Создание государственного первичного эталона единицы электрического напряжения нового поколения, методов и средств передачи размера вольта

Катков, Александр Сергеевич

Метрология и метрологическое обеспечение

автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.15, диссертация на тему:Создание государственного первичного эталона единицы электрического напряжения нового поколения, методов и средств передачи размера вольта

доктора технических наук: Катков, Александр Сергеевич
город: Санкт-Петербург
год: 2006
специальность ВАК РФ: 05.11.15

Диссертация по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам на тему «Создание государственного первичного эталона единицы электрического напряжения нового поколения, методов и средств передачи размера вольта»

Автореферат диссертации по теме "Создание государственного первичного эталона единицы электрического напряжения нового поколения, методов и средств передачи размера вольта"

На правах рукописи

Катков Александр Сергеевич

СОЗДАНИЕ ГОСУДАРСТВЕННОГО ПЕРВИЧНОГО ЭТАЛОНА ЕДИНИЦЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО НАПРЯЖЕНИЯ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ, МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ПЕРЕДАЧИ РАЗМЕРА ВОЛЬТА

Специальность:

05.11.15 — Метрология и метрологическое обеспечение

05.11.01 — Приборы и методы измерений по видам измерений (электрические и магнитные величины)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Санкт-Петербург 2006 г

Работа выполнена в Федеральном Государственном унитарном предприятии «Всероссийский научпо-исследовательскиб институт метрология имени Д. II. Менделеева»

Официальные оппоненты:

Заслуженный работник высшей школы РФ,

доктор технических наук, профессор Г. А. Кондрашкова

доктор физико-математических наук, профессор Ю. И. Неронов

доктор технических наук, с.н.с. С. А. Кравченко

Ведущая организация: ФГУП Нижегородский научно -

Защита состоится « 20 » ноября 2006 года в_Ц_ часов на заседании диссертационного совета Д 308.004.01 во ФГУП «ВНИИМ им Д. И. Менделеева», по адресу: 190005, г. Санкт-Петербург, Московский пр. 19.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГУП «ВНИИМ им. Д. И. Менделеева»

Автореферат разослан «_ ¿Г » октября 2006 г.

Ученый секретарь диссертационного

исследовательский приборостроительный

институт "КВАРЦ'

кандидат технических наук, доцент

Г. П. Телитченко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Диссертационная работа посвящена созданию государственного первичного эталона единицы электрического напряжения нового поколения, а также методов и средств передачи размера вольта, являющихся научно-технической основой метрологического обеспечения средств измерений постоянного электрического напряжения. Работа выполнена в Федеральном ^^Государственном унитарном предприятии «Всероссийский научно-исследовательский институт метрологии имени Д. И. Менделеева» (ФГУП «ВНИИМ им. Д. И. Менделеева») и включает исследования, проводившиеся в течение 1990-2005 гг.

Актуальность проблемы

Потребность в повышении точности измерений постоянного электрического напряжения существует практически во всех современных отраслях экономики России. В первую очередь это авиационная, космическая и электронная промышленность, приборо- и машиностроение. Высокая точность результатов измерений постоянного электрического напряжения является основой решения многих актуальных измерительных задач критических технологий федерального уровня, обеспечивающих необходимую точность ^^технологического контроля производства промышленной продукции в таких приоритетных направлениях развития техники и технологий, как «Информационно-телекоммуникационные технологии и электроника», "Производственные технологии", «Энергосберегающие технологии». Необходимость в точных измерениях постоянного электрического напряжения имеет место в высокоточных системах навигации, системах контроля и мониторинга сейсмической обстановки. В настоящее время во всем мире потребность в точных измерениях постоянного электрического напряжения весьма высока.

Средства измерений постоянного электрического напряжения совершенствуются в соответствии с возрастающими требованиями науки и технологий. Совреметтая техника все больше ориентируется на качественно новые высокоточные источники постоянного напряжения (калибраторы), измерители и преобразователи электрических величин. Поэтому важным направлением деятельности становится совершенствование метрологического обеспечения средств измерений постоянного электрического напряжения. Это особенно важно в связи с подписанием Россией международного Соглашения * взаимном признании национальных измерительных эталонов и сертификатов калибровки па измерения, выдаваемых национальными метрологическими институтами.

Имеющийся в России парк приборов требует периодической калибровки и поверки. Уже к концу семидесятых годов отечественный парк приборов для измерений постоянного электрического напряжения насчитывал сотни миллионов приборов различных систем, выпущенных отечественными и зарубежными фирмами, используемых для измерения электрического напряжения постоянного тока в различных областях экономики.

постоянного напряжения связано с открытием эффекта Джозефсона и

внедрением его в середине 70-х годов в аппаратуру эталона вольта. Одновременно с совершенствованием аппаратуры эталона вольта развивалось и метрологическое обеспечение средств измерений постоянного электрического напряжения и электродвижущей силы (ЭДС). Существенный вклад в развитие национальной системы метрологического обеспечения средств измерений постоянного электрического напряжения внесли такие известные ученые как Айнитдинов X. А., Александров В. С., Арутюнов В. О., Боровицкий С. И.,

Галахова О. П., Горбацевич С. В., Егоров Н. Г., Карпов О. В., Клушин А. М., Колосов А. К., Колтик Е. Д., Короткова И. В., Краснов К. А.,

Краснополин И. Я., Кржимовский В, И., Крутиков В. Н., Лахов В. М., Маликов М. Ф., Мюллер В. В., Потапов С. В., Рождественская Т. Б., Тарбеев Ю. В., Таубе Б. С., Телитченко Г. П., Тунинский В. С., Француз Э. Т., Ханов Н. И., Чураева Т. С. и другие. Необходимо также отметить вклад коллег из Физико-технического института Германии Нимайер Ю. и Бэр Р.

Начиная с 90-х годов, парк средств измерений постоянного напряжения претерпел значительные структурные изменения. В самые последние годы в связи с ростом промышленного производства разрабатываются отечественные (НПК РИТМ) и закупаются импортные приборы высокой точности (Fluke, Keitley, Transmile), что требует наличия современных средств и методик измерений для использования их в национальной системе метрологического обеспечения. Применяемые приборы для измерения постоянного напряжения (8.5 разрядные калибраторы, вольтметры, аналого-цифровые преобразователи) по своим метрологическим параметрам приближаются к уровню точности государственного первичного эталона.

В девяностые годы появились новые технические средства и аппаратура, кардинально изменившие возможности достижения высокой точности ^измерений в области постоянного напряжения. Внедрение интегральных джозефсоновских микросхем, созданных с использованием последних технологических достижений (NIST, Hypres, США; РТВ, IPHT, Германия), позволяет существенно повысить точность измерения постоянного напряжения.

области постоянного электрического напряжения, научной и технической основой которого является создание более точного государственного первичного эталона, а также методов и средств передачи размера вольта.

Цель и основные задачи работы

Целью работы является создание государственного первичного эталона, а также методов и средств передачи размера вольта, совокупность которых объединила разработки и достижения последних лет и привела систем^ метрологического обеспечения средств измерения постоянного электрического напряжения в соответствие с современными и прогнозируемыми на перспективу требованиями науки и технологий.

Поставленная цель потребовала решения следующих задач: анализа и систематизации наиболее точных методов измерения постоянного напряжения;

создания комплекса аппаратуры нового государственного первичного эталона (ГПЭ) единицы электрического напряжения - вольта;

разработки и исследования методов и средств передачи размера единицы электрического напряжения от ГПЭ вторичным эталонам, эталонным и рабочим средствам измерений постоянного напряжения на более высоком уровне точности; |

разработки и создания эталона сравнения, позволяющего осуществлять международные ключевые сличения ГПЭ единицы электрического напряжения на современном уровне точности.

Методы исследования

Поставленные в диссертации задачи решались как экспериментальными, так и теоретическими методами исследований. Среди которых следует выделить - теоретические и экспериментальные исследования источников

погрешности воспроизведения вольта с использованием эффекта Джозефсона, погрешности сличения эталонов на эффекте Джозефсона и масштабного преобразования воспроизводимого напряжения до 1000 В, а также экспериментальные исследования мер напряжения и мер ЭДС из состава эталона-копии (ВЭТ13-10-89), которые проводились в течение более чем пятилетнего периода. Теоретические методы исследования включали статистический анализ погрешности измерений, Фурье анализ и "преобразование Алана для исследования предельных возможностей компараторов и мер напряжения, обработку и интерпретацию данных полученных при проведении исследований различных мер постоянного электрического напряжения и ЭДС, расчеты и математическое моделирование на ЭВМ процессов связанных с измерением напряжения.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту

1. Комплекс аппаратуры нового государственного первичного эталона

единицы постоянного электрического напряжения и результаты его исследования.

2. Комплекс аппаратуры квантового эталона сравнения, позволивший впервые осуществлять международные ключевые сличения ГПЭ с эталоном МБМВ и 11 национальными эталонами единицы электрического напряжения, и

I результаты его исследования.

3. Метод масштабного преобразования постоянного напряжения до 1000 В.

4. Результаты теоретических и экспериментальных исследований погрешности передачи размера вольта.

5. Результаты совершенствования и исследования эталона-копии.

6. Результаты ключевых сличений национальных эталонов вольта с помощью квантового эталона сравнения.

Научная новизна работы заключается в следующем

проведенные соискателем теоретические и прецизионные^-экспериментальные исследования позволили выявить основные источним^^ погрешности аппаратуры, используемой при реализации эффекта Джозефсона для воспроизведения вольта, провести оценку предельных возможностей аппаратуры и обеспечить создание нового поколения государственного первичного эталона единицы постоянного электрического напряжения (ГЭТ 1301);

впервые предложен метод сличения национальных эталонов вольта с помощью разработанного квантового эталона сравнения; проведены исследования источников погрешности, получены теоретические и экспериментальные оценки погрешности передачи размера вольта, которые использованы при проведении международных ключевых сличений ЕиИ-ОМЕТ. ЕМ. В1РМ-К10.а;

проведен теоретический и экспериментальный анализ влияния шумов компаратора напряжения и мер напряжения на предельную точность передачр^^ и хранения единицы напряжения; теоретически обосновано подавление фликкер шума компаратора при проведении измерений;

разработан и исследован метод измерения отношений постоянных напряжений до 1000 В на основе использования отношения равно номинальных напряжений в каскадном включении, получены аналитические выражения для расчета измеряемых отношений напряжения, выявлены источники погрешности измерения отношения напряжений и получены теоретические и экспериментальные оценки погрешности отношения напряжений, которые

обеспечили высокую точность измерений при проведении международных ключевых сличений ССЕМ-К8;

теоретически разработан и экспериментально исследован метод прямой передачи размера вольта от нового государственного первичного эталона на основе использования джозефсоновской микросхемы типа сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник эталону копии, имеющему в своем составе нормальные элементы; результаты исследований позволили определить ^динамические параметры компаратора при которых обеспечивается относительная погрешность передачи размера вольта нормальным элементам на уровне 10"9.

