2.1.1. Меры электрических величин

Мера напряжения

В качестве меры напряжения наибольшее распространение получили нормальный элемент (НЭ) и элемент, работающий на эффекте Джозефсона.

Нормальный элемент

Нормальный элемент (рис. 3.1) — это обратимый гальванический элемент с точно известной ЭДС. В зависимости от состояния можно выделить два вида:

насыщенные — электролит выполняется из водного раствора сульфата кадмия, его кристаллы находятся в избытке;

ненасыщенные — над амальгамой кадмия и сульфата ртути Нg₂SO₄ установлены пробковые или пластмассовые кольца.

Рис. 3.1. Нормальный элемент: 1 — Н-образный сосуд, 2 — электролит, 3 — амальгама кадмия, 4 — кристаллы сернокислого кадмия, 5 — платиновые кон­такты, б — Нg₂SO₄, 7—ртуть

При работе протекают следующие реакции.

Заряд. Реакция на аноде:

Реакция на катоде:

Разряд. Реакция на аноде:

Реакция на катоде:

Стабильность работы элемента обеспечивается химическим составом и правильной эксплуатацией установки. При работе с нагрузкой изменяются ЭДС НЭ и концентрация электролита, что ограничивает пропускаемый через него ток. Ограничивающими факторами является также температура окружающей среды (изменяется скорость протекания реакции) и механические воздействия (нельзя встряхивать и переворачивать).

Величина выдаваемой ЭДС составит порядка 1 В при строго известной погрешности, независимой от окружающей среды. При температуре 20 °С она составит 3x10^-6% или 0,0185 В для насыщенных элементов. Для насыщенных элементов предусмотрены классы точности 0,0005-0,005%, для ненасыщенных — 0,005-0,020%.

Элемент Джозефсона (Нобелевская премия 1973 года) устроен следующим образом.

Две проводящие пластины (рис. 3.2) располагаются на расстоянии 10^-9 м, между ними располагается слой окисла свинца. Проводящие пластины охлаждаются до точки перехода к сверхпроводящему состоянию. Элемент располагается в поле высокой частоты (ВЧ) таким образом, чтобы оно было перпендикулярно контактам. При протекании электрического тока (I) через контакты электроны переходят через слой оксида свинца 1, создается разность потенциалов 10 мВ. Подобные контакты можно соединять параллельно, увеличивая получаемую разность потенциалов. Точность установки составляет ± 4 х 10^-7 В.

Мера сопротивления

В электрических цепях используются измерительные катушки и магазины сопротивлений. Катушка выполняется из манганиновой проволоки или ленты, намотанной бифилярно на каркас. Материал каркаса зависит от величины измеряемого сопротивления: свыше 10 Ом — обмотка из сверхтонкой манганиновой проволоки и стеклянный каркас, свыше 0,01 Ом — фарфоровый или латунный каркас. Для высокоомных сопротивлений используется также сплав эваном. По проходным контактам 2 (рис. 3.3) протекает электрический ток, а с измерительных контактов 1 снимается разность потенциалов, которая регистрируется как сопротивление. Погрешность измерительной катушки зависит от потерь на нагрев, так как при прохождении электрического тока проводники нагреваются. Реактивная составляющая появляется вследствие того, что катушка наматывается по образцу катушки индуктивности, а изоляция проводников играет роль диэлектрика для конденсатора (паразитная емкость и индуктивность). Погрешность для сопротивлений до 10⁷Ом составляет 3 х 10^-4%.

Для поверки рабочих средств измерений используются магазины резисторов, которые обеспечивают быстроту и удобство использования и не предъявляют особых требований к окружающей среде.

В настоящее время перспективным является использование в качестве меры сопротивления датчика Холла.

Мера индуктивности

Изготавливается мера индуктивности в виде катушки, намотанной медным проводом на каркас из высококачественного изоляционного материала. Для создания равномерного магнитного поля используется тороидальный сердечник.

При создании меры индуктивности возникает ряд проблем, которые снижают точность; к ним относятся: активное сопротивление провода, паразитная емкость, вихревые токи и другие физические эффекты, которые можно отнести к конструктивным недостаткам. Точность меры — 10^-5.

Мера емкости

В качестве меры емкости используются конденсаторы различных конструкций. Наибольшее распространение получил плоский конденсатор (рис. 3.4) и конденсатор Томпсона - Лампара (рис. 3.5).

Плоский конденсатор

Принцип работы заключается в разделении зарядов на различных пластинах. Выполняется в виде плоского конденсатора с рабочими пластинами 2 (рис. 3.4) и краевыми пластинами 1, которые исключают влияние краевого эффекта. Краевой эффект представляет собой выход силовых линий за пределы рабочей плоскости пластин, что сопровождается потерями, которые необходимо уменьшить для увеличения точности измерений.

Рис. 3.5. Конденсатор Томпсона-Лампара

Точность измерений также зависит от материала диэлектрика, расположенного между рабочими пластинами, а именно, от его диэлектрической прочности; используются, в основном, воздух и слюда. Классы точности — от 0,05 до 0,5.

Конденсатор Томпсона - Лампара (рис. 3.5) пред­ставляет собой два коаксиально размещенных цилиндра, перемещение которых по вертикали позволяет регулировать емкость конденсатора. Точность измерения зависит только от измерения одного линейного размера — длины и составляет 10^-8.

Все конденсаторы выполняются в виде переменных емкостей, магазинов емкостей и однозначных мер.

Мера тока

Выполняется в виде рычажных весов, к одному из плеч которых подсоединены две коаксиальные катушки разного диаметра, включенные последовательно, ко второму — чаша для гирь (рис. 3.6).

Рис. 3.6. - Токовые весы

При протекании электрического тока катушки притягиваются или отталкиваются; сила этого взаимодействия уравновешивается эталонными гирями, которые помещаются в чашу для гирь. Весы настроены таким образом, чтобы достигать состояния равновесия при силе тока 1 А. Погрешность измерения — 3 х 10^-6%. В настоящее время предпринимаются попытки увязать эталон тока с постоянной Планка и с понятием заряда.

С 1991 г. утверждено два эталона тока: в диапазоне от 10^-3 до 1 А значение силы тока воспроизводится путем косвенных измерений, через измерение напряжения, воспроизводимого квантовой мерой напряжения на основе эффекта Джозефсона в сверхпроводниках, и сопротивления, воспроизводимого криогенной мерой на основе квантового эффекта Холла; в диапазоне от 10^-16 до 10^-9А используются методы электрометрии. В результате точность измерения повысилась в 1,5-2 раза.