Эталоны, образцовые и рабочие меры

Эталоны. Эталоном единицы физической величины называют средство измерений (или комплекс средств измерений), обеспе­чивающее воспроизведение и (или) хранение единицы с целью пере­дачи ее размера нижестоящим по поверочной схеме средствам изме­рений. В зависимости от точности воспроизведения единицы изме­рений и назначения эталоны единиц разделяются на следующие: первичный эталон - эталон, обеспечивающий воспроизведение еди­ницы с наивысшей в стране точностью; вторичный эталон - эталон, значение которого устанавливается по первичному эталону; госу­дарственный эталон - первичный или специальный эталон, утвер­жденный для страны в качестве исходного; рабочий эталон - эталон, применяемый для передачи размера единицы образцовым средствам измерений высшей точности, и в отдельных случаях - наиболее точным рабочим средствам измерений.

Работы, связанные с осуществлением эталонов абсолютных единиц физических величин⁶, были начаты во Всесоюзном научно-исследовательском институте метро­логии (ВНИИМ) км. Д. И. Менделеева в 1938 г. Практика показала, что наиболее удобными для хранения и передачи значений электрических единиц являются эталоны ома и вольта в виде групп катушек сопротивления и нормаль­ных элементов, которые применялись в качестве эталонов до введения системы СИ. Для перехода к воспроизведению абсолютных электрических единиц требовалось определить значения существовавших ранее эталонов методами, при которых непосредственно измеряемыми величинами являются длина, масса и время, а определяемая величина вычисляется по формулам, связывающим ее с основ­ными величинами.

Абсолютные измерения силы тока выполняются при помощи токовых весов. Ампер есть сила неизменяющегося тока, который, проходя по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малого сечения, расположенным на расстоянии 1 м один от другого в вакууме, вызы­вает между этими проводниками силу, равную 2 · 10^-7 Н на каждый метр длины.

В соответствии с определением ам­пера эталон тока выполняется с исполь­зованием электродинамического взаимо­действия двух токов. Сила этого взаимо­действия измеряется с помощью весов, называемых токовыми.

Рис. 9. Токовые весы

Токовые весы, схематически показан­ные на рис. 9, основаны на измерении силы электродинамического взаимодей­ствия двух соединенных последователь-

но соленоидов К₁ и К₂, обтекаемых током. Для любой конфигура­ции взаимодействующих контуров, обтекаемых токами I₁ и I₂, сила взаимодействия F выражается формулой:

При I₁ = I₂ = I и при равновесии весов

(1.27)

где m - масса уравновешивающей гири; g - ускорение силы тя­жести; М - взаимная индуктивность соленоидов; х - текущая координата - перемещение соленоида K₁.

Так как М зависит лишь от геометрической формы, размеров соленоидов и их взаимного расположения, значение силы тока с помощью токовых весов определяется через основные единицы длины, массы и времени. Токовые весы, созданные во ВНИИМ им. Д. И. Менделеева, воспроизводят единицу силы тока со средне-квадрэтическим отклонением результата измерения, не превышаю­щим 4·10^-6.

Практика электроприборостроеыия требует повышения точности воспроиз­ведения единицы тока или э. д. с. Использование фундаментальных физических констант и соответствующих явлений для построения эталонов электрических величин может привести к существенно лучшим результатам. Сейчас изучается возможность построения эталона единицы э. д. с. вольта на основе эффекта Джозефсона. Эффект этот состоит в том, что в узле сверхпроводник - диэлектрик - сверхпроводник, названном узлом Джозефсона, при облучении его высокочастот­ным электромагнитным полем частотой ω и при прохождении через него тока возникает некоторое падение напряжения U. При увеличении тока это паде­ние напряжения растет скачками, определенными квантом магнитного потока, равным отношению h/(2е), где h - постоянная Планка; е - заряд электрона.

Суммарное падение напряжения на узле Джозефсона равно

(1.28)

где n - число скачков напряжения.

Исследование погрешности воспроизведения единицы э. д. с. вольта, на ос­новании уравнения (1.28), показали, что значение погрешности может соста­вить (1 ÷ 2) · 10^-7, т.е. более чем на порядок меньше погрешности токовых весов.

Эталоны - это национальное достояние страны, требующее постоянного со­вершенствования. РФ располагает комплексом государственных первичных и специальных эталонов для всех основных видов измерений. Это эталоны единиц массы, длины, времени, температуры, давления, электрических и магнитных величин, ионизирующих излучений и многие другие.

Эталонные установки, как правило, представляют собой сложные инже­нерно-технические комплексы, в которых использованы самые последние науч­ные и технические достижения.