Практическое значение и реализация результатов работы

1. Разработан и утвержден комплекс аппаратуры эталона вольта нового поколения ГЭТ13-01. Комплекс обеспечивает воспроизведения единицы напряжения с относительной суммарной неопределенностью 1,1-Ю"9, что в пять раз точнее по сравнению с предшествующим эталоном вольта ГЭТ13-89.

2. Впервые в мировой метрологической практике создан и внедрен квантовый

эталон сравнения на эффекте Джозефсона в виде меры напряжения, что обеспечило возможность проведения ключевых сличений . ЕШШМЕТ.ЕМ.В1РМ-К10.а государственного эталона ГЭТ13-01 с эталоном МБМВ и национальными эталонами 11 стран Европы с относительной суммарной неопределенностью на уровне 10"9 в рамках проекта Евромет № 723.

3. На основе разработанных методов передачи размера вольта проведены исследования и утверждены вторичные эталоны с установками на эффекте Джозефсона, принадлежащие метрологическим институтам Ростехрегулирования (ВЭТ13-12-99, ВЭТ13-13-01, ВЭТ13-12-04, ВЭТ13-14-05).

4. Проведено совершенствование эталона копии ВЭТ13-10-89, что позволило

снизить нестабильность групповой меры ЭДС из состава этого эталона до уровня 50 нВ за год и расширить диапазон измерений эталона до 10 В.

5. Разработанный метод калибровки отношения напряжений в диапазоне до

1000 В обеспечил высокую точность при проведении международных ключевых сличений отношения напряжений 1000 В/10В и 100В/10В (ССЕМ-К8), что позволило использовать полученные данные для расчета опорных значений сличений. Кроме того, применения данного метода пр^ построении меры напряжения до 1000 В позволило, примерно на порядок, повысить точность калибровки средств измерений постоянного напряжения.

6. Разработан и внедрен межгосударственный стандарт ГОСТ 8.027-2001 «ГСИ. Государственная поверочная схема для средств измерений постоянного электрического напряжения и электродвижущей силы».

7. Теоретические положения и научно обоснованные технические решения, реализованы при создании эталонов, проведении международных сличений и разработке нормативных документов, что позволило повысить уровень точности метрологического обеспечения средств измерения и гарантировало взаимное признание измерительных возможностей и сертификатов калибровки по 10 пунктам международного банка данных в части измерений постоянного напряжения в диапазоне от 100 мкВ до

Апробация работы

Материалы данной диссертации докладывались на:

международных конференциях по точным электромагнитным измерениям — Conference on Precision Electromagnetic Measurements - СРЕМ (Вашингтон 1998, Сидней 2000, Монреаль 2002, Лондон 2004, Турин 2006);

международных совещаниях экспертов Евромет (Стамбул 2001, Братислава 2003, Берн 2005);

международном семинаре "Математическая, статистическая и компьютерная поддержка качества измерений" (Санкт-Петербург 2006);

сессии международного Консультативного комитета по Электричеству и Магнетизму — ССЕМ (Париж 2004);

конференции Министерства обороны России (Москва 2002); конференции "Гироскопия и навигация" (Санкт-Петебург 2002); научно-технических конференциях, посвященных Дшо радио, Санкт-Петербургского научно-технического общества радиотехники, электротехники и связи (Санкт-Петербург 1998, 1999, 2000, 2001, 2003, 2006).

Публикации

По теме диссертации опубликованы 38 печатных работ, из них 10 без соавторов, 9 статей опубликованы в ведущих научных журналах, рекомендованных ВАК.

Структура и объем диссертации:

Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованных источников и приложения. Общий объем работы 208 страниц, в том числе 189 страниц основного текста, который иллюстрирован 50 рисунками и 15 таблицами, 1 страница приложения. Список литературы включает 160 наименований.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы, определены цели и задачи исследований, изложены научная новизна и практическая значимость диссертации, сформулированы основные положения, выносимые на защиту, приведена общая характеристика работы, данные об ее апробации и реализации результатов.

В первой главе проведен анализ состояния системы обеспечения единства измерении и эталонной базы России в области постоянного электрического напряжения. Проведена оценка соответствия существовавшей системы метрологического обеспечения мировому уровню в этой области, современным требованиям науки и технологий, а также возможным прогнозам на ближайшую обозримую перспективу.

Основное содержание работы относится к научной и технической составляющим государственной системы обеспечения единства измерений" (ГСИ), включающей создание первичного эталона вольта нового поколения, а также методов и средств передачи размера единицы, поскольку эти составляющие непосредственно связаны с темпами научно-технического прогресса и требуют активного обновления.

Подписание Россией Соглашения о взаимном признании национальных измерительных эталонов и сертификатов калибровки и измерений создало дополнительный импульс для развития системы метрологического обеспечения и повышения точности воспроизведения и передачи размера вольта.

Анализ метрологического обеспечения измерений постоянного напряжения за предшествующий период выявил, что меняется качественный состав потребителей, использующих измерители постоянного напряжения. С одной стороны возрастает общее число средств измерения и их запросы к уровню точности измерений, которые в ряде случаев приближаются эталонному уровню. С другой стороны технические параметры существовавшего эталона уже к середине 90-х годов не позволяли проводить измерения на уровне мировых стандартов, тем более с учетом перспективных потребностей развития науки и техники.

В условиях сокращения числа поверок и калибровок парка рабочих средств измерений и, как следствие, снижения загрузки эталонов низкого уровня возникают трудности в окупаемости эталонных работ и соответствешю в проведении своевременной модернизации аппаратуры эталонов, что приводит к

быстрому моральному старению эталонной базы. Одним из шагов к решению этой задачи является сокращение числа ступеней в новой поверочной схеме при передаче единицы напряжения.

В главе сформулированы цели и задачи, которые необходимо было решить для преобразования существовавшей системы метрологического обеспечения в области измерения постоянного электрического напряжения, при этом значительное количество накопившихся взаимосвязанных вопросов целесообразно решать путем разработки новой государственной поверочной схемы и создания нового Государственного первичного эталона единицы электрического напряжения.

В качестве основных научно-технических задач, без решения которых невозможно создание ориентированной на перспективу системы обеспечения единства измерений единицы электрического напряжения выделены:

создание нового комплекса аппаратуры ГПЭ с целью повышения точности воспроизведения единицы электрического напряжения до 1-Ю9, расширения диапазона воспроизводимого напряжения до 10 В;

разработка новых методов и средств измерений для повышения точности передачи размера единицы от первичного эталона;

разработка новых методов ■ и средств для расширения диапазона воспроизводимых напряжений до 1000 В с суммарной неопределенностью менее 4-10"7;

разработка новой государственной поверочной схемы, которая позволяет повысить точность и эффективность измерений постоянного напряжения, в том числе путем сокращения числа звеньев передачи размера единицы от ГПЭ к рабочим средствам измерения (РСИ).

Конкретные пути решения задачи по созданию научных и технических основ современной системы обеспечения единства измерений в области постоянного электрического напряжения рассмотрены в следующих главах.

Во аторой главе даны общие сведения об электрическом напряжении, а также электродвижущей силе и разности электрических потенциалов, имеющих размерность вольта, приведены основные термины и определения. На основе предложенной классификации проанализированы существующие методы воспроизведения напряжения и ЭДС, в которые включены метод с использованием электрохимической разности потенциалов; метод на основе использования ампер-весов и мер сопротивления, метод движущейся катушки; метод вольт-весов; метод с использованием эффекта магнитного резонанса! заряженных частиц в переменном электрическом поле и методы на основе использования эффекта Джозефсона. Проведен анализ установок, реализующих методы воспроизведения напряжения на основе использования эффекта Джозефсона, которые классифицированы по составу применяемых элементов.

Сформулированы требования к точности воспроизведения единицы электрического напряжения на современном уровне. Показано, что для удовлетворения требований метрологической практики первичный эталон должен обеспечивать получение результатов измерения электрического напряжения со средним квадратнческим отклонением на уровне 10" '.

Проведенный анализ существующих методов воспроизведения вольта позволил установить, что наивысшую точность в системе СИ могут обеспечить методы на основе вольт-весов, метод с подвижной катушкой и методы с использованием эффекта Джозефсона, при этом с точки зрения метрологических параметров предъявляемых к эталону вольта, таких как точность поддержания, точность относительных измерений, диапазон воспрошводимьгх напряжений, перспективы повышения точности, несомненное преимущество имеют эталоны на основе эффекта Джозефсона.

В главе обоснована новая структура передачи размера единицы электрического напряжения от первичного эталона рабочим средствам измерений, на основе которой разработана и введена в действие новая государственная поверочная схема (ГПС) для средств измерения единицы

электрического напряжения и ЭДС (Рис. 1). Согласно ГОСТ 8.027-2001 в новую ГПС по сравнению с предыдущей внесены следующие изменения: расширен до 10 В диапазон напряжений воспроизводимых ГПЭ; случайная составляющая погрешности ГПЭ снижена с 5-10"9 до 1-10"9; снижена верхняя граница неисключенной систематической погрешности ГПЭ с 5-10"9 до 1-Ю"9; на два порядка повышена точность эталона сравнения, расширен до 10 В диапазон напряжений эталона копии, введен рабочий эталон нулевого разряда с погрешностью на уровне 10"8, повышена точность передачи размера вольта в диапазоне до 1000 В, прецизионные вольтметры и калибраторы напряжения введены в эталоны второго и третьего разряда, сокращено количество ступеней передачи размера единицы напряжения от ГПЭ к РСИ, исключено заимствование СИ из других поверочных схем. Все это позволило повысить точность передачи размера вольта от первичного эталона, сократить не эффективные звенья поверочной схемы и расширить диапазон по точности РСИ.

И третьей главе приведены основные соотношения, используемые при реализации метода преобразования частоты в напряжение на основе эффекта Джозефсона. Полученное в 1962 г. Б. Джозефсоном уравнение связи частоты/с напряжением 11д через значения фундаментальных физических констант е, Ъ, Фо, К,,

N Д. N N /•

1=1 ,»1 Л.^

где N — число переходов Джозефсона, п — число ступеней напряжения на /-том переходе,

положено в основу реализации эталонного комплекса.

Рис. 1. ГОСТ 8.027-2001. Государственная поверочная схема для средств измерений постоянного электрического напряжения и электродвижущей силы.

В главе приведено описание метрологических характеристик, состава и конструкции нового ГПЭ вольта. Высокая точность воспроизведения единицы напряжения в новой аппаратуре достигается прежде всего за счет внедрения современной элементной базы, позволяющей осуществлять преобразование частоты в напряжение до 10 В, непосредственно на выходе интегральной джозефсоновской микросхемы (ДМ). Приведены соотношения, описывающие действие влияющих факторов на метрологические параметры ДМ, с учетом которых разработаны основные элементы эталонного комплекса -криогенный зонд, аппаратура синтеза частоты облучения и аппаратура контроля.

Особенностью разработанного зонда является малый уровень затухания СВЧ мощности (до 0,5 дБ при 75 ГГц), наличие встроенной фторопластовой мембраны в сечении сверхразмерного волновода для изоляции паров гелия, электрической изоляции входной части волноводного тракта от остальных элементов зонда, а также применение двух волноводных размеров. Аппаратура синтеза частоты облучения эталонного комплекса, построенная на основе генератора Г4-142, позволяет получать СВЧ сигнал для облучения ДМ с относительной нестабильностью менее Ю"10 в широком диапазоне частот (55 -79 ГГц). Впервые для синтеза частоты облучения ДМ применен генератор СВЧ на основе активного умножителя, который показал высокие технические и метрологические параметры, включая повышение устойчивости воспроизводимого напряжения на уровне 10 В.

