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

Электрическоенапряжениеявляетсявнастоящеевремяоднойизфизическихвеличин, широкоприменяемойв различныхобластяхисферахдеятельности. Повышение точности измерений напряжения является основой развития научно-технического прогресса.

В1900 г. в Главной палате мер и весов была создана лаборатория электрических эталонов, а уже в 1910 г. был введен в практику первый национальный эталон вольта, состоящий из группы насыщенных нормальных элементов (НЭ). Вольт, воспроизводимый и хранимый созданнымпервичнымгрупповымэталоном, определялсявсоответствиисзакономОмачерезом, воспроизводимый ртутным эталоном [1], и ампер, воспроизводимый серебрянымвольтаметромнаосновеконстантыФарадея

[2].РаботыпосовершенствованиюэталонавольтанаНЭ проходилисучастиемМ.Ф. Маликова, А.К. Колосовым, А.С. Чураевой, В.В. Мюллер, разработавшими более совершенную технологию изготовления стабильных во времени насыщенных НЭ. Создание во ВНИИМ под руководством профессоров В.М. Яновского и С.В. Горбацевича токовых весов обеспечило возможность воспроизведения абсолютного ампера и соответствующего уточненияразмеравольтаспогрешностью8·10-6. Многолетние исследования сотрудников группы НЭ ВНИИМ были воплощены в ГЭТ 13-70 (ученый-хранитель О.П. Галахова) [3].

В1962 г. Б. Джозефсоном было предсказано, а затем подтверждено экспериментально наличие ранее неизвестныхэффектоввсверхпроводниках. Особыйинтерес для уточнения размера вольта во всем мире вызвал так называемый эффект Джозефсона, заключающийся в том, что при облучении электромагнитной энергией с частотой f двух сверхпроводниками, разделенных тонким слоем изолятора (переход Джозефсона), на его вольтамперной характеристике (ВАХ) появляются ступени напряжения, связанные с частотой зависимостью:

гдеn – номерступениВАХперехода; h – постоянная Планка; e – заряд электрона; f – частота электромагнитного облучения перехода.

В1972 г. МБМВ рекомендовало к применению значе-

ниеквантамагнитногопотокаΦ0=h/2e=2,0678503·10-15 Вб, определенное исходя из размера вольта МБМВ V69-BI, принятогов1969 г.

В1974 г. во ВНИИМ К.А. Красновым, Э.Т. Французом, В.П. МазуровымподруководствомС.В. Горбацевича была создана опытная аппаратура и проведено первое определение ЭДС НЭ с помощью эффекта Джозефсона. В 1980 г. во ВНИИМ был создан первый в России квантовый эталон вольта ГЭТ 13-80 (ученый-хранитель В.И. Кржимовский) [4], позволивший воспроизводить единицу с аппаратурной погрешностью 7·10-8.

С 1 января 1990 г. странам-участницам Консультативного комитета по электричеству, воспроизводящим вольт на основе эффекта Джозефсона, рекомендовано применять значение

которомуприписанапогрешность4·10-7 (Рекоменда-

ция 1, МКВМ 1988).

В период с 1984 по 1989 г. во ВНИИМ был создан комплексаппаратурывторогопоколения, утвержденный

вкачестве государственного эталона вольта ГЭТ 13-89 (ученый-хранитель В.И. Кржимовский) [5]. Данный эталонный комплекс с1990 г. перешел киспользованию рекомендованногоККЭзначенияконстантыДжозефсона (2), приэтомразмервольтаВНИИМизменилсялишьна 3,58 мкВ, в то время как международный размер вольта изменился на 8,06 мкВ, что подтвердило высокий уровень научных исследований, проводимых во ВНИИМ. Суммарная аппаратурная погрешность ГЭТ 13-89 не превышала 7·10-9.

Учитывая тенденции развития данной области измерений, воВНИИМприучастииА.С. Каткова, В.И. Кржимовского, Е.Д. Колтика, С.В. Потапова, Б.С. Таубе, Г.П. Телитченко, В.Э. Ловцюса, И.В. Коротковой на основе теоретических и экспериментальных работ, выполненных в период с 1991 по 1999 гг. создан комплекс эталонной аппаратуры третьего поколения и новая поверочнаясхема. Присозданииэталонаиспользованыинтегральныеджозефсоновскиемикросхемы, полученные

врезультатепроведениясовместныхработсоспециалистами Физико-технического института Германии (ПТБ) Ю. Нимайером и Р. Бэром.

Комплекссредствизмерений, утвержденныйГосстандартомв2001 г. вкачествегосударственногопервичного эталонаединицыэлектрическогонапряженияГЭТ13-01 (ученый-хранитель А.С. Катков), имеет следующий состав:

–мера напряжения для воспроизведения вольта, состоящая из криогенных преобразователей частоты в напряжение на основе эффекта Джозефсона и аппаратуры для синтеза частоты облучения криогенных преобразователей, включая стандарт частоты и времени, синтезатор и генератор СВЧ диапазона, блок фазовой автоподстройки частоты;

–аппаратура для контроля условий измерений и неизменности воспроизводимого размера единицы;

–аппаратура для передачи размера единицы.

