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电学计量单位的复现和保存

时间:2020-12-24 来源:计量校准点击:次

电学计量单位的复现和保存

　　一、电流单位的复现和保存

　　电流单位——安[培]是电磁学计量单位的基础。要想通过定义来复现电流单位是很难实现的，例如，要制作两根无限长的载流平行导线是不可能的。然而，按照安[培]定义的等效形式，采用测量某种特定形式的载流线圈之间的作用力，来复现电流单位却是可行的。

　　在各种复现电流单位的绝对测量方法中，普遍采用的是电流天平法，其复现不确定度为1×10-6。继电流天平之后，采用电动力计法和测量质子旋磁比γp 的核磁共振法对电流单位进行绝对测量，以复现其单位，并得到了普遍应用。

　　尽管安[培]是国际单位制中七个基本单位之一，但目前还没有找到合适的实物基准器来保存它的单位量值，电流单位的保存，是通过电压单位的实物基准器——标准电池（组）和电阻单位的实物基准器——标准电阻器（组）来实现的。

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　　二、电压单位的复现和保存

　　由于电流、电压和电阻三个量可以通过欧姆定律联系起来，如果知道其中两个量，便可以导出第三个量。因此，多年来大多数国家按电磁学理论，采用电流和电阻单位导出的方法来复现电压单位——伏[特]。也有一些国家采用电压天平和液体静电计来复现电压单位。

　　1962年约瑟夫森理论提出后，采用约瑟夫森结电压复现电压单位的方法，在一些国家已经得到普遍的应用，其复现不确定度为10-8 量级。约瑟夫森常数Kj的表达式见（1-2-1）：

　　Kj = 2e/h （1-2-1）

　　式中：h——普朗克常数；

　　e——电子电荷。

　　根据第18届电学咨询委员会（CCE）的建议和1988年第77届国际计量委员会（IPM）的决议，确定自1990年1月1日起采用约瑟夫森效应复现电压电位，取代原国家电压基准，在1994年采用改值后的电单位数值，并对电流和电阻进行绝对测量，利用我国的约瑟夫森电压基准装置测量了Kj值，KJ-94MM = 483 597.89（43）GHz/V，其不确定度为0.88×10-6。

　　（一）标准电池组

　　由于韦斯顿饱和式标准电池具有长时间稳定性好（电动势年变化小于0.5×10-6）的特点。因此，长时间以来，世界各国均为采用标准电池组作为实物基准器——伏[特]主基准来保存本国的电压单位量值。

　　由于饱和式标准电池的结果及物理化学特性等因素影响，选入主基准内的标准电池，虽然经过严格的筛选和多年的考核，但是随着时间的推移，其性能也有所变化。有的电池电动势上升了一些，而有的电池又下降了一些，在一组电动势值中可以互相抵消一部分，这就是用一组标准电池而不采用一只标准电池作为基准的道理。为避免饱和式标准电池使用时间过长而发生量值变化，需要对其定期跟换和进行国际对比。

　　（二）电子式电压标准器

　　由于饱和式标准电池存在电动势温度系数较大（约为-40μV/K）和使用条件苛刻等缺点。近年来，有些国家研制成功并普遍投入使用了电子式电压标准装置，即固态电压标准，它利用硅稳压二极管的反向雪崩特性得到稳定的直流电压，其不确定度仅为2×106，而电压温度系数减小到1×107/K，因而不需要十分严格的恒温条件也可以使用。这种器件在经过不断改进后，正在逐步取代传统的饱和式标准电池。

　　三、电阻单位的复现和保存

　　电阻是电学计量中的基本参量之一，为复现其单位量值，各国的计量研究机构不断改进测量技术，从多种角度对电阻单位进行了绝对测量。20世纪60年代初期，电阻单位的绝对测量都是由计算电感与频率通过交流电桥获得，后来提出了用计算电容实现电阻单位绝对测量的方法，使不确定度从1×10-5提高到1×10-7以上。

　　1980年冯·克里青效应发现后，在建立量子化霍尔电阻基准方面，使不确定度提高到10-8数量级，根据第18届电学委员会（CCE）的建议和1988年第77届国际计量委员会（IPM）的决议，确定从1990年起，国际上正式启用量子化霍尔电阻来复现电阻单位，量子化霍尔电阻的表达式见（1-2-2）：

　　RH = h/ie2 （1-2-2）

　　式中：h——普朗克常数；

　　e——电子电荷；

　　i——正整数。

　　量子化霍尔电阻RH仅由普朗克常数h、电子电荷e和正整数i决定，当正整数i = 1时，RH=25 812.807Ω。

　　电阻单位用实物基准器保存，普通采用的电阻实物基准器都是优质锰铜材料制成的1Ω标准电阻器组，借助传递装置按十进制向两端扩展，将量值传递到最小标称值为10-4Ω，最大标称值为108Ω的标准电阻器中。

　　我国电阻单位的实物基准器由10个1Ω标准电阻器组成，取其电阻的平均值作为基准量值，其稳定度优于1×10-7/a。

　　四、电容与电感单位的复现和保存

　　电容单位的复现采用“计算电容法”，复现电容量值的不确定度为10-7 数量级。

　　电感单位的复现，采用“计算电容法”或“计算电感法”。

　　电容单位也是用实物基准器保存。根据不同的量值，电容基准器可能采用不同的结构和材料。标称值10nF以下的，可以采用空气电容器，其稳定度为1×10-8/a，损耗因数小于1×10-5；标称值为10pF的，可以采用熔融石英电容器，其稳定度为1×10-6/a，损耗因数小于2×10-6/a；标称值在0.01~1μF的，一般采用云母电容器，其稳定度为1×10-4/a，损耗因数为1×10-4；1μF以上的标准电容器很难制造，通常采用感应分压器构成大容量的等效电容器的等效电容器，其不确定度约为5×10-3。

　　仪器校准电感单位的保存，是由作为电感基准的精密电感线圈来实现。我国用于保存电感单位的电感基准的标称值为0.1H，其不确定度为1×10-4。