Особенностями разработанной аппаратуры контроля параметров ДМ является возможность проводить раздельное управление установкой напряжения ДМ при двух полярностях, малые шумы аппаратуры, совмещение точки заземления с измерительной схемой и ДМ, малый уровень сетевых помех, введение возможности работы от аккумуляторов, широкий диапазон контролируемых токов и напряжений, позволяющий проводить контроль и управление напряжения на ДМ до 10 В и токов протекающих через ДМ до

3 мА. Основное внимание уделено результатам научных исследований погрешности воспроизведения вольта. Аппаратурная реализация эффекта Джозефсона приводит к необходимости учета эффекта Зеебека, а также возможного действия внешних факторов на ДМ, проявляющихся в наличии «замороженных» магнитных потоков, изменении ширины рабочей области ступенек напряжения, а также дефектов в ДМ - наличие резистивности, неустойчивости ступенек и детектирования мощности облучения.

В общем случае воспроизводимое напряжение на выходе эталона™ определяется согласно уравнению:

Г/э = Г/д + АН, (2)

■ где: Г/д — напряжение на выходе джозефсоновской микросхемы;

Ди— инструментальная погрешность;

&и= /\рг!К} + Ятэдс - [/дЯц(Лц + Ку) + + 17Р + Г/п, (3)

где А/— погрешность частоты облучения, £тэдс — термо-ЭДС в выходной цепи эталона, Лц — сопротивление выходной цепи эталона, Лу — сопротивление утечек в выходной цепи эталона, — дополнительное напряжение от наклона ступени вольтамперной характеристики (ВАХ), Г/р - дополнительное напряжение от детектирования мощности облучения, Г/п — дополнительное напряжение обусловленное перескоками ступеней в ДМ. Влияние «замороженных» магнитных потоков и внешних паводок заключается в уменьшении критического тока и рабочей области ступенек напряжения, что| ухудшает метрологические параметры ДМ вплоть до потери работоспособности ДМ.

' Проведен теоретический и экспериментальный анализ флуктуашш и дрейфа опорной частоты, также синтезированной СВЧ мощности, предназначенной для облучения ДМ. Разработаны методики измерений и проведены исследования волноводного тракта криогенного преобразователя; параметров ДМ, включая определение оптимальной частоты и мощности

облучения, значений критических токов и ширины ступени при рабочем напряжении, наличия «замороженных» потоков и влияния наводок, наклона ступени напряжения, неустойчивости и детектирования мощности облучения; значения термо-ЭДС и влияние утечек в выходной цепи. Впервые экспериментально обнаружено влияние детектирования мощности облучения скрытыми дефектами ДМ на значение воспроизводимого напряжения, что обуславливало наличие систематической погрешности на уровне 5- Ю"10.

На основе полученных экспериментальных данных проведен анализ погрешности воспроизведения единицы электрического напряжения на государствештом первичном эталоне, оценки составляющих которой представлены в табл. 1.

Табл. 1 .Бюджет погрешности воспроизведения единицы электрического напряжения

N Источник погрешности 1 В 10 В

п/п Б.хЮ9 е.хю9 Б.хЮ9 0.ХЮ9

I. Дрейф и флуктуации частоты . 0,04 0,6 0,04 0,6

2. Сопротивление утечки - 0,1 - 0,1

3. Наклон ступени ВАХ 0,1 - 0,01 -

4. Детектирование СВЧ мощности - 0,1 - 0,01

5 Перескоки на ВАХ 0,1 0,1 0,2 0,2

6. Дрейф и флуктуации термо-ЭДС 0,5 од 0,05 0,01

Суммарная оценка 0,6 0,9 0,2 0;9

Для подтверждения теоретических оценок метрологических параметров аппаратуры эталона был проведен ряд международных сличений. Первое сличение проведено в 1998 г. с эталоном МБМВ при помощи двух мер напряжения на стабилитронах при напряжении 1,018 В.

Результат сличений: 11вниим - и мвмв =0,00 мкВ, при ио.эз = 0,03 мкВ.

Полученный результат превзошел по точности на порядок подобное сличение, выполненное с помощью аппаратуры эталона ГЭТ 13-89 и находится в ряду лучших международных сличений данного класса. Впоследствии проведен ряд международных сличений эталонов вольта на эффекте

Джозефсона с эталоном ПТБ в 1999 г. и 2002 г., и ключевые сличения с эталоном МБМВ в 2003-2004 г. Полученные результаты ивниим - и ПТБ =-0,05 нВ, при ис = 0,17 нВ, ивниим - и птб =0,2 нВ, при и0 = 0,6 нВ, ивниим - и МБМВ =-0,02 нВ, при ии>95 = 0,52 нВ, подтвердили результаты теоретических и экспериментальных оценок метрологических параметров нового государственного первичного эталона" вольта и его паспортных данных:

- относительное значение среднего квадратического отклонения результата измерений Бо не превышает 1-10"9 при 20 независимых измерениях;

- неисюпоченная систематическая относительная погрешность 0О не превышает 1-10"9;

- относительная стандартная неопределенностью результата измерений, оцениваемая по типу А, при 20 независимых измерениях не более 1 • 10"9;

- относительная стандартная неопределенностью результата измерений, оцениваемая по типу В, не более 0,5-10"9.

Достигнутая точность воспроизведения напряжения превышает точность предыдущего эталона более 5 раз и позволяет обеспечить современные потребности по точности измерений постоянного напряжения, которые обуславливаются как метрологическими характеристиками нижестоящих ( эталонов, так и уровнем международных и ключевых сличений.

Н четвертой главе рассмотрены методы и аппаратура передачи размера единицы электрического напряжения. Разделы 4.1 и 4.2 посвящены теоретическому и экспериментальному анализу погрешности передачи размера вольта от первичного эталона с помощью компаратора из состава аппаратуры первичного эталона. Разработана эквивалентная схема цепи передачи (Рис. 2) на основе которой проанализированы основные источники погрешности

Первичный эталон

Компаратор

Вторичный эталон

Рис. 2. Эквивалентная схема цепи передачи размера вольта

передачи, включающие входные шумы компаратора, коэффициент передачи, утечки и термо-эдс. Исследования шумовых напряжений компаратора проводились с использованием преобразования Фурье и преобразования Алана. Для анализа напряжения компаратора предложена модель описывающая входной сигнал в виде суперпозиции напряжений:

Р(1) = Г70+ к0-1 + А'1 -1Ц)+кг Щ), (4)

где и0 — постоянная составляющая, ку! — дрейф, ь(1) — модель белого шума, Ч\1) - модель фликкер шума. Преобразование Фурье для предложенной модели сигнала (4) имеет вид:

сг(Л-

1 /

а преобразование Аллана: а(т)

+ — + (21п 2)^2

(5)

(6)

2 2 Г

Ыа основе экспериметальных данных получены оценки параметров предложенной модели для исследованной аппаратуры: к(] = 11 нВ/ч (дрейф); к\= 9 нВТц0 5(белый шум); к2 — 0,8 нВ (фликкер шум). Проведенный анализ показал возможность оценивания порога чувствительности компаратора исходя

из значения фликкер шума, оценивания оптимального время измерения исходя из равенства белого и фликкер шумов, и проведения сравнений параметров компаратора для конкретного типа аппаратуры при действии различных источников помех. Анализ результатов измерений с помощью компаратора показал, что изменение полярности подключения компаратора с периодом 2г позволяет ослабить действие низкочастотных составляющих фликкер шума (<ы « 1/2 г) и нелинейного дрейфа, представленных в виде низкочастотных^ гармонических сигналов как:

(х+2г Д

2т

| бш(ах~)& - | $т{ож)сН ~ — соБ(йк) < — (7)

V х х+г ) 2 2

Анализ соотношения (7) показывает, что уровень подавления сигнала пропорционален его частоте, и, следовательно, наряду с дрейфом имеется возможность ослабления фликкер шума компаратора до уровня белого шума, при условии, что переключение полярности не изменяет значения измеряемого напряжения на входе компаратора на заданном уровне точности.

Анализ экспериментальных данных показал, что модель компаратора кроме шумового напряжения должна учитывать действие входного шумового тока с параметрами А'от, £2Т. В этом случае отклонение Аллана (6)

преобразуется к виду

>0(о)+£07./О2 г2 к! (о)+фе

<т(г) =

-{к1{0) + к]ТПг)2\п2

(8)

2 2т

что приводит к необходимости учета влияния выходного сопротивления Я компарируемых источников напряжений.

Разработаны методики измерений на основании которых проводится оценка вклада шумов компаратора при проведении сравнения напряжений, оценка вклада нелинейности преобразования компаратором измеряемой разности напряжений, а также влияния утечек и термо-ЭДС.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований источников погрешности передачи размера вольта с помощью компаратора от ГПЭ мерам

ЭДС и напряжения из состава эталона копии (ЭК) и эталону сравнения на эффекте Джозефсона (ЭС) приведены в табл.2.

Таблица 2. Бюджет погрешности передачи размера вольта с помощью компаратора

N п/п Источник погрешности 1 В 10 В

е. Э:

1. Утечки сопротивлений в цепи К ■ ПЭ - МО"11 - МО11

2- Утечки сопротивлений в цепи К — ЭС - МО"11 - МО11

3. Утечки сопротивлений в цепи К - ЭК - 1-10" - 1-Ю'9

4. Входное напряжение шумов компаратора МО"9 - МО"10 -

5. Входной шумовой ток компаратора в цепи ПЭ-ЭС 8-10 й - МО-" -

6. Входной шумовой ток компаратора в цепи ПЭ-ЭК 4-Ю-9 - 4-Ю-10 -

7. Погрешность компаратора - 0,3-10"9 - М0"'и

8. Дрейф и флуктуации термо-ЭДС в цепи ПЭ-ЭС 5-10ш 5-Ю"10 5Т0"И 5-10-"

9. Дрейф и флуктуации термо-ЭДС в цепи ПЭ-ЭК 3-10"9 3-Ю'9 З-Ю"'0 3-Ю"10

Суммарная оценка погрешности компарироватшя в цепи ПЭ-ЭС 1,5-Ю-9 0,5-10"9

Суммарная оценка погрешности компарирования в цепи ПЭ-ЭК 5-Ю"9 МО"9

Раздел 4.3 посвящен исследованию и совершенствованию аппаратуры ^^ эталона-копии в результате которых

- снижена погрешность введения температурной поправки ЭДС НЭ до уровня 5 нВ;

- снижены вариации термо-ЭДС в цепи измерения;

- проведено совершенствование термостатов для поверяемых мер ЭДС и мер ЭДС резерва эталона-копии, позволившее снизить колебания температуры НЭ до уровня 0.05 мК и поднять температуру НЭ до 30 °С;

- расширен диапазон напряжений эталона-копии до 10 В;

- повышена стабильность поддержания размера единицы за счет снижения нагрузки на НЭ и рисков заряда-разряда НЭ вследствие внедрения новой методики передачи размера единицы вольта и внутригруппового сличения НЭ с помощью меры напряжения;

- исследован процесс прямой передачи размера единицы от первичного

эталона.