Блок-схемаэталона(рис. 1) содержитстандартчастотыивремени, формирующийсигналопорнойчастоты10 МГц, которыйподаетсянаблокфазовойавтоподстройки частотыисинтезаторчастот. Сигналсинтезаторауправляет генератором, который умножает и выдает сигнал в диапазоне частот 72–77 ГГц, синхронизированный с опорной частотой. С выхода генератора сигнал подается на криогенный преобразователь, содержащий зонд с джозефсоновской микросхемой (ДМ), позволяющей соединять последовательно десятки тысяч переходов Джозефсона. Рабочая температура ДМ составляет 4,2 К и обеспечивается путем погружения зонда в среду с жидким гелием. Установка необходимых выходных напряжений (1 В и 10 В) и контроль параметров микросхемы осуществляется блоком видеоконтроля.

Передачаединицывторичнымэталонампроизводитсяспомощьюкомпаратора, содержащегонановольтметр

икоммутатор, который осуществляет переключение полярности и измерение разности сравниваемых напряжений.

Проводились исследования бюджета погрешности эталона, всоставкотороговключеныпараметрыстандартачастоты, цепьсинтезаСВЧсигнала; утечкиввыходной цепи эталона; наличие термо-ЭДС в выходной цепи, а также наличие возможных дефектов в интегральной джозефсоновской микросхеме, которые могут вызвать появление дополнительного напряжения от наклона ступени на ВАХ микросхемы, дополнительного напря- женияиз-задетектированияприложенногоСВЧсигнала; дополнительногонапряженияиз-за«перескоков» между ступенями ВАХ.

При определении погрешности компарирования проводилисьисследованиясоставляющихпогрешности, обусловленных утечками в цепи компаратора; шумами, отнесенными ко входу нуль-индикатора; погрешностью нуль-индикатора; наличиемтермо-ЭДСвизмерительной цепи.

В1999 г. проведенысличенияразработанногоэталона

имеждународного эталона вольта МБМВ посредством транспортировки двух мер напряжения типа Fluke 732 B, принадлежащих МБМВ.

Результаты сличений при выходном напряжении мер 1 В:

Рис. 2. Общий вид аппаратуры первичного эталона единицы электрического напряжения

VВНИИМ – VМБМВ = 0,00 мкВ, при uc = 0,03 мкВ [6].

В 2003–2004 гг. проведены сличения с международнымэталономвольтаМБМВпринапряжении1 ВпосредствомтранспортируемогоэталонаВНИИМсодержащего мерунапряжениянаосновеэффектаДжозефсона(МНД) [7]. Сличения проводились в рамках региональной метрологической организации ЕВРОМЕТ при участии 12 стран и МБМВ.

Результаты сличений при выходном напряжении МНД 1 В:

VВНИИМ – VМБМВ =-0,02 нВ, uС = 0,26 нВ [8].

В 2007 г. проведены сличения с эталоном вольта МБМВ при напряжении 10 В посредством транспортировки меры напряжения типа Fluke 732B, принадлежащей ВНИИМ.

Результаты сличений при выходном напряжении меры 10 В:

VВНИИМ – VМБМВ =-0,22 мкВ, uС = 0,34 мкВ [9].

В2011 г. проведенысличениясмеждународнымэталономвольтаМБМВпринапряжении10 Впосредством транспортируемогоэталонаВНИИМ, содержащегомеру напряжения на основе эффекта Джозефсона [10].

Результаты сличений при выходном напряжении МНД 10 В:

VВНИИМ – VМБМВ =-0,1 нВ, uС = 2 нВ [11].

Анализируя результаты сличений проведенных ВНИИМ и результаты аналогичных международных сличений ведущих зарубежных метрологических организаций, можно сделать вывод, что метрологические характеристики эталона вольта ВНИИМ находятся на уровне лучших мировых аналогов.

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволяют сделать вывод о том, что метрологические характеристики эталона удовлетворяют требованиям государственной поверочной схемы и паспорта эталона, а именно:

–воспроизводимое напряжение 1 В и 10 В;

–СКО не более 1.10-9, НСП не более 1.10-9;

–стандартная неопределенность типа А, uA не более

1.10-9,

–стандартная неопределенность типа В, uB не более

0,5.10-9;

–суммарная стандартная неопределенность, uC не более 1,1.10-9;

–расширенная стандартная неопределенность, U0,99 не более 3,1.10-9.

ВсоответствиисРекомендацией1 МКМВ(1988) не-

определенностьзначенияKJ (uc = 4·10-7) принимаетсяво вниманиетольковособыхслучаях, например, такихкак определениефундаментальныхфизическихконстант, согласованиеразмеровединиц. Вовсехостальныхслучаях рекомендовано использовать условный размер вольта, в

которомпринимаетсяuc = 0, приусловии, чтоиспользуется рекомендованный размер константы KJ.

Перспективыдальнейшегосовершенствованияэталона вольта связаны с повышением устойчивости и управляемости воспроизводимого напряжения в диапазоне до 10

В. Метрологическиехарактеристикиэталонапланируется улучшать за счет применения более совершенных преобразователей на эффекте Джозефсона и электронной аппаратуры. Врезультатепроведенияисследованийожидается повышение точности и качества поверки и калибровки, болеевысокийуровеньавтоматизации, расширениечастотногодиапазонапримененияэталонакаквобластьинфразвуковых, так и звуковых частот путем формирования прецизионныхсигналовзаданнойформыспомощьюДМ[12].

