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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:

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。
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