На основе анализа динамических процессов в цепи - эталон на эффект^ Джозефсона, нуль-индикатор и НЭ (Рис. 3), впервые определены допустимые динамические параметры нуль-индикатора (Св < 20 нФ) и параметры НЭ (Н=10 Ом, С=8 Ф).

Разработана методика передачи размера вольта вторичным эталонам напряжения и ЭДС, позволяющая получать результаты измерений с погрешностью, нормируемой новой поверочной схемой.

Раздел 4.4. посвящен разработке и исследованию важного элемента цепи передачи размера вольта — квантовому эталону сравнения (Рис. 4), осуществляющему связь первичного эталона с международным эталоном вольта, хранящимся в МБМВ. ЭС впервые использован дм проведения ключевых сличений эталонов вольта в рамках ЕВРОМЕТ, кроме того, он

ДМ

Нуль индикатор

НЭ

Рис. 3. Эквивалентная цепь ДМ - НИ - НЭ

Рис. 4. Квантовый эталон сравнения напряжений

^планируется для проведения сличении эталонов вольта в рамках КООМЕТ, а также для передачи размера вольта нижестоящим эталонам.

Приведено описание принципа действия и составных частей ЭС, особенности построения и характеристики элементов ЭС. Проведены исследования метрологических характеристик ЭС. Представлена методика проведения измерений и теоретический анализ составляющих неопределенности измерений ЭС. Результаты экспериментальных исследований, выполненных во ВНИИМ и ПТБ, показали высокую точность ЭС. Бюджет неопределенности проведенных сличений с помощью ЭС представлен в табл.3.

Таблица 3. Бюджет неопределенности при сличении эталонов ВНИИМ н ПТБ

| Источники неопределенности Неопределенность ВНИИМ ПТБ

Разность выходных напряжений типа А (измерения) 0,2-10~9 0,5-10"9

Нуль детектор 0Д-10"9 0,1-10"9

Сопротивления утечки типа В 0,1 10"9 0,1-Ю"9

Сдвиг частоты генератора СВЧ (оценка) 0,2-10"9 0,2-10"9

Разность опорных частот эталонов 0,2-10'9

Суммарная неопределенность 0,6-10'9

ЭС прошел апробацию при проведении ключевых сличений Е1ЛЮМЕТ.ЕМ.В1РМ-К10.а в рамках проекта ЕигошеГ N 723, в котором приняли участие 12 стран Европы, включая Россию, и Международное бюро

мер и весов. Результаты проведенных сличений утверждены Консультативным Комитетом по Электричеству и Магнетизму в марте 2005 г. и помещены в базу данных МБМВ.

Результаты сличений показали достоверность теоретических и экспериментальных оценок выполненных в ходе разработки и исследований ЭС. Впервые при сличении эталонов вольта на эффекте Джозефсона была применена методика измерений с мерой напряжения высокой точности благодаря которой результат сличения содержал неопределенност" применяемых в эталонах компараторов, что позволило провести сравнение не только размеров вольта воспроизводимых эталономи, но и выявить неопределенность, вносимую системой передачи размера вольта от эталонов, которая определяется как техническими средствами, так и методикой измерений применяемой в аппаратуре передачи (табл. 4).

Таблица 4. Результаты сличений национальных эталонов вольта с эталоном сравнения при проведении ключевых сличений ЕиКОМЕТ.ЕМ.ШРМ-К Ю.а

Институт ¿LAB /10" UA /109 un /109 ULAD / 109

ВНИИМ, Россия +0,05 0,09 0,22 0,23

UME,Турция -0,06 0,26 0,25 0,36

РТВ, Германия +0,01 0,22 0,06 0,23

SP, Швеция +0,04 0,37 1,08 1,14

NPL, Англия +1,3 0,55 0,20 0,59

DFM, Дания -0,14 0,50 0,25 0,56

IEN, Италия +0,10 0,29 0,11 0,31

EIM, Греция +1,0 0,89 2,0 2,2

BIPM, международный +0,07 0,12 0,05 0,13

MIKES, Финляндия -0,04 0,06 0,11 0,13

GUM, Польша -1,2 1,1 2,9 зд

CMI, Чехия +0,8 0,5 2,5 2,5

NMi-VSL, Нидерланды -1,6 5,9 1,0 6,0

Раздел 4.5 посвящен исследованию метрологических параметров мер напряжения на стабилитронах, предназначенных для хранения и передачи размера вольта. Практический интерес для исследования представляет период

времени от десятых долей секунды до одного года. Данный отрезок времени может быть разделен на (а) промежутки времени в десятки секунд, используемые для усреднения одиночных измерений, (б) промежутки времени в несколько часов, используемые для усреднения серии измерений, (в) промежутки времени в несколько недель, используемые для передачи размера единицы, (г) промежутки времени от нескольких месяцев до года, используемые для хранения единицы напряжения. Как показывает опыт ^^исследований промежутки времени (а) и (б) характеризуются преобладающим действием фликкер шума, а в промежутках времени (в) и (г) наряду с фликкер шумом влияющим фактором обычно является дрейф, а также воздействие внешних условий, которые могут быть исключены путем введения поправок. При проведении исследований шумовых параметров МН использовался метод аппроксимации экспериментальных данных с помощью модели (4), позволяющий проводить сравнение различных МН, определять оптимальное время усреднения результатов измерения, а также уровень предельных возможностей МН, определяемых значением фликкер шумов. Результаты исследований выявили существенное влияние дискретности тока делителя (дробовой шум) на выходное напряжение меры.

Проведены исследования МН различных типов, разброс параметров ^^ которых, выраженный через коэффициенты уравнения (4), для к\ получен в диапазоне (14 — 78) нВТц05, а для к2 - в диапазоне (5 - 34) нВ для выходного напряжения 1,018 В. Нестабильность выходного напряжения меры из состава ЭК при напряжении 1,018 В и 10 В составляет менее 3-10"7 за год, а прогнозируемое значение выходного напряжения 10 В определяется с относительной погрешностью менее 1-Ю'7. Исследования МН из состава эталона копии показали, что стабильность параметров меры позволяет передавать размер вольта с СКО менее 50 нВ, что удовлетворяет требованиям поверочной схемы для вторичных эталонов вольта. По результатам

исследования МН разработана методика и с 2001 г. проводится плановая работа по передаче размера единицы ВЭТ 13-12-04 ВНИИМС, ВЭТ13-13-01 ВНИИФТРИ, ВЭТ 13-14-05 ВС НИИФТРИ.

Раздел 4.6 посвящен разработке и исследованию метода передачи размера вольта в диапазоне напряжений до 1000 В на основе использования отношения равно номинальных напряжений в каскадном включении. Метод разработан для калибровки делителя составленного из набора сопротивлений на основе^^ использования отношения 1:1. При этом аналитическое выражение, например для гю = 10:1, полученное с использованием отношения 1:1 дня четырех групп ряда из 10 равно номинальных сопротивлений Кг,

(Л,+Л5+Лб)/(Л1+Й2+Лз) и (Н1+Пц+Я9+П1о)/(Н3+Я4+Я5+Яб) имеет вцц:

У*

, л, /г, «, л, + и, + л.

я, я, (л, л, л,+л3

1Д1З

А I Л,

(9)

Разработанный метод применен для калибровки резистивного делителя напряжения типа Оа1гоп 49028, который использовался в качестве эталона сравнения в ключевых сличениях ССЕМ-К8. Данный метод лег в основу построения меры напряжения на диапазон 10 В — 1000 В на уровне рабочего эталона 1-го разряда. Полученные результаты экспериментальных ^ исследований аппаратуры легли в основу теоретических оценок неопределенности калибровки для отношения напряжений от 30 В / 10 В до 1000 В/ 10 В.

Разработанная аппаратурная реализация метода калибровки делителя напряжения, составленного из последовательно включенных групп равно номинальных резисторов, имеет следующие преимущества: калибровка производится при рабочем напряжении делителя, что снижает влияние

мощности рассеиваемой делителем на неопределенность измерений; исключается влияние контактных соединений и проводников при проведении калибровки; исключается влияние утечек на нулевой потенциал измерительных цепей и используемых приборов; входные цепи нуль индикатора находятся при нулевом потенциале; исключается влияние нестабильности источников смещения; снижаются требования к стабильности и точности дополнительных ^резисторов, применяемых при калибровке.

Перечисленные достоинства позволяют достигать высокой точности калибровки отношения напряжения (Ю7), а также измерять зависимость коэффициентов отношения от приложенного к делителю напряжения. Теоретические и экспериментальные оценки неопределенности измерений с помощью предложенного метода подтверждены результатами завершенных ключевых сличений ССЕМ-К8 (Рис.5), в которых полученные автором данные использованы для расчета опорных значений.

ССЕМ-К8: ratio 1000 V/10 V Degree of equivalence: Dt and its expanded uncertainty U(D,)

2 1 0

Ь -1

5 -2

-3 -4

-5

-ф—0-

SQ a: = = w Q: со

S § > z "

Laboratories

Рис.5. Результаты ключевых сличений ССЕМ-К8 при напряжении 1000 В

Выводы

Совокупность полученных в диссертационной работе результатов обеспечивает решение крупной научной проблемы, имеющей важное хозяйственное значение для обеспечения единства измерений в области электрических величин на более высоком уровне точности.

Комплекс проведенных работ включает разработку новых подходов к проведению измерений электрического напряжения, включая методы передач^ размера вольта от первичного эталона и методы передачи размера вольта при напряжениях до 1000 В; создание установок для измерения напряжения, начиная с аппаратуры ГПЭ и кончая аппаратурой на уровне эталона 1-го разряда для напряжений до 1000 В. Уровень точности воспроизведения единицы электрического напряжения на ГПЭ определяется относительной стандартной неопределенностью 1,1-10~9; по сравнению с предыдущей реализацией эталона точность измерений повышена более чем в 5 раз.

Совокупность решенных в диссертации задач охватывает функционирование всех ступеней системы метрологического обеспечения, и особенно верхних звеньев поверочной схемы: ГПЭ вольта, вторичных эталонов и эталона первого разряда для напряжения до 1000 В. Эти разработки используются при передаче размера единицы нижестоящим эталонам. Один из разработанных типов приборов (эталон сравнения) стал базовым средством| измерения при проведении ключевых сличений эталонов вольта. Все это подтверждает актуальность и практическую значимость работ, составляющих основу диссертации.

правил и норм, необходимых для достижения единства и требуемой точности измерений. Наиболее значимыми результатами являются:

1. Создание и внедрение в практику комплекса аппаратуры государственного первичного эталона единицы постоянного электрического напряжения. Аппаратура обеспечивает воспроизведение вольта с относительной суммарной неопределенностью 1,1-Ю"9 при напряжениях 1 В и 10 В.

