного столба, длиной 106,300 сантиметров, имеющего сечение, одинаковое по всей длине, и массу в 14,4521 грамма.

Международный ампер был определен как сила неизменяющегося электрического тока, который отлагает 0,00111800 грамма серебра в секунду, проходя через водный раствор азотнокислого серебра.

Остальные международные электрические единицы определялись уже как производные от указанных двух основных единиц. В частности международный вольт определен как электрическое напряжение, которое в проводнике, имеющем сопротивление в один международный ом, производит ток силою в один международный ампер.

Этот пример показывает, что в течение достаточно короткого исторического отрезка в качестве базовых электрических единиц попеременно выступали вольт, ампер и ом. Кроме того, необходимо отметить, что эталоны электрических величин опирались на измерения длины, массы и времени.

Лондонскаяконференцияустановилатакжеспецификации, которымнадлежитследоватьприосуществлении эталонов.

Н.Г. Егоровымв1899 г. былисформулированызадачи по научному и техническому развитию эталонов электрическихединициповеркеэлектроизмерительныхприборов. Этопривелокоткрытиюв1900 г. электрического отделения Главной палаты мер и весов. Уже с 1899 г. начались работы по созданию эталонов вольта. Калибровкаэталонавольтабылапроведенапутемизмерения электродвижущей силы (ЭДС) нормальных элементов (НЭ) с помощью серебряного вольтаметра по методике Физико-техническогоинститутаГермании. Вольтаметр, являвшийсявтовремяэталономсилыпостоянноготока, былизготовленвсоответствиисправилами, принятыми Международным конгрессом в Чикаго в 1893 г.

С 1909 г. Н.Г. Егоров, который к этому времени стал управляющим Главной палаты, получил специальное финансирование и начал работы по созданию основных электрических эталонов (ома, вольта, ампера). В этом же году в Главной палате мер и весов была открыта особая лаборатория, специально приспособленная для изготовленияНЭВестона, рекомендованныхЛондонской конференциейвкачествеэталонамеждународноговольта [1]. Все изготовленные НЭ были сличены с НЭ НациональнойфизическойлабораторииАнглии, ЭДСкоторых ранее была установлена по серебряным вольтаметрам в США(Бюростандартов, Вашингтон) особойкомиссией из представителей государственных метрологических лабораторий Англии, Германии, Франции и США, работавшей в 1910 г.

боты выполнялись С.В. Горбацевичем, Н.А. Волковым, П.Н. Лукьяновым. В 1948 г. уже были получены первые результаты измерений.

Уравнениевоспроизведениядлясилыэлектрического тока с помощью ампер весов:

индукции взаимодействующих соленоидов по вертикальному направлению, носящая название постоянной электродинамическойсистемы. Взаимнаяиндуктивность может быть определена из геометрических размеров катушек.

ДосозданиявоВНИИМв1979 г. установкидляопределения вольта на основе эффекта Джозефсона размер единицыЭДСопределялсячерезабсолютныеизмерения силы тока на токовых весах и эталон ома.

Для абсолютного воспроизведения ома в лаборатории С.В. Горбацевича была разработана и создана аппаратура на основе расчетной катушки взаимоимной индуктивности. Такимобразом, единицаэлектрического сопротивления воспроизводилась через единицу длины (параметры расчетного индуктора) и единицу времени (частотапеременноготокавизмерительнойцепи). Новый метод позволил впервые в метрологической практике воспроизвестиомнепосредственновединицахсистемы СИ. Послевоспроизведенияразмеромаприпомощимостовых методов измерения передавался национальному групповому эталону.

К60-мгг. XX в. былпредложен, разработанивнедрен

вметрологическую практику качественно новый метод абсолютного воспроизведения ома, заменивший индукционный. В основу этого метода была положена новая теоремаэлектростатики, сформулированнаяТомпсоном и Лэмпардом в 1956 г. и указывающая новый путь экспериментальнойсвязиоднойизосновныхэлектрических величин – емкости – и механической – длины. Практическиэтасвязьмоглабытьреализованачерезрасчетный конденсатор.