Литература

1.Георгиевский А.Н., Маликов М.Ф. Ртутные образцы международного ома. Пгд., 1918.

2.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.

3.Галахова О.П. Государственный первичный эталон единицыэлектродвижущейсилы– вольта// Измерительная техника. № 12. 1971. С. 12–15.

4.Тарбеев Ю.В., Колтик Е.Д., Рождественская Т.Б. и

др. Новый государственный первичный эталон единицы электродвижущей силы– вольта// Измерительная техника.

№12. 1981. С. 3–5.

5.Колтик Е.Д., Галахова О.П., Кржимовский В.И. и

др. Государственный первичный эталон единицы ЭДС и переход на новый размер вольта // Измерительная техника.

№11. 1990. С. 6–7.

6.D. Avrons, A.Katkov, V.Krzhimovsky, D. Reymann and T.J. Witt. Bilateral comparison of 1.018 V standards between the VNIIM and the BIPM, BIPM Rapport BIPM-99/2.

7.A. Katkov, V. Lovtsus, R. Behr, J. Niemeyer. Transportable Josephson Voltage Standard // Conference Digest CPEM2002. Ottawa. 2002. Р. 488–489.

8.R. Behr, A. S. Katkov. Final Report on the key comparison EUROMET.BIPM.EM.K-10.a. Comparison of Josephson array voltage standards by using a portable Josephson transfer standard // Metrologia. Vol. 42. № 1 A (Technical Supplement 2005). 01005.

9.A.S. Katkov, S. Solve and M. Stock. Bilateral Comparison of 10 V Standards between the VNIIM (Russia) and the BIPM // Rapport BIPM-07/07.

10.Катков А.С., Ловцюс В.Э. Компактный эталонсравнения на эффекте Джозефсона с выходным напряжением 10 В // Измерительная техника. 2011. № 7. С. 41–45.

11.Катков А., Солве С. Ключевые сличения эталонов вольта ВНИИМ и МБМВ // Измерительная техника. 2011.

№11. С. 70–73.

12.J. Lee, J. Nissilä, A. Katkov, R. Behr. A quantum voltmeter for precision AC measurements // Conference Digest СРЕМ 2014. Rio-de-Janeiro. 2014. P. 732–733.

А.С. Катков

ИсториясозданияотечественногоэталонаОманасчитываетболее150 летипоказываетпоэтапноеизменение нетольконаучно-техническихдостижений, положенных вегооснову, ноипостоянноесовершенствованиеметрологических характеристик, позволивших все это время соответствовать мировому уровню, что неоднократно было подтверждено международными сличениями резистивных мер. Состав государственного эталона изменялся от медных, ртутных и манганиновых образцов, хранящих единицу ома, до сложного измерительно-ин- формационного комплекса, воспроизводящего единицу электрического сопротивления на основе квантовых эффектов с использованием фундаментальных физических констант.

В течение всех этих лет российская единица электрического сопротивления по результатам международных сличений оказывалась полностью согласованной с единицами сопротивления ведущих странмира. Многолетние исследования и тщательный подбор групповых манганиновых мер по их временной стабильности, выполненный под руководством с.н.с. В.П. Шигорина, позволили России, в отличие от других государств, не вноситькорректировоквразмернациональнойединицы электрическогосопротивленияприпереходев1990 г. на новый способ воспроизведения ома с использованием квантового эффекта Холла (КЭХ).

Открытие в 1980 г. КЭХ, позволяющего не только воспроизводить реперное значение электрического сопротивления, но и определять единицу абсолютным способом с помощью фундаментальных физических констант, привело к разработке и созданию во ВНИИМ новогогосударственногопервичногоэталона(ГПЭ) единицы электрического сопротивления в 1991 г., соответствующегопосвоимметрологическимхарактеристикам мировому уровню [1].

Сущность КЭХ состоит в том, что в магнитном поле сверхпроводящего соленоида при температуре жидкого гелия двухмерный слой электрических носителей, созданныйзасчетособойтехнологииизготовленияполупроводниковой гетероструктуры, обеспечивает появление ступеней(плато) назависимостиэдсХоллаотиндукции

магнитногополя(рис. 1). ОтношениезначенияэдсUH(i) на i– омплатоксилетокаI, протекающегочерезструктуру,

квантовано и равно:

где h – постоянная Планка, e – заряд электрона. Значение константы RK было принято равным

25 812,807 Ом с относительной неопределенностью (СКО) 1·10-7 исходя изсогласования результатов международных экспериментальных и теоретических работ.

Появлениевпоследниедесятилетияавтоматических цифровых компараторов на основе магнитопроводов, работающих при комнатной температуре, и криоген-

ных компараторов тока повышенной точности, а также создание полупроводниковых гетероструктур с высокой подвижностью носителей, позволяющих снизить значение индукции магнитного поля при квантовании, позволило оснастить ГПЭ качественно новым криоген- но-измерительным комплексом [2]. Проведенные на этой аппаратуре в период 2010–2014 гг. исследования мер электрического сопротивления на основе термостатированныхметаллофольговыхрезисторов, показали, что усовершенствованный эталон по своим метрологическим характеристикам в 3 раза превосходит ГЭТ

14-91 [3–5].