2. Проведение теоретического и экспериментального анализа составляющих ^^ погрешностей измерения на созданных эталонах и разработку основанной на

нем методики измерения электрического напряжения, обеспечивающей получение результатов измерения с относительным СКО до 5ТО"10 при 1 В и 10 В идо 2-10"8 при 100 В и 1000 В.

3. Реализация теоретических и экспериментальных результатов исследований разработанной модели прямой передачи размера вольта от ГПЭ, эталону копии на нормальных элементах.

4. Проведение исследований мер напряжения на стабилитронах, что позволило внедрить в отечественную метрологическую практику метод передачи размера вольта стационарным эталонам.

6. Создание и внедрение в практику средств передачи размера единицы напряжения: эталона сравнения, меры напряжения 10 В - 1000 В на уровне рабочего эталона 1 разряда, совершенствование эталона-копии, что ^^ позволило провести ряд ключевых сличений и обеспечило передачу размера единицы напряжения от ГПЭ нижестоящим эталонам и рабочим средствам измерений на более высоком уровне точности. 6. Создание нормативных документов, в том числе ГОСТ, методик поверки.

техники и технологий, в том числе обеспечить поверку и калибровку парка вольтметров и калибраторов, а также широкой номенклатуры цифро-аналоговых и аналого-цифровых преобразователей, использующихся во всех отраслях экономики на более высоком уровне точности.

Достигнутый в аппаратуре нового ГПЭ уровень точности воспроизведения вольта соответствует аналогам, применяемым в национальных метрологических институтах развитых стран, и является достаточных дл^ удовлетворения запросов науки и промышленности на обозримую перспективу порядка десяти лет.

Основное содержание диссертации отражено в публикациях:

1. Катков А. С. Особенности построения поверочной схемы для средств ^ измерений постоянного электрического напряжения и электродвижущей силы. // Измерительная техника. — 2005. - № 8. — С. 48-49.

2. Катков А. С. Транспортируемый эталон сравнения на эффекте Джозефсона .. // Измерительная техника. — 2005. — № 2. — С. 48-51. V

3. Катков А. С. Метод калибровки эталонных делителей напряжения до 1000 В. // Измерительная техника. — 2005. — N 4. — С. 52-56.

4. Katkov А. 1000 V dc voltage ratio calibration at VNIIM. // Conference Digest. - CPEM2004. - London. - 2004. - P. 575-576.

5. Катков A.C. Применение преобразования Аллана для анализа предельных возможностей мер и компараторов напряжения. // Измерительная техника. V -2006,-N6. -С. 49-52.

6. Крутиков В. Н., Катков А. С. Эталон вольта России. // Контрольно-^^ измерительные приборы и системы. — № 3. — 2000. — С. 25.

7. Александров B.C., Катков A.C., Телитченко Г.П. Новый государственный первичный эталон и государственная поверочная схема для средств у измерений постоянного электрического напряжения и электродвижущей силы. // Измерительная техника. - № 3. — 2002 — С. 6-9.

8. Alexandrov V. S., Katkov A. S., Telitchenko G. P. The VNIIM Josephson Junction Array Voltage Standard. // Conference Digest CPEM2002. - Ottawa. -2002.-P. 492-493.

9. ГОСТ 8.027-2001. ГСИ. Государственная поверочная схема для средств измерений постоянного электрического напряжения и электродвижущей силы./ Научн. рук. Катков A.C. И М.: Издательство стандартов. — 2001. — 9 С.

10. Катков А. С., Короткова И. В. Система обеспечения единства измерений постоянного электрического напряжения и ЭДС. // В сб. "Гироскопия и навигация". -№ 4(39). - 2002. - С. 84.

11. Катков А. С., Галахова О. П., Короткова И. В. История создания и развития эталонов вольта России. // Законодательная и прикладная метрология. — № 5.-2002.-С. 53-63.

12. Katkov A, Niemeyer J., Behr R. Direct Measurement of Standard Cells with a Josephson Junction Array Voltage Standard. // Conference Digest. - CPEM-98.

- Washington. - 1998. - P. 552-553.

>13. Katkov A., Niemeyer J., Behr R. Possible direct measurement of standard cells with a Josephson voltage standard. // Metrologia. — 1999. — No. 36. — P. 473476.

14. Behr R., Niemeyer J., Katkov A. Comparison of the Josephson Voltage Standards of VNIIM and PTB. // IEEE Trans. Instrum. Meas. - Vol. 50. - No. 2. -2001.-P. 203-205.

15. Behr R., Niemeyer J., Katkov A. Comparison of the Josephson voltage standards of VNIIM and PTB. // Conference Digest. - CPEM2000. - Sydney. -2000.-P. 251-252.

16. D. Avrons, A.Katkov, V.Krzhimovsky, D. Reymann and T.J. Witt. Bilateral comparison of 1.018V standards between the VNIIM and the BIPM. // BIPM publications 1999. - Rapport BIPM-99/2. - 6 P.

17. Reymann D., Witt T.J., Vrabcek P., Tang Y., Hamilton C.A., Katkov A.S., Jeanneret В., Power O. Recent Developments in BIPM Voltage Standards Comparisons. // IEEE Trans. Instrum. Meas. - 2001. Vol. 50. - No 2. - P. 206209

18. Reymann D., Witt T.J., Vrabcek P., Tang Y.H., Hamilton C.A., Katkov A., Jeanneret В., Power O. Recent developments in BIPM voltage standard comparisons. // Conference Digest CPEM2000. - Sydney. - 2000, - P. 253-254.

19. Малинин Д. В., Катков А. С. Термостат для мер электродвижущей силы // Измерительная техника. — 2003. — N 10. — С. 36-38.

J20. Katkov A., Behr R., Telitclienko G., Niemeyer J. VNIIM-PTB Comparison Using a Portable Josephson Voltage Standard. // Metrologia. - 2003. - Vol. 40.

- P. 89-92.

21. Katkov A., Lovtsus V., Behr R., Niemeyer J. Transportable Josephson Voltage Standard. // Conference Digest CPEM2002. - Ottawa. - 2002. - P. 488-489.

22. Mamllo-Reedtz G., Cerri R., Blanc I., Gunnarsson O., Williams J., Raso F., Kim K.-T., Frenkel R.B., Xiuzeng Z„ Katkov A.S., Dziuba R„ Parker M., Wood B.M., Christian L.A., Tarnow E., Mahajan S.K., Singh A., Sakamoto Y. Comparison CCEM-K8 of DC Voltage Ratio: Results. // IEEE Trans. Instrum. Meas. - 2003. - Vol. 52 - No 2. - P. 419-423.

23. Behr R., Katkov A. Comparison of Josephson array voltage standards by using a portable Josephson transfer standard. // EUROMET.EM.BIPM-K 10.a. - Final Report. - 2005. (kcdb.bipm.org/AppendixB/appbresults/ bipm.em-k 10. a/euromet.em. bipm-k 10.a_flnal_report.pdf)

24. Behr R. and Katkov A. S. Final Report on the key comparison EUROMET.BIPM.EM.K-lO.a. Comparison of Josephson array voltage standards by using a portable Josephson transfer standard. // Metrologia. - Vol. 42. - No 1A - (Technical Supplement 2005) - 01005.

25. Катков А. С., Краснополин И. Я. Исследование погрешности передачи размера вольта с помощью транспортируемой меры напряжения на стабилитроне. // Измерительная техника. - 2006. - № 1. - С. 34-38.

26. Katkov A., Belir R. Influence of the null-detector noise in Josephson voltage comparisons. // Conference Digest CPEM2006. - Torino - 2006. - P. 384-385.

27. Behr R, Katkov A., Turhan S., Eklund G., Janssen T. J. В. M., Jensen H. D., Sosso A., Flouda I., Reymann D., Immonen P., Sochocka D., Streit J4 Chevtchenko О. 1 V key comparison by the portable Josephson standard. /7 Conference Digest CPEM2006. - Torino - 2006. - P. 192-193.

28. Klushin A. M., Solve S., Behr R„ Wende G., Schubert M., Katkov A. S„ Otto R., Buchal. Ch., Scliumilov V.A. A new millimeterwave synthesizer for Josephson Voltage Standards. // Conference Digest CPEM2006. - Torino -2006.-P. 368-369.

подписано к печати 21.09.2006 Объем в п.л. 2

Тираж 120_Заказ 127_

Отпечатано с готового оригинал-макета, представленного автором, в Копировальном Центре «А и Б» 190013, Санкт-Петербург, ул. Рузовского 9.

Оглавление автор диссертации — доктора технических наук Катков, Александр Сергеевич

Введение

Глава 1. Анализ обеспечения единства измерений в области по- 15 стоянного электрического напряжения в период до 2000 года и разработка требований к совершенствованию системы метрологического обеспечения

1.1. Задачи системы обеспечения единства измерений в области 15 постоянного электрического напряжения.

1.2. Анализ состояния эталонной и нормативной базы в области 18 измерений постоянного электрического напряжения до 2000 г.

1.3 Практика обеспечения единства измерений электрического 24 напряжения в развитых странах

1.4. Анализ и оценка соответствия анализируемой системы и ее 28 возможностей требованиям к метрологическому обеспечению измерений электрического напряжения

1.5. Выбор направления совершенствования системы обеспече- 34 ния единства измерений электрического напряжения

Выводы

Глава 2. Анализ путей построения государственного первичного 40 эталона и разработка схемы передачи размера вольта

2.1. Анализ методов воспроизведения вольта

2.1.1 Определение вольта

2.1.2 Классификация методов воспроизведения вольта

2.2. Выбор и обоснование метода воспроизведения напряжения 53 для первичного эталона вольта

2.3 Разработка схемы передачи размера единицы электрического 56 напряжения

Выводы.

Глава 3. Методы и аппаратура воспроизведения размера едини- 66 цы электрического напряжения

3.1. Метод воспроизведения единицы электрического напряже- 67 ния

3.2. Аппаратура нового государственного первичного эталона 70 единицы электрического напряжения на эффекте Джозефсона

3.2.1. Общая характеристика аппаратуры нового эталона едини- 70 цы электрического напряжения.

3.2.1.1. Метрологические характеристики ГЭТ13

3.2.2 Состав эталонного комплекса

3.2.2.1. Криогенные преобразователи частоты в напряжение

3.2.2.1.1. Джозефсоновские интегральные микросхемы

3.2.2.1.2. Кригенный зонд

3.2.2.2. Аппаратура синтеза частоты облучения

3.2.2.3. Аппаратура контроля эталонного комплекса 83 3.3. Исследование аппаратуры эталонного комплекса

3.3.1. Аппаратура синтеза частоты облучения

3.3.1.1. Флуктуации и дрейф опорной частоты

3.3.1.2. Флуктуации и дрейф частоты облучения

3.3.1.3. Контроль СВЧ мощности облучения

3.3.2. Криогенный преобразователь

3.3.2.1. Исследование волноводного тракта

3.3.2.2. Исследование СВЧ параметров ДМ

3.3.2.3. Исследование наклона ступенек В АХ ДМ

3.3.2.4. Исследование неустойчивости напряжения ДМ

3.3.2.5. Исследование детектирования мощности в ДМ

3.3.2.6. Исследование термо-ЭДС выходной цепи

3.3.2.7. Исследование влияния сопротивлений утечки выходной 98 цепи

3.4 Анализ погрешности воспроизведения единицы электриче- 99 ского напряжения на государственном первичном эталоне

3.4.1. Погрешность и неопределенность результата измерений

3.4.2. Анализ источников погрешности воспроизведения едини- 100 цы напряжения

3.4.3. Результаты международных и ключевых сличений эталона 104 вольта

Выводы.

