книги из ГПНТБ / Рождественская Т.Б. Аппаратура для точного измерения больших сопротивлений, малых постоянных токов и методы ее поверки

МЕРА ТОКА НА ОСНОВЕ ПЬЕЗОКВАРЦА

Явление пьезоэффекта связано с генерированием зарядов, происходящим при растяжении или сжатии образца какоголибо вещества.

Так как под мерами тока подразумеваются устройства, способные стабильно генерировать токи определенных значе­ ний, явление пьезоэффекта целесообразно использовать и при построении мер тока. В основу рассматриваемой меры был положен эффект кристалла кварца. В принципе можно было

отсутствие гистерезиса, вследствие чего с какой бы ско­ ростью не менялись давления на кристалл, соответствующие им электрические заряды появляются мгновенно, в то время как у всех сегнетоэлектриков существует остаточная электри­ ческая поляризация и электрический гистерезис;

большое объемное и поверхностное сопротивления (в на­ правлении, перпендикулярном к оптической оси 101 7 —101 8 Ом [50]);

сравнительно (с сегнетовой

/солью, например) небольшой темпе­

Вратурный коэффициент;

±У незначительное изменение собст­ венных размеров под влиянием де-

ьУ- — ^ формации вследствие большой твер­

дости (7 по 10-балльной шкале); отсюда вытекает возможность приложения к кристаллу значительных нагрузок, и, следовательно, получения выходных токов в широком диа­ пазоне.

Принцип действия меры заключается в следующем: если к пластинке кристалла кварца, ориентированного определен­ ным образом в осях X, Y, Z (срез X) (рис. 61), приложить сжимающее усилие Fy, на грани А, В, С, D и параллельной ей появляются строго одинаковые и разноименные количества электричества Q, пропорциональные размерам пластинки и сжимающему усилию.

Это количество электричества может быть определено как

где b и а — размеры пластинки по осям X и Y; ац — постоян­ ная пьезокварца, численно равная тому количеству электриче-

ства, которое появляется на грани кристалла, имеющего дли­ ну и толщину 1 см, при действующей силе 1 дин (105 дин =

=1 Щкгм/м2 ]).

Сдругой стороны,

где і — сила тока; t — время прохождения тока.

Из формул (4.4) и (4.5) вытекает соотношение для силы тока /:

усилия и время сжатия, можно получать различные значения выходного тока /.

В процессе разработки был сконструирован макет, в кото­ ром в качестве исходных кристаллов были выбраны пластин­ ки со следующими размерами: b = 20 мм, b = 10 мм, а = 5 мм, /г = 50 мм и /г= 12 мм. Усилие (сжатие) прикладывается к пла­ стинке в направлении оси Y и осуществляется при помощи электродвигателя. Весь процесс сжатия происходит в течение 300 с, при этом диапазон скоростей изменения усилия во вре­ мени лежит в пределах 0,002—12 Н/с.

Совокупность кристаллов двух размеров и различных ско­ ростей изменения усилия позволяет обеспечить выходные токи меры в диапазоне Ю - 1 1 — Ю - 1 6 А.

Погрешность воспроизведения выходного значения тока і зависит от ряда факторов:

неточности определения значений а и Ь, входящих в фор­ мулу (4.3);

наличия обратного пьезоэффекта, приводящего к дополни­ тельной деформации кристалла, которая, в свою очередь, вы­

130

деформируется. Величина деформации зависит от напряжен­

пературы помещения могут достигать ±5°С, отсюда измене­ ние dn составит ±0,25% . Повышение влажности приведет к увеличению поверхностных токов утечек, поэтому меру необ­ ходимо снабжать осушителем.

Погрешность от токов утечки зависит в большой степени от выбора изоляционного материала. В кварцевых мерах изо­ ляционным материалом служит как само тело кристалла (часть, не покрытая электродами), так и янтарь, присутствую­ щий во всех узлах аппаратуры, требующих высокой изоляции. Если считать, что сопротивление и кварца, и янтаря составля­ ет величину порядка 1016 Ом, то ток утечки будет определять­ ся частным от деления значения порога чувствительности на

ний до 10 кН/см2 эта величина при постоянных условиях из­ мерения воспроизводится с погрешностью не более 0,01%.