ТеоремаТомпсона–Лэмпардаявиласьтеоретической базой для воспроизведения единицы электрической ем-

кости с погрешностью 10−7 10−8 посредством нового класса системы электродов – перекрестных систем или расчетных перекрестных конденсаторов.

Согласноэтойтеоремевперекрестнойсистемебесконечнодлинныхцилиндрическихэлектродоввыполняется следующее основное соотношение:

Таким образом, осуществляя при помощи дополнительного подвижного экранного электрода изменение длиныперекрестнойсистемыL иизмеряяэтоизменение с высокой точностью лазерным интерферометром, возможно абсолютное воспроизведение единицы электрической емкости C. После принятия значения скорости света условно в качестве точной константы значение ε0 также стало условно точной константой:

На практике этот переход осуществляется посредствомпоследовательныхсличений, прикоторыхемкость, рассчитаннаяпогеометрическимразмерамконденсатора

всоответствиистеоремойТомпсона–Лэмпарда, сравниваетсясимпедансоммерсопротивленияприпомощиизмерительных мостов. Таким образом, через абсолютное воспроизведение единицы емкости – фарад – в системе

СИ(тоестьчерезединицудлины– метр, электрическую

постоянную– ε0 иединицувремени– секунду) производитсяабсолютноевоспроизведениеединицыэлектрического сопротивления.

Сименами учеников Б.М. Яновского связаны известные международному метрологическому сообществу, завершенные и успешно продолжающиеся фундаментальные исследования по созданию современной эталонной базы магнитных измерений на основе квантовых магниторезонансных явлений. Были выполнены экспериментыпоуточнениюгиромагнитногоотношения протона и изотопов гелия, а также исследования по воспроизведению ампера через гиромагнитное отношение протона и магнитные величины.

Эти фундаментальные исследования привели к созданию к 2012 г. комплексного государственного первичного эталона базовых единиц магнитных величин – магнитной индукции, магнитногопотока, магнитногомоментаиградиентамагнитнойиндукции– основысистемысовременного метрологическогообеспечения магнитныхизмерений.

До 1970 г. во ВНИИМ проводились исследования, направленные на повышение точности воспроизведения силы постоянного тока путем совершенствования конструкции токовых весов. Однако измерения геометрическихпараметровпостояннойэлектродинамической системы, включающие измерение диаметров по всей длине соленоидов, длину намотки, диаметр провода соленоида и другие факторы, ограничивали точность воспроизведения на уровне порядка 8·10-6. Те же проблемы измерений геометрических размеров ограничивали точность воспроизведения силы тока с помощью гиромагнитного отношения протонов и других частиц в слабом и сильном магнитных полях.

Начало нового этапа повышения точности в области измерений электрического тока связано с открытием в 1962 г. Б.Д. Джозефсоном эффекта туннелирования электроновв сверхпроводниках притемпературе жидкого гелия(4,2 К) иоткрытиемв1980 г. К.О. Клитцингомэффекта квантования сопротивления в двумерных структурах.

В70-е гг. началась новая эпоха в создании эталонов – переходнавоспроизведениеединицфизическихвеличин через физические константы с применением стабильных физическихэффектовиначалсяпереходктакназываемым практическим единицам, которые могли быть воспроизведеныболееточноисболеевысокойстабильностьюбез опоры на эталон силы электрического тока. С подобным переходомкпрактическимединицамметрологиясталкивалась на Лондонской конференции 1908 г.

При воспроизведении вольта стал использоваться эффект Джозефсона, который описывает квантовые эффекты, происходящие при туннелировании электронов, объединенных в куперовские пары. Эти пары находятся

вмакроскопическом квантовом состоянии, которое описывается единойволновойфункцией. Классический джозефсоновский туннельный переход состоит из двух сверхпроводников, разделенных тонким изолирующим барьером.