Государственный первичный эталон ГЭТ 14-2014 воспроизводит единицу электрического сопротивления при номинальном значении 12, 906 кОм со средним относительным квадратическим отклонением результата измерений So, не превышающим 5·10-9 при тридцати (n=30) независимых измерениях.

Относительная стандартная неопределенность, оцениваемая по типу А, uAo не превышает 5·10-9.

Относительная стандартная неопределенность, оцениваемая по типу B, uBo не превышает 10·10-9.

Относительнаясуммарнаястандартнаянеопределен-

ность 11·10-9.

Относительная расширенная неопределенность

22·10-9 при k=2.

Относительнаянестабильностьνо храненияединицы групповыми эталонами за год составляет (30–80)·10-9.

В состав ГЭТ 14-2014 (рис. 2) входят:

–криомагнитнаяустановкадляреализацииквантовогоэффектаХолла, включающаясверхпроводящиймагнит

ивакуумный тракт;

–цифровой автоматический мост-компаратор для передачи единицы сопротивления резистивным мерам;

–криогенный мост-компаратор для измерения от-

ношений 1:1, 1:10, 1:100, 1:129;

–переходные меры электрического сопротивления;

–группымерэлектрическогосопротивлениясноминальными значениями 1 Ом, 100 Ом, 1 кОм, 10 кОм и 12,9 кОм в жидкостных термостатах.

–средстваизмерениятемпературырезистивныхмер. Проведенныемеждународныеключевыеидвусторон-

ниесличениямерэлектрическогосопротивления100 Ом и 1 кОм, аттестованных во ВНИИМ по КСХ с национальнымиметрологическимилабораториямиГерманиии Финляндии, подтвердилисоответствиеметрологических характеристик ГЭТ 14-2014 мировому уровню [6–8].

ГЭТ14-2014 сегодняявляетсяоднимизбазовыхэталонов в системе СИ, обеспечивая передачу единицы не тольковторичнымэталонамэлектрическогосопротивления, ноигосударственнымэталонамдругихфизических величин, которым для воспроизведения необходима единица электрического сопротивления (рис. 3).

Ученый-хранитель эталона ГЭТ 14-2014 – ведущий научный сотрудник, кандидат технических наук, А.В. Плошинский. Помощник ученого хранителя – научный сотрудник И.А.Самодуров.

Литература

1.КурочкинФ.Е., ПлошинскийА.В., СеменовЮ.П. идр. Го-

сударственныйэталонединицыэлектрическогосопротивления

иновоепредставлениеоманаосновеиспользованияквантового эффектаХолла// Измерительнаятехника. 1990. №12. С. 3–4.

2.Плошинский А.В., Семенов Ю.П. Прогресс в созда-

нии национального эталона ома на основе фундаментальных физических констант // III Всероссийская конференция«Прецизионнаяфизикаифундаментальныефизические константы». Тезисы докладов. СПб., 2010. С. 64.

3.Плошинский А.В., Семенов Ю.П. Новый государ-

ственный первичный эталон единицы электрического сопротивления. III Всероссийская научно-техническая конференция«Методыисредстваизмеренийэлектрических величин». Тезисы докладов. СПб., 2011.

4.Плошинский А.В., Самодуров И.А. Исследование гетероструктур для транспортируемых эталонов сопротивления на основе квантового эффекта Холла // Конференция по прецизионной физике и фундаментальным физическим константам. Тезисы докладов. СПб., 2013. С. 40.

5.СамодуровИ.А. Сравнениеметодоваттестациимеры 100 Ом во ВНИИМ и РТВ. Науч.-техн. конференция. 2012. Тезисы докладов. С. 304–305.

6.A. Ploshinsky, Yu. Tarbeyev, I. Rhakhamov, P. Warnecke, E. Pesel. Comparison of QHR Measurements between IMM and PTB. CPEM-92. Digest. Р. 290–291.

7.B. Litvinov, A. Ploshinsky, Yu. Semenov. New Group Resistance Standards. CPEM-2000. Digest. Р. 106.

8.B. Schumacher. Final report on CCEM-K10: Key comparison of resistance standards at 100 Ω. 2007. Metrologia. 44. 01004.

А.В. Плошинский, И.А. Самодуров

Собственные и взаимные индуктивности принадлежаткчислуосновныхпараметровэлектрическихцепей, иихопределениепредставляетоднуизважнейшихзадач, возникающих при расчете цепей и исследовании происходящих в них физических процессов.

Принцип действия

Государственный первичный эталон (ГПЭ) единицы индуктивности – генри – создан во ВНИИМ им. Д.И. Менделеева в 1979 г. В системе взаимосвязанных эталонов электрических величин размер единицы индуктивности устанавливается на основе уравнения связи между единицами индуктивности, емкости и сопротивления [1–3].

где К1 – постоянный коэффициент, зависящий от выбранных номинальных значений величин, входящих в уравнение. Размер единиц емкости и сопротивления воспроизводитсясоответственноспомощьюрасчетного конденсатора и квантового эффекта Холла. Хранение единицыиндуктивности, размеркоторойполученкосвенным методом через единицы емкости и сопротивления, осуществляется с помощью тороидальных катушек индуктивности, составляющих групповой эталон.

