4.1.3. Державний первинний еталон одиниці вч напруги України

Еталон побудовано за принципом теплового компарування (рис.1), але з оригінальною конструкцією теплоперетворювача (ТП)

Суть конструкції розробленого ТП полягає в тому, що для перетворення електричної енергії в теплову використовується безреактивний резистор (безкорпусний резистор SMD-типу). З боку, протилежному резистивному шару, приклеєно термістор, який перетворює теплову енергію в електричний параметр – зміну власного електричного опору.

Еквівалентну схему термоперетворювача наведено на рис. 2. Схематично конструкцію перетворювача показано на рис. 3.

Вольтметр,

що повіряється

На вимірювальну схему

L

R₂ 1кОм

U_~

~

U₌

R

Рисунок 2 - Еквівалентна схема ТП еталона: − навантажувальний резистор; − паразитна індуктивність резистора; − паразитна ємність, що характеризує електричний зв'язок між резистором і термістором ( 0,02 пФ)

Рисунок 3 - Конструкція ТП з резистором

На зріз коаксіальної лінії насаджений цанговий роз’єм, у який вмикається пробник вольтметра, що повіряється (на рисунку пробник не показано). Між обома провідниками коаксіальної лінії безпосередньо на самому зрізі впаяно безреактивний резистор, зображений прямокутником. З боку, протилежному резистивному шару, на керамічну підложку приклеєно термістор, який разом з резистором утворює терморезистор опосередкованого підігріву. Виводи термістора підключаються до пристрою реєстрації (за допомогою фільтруючих ланцюгів). Така конструкція забезпечує малу частотну залежність коефіцієнта перетворення, надійний тепловий контакт резистора з термістором і слабкий електричний зв'язок між ними.

Зазначимо, що паразитні ємності між виводами резистора, а також між виводами і корпусом принципово не впливають на частотні властивості термоперетворювача, оскільки ні змінний, ні постійний струм, які нагрівають резистор, через них не йдуть. Ці ємності лише додатково навантажують джерело сигналу. Таким чином, єдиним джерелом частотної похибки є власна реактивність (індуктивність ) навантажувального резистора, а еквівалентна схема має вигляд, зображений на рис. 4.

Рисунок 4 - Еквівалентна схема навантаження ТП

Розглянемо частотну похибку даного ТП, враховуючи, що термоперетворювач реагує на потужність сигналу. Значення потужності при подаванні постійної напруги дорівнює , при подаванні ВЧ-напруги

,

де − опір ТП постійному струму; − опір ВЧ-струму. Оскільки при тепловому компаруванні ми встановлюємо рівність теплових енергій (потужностей), то

або .

Розкладемо праву частину останнього виразу в ряд Тейлора, одержимо

;

; .

Частотна похибка ( ) буде дорівнювати

.

Таким чином, для мінімізації частотної похибки треба використовувати резистор з мінімальним , а для кількісної оцінки цієї похибки еталона необхідно якимось чином оцінити значення . Перша задача вирішувалася шляхом вибору спеціального безкорпусного НВЧ резистора серії SMD, виготовленого за імпульсною технологією. Аналіз значень , одержаних різними методами і розрахунками, дозволяє оцінити її нижче за 1 нГн, а найбільш достовірне значення лежить в інтервалі 0,5-0,8 нГн.

Конструктивно термоперетворювач виконано таким чином, щоб забезпечити включення пробника вольтметра в потенціальну точку терморезистора і забезпечити мінімум реактансів схеми. ТП розміщений в масивному корпусі з термоізоляційних матеріалів (пінопласт, текстоліт) і являє собою термостат з додатковим терморегулюванням.

Реальна електрична схема ТП дещо відрізняється від еквівалентної.

Для запобігання спотворення структури електромагнітного поля в місці включення пробника використана симетричне включення терморезисторів в схему ТП (рис. 5).

Генератор стабільного струму

Вольтметр, що повіряється

Вольтметр-компаратор

Др

R1 100

R2

С1

Пробник

Вхід

Др

С1

Еталонний вольтметр постійного струму

R1 100

R2

1 к

0,01

Рисунок 5 - Електрична схема термоперетворювача.

Повну структурну схему еталона наведено на рис. 6.

Еталон має такі метрологічні характеристики:

діапазон частот від 30 до 1000 (2000) МГц;

діапазон напруг від 0,1 до 3 В;

відносна НСП від 1·10^-4 до 2,6·10^-3 (у залежності від частоти);

відносна СКВ від 2·10^-4 до 5·10^-4;

розширена невизначеність від 4·10^-4 до 3·10^-3.

Ці характеристики відповідають світовому рівню.