Если переход Джозефсона разместить в электромагнитном поле с частотой f, то на вольтамперной характеристике перехода появляются ступени напряжения

гдеh/2е– отношениепостояннойПланкакудвоенному заряду электрона, Φ0 – квант магнитного потока, KJ – константаДжозефсона, n – номерступенивольтамперной характеристики перехода Джозефсона.

РаботыВНИИМпосовершенствованиюсистемыэлектрическихэталоновисозданиюустановкинаэффектеДжозефсонасвязанысименамипрофессоровВ.О. Арутюнова, С.В. Горбацевича, Ю.В. Тарбеева, К.А. Краснова. Первые измерения ЭДС НЭ с использованием аппаратуры на основе эффекта Джозефсона были выполнены во ВНИИМ в 1974–1975 гг. В период с 1980 по 2001 гг. создано несколько поколений установок на эффекте Джозефсона для использования в эталоне вольта.

В1980 г., исследуяповедениедвухмерногоэлектронногогазавполупроводниковыхструктурах, помещенных в сильное магнитное поле при температуре жидкого гелия, немецкий профессор Клаус фон Клитцинг обнаружил аномальную зависимость индуцируемой в полупроводникахЭДС, резкоотличающуюсяотклассического эффекта Холла. Зависимость ЭДС от концентрации носителей в двумерном электронном газе имела ярко выраженный ступенчатый характер, причем отношение ЭДС к протекающему току (так называемое сопротивление Холла) в пределах одной ступени практически не зависело ни от температуры полупроводника, ни от индукциимагнитногополя, ниотсилыпротекающеготока.

Впервые был открыт макроскопический квантовый эффект, прикоторомнаблюдалоськвантованиеэлектрического сопротивления, значение которого с высокой точностьюопределялосьисключительносоотношением фундаментальных физических констант: постоянной Планка h и зарядом электрона e.

Суть эффекта состоит в том, что при определенных условиях квантовое сопротивление Холла (КСХ) RH в двумерных слоях носителей тока в полупроводниках, помещенных в перпендикулярное магнитное поле при температурахжидкогогелия, независитотконцентрации носителей и выражается через комбинацию фундаментальных физических констант

гдеh – постояннаяПланка; e – зарядэлектрона; i – натуральное число.

В1988 г. на Международной конференции по мерам

ивесам (МКМВ) была принята Рекомендация 1, о переходе на новый размер вольта, в котором используется

значение константы Джозефсона KJ-90 = 483597,9 ГГц/В, сотносительнойнеопределенностью4.10-7, иопереходе на новый размер ома, в котором используется значение

константы Клитцинга RK-90 = 25 812.807 Ом, с относительной неопределенностью 2.10-7.

Таким образом, внедрение вметрологическую практикуквантовых эталоноввольтаиома открыли возмож-

ность воспроизведения силы тока с погрешностью на порядок меньше, чем при воспроизведении с помощью ампер-весов.

Развитиенанотехнологииисозданиеустройствдлясчетаиуправленияпотокомэлектроновоткрыловозможность воспроизведениясилытоканаосновеизвестногоуравнения

Постепенныйпереходвозможностивоспроизведения электрических и магнитных единиц с помощью фундаментальных физических констант привел к выводу о необходимости внесения изменений в международную систему, основанную первоначально на механических эталонах– килограммиметр. Современныедостижения электрических и магнитных измерений прокладывают путькзаменепоследнегоэталонамеханики– килограмма на его электронный либо атомный аналог.

Литература

1.Егоров Н.Г. Лондонская международная Конференция об электрических единицах и эталонах (12–22 октября н. ст. 1908 г.). Временник. Ч. 10. 1911. С. 109–121.

2.The International System of Units (SI). Bureau International des Poids et Mesures. 8th edition. 2006.