При создании эталона основной задачей являлась разработка и теоретическое исследование методов расчета и анализа характеристик тороидальных катушек индуктивности. Расчет индуктивности проводился при стационарном и квазистационарном режимах электромагнитногополя[4, 5]. Прирасчетепараметровкатушек индуктивности в случае низкой частоты принято равномерное распределение плотности тока по сечению проводника. Расчет индуктивности катушек производился методом вычитания индуктивности слоя тока, полагая,

что намотка осуществлена бесконечно тонкой лентой, полностью покрывающей сердечник, а изоляция между витками имеет пренебрежимо малую толщину. При переходекреальнымобмоткамучитываласьпоправкана конечность сечения провода. Получены выражения для расчета индуктивности катушек тороидальной формы с различнойгеометриейпоперечногосечениякаркаса. Индуктивностькатушкискаркасомпрямоугольногосечения

где µ0 – магнитная постоянная; w – число витков катушки; a и r – аксиальный и радиальный размеры среднего витка обмотки соответственно; D – средний диаметр катушки. Индуктивность катушки с каркасом кругового сечения

где d – диаметр среднего витка обмотки.

При расчете индуктивности в области средних и высокихчастотдополнительноучитывалосьдействиеостаточныхпараметров(собственнойемкостиисопротивленияпотерь) иповерхностногоэффекта. Восновурасчета положенаметодика, согласнокоторойискомаяиндуктивность выражается в виде функции приращения эффек-

тивныхразмеровтороида Lω = L0 (D + ∆D, a + ∆a, r + ∆r), каждыйизкоторыхпредставляетпеременнуювеличину,

зависящую от режима электромагнитного поля.

На основании проведенных расчетов было впервые получено выражение для индуктивности тороидальных катушеквобластисреднихивысокихчастотдлякатушки с каркасом прямоугольного сечения

где r1 = D − r , r2 = D2+r .

2

При создании катушек эталона также был проведен анализ и найдены оптимальные соотношения размеров катушек тороидальной формы с различной геометриейпоперечногосечения, обеспечивающиенаибольшую добротность при заданной индуктивности L(ϕ , w)= const , (ϕ = bB – искомаявеличина) ивнешнем диаметре катушки B +b = const , где B – внешний радиустора, b – внутреннийрадиустора. Сопротивление провода при условии плотной намотки можно выразить следующей формулой

где ρ – удельное сопротивление провода. Расчет минимального значения сопротивления обмотки катушки связан с отысканием минимума функции (5). Оптимальными соотношениями размеров являются φ=0,35 для катушки с прямоугольным, овальным и эллипсным поперечным сечением каркаса и φ=0,41 для катушек с круглым сечением каркаса. Наибольшую добротность имееткатушкаспрямоугольнойформойсечениякаркаса. Однако, учитывая необходимость плотного прилегания витковкатушкиккаркасу, приизготовлениикатушекэталонабылипримененыкатушкисовальнымпоперечным сечением каркаса. Индуктивность катушки с каркасом овального сечения

Для точных измерений параметров катушек индуктивностисцельювоспроизведенияединицыприменяет- сясхемаиндуктивно-емкостногомостаМаксвелла-Вина (рис. 2). Приизмеренияхиндуктивностикатушекэталона используетсяметоддвухуравновешиванийсприменением замещающего элемента, что позволяет практически исключить влияние остаточных параметров плеч моста.

Индуктивность катушек эталона, определяемая косвенным методом с помощью индуктивно-емкостного моста, рассчитывается по формуле

где R2, R4 – сопротивление резисторов в плечах моста; C3x – емкость конденсатора в плече моста при рабочемуравновешивании; C3n – емкостьконденсатора в плече моста при уравновешивании с включенным замещающим элементом; Ln – индуктивность замещающего элемента.

Методика определения значения индуктивности группового эталона включает в себя:

1.Определение параметров элементов индуктивноемкостногомоста, входящихвуравнениеизмерения(7).

2.Измерение индуктивности катушек группового эталона и определение среднего значения группового эталона, которое в период между воспроизведением единицы принимается неизменным.

3.Взаимное сличение катушек группового эталона

иопределение их индуктивности, исходя из среднего значения группового эталона, для передачи размера единицы вторичным эталонам.

Состав и основные характеристики

Первичный эталон единицы индуктивности состоит из следующих средств измерений:

1.Группа из четырех тороидальных катушек индуктивности значением 10 мГн (групповой эталон).

2.Эталонный индуктивно-емкостной мост, используемый при воспроизведении единицы индуктивности, взаимных сличениях эталонных катушек при хранении единицыидляпередачиееразмеравторичнымэталонам.

Государственный эталон работает при частоте 1 кГц

иимеет следующие метрологические характеристики:

СКО 1·10-6, НСП 5·10-6.

Конструктивно тороидальная катушка индуктивности типа состоит из керамического основания, на котором намотана обмотка с последующей вакуумной пропиткой компаундом в смеси с касторовым маслом. Температурный коэффициент линейного расширения компаундаравентемпературномукоэффициентулинейного расширения провода обмотки, что не приводит к сдвигу витков при изменении температуры. Для точной подгонки индуктивности катушки к номинальному значениючастьювиткавкерамическомтороидальномосновании в радиальном направлении по высоте выполнено 8 отверстий. Тороид с обмоткой закреплен посредством специальных стоек из стеклотекстолита между двумя пластинами. Катушка помещена в экран и закреплена в токоведущемцилиндрическомкорпусе. Выводыобмотки подключеныккоаксиальнымразъемам, расположенным поосикатушкинапротивоположных сторонахкорпуса. Один из разъемов снабжен замыкающей заглушкой. Пространство между экраном и корпусом заполнено пенополиуретаном для обеспечения герметичности и увеличения тепловой инерции всей системы катушки.