Глава 4. Методы и аппаратура передачи размера единицы элек- 107 трического напряжения

4.1. Методы передачи размера единицы электрического напряжения

4.2. Передача размера вольта вторичным эталонам.

4.2.1. Исследование источников погрешности компаратора

4.2.1.1. Исследования составляющих погрешности, обусловлен ных действием шумов и наводок, приведенных ко входу компа ратора

4.2.1.2. Разработка методики оценки значения погрешности, обусловленной действием шумов и наводок, приведенных ко входу компаратора.

4.2.1.3. Исследование погрешности коэффициента передачи компаратора

4.2.1.4. Методика измерения сопротивлений утечки

4.2.1.5. Исследование влияния термо-ЭДС

4.2.1.6. Результаты экспериментальных исследований погрешности, вносимой компаратором при передаче размера единицы напряжения

Выводы по п.4.

4.3. Исследование эталона-копии

4.3.1. Исследование метода прямой передачи размера вольта эталону копии.

4.3.1.1 Анализ модели измерительной цепи

4.3.1.2 Измерение параметров входной цепи компаратора

4.3.1.3 Исследование параметров НЭ

4.3.1.4 Оценка влияния параметров компаратора и НЭ на изменение выходного напряжение НЭ

4.3.2 Методика прямой передачи размера вольта

4.3.3 Методика передачи размера вольта с помощью меры напряжения на стабилитронах

Выводы по п.4.

4.4. Создание и исследование эталона сравнения нового поколения

4.4.1 Принцип действия и состав эталона сравнения

4.4.1.1 Криогенный преобразователь

4.4.1.2 Источник СВЧ

4.4.1.3 Источник смещения

4.4.2 Исследование эталона сравнения

4.4.2.1 Исследование безгистерезисной ДМ типа СИНИС

4.4.2.2 Исследование гистерезисной ДМ типа СИНИС

4.4.2.3 Исследование термо-ЭДС выходной цепи ЭС

4.4.2.4 Исследование генератора СВЧ ЭС

4.4.3 Методика проведения измерений и анализ неопределенно- 149 сти ЭС

4.4.3.1 Международные сличения эталонов вольта с помощью 151 ЭС

4.4.3.2 Ключевые сличения эталонов вольта с помощью ЭС 152 Выводы по п.4.4 155 4.5 Исследование мер напряжения на стабилитронах 156 4.5.1 Исследование шумов МН

4.5.2. Исследование временных параметров МН эталона копии

4.5.3. Исследование метода передачи размера вольта с помощью 166 МН

Выводы по п.4.

4.6. Разработка и исследование метода передачи размера едини- 171 цы напряжения в диапазоне до 1000 В

4.6.1 Метод калибровки

4.6.2. Аппаратура и методика калибровки

4.6.3. Неопределенность калибровки

4.6.4 Мера напряжения с входным напряжением до 1000 В 185 Выводы по п.4.6. 185 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 187 Список используемой литературы 190 Приложение 1. Акт внедрения

Введение 2006 год, диссертация по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, Катков, Александр Сергеевич

Потребность в повышении точности измерений постоянного электрического напряжения существует практически во всех современных отраслях экономики России. В первую очередь это авиационная, космическая и электронная промышленность, приборо- и машиностроение. Высокая точность результатов измерений постоянного электрического напряжения является основой решения многих актуальных измерительных задач критических технологий федерального уровня, обеспечивающих необходимую точность технологического контроля производства промышленной продукции в таких приоритетных направлениях развития техники и технологий, как «Информационно-телекоммуникационные технологии и электроника», "Производственные технологии", «Энергосберегающие технологии» Необходимость в точных измерениях постоянного электрического напряжения имеет место в высокоточных системах навигации, системах контроля и мониторинга сейсмической обстановки. В настоящее время во всем мире потребность в точных измерениях постоянного электрического напряжения весьма высока.

Средства измерений постоянного электрического напряжения совершенствуются в соответствии с возрастающими требованиями науки и технологий. Современная техника все больше ориентируется на качественно новые высокоточные источники постоянного напряжения (калибраторы), измерители и преобразователи электрических величин. Поэтому актуальным является развитие метрологического обеспечения средств измерений постоянного электрического напряжения. Это особенно важно в связи с подписанием Россией международного Соглашения о взаимном признании национальных измерительных эталонов и сертификатов калибровки на измерения, выдаваемых национальными метрологическими институтами.

Имеющийся парк в России приборов требует периодической калибровки и поверки. Уже к концу семидесятых годов отечественный парк приборов постоянного напряжения насчитывал сотни миллионов приборов различных систем, выпущенных отечественными и зарубежными фирмами и используемых для измерения электрического напряжения постоянного тока в различных областях экономики.

Необходимость обеспечения единства, точности и достоверности измерений, выполняемых с помощью приборов для измерения постоянного напряжения, обусловила создание национального эталона вольта на основе нормальных элементов уже в начале 19 века [1]. Повышение точности измерений постоянного напряжения связано с открытием эффекта Джозефсона и внедрением его в середине 70-х годов в аппаратуру эталона вольта. Одновременно с совершенствованием аппаратуры эталона вольта развивалось и метрологическое обеспечение средств измерений постоянного электрического напряжения и электродвижущей силы (ЭДС). Существенный вклад в развитие национальной системы метрологического обеспечения средств измерения постоянного электрического напряжения внесли такие известные ученые как Айнитдинов X. А., Александров В. С., Арутюнов В. О., Боровицкий С. И., Галахова О. П., Горбацевич С. В., Егоров Н.Г., Карпов О. В., Клушин A.M., Колосова. К., Колтик Е. Д., КоротковаИ. В., Краснов К. А., Краснополин И. Я., Кржимовский В. И., Крутиков В. М., Лахов В. М., Маликов М.Ф., Мюллер В. В., Потапов С. В., Рождественская Т. Б., Тарбеев 10. В., Таубе Б. С., Телитченко Г. П., Тунинский В. С., Француз Э. Т., Ханов Н. И., Чураева Т. С. и другие. Необходимо также отметить вклад коллег из Физико-технического института Германии Нимайер 10. и Бэр. Р.

Начиная с 90-х годов, парк средств измерений постоянного напряжения претерпел значительные структурные изменения. В самые последние годы в связи с ростом промышленного производства разрабатываются отечественные (НПК РИТМ) и закупаются современные импортные приборы высокой точности (Fluke, Keitley, Transmile), что требует наличия современных средств и методик измерений для использования их в национальной системе метрологического обеспечения. Применяемые приборы для измерения постоянного напряжения (8.5 разрядные калибраторы, вольтметры, аналого-цифровые преобразователи) по своим метрологическим параметрам приближаются к уровню точности государственного первичного эталона.

В девяностые годы появились новые технические средства и аппаратура, кардинально изменившие возможности достижения высокой точности измерений в области постоянного напряжения. Внедрение интегральных джозефсоновских микросхем, созданных с использованием последних технологических достижений (Hypres, США; IPHT, Германия), позволяет существенно повысить точность измерения постоянного напряжения.

Внедрение достижений технического прогресса в процесс измерения постоянного напряжения вызвало необходимость критического анализа действующей до этого времени системы метрологического обеспечения средств измерений постоянного напряжения, и делало актуальным проведение работ по совершенствованию метрологического обеспечения средств измерений в области постоянного электрического напряжения, научной и технической основой которого является создание более точного государственного первичного эталона, а также методов и средств передачи размера вольта.

Целью работы является создание государственного первичного эталона, а также методов и средств передачи размера вольта, совокупность которых объединила разработки и достижения последних лет и привела систему метрологического обеспечения средств измерения постоянного электрического напряжения в соответствие с современными и прогнозируемыми на перспективу требованиями науки и технологий.

Поставленная цель потребовала решения следующих задач: анализа и систематизации наиболее точных методов измерения постоянного напряжения; создания комплекса аппаратуры нового государственного первичного эталона (ГПЭ) единицы электрического напряжения - вольта; разработки и исследования методов и средств передачи размера единицы электрического напряжения от ГПЭ вторичным эталонам, эталонным и рабочим средствам измерений постоянного напряжения на более высоком уровне точности; разработки и создания эталона сравнения, позволяющего осуществлять международные ключевые сличения ГПЭ единицы электрического напряжения на современном уровне точности.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Комплекс аппаратуры нового государственного первичного эталона единицы постоянного электрического напряжения и результаты его исследования.

3. Метод масштабного преобразования постоянного напряжения до 1000 В.

4. Результаты теоретических и экспериментальных исследований погрешности передачи размера вольта.

5. Результаты совершенствования и исследование эталона-копии.

6. Результаты ключевых сличений национальных эталонов вольта с помощью квантового эталона сравнения.

Научная новизна работы заключается в следующем:

Созданы научные и технические основы построения системы метрологического обеспечения в области измерения постоянного электрического напряжения в диапазоне до 1000 В на более высоком уровне точности, которая ориентирована на современные и перспективные требования науки и технологий, а именно: проведенные соискателем теоретические и прецизионные экспериментальные исследования позволили выявить основные источники погрешности аппаратуры, используемой при реализации эффекта Джозефсона для воспроизведения вольта, провести оценку предельных возможностей аппаратуры, и обеспечить создание нового поколения государственного первичного эталона единицы постоянного электрического напряжения (ГЭТ 13-01); впервые предложен метод сличения национальных эталонов вольта с помощью разработанного квантового эталона сравнения; проведены исследования источников погрешности, получены теоретические и экспериментальные оценки погрешности передачи размера вольта, которые использованы при проведении международных ключевых сличений EUROMET.EM.BIPM-K 10.а; проведен теоретический и экспериментальный анализ влияния шумов компаратора напряжения и мер напряжения на предельную точность передачи и хранения единицы напряжения; теоретически обосновано подавления фликкер шума компаратора при проведении измерений; разработан и исследован метод измерения отношений постоянных напряжений до 1000 В на основе использования отношения равно номинальных напряжений в каскадном включении, получены аналитические выражения для расчета измеряемых отношений напряжения, выявлены источники погрешности измерения отношения напряжений и получены теоретические и экспериментальные оценки погрешности отношения напряжений, которые обеспечили высокую точность измерений при проведении международных ключевых сличений ССЕМ-К8; теоретически разработан и экспериментально исследован метод прямой передачи размера вольта от нового государственного первичного эталона на основе использования джозефсоновской микросхемы типа сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник эталону копии, имеющему в своем составе нормальные элементы; результаты исследований позволили определить динамические параметры компаратора при которых обеспечивается относительная погрешность передачи размера вольта нормальным элементам на уровне 10"9.