3.Галахова О.П., Колтик Е.Д. Токовые весы для абсо-

лютныхизмеренийсилыпостоянногоэлектрическоготока// Российская метрологическая энциклопедия. СПб.: Лики России. 2001. С. 478–480.

4.Ягола Г.К., Зингерман В.И., Сепетый В.Н. Определе-

ние точного значения гиромагнитного отношения протона в сильных магнитных полях // Измерительная техника. № 7. 1966. С. 45.

5.СтуденцовН.В., ХоревВ.Н., ШиловА.Е., ШифринВ.Я.

Воспроизведение ампера на основе гиромагнитного отношенияпротонаиквантовыхмагниторезонансныхявлений// Измерительная техника. № 3. 1986. С. 20–21.

6.B.D. Josephson. Possible new effects in superconductive tunnelling. Phys. Lett. Vol. 1 (7). 1962. Р. 251–253.

7.K. v. Klitzing, G. Dorda, M. Pepper. New Method for High-Accuracy Determination of the Fine-Structure Constant Based on Quantized Hall Resistance Phys. Rev. Lett. Vol. 45

(6). 1980. Р. 494–497.

8.Колтик Е.Д., Галахова О.П., Кpжимовский В.И. и

др. Государственный первичный эталон единицы ЭДС и переход на новый размер вольта // Измерительная техника. 1991. № 10. С. 6–7.

9.V.Ya. Shifrin, P.G. Park, C.G. Kim, V.N. Khorev, C.H. Choi.

ALow-Field Determination of the Proton Gyromagnetic Ratio in Water. IEEE Trans., Instr., Meas. 1998. Vol. 47. №3. Р. 638–643.

10.ШифринВ.Я., ХоревВ.Н., КалабинВ.Н. идр. Государ-

ственный первичный эталон единиц магнитной индукции, магнитногопотока, магнитногомоментаиградиентамагнитной индукции // Измерительная техника. 2012. № 7. С. 3–7.

11.F. Delahaye and D. Dominguez. Precise comparisons of quantized Hall resistances. IEEE Trans., Instr., Meas. IM-36, June 1987. Р. 226–229.

12.КурочкинФ.Е., ПлошинскийА.В., СеменовЮ.П. идр.

Государственный эталон единицы электрического сопротивления и новое представление ома на основе квантового эффектаХолла// Измерительнаятехника. 1990. №12. С. 3–4.

В процессе создания эталона вольта второго поколения (1989) были изготовлены такие уникальные приборыкаксверхпроводящийквантовыймагнитометр, криогенныйкомпаратортока[10] икриогенныйделитель [11]. В качестве переходов Джозефсона использовались точечные ниобиевые контакты, разработанные в НПО «Кварц», г. Нижний Новгород [12].

Наличиеперечисленныхустройстввсоставеэталона вольта позволило использовать их для воспроизведения силы тока и создать аппаратуру, воспроизводящую ампер через вольт и ом, которая в 1991 г. вошла в комплекс Государственногопервичногоэталонаединицысилыпостоянногоэлектрическоготока– ампера– ГЭТ4-91 [13]. ПередачаединицысопротивленияпроизводиласьотэталонаомасустановкойнаквантовомэффектеХолла[14].

Реализация эталона ампера осуществлена посредством двух комплексов аппаратуры, обеспечивающих воспроизведение единицы силы постоянного электрического тока – ампера – на основе квантовых эффектов

вреперных точках 1 мА и 1 А и методов электрометрии

вдиапазоне силы токов 10-16–10-9 А.

Основными элементами первой части аппаратуры, воспроизводящей значения силы тока на основе квантовых эффектов (рис. 1), являются мера напряжения на основе эффекта Джозефсона, включающая синтезатор сверхвысокой частоты G и переход Джозефсона, криогенная мера сопротивления RC в виде набора pавнономинальных резисторов, коммутируемых сверхпроводящим переключателем, криогенный компаратор постоянного тока, использующий в качестве нуль– индикатоpа магнитного потока многопетлевой радиочастотный сквид, и управляемые источники постоянного тока на 1 мА и 1 А.