Для включения катушки используется специальная подставка, которая подключается к измерительному мосту.

Основными элементами индуктивно-емкостного

мостаявляютсясменныешестизажимныерезисторыR2, R4 и конденсатор C3. Полюса резисторов R2, R4 являются узловымивершинамимоста. Соединительныеэлементы, спомощьюкоторыхэтирезисторывключенывплечимоста, невносятдополнительныхпогрешностейврезультат измерения, таккакактивныеиреактивныесоставляющие полногосопротивленияэтихсоединительныхэлементов исключаютсяизуравненияизмеренияприиспользовании метода двух уравновешиваний.

Предыстория создания

Первые сведения о конструктивных формах катушек, предназначенных для применения в качестве мер индуктивности, опубликованы М. Вином в 1896 г. [6]. В нашейстранеработыпосозданиюсредств, необходимых для обеспечения единства измерений индуктивности, началисьвоВНИИМс1934 г. подруководствомМ.Ф. Маликова и Л.В. Залуцкого. В 1937 г. И.Н. Кротковым была разработана методика измерения индуктивности и создана установка по схеме резистивно-емкостного шестиплечего моста.

Работыпосозданиюпервичногоэталонаединицыиндуктивности начались во ВНИИМ им. Д.И. Менделеева в1939–1940 гг. Впериод1940–1958 гг. подруководством И.Н. Кротковабылиразработаныиизготовленыкатушки, намотанныенакварцевыхкаркасахинапирексовыхкаркасахсноминальнымзначениеминдуктивности20 мГн. Эти катушки были утверждены в качестве группового первичногоэталона[7]. Действительныезначенияиндуктивности определялись расчетным путем по основным геометрическимразмерамсоленоидаимагнитнойпостоянной. Погрешность результата воспроизведения генри составляла1·10-5. Дальнейшеесущественноеповышение точности воспроизведения единицы путем обновления катушекэталонабылонеосуществимоиз-затехнических и технологических трудностей изготовления цилиндра каркаса правильной геометрии и значительной погрешности определения размеров обмотки.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований показали, что уменьшение погрешности воспроизведения единицы индуктивности может быть осуществлено методом косвенных измерений в единицах электрической емкости и сопротивления. Реальная возможность осуществления этого метода появилась после создания во ВНИИМ им. Д.И. Менделеева под руководством И.Н. Кроткова и при участии Ю.П. Семенова, В.В. Викторова, Т.Ф. Фрудкоэталонаэлектрической емкостинаосноверасчетногоконденсатораспогрешностью воспроизведения единицы порядка 10-7.

Для осуществления этой задачи в 1965 г. начались работы по созданию нового типа эталонных катушек индуктивности– тороидальнойформы, подруководством И.Н. Кроткова и Ф.Е. Курочкина. Тороидальные катушки при достаточно плотной намотке витков обладают ничтожно малыми магнитными потоками рассеивания по сравнению с соленоидами и поэтому не подвержены воздействию внешних электромагнитных полей. Соответствующее экранирование еще более усиливает это свойство [4, 5].

Врезультатеэтихработбылисозданытороидальные катушкииндуктивностиЭИ-1. Сихпомощьюповышена точность воспроизведения генри на порядок. Катушки ЭИ-1 легли в основу нового группового эталона [1, 8].

Новый групповой эталон единицы индуктивности былвведенвэксплуатациюв1979 г. (ГЭТ15-79), ученым хранителем является Ю.П. Семенов.

Назначение и области применения

ГПЭ и комплекс вторичных эталонов и средств измерений обеспечивают воспроизведение ихранение национальногоразмераединицыиндуктивностииегопере- дачувдиапазоненоминальныхзначений10-7–103 Гнпри частотах40 Гц– 1 МГцвсоответствиисГосударственной поверочнойсхемой[9]. Нарядусэтим, поверочнаясхема содержитвторуючасть, котораяраспространяетобласть частот до 100 МГц.

Индуктивность – один из основных параметров электрическихцепей. Сметрологическимобеспечением средств измерений индуктивности неразрывно связано повышениекачествапродукциитакихотраслей, какпри-

боростроение, электротехника, электроника, радиотехника, промышленностьсредствсвязи. Впервуюочередьэто относитсякпроизводствукатушекиндуктивности, трансформаторов, ферромагнитных сердечников, к созданию новых материалов, к разработке новых измерительных приборов, мостовпеременноготока, информационно-из- мерительныхсистемиинформационно-вычислительных комплексов. Парк находящихся в обращении средств измерений (СИ) очень обширен: от приборов непосредственной оценки, в настоящее время в основном цифровых, до мостов переменного тока и измерителей иммитанса– универсальныхиспециальногоназначения, автоматическихисручнымуравновешиванием, диапазон измерения которых составляет от 1·10-9 до 1·107 Гн, погрешности от 0,02 до нескольких %.