Практическое значение и реализация результатов работы

1. Разработан и утвержден комплекс аппаратуры эталона вольта нового поколения ГЭТ13-01. Комплекс обеспечивает воспроизведения единицы напряжения с относительной суммарной неопределенностью 1,1.10"9, что в пять раз точнее по сравнению с предшествующим эталоном вольта ГЭТ13-89.

2. Впервые в мировой метрологической практике создан и внедрен квантовый эталон сравнения на эффекте Джозефсона в виде меры напряжения, что обеспечило возможность проведения ключевых сличений EUROMET.EM.BIPM-KlO.a государственного эталона ГЭТ13-01 с эталоном МБМВ и национальными эталонами И стран Европы с относительной суммарной неопределенностью на уровне 10"9 в рамках проекта Евромет № 723.

4. Проведено совершенствование эталона копии ВЭТ13-10-89, что позволило снизить нестабильность групповой меры ЭДС из состава этого эталона до уровня 50 нВ за год и расширить диапазон измерений эталона до 10 В.

5. Разработанный метод калибровки отношения напряжений в диапазоне до

1000 В обеспечил высокую точность при проведении международных ключевых сличений отношения напряжений 1000 В/10Ви 100В/10В (ССЕМ-К8), что позволило использовать полученные данные для расчета опорных значений сличений. Кроме того, применения данного метода при построении меры напряжения до 1000 В позволило, примерно на порядок, повысить точность калибровки средств измерений постоянного напряжения.

6. Разработан и внедрен межгосударственный стандарт ГОСТ 8.027—2001 «ГСИ. Государственная поверочная схема для средств измерений постоянного электрического напряжения и электродвижущей силы».

Диссертационная работа содержит введение, четыре главы и заключение.

Заключение диссертация на тему "Создание государственного первичного эталона единицы электрического напряжения нового поколения, методов и средств передачи размера вольта"

Выводы по п.4.5.

1. Проведены исследования метрологических параметров мер напряжения на стабилитронах.

2. Предложена модель описывающая шумовые параметры МН и измерены параметры этой модели для различных типов МН, позволяющие проводить сравнение МН и определять оптимальное время усреднения выходного напряжения мер.

3. Проведены долговременные исследования МН из состава эталона копии позволившие прогнозировать выходное напряжение МН с относительной погрешностью 1.10"7 за межповерочный интервал.

4. По результатам исследования МН разработана методика и проводится плановая работа по передаче размера единицы вторичным эталона, имеющих в составе джозефсоновские установки. Погрешность передачи находится на уровне точности, регламентируемом поверочной схемой.

4.6. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДА ПЕРЕДАЧИ РАЗМЕРА ЕДИНИЦЫ НАПРЯЖЕНИЯ В ДИАПАЗОНЕ ДО 1000 В

Калибровка прецизионных вольтметров и калибраторов с диапазонами напряжений до 1000 В осуществляется с помощью точных делителей напряжения, которые должны обеспечивать погрешность коэффициентов отношения напряжений менее 10"6. Метрологическое обеспечение прецизионных вольтметров и калибраторов постоянного напряжения для измерения напряжений до 1000 В основано на использовании резистивных делителей напряжения. Для определения коэффициентов отношения напряжений делителя применяются различные методы, включая мостовые методы, метод Хаммона, методы сравнения сопротивлений и напряжений отдельных секций резистивного делителя. Точность измерения отношения напряжений зависит от погрешности измерения разности напряжений сравниваемых секций, изменения сопротивления секций делителя, отличия напряжения калибровки и рабочего напряжения, влияния сопротивлений утечки, влияния соединительных проводов и контактных сопротивлений переключателей. Достигнутые точности измерения отношений для коэффициентов 1000 В \10 В и 100 В \10 В при использовании прецизионных делителей напряжения типа Р35 оцениваются погрешностью 0,005% - 0,001%. Прецизионный делитель напряжения модели Кельвин-Варлей 720 А фирмы Флюке гарантирует абсолютную п линейность порядка 10" относительно входного напряжения, что в пересчете к коэффициентам 1000 В \10 В и 100 В \10 В дает погрешность 4.5-Ю"6 и 10"6 соответственно.

4.6.1 Метод калибровки

Разработанный метод [157, 117] предназначен для калибровки делителя, составленного из набора сопротивлений, на основе использования отношения 1:1 равно номинальных напряжений в каскадном включении.

Коэффициент отношения напряжений резистивного делителя в общем виде может быть выражен как отношение падения напряжения на одной группе резисторов к падению напряжения на другой группе резисторов.

Измерение отношения напряжений резисторов делителя по отношению к опорному резистора делителя с помощью дополнительных источников напряжений предложено авторами [158, 159]. К недостаткам данного метода следует отнести высокие требования к стабильности источника питающего делитель и опорных источников на 10 В и 100 В, а также влияние утечек, возможных как в цепи нуль индикатора, так и в цепях источников напряжения.

При последовательном включении резисторов через них протекает один и тот же ток, что позволяет перейти от отношения падений напряжения к отношению сопротивлений групп резисторов, при этом наиболее точно измеряется отношение 1:1. Данный метод реализуется в мостовых схемах, применяемых для калибровки делителей [160]. К недостаткам используемых методов следует отнести отличие мощности приложенной к делителю при проведении калибровки от мощности, приложенной к делителю в рабочем состоянии, что вызывает дополнительные погрешности, связанные с температурным режимом делителя напряжения, кроме того, сопротивления соединительных проводников и переключателей могут ограничивать точностные возможности мостовых схем.

Идея предложенного метода поясняется на примере калибровки отношений 3:1 и 10:1.

Для цепочки из трех равно номинальных резисторов (Ri . R3), отношение г3 =3:1 можно выразить в виде

П = т п

-= 1 + —

Л, Л,

4.6-1) где RilR\, R3/R2 представляют отношение 1:1. Таким образом, измерение отношения гъ = 3:1 может быть заменено измерением отношения 1:1 для двух групп данного ряда резисторов.

Аналогично для цепочки из десяти равно номинальных резисторов (Ri . R10), отношение гю = 10:1 можно выразить в виде

По =

10 IX т=\ Я 1 +

R^RL + R4+R5+R6

1 +

R1 + RS+R9+ R. i?) i?2 + i?2 + R, \ A

R2J

4.6-2)

10.

R3+Ri+R5+R6; где R2/Ru R3/R2, (R4+R5+R6)/(Ri+R2+R3) и (R7+R8+R9+Rl0)/(R3+R4+R5+R6) представляют отношение 1:1. Таким образом, измерение отношения г\о =10:1 может быть заменено измерением отношения 1:1 для четырех групп данного ряда резисторов.

При последовательном включении двух рядов резисторов, сумма сопротивлений одного из которых эквивалентна резистору другой группы, коэффициент отношения делителя может быть получен как произведение коэффициентов отношения первого и второго ряда. Например, имеется первый ряд из десяти резисторов R}" я R? я R3H ~ Rf я R5h Я R6h Я R7h Я R8h = R9" = R10", (4.6-3) и второй ряд, в котором сопротивление первого резистора R" представлено как сумма сопротивлений резисторов первого ряда: л/=5>г; и i

Rje ~ Я/ Я Я/ Я R; ~ Rf ~ R£ я Rf Я Я R< Я (4.6-4)

В этом случае коэффициент отношения г30 =30:1 может быть получен как

Оо = (4.6-5) путем измерения двух отношений 1:1 во втором ряду резисторов и четырех отношений 1:1 в первом ряду резисторов, а коэффициент отношения Г]оо = 100:1 может быть получен как г loo =гювп0н, (4.6-6) путем измерения восьми отношений 1:1.

Измерение отношения 1:1 предлагается проводить с помощью мостовой схемы составленной из двух сравниваемых резисторов (или групп резисторов) основного делителя R0ь R02 и двух дополнительных резисторов ЯД1, /?д2 (Рис.4.6-1), при этом плечи моста получают смещение от независимых источников постоянного тока /0, /д. Данная схема позволяет проводить измерение отношений при заданном (рабочем) напряжении резисторов, что снижает мощностную погрешность, а введение независимых источников смещения позволяет снизить погрешность, вызываемую сопротивлением соединительных проводников и контактными сопротивлениями переключателей. С целью достижения высокой точности измерения отношения 1:1 в мостовой а б

Рис. 4.6-1. Схема измерения отношения 1:1с перестановкой плеч моста. схеме используется идея перестановки плеч (Ra\, Rд2) [39], что позволяет снизить требования к точности и стабильности дополнительных резисторов.

Уравнение для расчета отношения K—Rq2/Rq\, в данной схеме измерения записывается в виде:

К= 1+ 2 (С/с + Ua)/UM; = 1 + к; (4.6-7) где Uu - напряжение на мосте, Ua - напряжение в диагонали моста при прямом подключении и Ra2 и Uc - напряжение в диагонали моста при изменении положения подключения Rai и R&, к — отличие отношения от единицы при неравенстве сопротивлений Rq\ и R02.

Записывая отношения R2/R1 = 1 + к\; R2/R2 - I + к2; (R4+R5+Re)/(Ri+R2+R3) = 1 + кЗ; и (R7+R$+R9+R,0)/(R3+R4+R5+R6) = 1 + Ы можно выразить отношения (1) и (2), используя полученные результаты измерения с помощью моста как: r3m = 3(1+(2/3) кЩМЪ) к2), (4.6-8)

Пот = 10(1+0.7 И+0.4 к2+0.6 £3+0.4 Ы). (4.6-9)

Методическая относительная погрешность уравнений (4.6-8) и (4.69), полученных путем математических преобразований исходных уравнений (1) и (2) и отбрасывании членов второго порядка малости, не превышает значения 10"8,при отличии сопротивлений резисторов Ri.Ri0 от их среднего значения менее 10~4 в относительных единицах.

4.6.2. Аппаратура и методика калибровки

Разработанный метод применен для калибровки резистивного делителя напряжения типа Datron 4902S, который использовался в качестве эталона сравнения в ключевых сличениях ССЕМ-К8 [17], а также меры напряжения на диапазон 100 - 1000 В, содержащей делитель с аналогичными характеристиками.

Калибруемый делитель состоит из десяти последовательно включенных резисторов с номиналом 10 кОм и девяти последовательно включенных резисторов с номиналом 100 кОм. Делитель рассчитан на напряжение до 1000 В, при этом выходное напряжение на сопротивлении 100 кОм будет 100 В, а на сопротивлении 10 кОм соответственно 10 В. Для снижения влияния утечек делитель снабжен цепочкой резисторов с номиналами аналогичными основному делителю, что позволяет создавать защитные потенциалы в измерительной цепи не воздействуя на основной делитель.

Калибровке были подвергнуты коэффициенты отношения 1000 В/100 В, 100 В/10 В, 300 В/100 В, 30 В/10 В, а также 1000 В/10 В и 300 В/10 В. Как было показано в (4.6-5) и (4.6-6) последние два коэффициента отношения могут быть получены по результатам калибровки первых трех отношений. Относительный разброс значений сопротивлений резисторов не превышал 10"5. Делитель содержал резисторы с малым температурным коэффициентом и высокой долговременной стабильностью.