Высокой стабильностью физических свойств кварца объяс­ няется его использование в мере для воспроизведения значе­ ний тока 10~1 4 А и менее.

Анализ всех источников погрешностей кварцевой меры по­ казывает, что при правильном ее конструировании предель-

пая погрешность воспроизведения тока в диапазоне Ю- 1 5 —10~1 6 А может быть не более ± 2 % , в остальных диапа­ зонах — не более ± 0 , 5 % .

ПРИМЕНЕНИЕ МЕР ТОКА В ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКЕ

и регулируемым значениями выходного тока могут применять­ ся как меры большого сопротивления, если выбрать в качест­ ве рабочего режима область линейной зависимости выходного тока от напряжения, приложенного к электродам.

конструктивных изменениях. Внутреннее сопротивление меры •с регулируемым значением выходного тока также может быть получено достаточно большим при подборе соответствующих

.напряжений на электродах.

Представляет интерес также осуществление меры малых э.д.с., выполненной на основе последовательного соединения меры малых токов (например, на основе ионизационной ка­ меры) и меры сопротивления (манганиновые катушки сопро­ тивления) .

Внутреннее сопротивление меры э.д.с. Еэ будет опреде­ ляться сопротивлением высокоомной катушки, а номинальное значение напряжения — значением выходного тока использо­ ванной меры тока и тем же сопротивлением катушки. Так как стабильность манганиновых катушек весьма высока, погреш­ ность меры э.д.с. в основном зависит от погрешностей меры тока. Диапазон выходных значений меры э.д.с. может регулироваться в широких пределах как регулированием

противления позволяет осуществить меру э.д.с. с плавно регу­

132

Неизвестное сопротивление при этом

где і — известный ток меры; Ry — общее сопротивление утеч­ ки нуль-индикатора и схемы: Uy и UK — порог чувствительно­ сти нуль-индикатора и напряжение, снимаемое с компенсато­ ра постоянного тока.

Второй член в приведенном выражении представляет со­ бой абсолютную погрешность измерения. При измеряемом со­ противлении 1012 Ом, токе Ю - 1 2 А или Ю - 1 3 А и пороге чув­ ствительности нуль-индикатора 50 мкВ/дел. относительная погрешность измерения составит приблизительно ± 0 , 5 % со­ ответственно при падении напряжения на измеряемом сопро­ тивлении 1 и 0,1 В.

Основным преимуществом данного метода является воз­ можность определения значения сопротивления при малых напряжениях на нем, что весьма существенно для непрово­ лочных сопротивлений, имеющих большой коэффициент на­ пряжения.

Существующие же в настоящее время приборы для изме­ рения больших сопротивлений, например основанные на. принципе одинарного моста, не позволяют измерять сопро­ тивления при напряжениях менее 5 В.

Меры тока могут служить основной составной частью при построении приборов для измерения больших сопротивле­ ний [82].

Пьезоэлемент меры тока, основанный на пьезокварце, мо­ жет использоваться в качестве меры большого сопротивле­ ний. ;

Известно, что поверка приборов сопротивления в диапазо­ не больших значений представляет значительные трудности в. связи с отсутствием мер сопротивления выше 1012 Ом. В насто­ ящее время создаются методы и устройства [29], позволяю­ щие имитировать режим входных цепей измерителей больших сопротивлений, аналогичный рабочему режиму, и таким обра­ зом осуществлять их поверку. С этих позиций представляет интерес использование пьезоэлемента меры тока на основе пьезокварца в качестве меры большого сопротивления. Выше уже упоминалось, что в статическом состоянии кварц облада­ ет весьма высоким сопротивлением в направлении, перпенди­ кулярном к оптической оси. В динамическом режиме в про­ цессе генерирования тока сопротивление кварца не меняется и может быть определено через размеры усилия, приложен-

133

ного к пластинке, через время приложения усилия, напряже­ ние, возникающее на ее гранях, и напряжение поляризации.

Для вывода соотношения, определяющего зависимость со­ противления от перечисленных выше факторов, обратимся к эквивалентной схеме кристалла кварца (рис. 62) в процессе ра­

боты.