Единство измерения индуктивности осуществляется путемцентрализациивоспроизведенияединицыиндуктивности – генри – ГПЭ и передачи размера единицы индуктивности рабочим средствам измерений индуктивности с помощью вторичных и рабочих эталонов в соответствии с поверочной схемой [9], а также путем соблюдения государственных стандартов на технические требования, предъявляемые к средствам измерений индуктивности и применения методов и средств поверки, установленных государственнымистандартамиидругиминормативными документами(ГОСТы8.029-80, 8.294-85, МИ1985-89 идр.).

Основные научные результаты

ГПЭ в настоящее время по точности находится на уровне лучших зарубежных эталонов и превосходит их по диапазонам номинальных значений и частот, в которых осуществляется передача размера единицы индуктивностивторичнымирабочимэталонам. Этому способствует ряд оригинальных решений, выполненных в процессе постоянного совершенствования эталона:

1.Разработаны и исследованы новые тороидальные катушки индуктивности повышенной стабильности, на основе которых создан групповой первичный эталон.

2.Теоретически и экспериментально определены оптимальные соотношения геометрических размеров обмотки тороидов с различной геометрией поперечного сечения, обеспечивающиенаибольшуюдобротностьпри заданной индуктивности и внешнем диаметре катушки.

3.Разработаныновыеметодырасчетаиндуктивности

иактивного сопротивления тороидальных катушек при стационарном и квазистационарном режимах в измерительнойцепи, основанныенавычитаниииндуктивности слоя тока обмотки.

4.Разработаны методы передачи размера единицы индуктивности от первичного эталона вторичным эталонам и рабочим СИ с помощью трансформаторных мостов-компараторов, повышающиепроизводительность поверочных работ.

Врезультате выполнения работы создана система метрологического обеспечения средств измерений индуктивностивдиапазонечастотот40 Гцдо100 МГц; на основетороидальныхкатушекбылисозданы[8] рабочие эталоныиндуктивностиРЭИ-1, ЭИ-2, ЭИ-3; былосвоен

серийныйвыпусктороидальныхмериндуктивностиР596 и Р5101–Р5115 с номинальным значением 1 мкГн–1 Гн, применяемых как рабочие эталоны 1–3-го разрядов. Проведены исследования новых типов многозначных мер индуктивности на основе тороидальных катушек и электронныхимитаторов[10, 11]; разработанаивнедрена нормативно-техническая документация, обеспечивающая единство измерений индуктивности [9, 12, 13].

Международные сличения и сотрудничество

Проведены ключевые сличения эталонов индуктивности 10 мГн в 1988 г., а также сличения по линии КООМЕТв1995 г. Отклонениеразмераединицы, воспроизводимой ГЭ во ВНИИМ, от среднего результата ключевыхсличенийсоставило2. 10-6 [14], чтосоответствует международномууровнюточностиинепревышаетНСП, указанного выше для ГЭ.

В 1999–2001 гг. под руководством Ю.П. Семенова проводятсяработыпосозданиюнациональногоэталона индуктивности Республики Корея.

Литература

1.Курочкин Ф.Е., Кротков И.Н. Государственный первичный эталон единицы индуктивности // Метрология

иточные измерения. Научно-технический реферативный сборник. 1980. № 5. С. 8–9.

2.Семенов Ю.П., Гущина Т.М., КротковИ.Н. Хранение единицэлектрическойемкости, сопротивленияииндуктивности // Измерительная техника. 1976. № 4.

3.Гущина Т.М., Курочкин Ф.Е., Кротков И.Н. Передача размеровединицыэлектрическойемкости, сопротивленияи индуктивности в новой системе эталонов // Измерительная техника. 1976. № 4.

4.Калантаров П.Л., Цейтлин Л.А. Расчет индуктив-

ностей. Л.: Энергия, 1970.

5.Немцов М.В. Справочник по расчету параметров катушек индуктивности. М.: Энергоатомиздат, 1989.

6.Wien. Einheitsrollen der Selbstinduktion // Wied. Ann. 1896. № 58.

7.КротковИ.Н. Точныеизмеренияэлектрическихемкости и индуктивности. М.: Изд-во стандартов, 1966.

8.Курочкин Ф.Е. Катушки индуктивности для рабочего эталона // Исследования в области электрических измерений. Сб. научныхтрудовВНИИМим. Д.И. Менделеева. Л., 1980. С. 35–41.

9.ГОСТ 8.029-80 «ГСИ. Государственный первичный эталон и общесоюзная поверочная схема для средств измерений индуктивности». М.: Изд-во стандартов, 1980.

10.Колтик Е.Д., Егоров П.М. Многозначные катушки индуктивности для рабочего эталона // Измерительная техника. 1997. № 10. С. 21–24.

11.Egorov P.M. A Transportable Multivalue Inductance Standard for the Range 0,1–1000 H // Conference on Precision Electromagnetic Measurements (CPEM-98): Didgest. Washington, USA, 1998. Р. 38–39.

12.ГОСТ 8.294-85 «ГСИ. Мосты переменного тока уравновешенные. Методика поверки». М.: Изд-во стандар-

тов, 1985.

13.МИ1985-89 «ГСИ. Мерыиндуктивностиивзаимной индуктивности. Методикаповерки». М.: Изд-востандартов, 1990.