Воспроизведениесилытокаэталономсостоитиздвух этапов. На первом осуществляется передача единицы сопротивления от эталона ома, содержащего установку на квантовом эффекте Холла, а на втором реализуется процессвоспроизведениясилытоказаданногозначения.

Передача единицы сопротивления осуществляется с помощью одноомной меры (R0), аттестованной по эталону ома (RН), путем сравнения напряжения на мере R0 (1 мВ) с напряжением криогенной меры Rс (4 мВ) с помощью меры напряжения на эффекте Джозефсона и сквид-гальванометpаприодномтоке, протекающемчерез меры сопротивления.

Значение сопротивления криогенной меры определяется как:

где F1, F2, N1, N2 – значения частот облучения генератора G и номера ступенек вольт-ампеpной характеристики (ВАХ) перехода Джозефсона (ПД) при сравнении напряжений на RС и R0 соответственно.

Значение воспроизводимого тока (1 мА), протекающего через RС определяется как:

I1 = F1 N1 F3 N3 , (3) F 2 N 2 KJ R0

где F3, N3 – частота облучения и номер ВАХ ПД в процессе воспроизведения тока I1, КJ – константа Джозефсона.

Значение воспроизводимого тока (1 А), протекающего через обмотку криогенного компаратора тока,

где КW – масштабный коэффициент передачи криогенного компаратора тока равный 1000.

В основу метода электрометрии, используемого во второйчастиГЭТ4-91, положеноизвестноесоотношение

гдеQ – заряд, C – емкость, U – напряжение, t – время. Опыт измерений в диапазоне малых токов показал, чтонаиболееточныерезультатыможнополучитьприиспользованииметодазарядаконденсатора, посравнениюс резистивнымметодомнаосновезаконаома[15]. Основнымиэлементамимногозначноймеры, воспроизводящей силу постоянного тока в диапазоне 10-16–10-9 А (рис. 2), являются мера линейно изменяющегося напряжения (МЛИН) с набором герметизированных конденсаторов (Со), измеритель напряжения (dU), измеритель времени (dt) икомпараторK. Персональныйкомпьютер(ПК) пред-

назначен для обработки результатов измерения. Аппаратураработаетвдвухрежимах: компаpиpование

и воспроизведение токов. При воспроизведении выходной ток многозначной меры определяется как:

Диапазон воспроизводимых токов зависит от значений крутизны линейно изменяющегося напряжения и емкости конденсатора. При компаpиpовании токов осуществляется компенсация заряда, создаваемого на одной из пластин конденсатора измеряемым током (iх), зарядом, создаваемымнадругойпластинеконденсатора

Метрологические характеристики ГЭТ4-91 приведены в таблице 1.

Учитывая, что передача единиц вольта и ома эталону силы тока в диапазоне 10-9–1 А производится от квантовых эталонов, участвующих в международных ключевых сличениях, а также отсутствие в указанном диапазоне высокоточных транспортируемых мер тока, международные сличения в данной области измерений не проводятся.

Впоследниегодысущественновозрослапотребность

визмерениях малых постоянных токов и промышленность освоила выпуск высокоточных измерительных приборов, что создало основу для проведения международных сличений с целью выявления согласованности национальных эталонов в данной области измерений.

В 2006–2007 гг. впервые были проведены международные сличения в области малых постоянных токов. Сличения проводились в рамках EUROMET, в них приняли участие 13 национальных метрологических институтовЕвропы, втомчислеВНИИМ[16]. Измерения проводились в диапазоне токов от 100 фА до 100 пА. Результаты сличений показали согласованность характеристик ГЭТ4-91 на мировом уровне.