Образцовые и рабочие меры. Образцовыми мерами являются меры, служащие для поверки по ним других средств измерений и утвержденные в качестве образцовых. Образцовой мерой э. д. с. является нормальный элемент. Его э. д. с. отличается от 1 В, но точно известна. Последнее достигается подбором составных частей элемента из строго определенных по химическому составу веществ, точной их дозировкой и строго однообразной конструкцией. Этим при правильном использовании элемента обеспечивается весьма большое постоянство его э. д. с. и точно известная зависимость ее от температуры.

Нормальные элементы подразделяются на элементы с раствором сернокислого кадмия, насыщенным при температурах применения элемента, и элементы с раствором сернокислого кадмия, не насы­щенным при температурах выше +4 °С.

Устойчивость элемента с ненасыщенным раствором значительно ниже устойчивости нормального элемента с насыщенным раствором, так как от действия электрического тока изменяется концентрация его электролита, а следовательно, и э. д. с. Преимущество элемента с ненасыщенным раствором заключается в меньшем внутреннем сопротивлении (около 300 Ом) и очень малом температурном коэф­фициенте, который при изменении температуры. в пределах от 10 до 40 °С не превышает 15 мкВ на 1 К; температурный коэффициент элемента с насыщенным раствором приблизительно в четыре раза больше. Изменение э. д. с. нормального элемента с насыщенным раствором в зависимости от колебаний окружающей температуры можно учесть по эмпирической формуле

(1.29)

где Е_t - э. д. с. нормального элемента в вольтах при температуре t °С; Е₂₀ - э. д. с. нормального элемента в вольтах при температуре 20 °С

В зависимости от точности определения э. д. с. и ее стабильности нормальные элементы подразделяются на классы.

При применении нормальных элементов следует соблюдать ряд предосторожностей: нормальные элементы нельзя трясти и опроки­дывать, они должны быть защищены от солнечных лучей, от дей­ствия сильных источников света и теплоты. Хранить их необхо­димо при возможно более постоянной температуре.

Нормальные элементы обладают рядом недостатков, к которым относятся малый ток нагрузки, невозможность работы в условиях вибрации, необходимость внесения расчетных поправок на температуру окружающей среды. В настоящее время успешно применяются выпрямители переменного тока с полупроводнико­выми стабилизаторами постоянного напряжения, которые могут во многих слу­чаях играть роль образцовых источников постоянного напряжения.

Примером технической реализации стабилизированного источника напря­жения является серийно выпускаемый источник ИСП-20, у которого при коле­баниях питающего напряжения на ±20% выходное напряжение на нагрузке 400 Ом остается постоянным в пределах (2,00 ± 0,01) В. Стабилизаторы указан­ного типа -используются, в частности, в схемах автоматических потенциометров в качестве источника образцового напряжения, при этом отпадает необходимость применения нормального элемента.

В практике измерений, а также при поверке и градуировке измерительных приборов пользуются образцовыми мерами сопро­тивления. Образцовые меры сопротивления выполняются в виде катушек на одно значение сопротивления 10^±n Ом, где n - целое число.

Образцовые катушки снабжаются двумя парами зажимов, два из которых называются токовыми и предназначены для включения образцовой катушки в цепь тока, два других называются потен­циальными. Сопротивление между потенциальными зажимами равно номинальному сопротивлению образцовой катушки. К потенциаль­ным зажимам присоединяются провода, идущие к измерительной схеме.

К материалу, из которого изготовляются обмотки, предъявля­ются следующие требования:

1. возможно большее удельное сопротивление;

2. наименьший температурный коэффициент и термо-э. д. с. в паре с другими металлами (в особенности с медью);

3. устойчивость металла провода против окисления.

Этим требованиям лучше всего удовлетворяет манганин.

Образцовые катушки сопротивления от 0,01 до 0,001 Ом изго­товляются из манганиновой ленты или из пластин, а 0,0001 Ом - из широких и сравнительно тонких лент (для лучшего охлаждения); катушки сопротивления выше 0,01 Ом делаются из проволоки.

Высокоомные манганиновые образцовые сопротивления делаются на значения до 10⁷ Ом с погрешностью ± 0,0003% (10⁶ Ом) и ± 0,001% (10⁷ Ом). На большие сопротивления (10⁷ - 10¹⁰ Ом) меры сопротивления делаются на основе манганинового микропро­вода в стеклянной изоляции (погрешности от ± 0,02 до ± 0,05%).

В зависимости от погрешности образцовых мер сопротивлений и других характеристик (изменения сопротивления с течением вре­мени, допустимой мощности и др.) образцовые меры сопротивления делятся на классы точности, для которых погрешности и другие ха­рактеристики устанавливаются со­ответствующими стандартами.