где Up — напряжение поляризации, возникающее в диэлек­ трике при приложении к нему потенциала и создающее поле, направленное противоположно приложенному.

134

Проанализируем полученное выражение. Первый член зна­ менателя представляет собой количество электричества, обус­ ловленное геометрической емкостью образца, второй член — количество электричества, «запасенное» внутри диэлектрика,, в области сосредоточения объемных зарядов; AUP — напряже­ ние поляризации, образовавшееся в течение времени At. По данным .[2], для кристаллов кварца (при малых напряжениях на гранях) существует линейная зависимость между напря­ жением, приложенным к кристаллу, и образовавшимся на­ пряжением поляризации, причем коэффициент линейности близок к 1.

Напряжение поляризации может быть установлено экспе­ риментально для определенного образца кристалла путем из­

кристалл кварца в момент генерации тока, сопротивление вы­ бранного образца будет постоянным в соответствии с зако­ ном Ома в течение всего рабочего времени.

Очевидно, что погрешность определения RK будет зависеть от погрешностей составляющих, входящих в соотношение (4.9), из которых максимальный вклад вносит погрешность определения тока (емкость кристалла и напряжение, возни­ кающее на гранях, могут быть определены расчетным путем). Время также определяется с высокой степенью точности.

Суммируя значения погрешностей, вносимых возможными источниками, можно предположить, что общая погрешность определения сопротивления пластинки кристалла кварца не превысит нескольких процентов в диапазоне 10й —101 6 Ом.

Для примера рассмотрим, каким сопротивлением обладает образец пластинки кристалла кварца, предназначенный для

Расчет показывает, что сопротивление образца составляет величину порядка 2-101 5 Ом.

Очевидно, что изменение размеров пластинки позволит по­ лучать различные сопротивления. Подобный вариант меры

135

сопротивления интересен еще и тем, что значение сопротивле­ ния получается при малой разности потенциалов на обкладках конденсатора.

ПОВЕРОЧНАЯ СХЕМА И ОБРАЗЦОВЫЕ СРЕДСТВА, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИЕ ЕЕ ВНЕДРЕНИЕ

Поверочная схема для амперметров, рекомендованная для применения в странах — членах СЭВ [77], охватывает практи­ чески все приборы для измерения постоянного и переменного токов в широком диапазоне значений. В числе рабочих прибо­ ров, предусмотренных поверочной схемой, имеются также при­ боры, измеряющие малые постоянные токи в диапазоне

Ю-6—10-15 А.

На рис. 63 приведена часть общей поверочной схемы, отно­ сящаяся к указанному диапазону измеряемых постоянных токов.

Поверочная схема включает:

образцовые меры э.д.с, электрического сопротивления, емкости, образцовые хронометры и пьезокварцевые и камер­ тонные генераторы;

образцовые средства измерения силы тока 1-го разряда; образцовые средства измерения силы тока 2-го разряда; рабочие средства измерения.

Передача размера единицы силы тока—ампера осущест­ вляется от образцовых мер и образцовых средств измерений, заимствованных из других поверочных схем, образцовым средствам измерений силы тока и от них рабочим средствам измерений с указанием основных методов поверки.

Комплектная поверка амперметров для диапазона 10~6— Ю - 1 5 А может быть осуществлена двумя путями: определени­ ем действительного значения малого тока, измеряемого пове­ ряемым прибором, и измерением поверяемым прибором тока, воспроизводимого образцовой мерой тока.

В первом случае поверочной схемой предусматривается по­ верка компенсационным методом с применением образцовых мер большого сопротивления и мер э.д.с. Этот метод, основан­ ный на применении компенсатора постоянного тока, при ука­ занных в гл. 3 условиях обеспечивает измерение малых токов, не меньших Ю - 8 А.

Второй метод основан на применении образцовых мер ма­ лого тока и охватывает диапазон Ю - 9 — Ю - 1 5 А.

Таким образом, рабочие средства измерения в диапазоне Ю - 9 — Ю - 1 5 А поверяются по мерам малых токов, описание и принцип действия которых изложены в гл. 4.

136

of g.

Рис. 63. Раздел поверочной схемы для амперметров, предназначенных для измерения малых постоянных токов