Современные тенденции и перспективы развития измерений в области постоянного тока удивительным образом совпадают со схемой построения ГЭТ4-91. Так

вобласти токов порядка 1 мА–1 А наблюдается потребностьввысокоточныхизмеренияхсилытока, связанных

внастоящее время с обеспечением потребности так на- зываемыхватт-весов, илиэлектронногокилограмма[17]. ПриэтомвысокаяточностьизмерениятокаобеспечиваетсяприменениемэталонавольтанаэффектеДжозефсона

иэталоном ома на квантовом эффекте Холла, которые реализуютсвязьзначенийфундаментальныхфизических констант со значением единицы массы. Перспективным путем совершенствования эталона ампера является расширение диапазона воспроизводимых токов (от 1 нА до 1 А) на основе внедрения современных высокоточных мер напряжения и сопротивления. С другой стороны в областималыхтоков(10-12–10-16 А) появляютсяквантовые устройства, реализующиесвязьтокасзарядомэлектрона

ичастотой [18, 19].

Консультативныйкомитетпоэлектричествуимагнетизму принял рекомендацию Е1 (2007) о предлагаемых изменениях Международной системы единиц СИ и, в частности, действующего определения ампера. Предложен пример определения ампера: «ампер есть электрический ток, эквивалентный потоку, содержащему точно 1/(1,60217653·10-19) элементарныхзарядоввсекунду(Из этогоследует, чтоданноеопределениефиксируетзначениеэлементарногозарядаточноравным1,60217653·1019

A·c)» [20].

Благодаря развитию современных нанотехнологий появилась возможность воспроизводить ампер в соответствииспредлагаемымопределением[21]. Вомногих ведущих метрологических институтах мира проводятся работыпосозданиюквантовогоэталонаэлектрического тока на основе эффекта одноэлектронного туннелиро-

вания [22, 23]. Для более успешного решения этой проблемы запущен Европейский проект COUNT, в рамках которогоразрабатываютсядвадополняющихдругдруга устройства на эффекте одноэлектронного туннелирования для применения в метрологии: одноэлектронный насос как мера тока, и счетчик единичных электронов как измеритель тока [22].

При использовании одноэлектронного насоса для воспроизведения тока основное уравнение измерения можетбытьпредставленоследующимобразом: i = e.f или i = 2e.f, где: е – заряд электрона, f – частота напряжения, прикладываемогокзатворуустройства. Вэксперименте НИСТ получен ток на уровне 1.10-12 А с ошибкой переноса электронов 0,015 pm. [19].

Развитие данных устройств позволяет надеяться на появление квантового эталона тока, который обеспечит передачу значения единицы силы тока в милиамперную область без большой потери точности, что позволит замкнуть так называемый «квантовый метрологический треугольник» [24], который сможет подтвердить правильность закона Ома с погрешностью на уровне менее 0,01 ррм.

Литература

1.The International System of Units (SI). Bureau International des Poids et Mesures. 8th edition. 2006.

2.Н.Г. Егоров. Предварительныеработыпоприготовлениюэталоновосновныхэлектрическихединиц. Временник.

Ч.10. 1911. С. 122–131.

3.Ферингер А.Б. Метод установления международного ампера и вольта при помощи серебряных вольтаметров

инормальных элементов в Главной палате мер и весов.

Электричество. № 13. 1914. С. 260–263.

4.Яновский Б.М., Горбацевич С.В., Волков Н.А. Абсо-

лютныеизмерениясилытока. ТрудыВНИИМ. Вып15 (75), 1953. С. 3–124.

5.Ягола Г.К., Зингерман В.И., Сепетый В.Н. Определе-

ние точного значения гиромагнитного отношения протона в сильных магнитных полях // Измерительная техника. № 7. 1966. С. 45.

6.СтуденцовН.В., ХоревВ.Н., ШиловА.Е., ШифринВ.Я.