Рис. 10. Эквивалентная электриче­ская схема катушки сопротивления

Если катушки сопротивления пред­назначены для применения в качестве образцовых мер сопротивления в изме­рительных схемах переменного тока, и

особенно при повышенной частоте, то для того чтобы значение сопротивления катушек не изменялось с изменением частоты тока, собственная емкость и само­индукция их должны быть ничтожно малыми. В первом приближении эквива­лентную схему катушек сопротивления можно представить в виде схемы рис. 10. Полное сопротивление катушки с учетом индуктивности L₀ и распределенной ем­кости С₀ для схемы рис. 10.

Обычно значения L₀ и С₀ очень малы, так что даже при звуковых частотах члены, содержащие L₀C₀ и С²₀ остаются малыми по сравнению с единицей. Поэтому приближенно полное сопротивление Z может быть выражено формулой:

Степень безреактивности катушки обычно характеризуется так называемой постоянной времени, под которой понимается величина

(1.30)

Наименьшей постоянной времени (примерно +0,5·10^-8 с) обладают образ­цовые катушки сопротивления на номинальные значения до 10 Ом. У образцо­вых катушек сопротивления на номинальное значение 100 000 Ом постоянная времени составляет примерно -2,5·10^-6 с.

В лабораторных условиях получили большое распространение так называемые магазины сопротивлений, которые при помощи переключающих устройств позволяют' получить сопротивления раз­личного значения. В зависимости от конструкции переключающего устройства магазины сопротивлений делятся на штепсельные и ры­чажные.

В паспортах магазинов сопротивлений обычно указываются допустимые погрешности магазина, допустимый ток, нагрузка в ваттах на катушку (обычно 1 Вт) и частотный диапазон.

Образцовые катушки индуктивности и взаимной индуктивности обычно изготовляются в виде катушек из изолированной тонкой проволоки, намотанной на каркас

Катушки должны обладать постоянством индуктивности, малым активным сопротивлением, независимостью индуктивности от тока и возможно малой зависимостью индуктивности от частоты тока.

Одной из характеристик катушек является постоянная времени, выражае­мая отношением индуктивности катушки к активному сопротивлению обмотки. Чем больше постоянная времени, тем катушка индуктивности доброкачественнее. Обычно' постоянная времени катушек 'лежит в пределах от 1 до 10 мс.

Измерительные катушки индуктивности выпускаются пяти номинальных значений (1; 0,1; 0,01; 0,001; 0,0001 Гн) и предназначены для работы в цепях переменного тока частотой до 10 000 Гц.

Катушки взаимной индуктивности состоят из двух обмоток, жестко укреп­ленных на общем каркасе. Одной из характеристик катушек взаимной индуктив­ности является фазовая погрешность, характеризуемая углом, на который сдвиг фаз между индуктированной э. д. с. и током отличается от 90°. Фазовая погреш­ность обычно не превышает 10'.

Катушки взаимной индуктивности делаются для двух номинальных значе­ний (0,01 и 0,001 Гн) и предназначены для работы в цепях переменного тока с частотой до 10 000 Гц.

Находят применение катушки переменной индуктивности и взаимной индук­тивности. Очень удобны для измерительных схем магазины иидуктивиостей, которые представляют собой набор катушек индуктивности.

Образцовые меры емкостей должны обладать постоянством ем­кости и малым температурным коэффициентом, весьма малыми потерями энергии в диэлектрике, независимостью емкости от ча­стоты и формы кривой тока и высокими сопротивлением и прочностью изоляции. Этим требованиям в наибольшей мере отвечают конден­саторы, у которых диэлектриком служит воздух или какой-либо газ. Однако воздушные конденсаторы имеют большие размеры и практически применяются лишь в тех случаях, когда требуется значение емкости не более 11 000 пФ. Конденсаторы с воздушным Диэлектриком выпускаются на различные номиналы в пределах от 50 до 4000 пФ.

Одиночные конденсаторы с газовым диэлектриком применяют для измерений в цепях высокого напряжения. В качестве заполняющего газа обычно при­меняют углекислый газ или азот (иногда применяют фреон и элегаз, отличающиеся повышенной пробивной прочностью) под давлением примерно 10⁶ Па. При таких Давлениях пробивная прочность газа велика. Это позволяет создавать конден­саторы малых размеров для работы при высоких напряжениях (десятки и сотни киловольт).

Кроме воздушных конденсаторов, применяемых как меры малых значений емкости, в качестве образцовых и рабочих мер емкости больших значений часто применяются слюдяные конденсаторы. Тангенс угла потерь слюдяных конденсаторов примерно 10^-4, температурный коэффициент емкости примерно 5 · 10^-5 К^-1. Слюдя­ные конденсаторы выпускаются в виде отдельных мер с постоян­ным значением емкости или в виде магазинов емкостей. Магазины емкостей применяются двух типов: штепсельные и рычажные.