14.Eckardt H. International Comparison of 10 mH Inductance Standards // Doc. CCE/95-36.

Ю.П. Семенов, П.М. Егоров

Создан во ВНИИМ им. Д.И. Менделеева (1978– 1979 гг.) и утвержден Постановлением Госстандарта

СССР от 20.12.1979 г. № 222.

Электрическая емкость является одной из двух электрических величин, позволяющих в рамках физического эксперимента осуществить согласование размеров электрических и механических величин. Эталон единицы электрической емкости – единственный из электрических эталонов, размер которого определяется размером основной единицы СИ – метра путем прямых измерений. Теоретической основой эталона служит основная теорема электростатики (теорема Томпсона– Лэмпарда) [1]. Устройство, реализующее эту теорему (перекрестныйрасчетныйконденсатор), обладаетемкостью, определяемойтолькооднимлинейнымизмерением вне зависимости от формы и размеров оболочки [2–4].

В составе эталона:

–расчетный конденсатор;

–интерферометр;

–емкостной трансформаторный мост.

Метрологические характеристики

Область применения

–Обеспечение единства измерений электрической емкости в отраслях промышленности, связанных с приоритетными направлениями развития науки и техники:

–наноэлектронные технологии и микросенсорика;

–энергетика;

–создание композитных материалов и полимеров.

–Фундаментальные исследования по уточнению значений физических констант (постоянная тонкой структуры, константа Клитцинга и др.)

Государственный специальный эталон единицы электрической емкости в диапазоне частот от 1 до 100 МГц

Создан в СНИИМ (1972–1977 гг.) и утвержден Постановлением Госстандарта СССР 30.06.1977 г. № 28.

Основойметодавоспроизведенияэталономединицы емкости является классическая теория длинных линий, устанавливающая зависимость емкости отрезка проводящей линии от его линейных размеров, скорости распространения волны в линии и электромагнитных характеристиксреды, вкоторойраспространяетсяволна.

В составе эталона:

–группа из 4-х идентичных отрезков безопорных коаксиальныхлиний(группаэталонныхконденсаторов);

–высокочастотныйкомпараторэлектрическойемкости.

Метрологические характеристики

Область применения

– калибровкаконтрольно-измерительнойаппаратуры, применяемойприпроизводстверадиокомпонентов, втом числе конденсаторов;

–калибровкаконтрольно-измерительнойаппаратуры, применяемой при поиске нефтяных месторождений;

–калибровкаконтрольно-измерительнойаппаратуры дляконтроляпараметровизделийрадиосвязи, электроники, микроэлектроники, бытовойвидеоителевизионной техники и др.;

–научные исследования, связанные с созданием новыхматериалов, новыхизделийнаноимикроэлектроники; исследования в медицине, химии, геологии;

–калибровка емкостных первичных преобразователей, применяемыхвточноммашиноистанкостроении,

вавиации, химической промышленности, сельском хозяйстве и др.

Литература

1.Thompson A.M., Lampard D.G. A new theorem in electrostatics and its application to calculable standards of capacitance. Nature. 1956. Vol. 177.

2.КротковИ.Н. Точныеизмеренияэлектрическихемкости и индуктивности. М.: Изд-во стандартов, 1966.

3.Семенов Ю.П., Литвинов Б.Я., Клионский М.Д. и др.

РазвитиеэталоннойбазыРоссиивобластиизмеренияпара-

метров электрических цепей // Метрология. Минск, 1997. 4. Кротков И.Н., Фрудко Т.Ф. Государственный первичныйэталонединицыэлектрической емкости– фарада//

Метрология и точные измерения. 1980. № 5.

Ю.П. Семенов

Описание вида измерений

Методы измерений активной электрической мощности(ЭМ) обладаютспецификой, состоящейвтом, что реальнаяактивнаямощность(Р), котораяпоглощаетсяв нагрузке электрической цепи, непосредственно не воздействует на средство измерений мощности (СИМ). На СИМ, включаемое, как правило, в электрическую цепь между генератором и нагрузкой, в каждый момент времени воздействуют две величины: падение напряжения на нагрузке u(t) и ток, протекающий через нагрузку i(t), а результатом измерения является среднее за период (Т) значение их произведения:

Для синусоидальных токов и напряжений с действующимизначениямиU иI иугломсдвигафазыφформула приобретает более простой вид:

Таким образом, СИМ измеряют не реальную физическуювеличину– активнуюмощностьвнагрузке, атак называемую проходящую мощность.

Метрологическиеработы, связанныесвоспроизведениемединицымощности, атакжескалибровкойиповеркой СИМ и СИ энергии (СИЭ), выполняются при фиктивной мощности, когда напряжение и ток одной частоты подаются во входные цепи СИМ от отдельных маломощных источниковсвозможностьюрегулировкимодулейвекторов напряжения и тока и угла сдвига фаз между ними.

Рассмотренная выше особенность воспроизведения и передачи единицы ЭМ определяют состав эталона (рис. 1): источникфиктивноймощности(ИФМ), первичные преобразователи напряжения и тока (ППU и ППI), эталонный измерительный преобразователь фиктивной мощности (ЭИПМ), система обработки информации (СОИ)

ЭИПМ представляет собой устройство для перемножения мгновенных значений напряжения и тока с последующим интегрированием произведения.