Воспроизведение ампера на основе гиромагнитного отно-

Таблица 1

шенияпротонаиквантовыхмагниторезонансныхявлений// Измерительная техника. № 3. 1986. С. 20–21.

7.B.D. Josephson. Possible new effects in superconductive tunnelling. Phys. Lett. Vol. 1 (7). 1962. Р. 251–253.

8.Колтик Е.Д., Галахова О.П., Кpжимовский В.И. и

др. Государственный первичный эталон единицы ЭДС и переход на новый размер вольта // Измерительная техника. 1991. № 10. С. 6–7.

9.CIPM, 1988: Recommendation 1. http://www.bipm.org/ en/CIPM/db/1988/1/

10.Катков А.С. Свеpхпpоводящий компаpатоp для по- стоянныхтоков0.001–1 А// Метpология, 1986. №8. С. 26–31.

11.Кpжимовский В.И. Криогенный делитель постоянного напряжения // Измерительная техника. 1991. № 10.

С. 40–42.

12.Кpжимовский В.И., Айнитдинов Х.А., Боpо-

вицкий С.И., Гохнеp А.С. Воспроизведение размера вольта при помощи долгоживущих точечных контактов Джозефсона на монокристалле ниобия // Измерительная техника. 1983. № 2. С. 31–32.

13.КатковА.С., ПавловО.М., ГалаховаО.П. идр. Госу-

дарственныйпервичныйэталонсилыпостоянногоэлектрического тока // Измерительная техника. № 1. 1995. С. 3–4.

14.КурочкинФ.Е., ПлошинскийА.В., СеменовЮ.П. идр.

Государственныйэталонединицыэлектрическогосопротивления и новое представление ома на основе использования квантового эффекта Холла // Измерительная техника. 1990.

№12. С. 3–4.

15.Антонова Д.И., Павлов О.М. и др. Устройство для воспроизведения постоянных токов. А. С. № 614724. Бюл.

изобр. № 25. 1978.

16.G.-D. Willenberg. EUROMET.EM-S24: Supplementary comparison of small current sources. Metrologia. 2013, 50, Tech. Suppl., 01002.

17.R. Steiner, E. Williams, D. Newell and R. Liu. Towards an electronic kilogram: an improved measurement of the Planck constant and electron mass. Metrologia. 2005. Vol. 42. Р. 431–441.

18.АверинД.В., ЗоринА.Б., ЛихаревК.К. Блоховскиеос-

цилляции в джозефсоновских переходах малых размеров //

ЖЭТФ 1985. 88 (2), 697.

19.M.W. Keller, J.M. Martinis, N.M. Zimmerman and A.H. Steinbach. Accuracy of electron counting using a 7-junction electron pump. Appl. Ph. Let. Vol. 69 (12). 1996. Р. 1804–1806.

20.RECOMMENDATION E 1 (2007): Proposed changes to the International System of Units (SI). Consultative Committee for Electricity and Magnetism (CCEM), CCEM/2007–44.

21.Пат. № 2478974 РФ. Способ воспроизведения единицы силы постоянного электрического тока и устройство дляегоосуществления/АлександровВ.С., ПавловО.М., ТелитченкоГ.П. / Изобретения. Полезныемодели. 2013. №10.

22.H.E. van den Brom, O. Kerkhof, S.V. Lotkhov et al.

Сounting Electrons One by One – Overview of a Joint European Research Project. IEEE, Trans. IM. 2003. Vol. 52. № 2, Р. 584–587.

23.Y. De Wilde, F Gay, F.P.M. Piquemal and G. Geneves. Measurements of Single Electron Transistor Devices Combined with a CCC: Progress Report. IEEE, Trans. IM. 2001. Vol. 50.

№2, Р. 231–234.

24.F. Piquemal and G. Geneves. Argument for a direct realization of the quantum metrological triangle. Metrologia. 2000, 37 (3). Р. 207–211.

Измерение силы переменного электрического тока особенноважновэлектроэнергетике, металлургии, приборостроении, оборонной промышленности, медицине. Паркнаходящихсявобращениисредствизмерений(СИ) переменного электрического тока составляет десятки миллионов экземпляров. Номенклатура этих СИ достаточно обширна: щитовые приборы, высокоточные цифровые амперметры, калибраторы, мультиметры. Единство измерений в данной области обеспечивается государственнымпервичным, вторичнымииразрядными эталонамивсоответствиисдействующейгосударственной поверочной схемой [1].

Предыстория создания эталона. Точные измере-

ния силы переменного тока с конца ХIХ и до 40-х гг. ХХ столетия основывались на применении электродинамических приборов непосредственной оценки. Во ВНИИМ под руководством профессора К.П. Широкова проводились работы по исследованию погрешностей электродинамических приборов при переходе с постоянного тока, на котором они градуировались, к переменномутоку. Погрешноститакихприборовначастотах 40–60 Гц составляли 0,5–2%. Дальнейшее развитие промышленности, появлениетакихобластей, какрадиоэлектроника, телевидение, приборостроение, повышение

частотного диапазона и точности измерений, привели к разработке метода сравнения силы переменного тока с силойпостоянноготокаспомощьютермоэлектрических преобразователей. У истоков этих разработок стояли ученые ВНИИМ – К.П. Широков, Т.Б. Рождественская, А.Я. Безикович, Д.И. ЗориниNBS (США) F.L. Hermach.

Дальнейшие исследования данного метода измерений привели к созданию во ВНИИМ в 1975 г. первого государственного специального эталона единицы силы переменного тока в диапазоне частот от 40 Гц до 100 кГц (ГЭТ 88-75), у которого диапазон силы тока составлял от 10 мА до 10 А, НСП от 3·10-5 до 2·10-4,

СКО от 1·10-5 до 1·10-4.

Руководителемработпосозданиюэтогоэталона, азатемегоученымхранителембылаО.П. Галахова. Всвязи с возрастающими требованиями промышленности по повышению точности и расширению частотного диапазона, в1988 г. былсоздангосударственныйспециальный эталон единицы силы переменного тока – ампера – в диапазоне частот 20–1·106 Гц (ГЭТ 88-88), у которого диапазон силы тока составлял от 1 мА до 20 А, НСП от 1·10-5 до 3·10-4, СКО от 5·10-6 до 1·10-4. Руководителем работ по созданию эталона, а затем его ученым хранителем была О.П. Галахова.

Разработан во ВНИИФТРИ (1969 – 1974), утвержден ПостановлениемГосстандарта СССР19.09.1974 г. №32.

Восновупостроенияэталонаположенметодвоспроизведенияразмераединицысилытокавысокойчастоты, основанный на эффекте электродинамического преобразования энергии электромагнитного поля высокой частотывмеханическуюэнергиюколебанийподвижной системы прибора.

Всоставе эталона:

–электродинамический амперметр с двумя коаксиальными измерительными секциями;

–калибровочноеустройство, включающеефотоэлектрическийкомпараториизмерительныйтрансформатор тока высокой частоты;

–пульт управления и индикации с комплектом источников (генераторов) тока высокой частоты.

В1982 г. эталонбылдополненвторичнымэталоном, включающим электродинамический компаратор тока высокойчастоты, существеннорасширившийдиапазоны измерений и частот.

Метрологические характеристики

Область применения

Контроль параметров средств радиосвязи, радионавигации, кабельной связи.

Контроль качества изделий радиотехнической, приборостроительной, электронной промышленности.

Метрологическое обеспечение единства измерений в научных исследованиях, в медицине, при решении проблем электромагнитной совместимости и электромагнитнойзащиты, включаяизмерениявэлектрических цепях сложной формы и при наличии близкорасположенных экранов.

Я.М. Русин