Для проведения калибровки в качестве дополнительных резисторов применялись серийные резисторы типа МРХ, из которых была собрана измерительная схема (Рис.4.6-2) по построению аналогичная калибруемому делителю. В качестве коммутатора (S1 и S2) использовались переключатели типа П309. Напряжение в диагонали моста измерялось вольтметром с разрешением 1 мкВ, а источниками смещения служили калибраторы напряжения с нестабильностью 0.001%. Особенностью построения предложенной схемы измерения является использования защитных цепей для создания в измерительной диагонали моста нулевого, относительно земли, потенциала. Данное техническое решение существенно снижает влияние утечек от калибраторов, вольтметра и измерительных соединений при проведении калибровки

Основной делитель Дополнительный делитель

Рис. 4.6-2 Схема калибровки делителя. делителя. Использование двух источников смещения в сочетании с мостовой схемой включения снижает требования к стабильности источников примерно в гсп/7?п раз, где гсп - сопротивление соединительных проводников моста, Rn - сопротивление плеча моста. При Rn - 10 кОм и гсп = 1 Ом требования к стабильности источников снижаются не менее чем 104 раз. Использование двух источников смещения снижает влияние сопротивлений соединительных проводников между основным и дополнительным делителями примерно в rJRn раз.

Проведение цикла калибровки делителя включает: подачу напряжений смещения на основной и дополнительный делитель; подключение потенциальных выводов резисторов R2 и R\ к соответствующим выводам дополнительных резисторов R& и Rai; подключение нулевого потенциала к точкам защитных цепей, соответствующих диагонали моста; подключение вольтметра к диагонали моста, образованного резисторами R2, Ri, Ra2 и RA\ и измерение разности напряжений Ua 1; проведение взаимной замены положения дополнительных резисторов Rr2 и Ral; измерение разности напряжений Uc\,

После завершения первого цикла калибровки проводится переключение мостовой схемы к резисторам R3 и R2 и соответствующим резисторам дополнительного делителя, одновременно переключаются точки защитных цепей и вольтметра, и проводится измерение напряжений U& и Uc2. Аналогичным путем проводится измерения во всех восьми циклах калибровки. Полученные данные измерения напряжений в диагонали моста и напряжения на мосте используются для расчета коэффициентов отношения по формулам (4.6-5)-(4.6-9). При наличии высоких значений термоэдс в измерительной цепи (более 1 мкВ) калибровка проводится при двух полярностях источников смещения с усреднением полученных результатов.

4.6.3. Неопределенность калибровки

В связи с тем, что данный метод применен при проведении международных ключевых сличений ССЕМ-К8 оценка точности отношения напряжений была проведена в соответствие с Руководством по выражению неопределенности [105]. В приведенных расчетах численные значения относительной стандартной неопределенности практически совпадают со значениями относительной погрешности отношения напряжений, выраженной в виде среднеквадратического отклонения. Неопределенность калибровки отношения напряжений делителя зависит от выбранного коэффициента отношения и в соответствие с методом калибровки определяется через неопределенность единичного отношения.

В соответствие с уравнением (4.6-7) неопределенность отношения К ~ 1 определяется как и2(и )+м2Ь ) u2(Ul/f)-(U +U )2 \ а> ' с' . 4 М' v а с' и(к) = 2 и2 и4 м м и2[и )+и2[и )

V a' \cj (4.6-10)

U2 м

Влиянием неопределенности измерения напряжения моста u(Uu) в (4.6-10) можно пренебречь, т.к. типичное значение UJUu и UJUu не превышает 10~5, a u(UM)/UM < 10'4.

При проведении калибровки на величину Ua и Uc оказывают влияние различные факторы: эффект от влияния разности напряжений источников смещения измерен путем изменения выходного напряжения одного из источников на 10% и пересчета данного влияния на уровень 0,01%. Влияние разбаланса напряжений источников фиксировалось по изменению показаний вольтметра в диагонали моста. Результат измерения показал, что влияние разбаланса напряжений источников на 0,01% не превышает 10"9 для всех циклов калибровки; сопротивление изоляции между проводами, предназначенными для подключения к резисторам основного делителя, было измерено непосредственно при отключенных делителях, источниках смещения и вольтметре. Значение изоляции между проводниками для 10 кОм секций составило (0.5-1).Ю13 Ом при испытательном напряжении 100 В. Значение изоляции между проводниками для 100 кОм секций составило (1-2).1013 Ом при испытательном напряжении 500 В. Сопротивление изоляции одной из секций переключателя, подключаемой к группе резисторов с общим сопротивлением 400 кОм, составило 5 ТОм ± 0.6

ТОм. Эффект от данной утечки составил величину -8.1 О*8 ± 1.10"8, которая была учтена в виде поправки. Оценка влияния действие утечек между измерительными проводниками, подключаемых параллельно калибруемым резисторам, зависит от номинала резистора и не о превышает 4.10* для всех циклов калибровки; эффект от действия утечек измерительных цепей на землю (выходные цепи источников смещения, цепи переключателей, входная цепь вольтметра) измерен в схеме с подключенными цепями защитных делителей путем шунтирования возможных сопротивлений утечек резистором ЮМОм. Влияние шунтирования фиксировалось по изменению показаний вольтметра в диагонали моста. Результат измерения показал, что действие защитных делителей ослабляет влияние сопротивлений утечек в 104 раз. Так как сопротивления утечки на землю

9 12 оцениваются на уровне 10 Ом - 10 Ом, то оценка влияния данных утечек при действии защитных цепей не превышает 4.10"9 для всех циклов калибровки; эффект от влияния дрейфа вольтметра определен путем измерения изменений показаний вольтметра в течение 1 мин после момента переключения в измерительной цепи и двух минутной паузы. Эффект включает собственную нестабильность показаний вольтметра и установление токов поляризации в изоляции измерительной цепи. Оценка влияния дрейфа, зависит от номинала резистора и не превышает о

3.10" для всех циклов калибровки; эффект от влияния калибровки вольтметра оценен на уровне 2.10"9, так как измеряемая разность не превышает 1.10"5, а неопределенность коэффициента усиления и линейность вольтметра не хуже 2.10"4; эффект от влияния неисключенной термоэдс в коммутационной цепи измерялся путем многократных переключений и оценен на уровне 4.10"9 при напряжении моста 20 В.

Результаты исследований виде бюджета неопределенностей измерений типа В для отношений 1:1 представлены в таблице 4.6-1 (для секций с сопротивлением 10 кОм) и таблице 4.6-2 (для секций с сопротивлением 100 кОм). Оценка неопределенности выражена в относительных единицах без множителя 10~6 с соответствующей степенью свободы Vj.

Оценка стандартной неопределенности типа В для коэффициентов отношения 30 В\10 В, 100 В\10 В, 300 В\100 В и 1000 В\100 В проведена с использованием оценок единичных отношений (таблица 4.6-1 и таблица 4.6-2) по формулам, полученным из уравнений (4.6-8) и (4.6-9): и(пт) = sqrt((2/3 u(k\)f + (1/3 и(к2))2); (4.6-11) w(nom) = sqrt((0.7 u(k\)f + (0.4 u{k2)f+ (0.6 u(k3)f + (0.4 w(M))2). (4.6-12)

Оценка стандартной неопределенности типа В для коэффициентов отношения 300 В\10 В и 1000 В\10 В проведена с использованием оценок (11) и (12) по формулам, полученным из уравнений (5) и (6): и(гЪтъ r10mH) = sqrt(«(r3mB)2 + w(r10m")2); (4.6-13) w(^iomB Пот") = sqrt(w(r10mB)2 + и(гю mHf); (4.6-14) где r3mB означает отношение 3:1 для секции резисторов 100 кОм, r10mB означает отношение 10:1 для секции резисторов 100 кОм, означает отношение 3:1 для секции резисторов 10 кОм, гютн означает отношение 10:1 для секции резисторов 10 кОм.

Результаты исследований делителя в виде отличий от номинальных отношений и соответствующих относительных стандартных неопределенностей типа А и типа В приведены в таблице 4.6-3.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Комплекс проведенных работ включает разработку новых подходов к проведению измерений электрического напряжения, включая методы передачи размера вольта от первичного эталона и методы передачи размера вольта при напряжениях до 1000 В; создание установок для измерения напряжения, начиная с аппаратуры ГПЭ и кончая аппаратурой на уровне эталона 1-го разряда для напряжений до 1000 В. Уровень точности воспроизведения единицы электрического напряжения на ГПЭ определяется относительной стандартной неопределенностью 1,1-10*9; по сравнению с предыдущей реализацией эталона точность измерений повышена более чем в 5 раз.

Совокупность решенных в диссертации задач охватывает функционирование всех ступеней системы метрологического обеспечения, и особенно верхних звеньев поверочной схемы: ГПЭ вольта, вторичных эталонов и эталона первого разряда для напряжения до 1000 В. Эти разработки используются при передаче размера единицы нижестоящим эталонам. Один из разработанных типов приборов (эталон сравнения) стал базовым средством измерения при проведении ключевых сличений эталонов вольта. Все это подтверждает актуальность и практическую значимость работ, составляющих основу диссертации.

Таким образом, выполнен комплекс исследований по основным составляющим системы обеспечения единства измерений в области измерения постоянного электрического напряжения: научных основ, технических средств, правил и норм, необходимых для достижения единства и требуемой точности измерений. Наиболее значимыми результатами являются:

2. Проведение теоретического и экспериментального анализа составляющих погрешностей измерения на созданных эталонах и разработку основанной на нем методики измерения электрического напряжения, обеспечивающей получение результатов измерения с относительным СКО до 5-Ю-10 при 1 В и 10 В и до 2-Ю'8 при 100 В и 1000 В.

3. Реализация теоретических и экспериментальных результатов исследований разработанной модели прямой передачи размера вольта от ГПЭ эталону копии на нормальных элементах.

5. Создание и внедрение в практику средств передачи размера единицы напряжения: эталона сравнения, меры напряжения 10 В - 1000 В на уровне рабочего эталона 1 разряда, совершенствование эталона-копии, что позволило провести ряд ключевых сличений и обеспечило передачу размера единицы напряжения от ГПЭ нижестоящим эталонам и рабочим средствам измерений на более высоком уровне точности. 6. Создание нормативных документов, в том числе ГОСТ, методик поверки.

В целом, можно обоснованно считать, что итогом работы явилось создание научных и технических основ метрологического обеспечения средств измерений в области постоянного электрического напряжения, которые позволяют решать актуальные задачи, возникающие в современных отраслях техники и технологий, в том числе обеспечить поверку и калибровку парка вольтметров и калибраторов, а также широкой номенклатуры цифро-аналоговых и аналого-цифровых преобразователей, использующихся во всех отраслях экономики на более высоком уровне точности.

Достигнутый в аппаратуре нового ГПЭ уровень точности воспроизведения вольта соответствует аналогам, применяемым в национальных метрологических институтах развитых стран, и является достаточных для удовлетворения запросов науки и промышленности на обозримую перспективу порядка десяти лет.

Библиография Катков, Александр Сергеевич, диссертация по теме Метрология и метрологическое обеспечение

1. Егоров Н. Г. Предварительные работы по приготовлению эталонов основных электрических единиц. // Временник. — 1911. — ч. 10. С. 122-131.

2. ГОСТ 16263-70. Метрология. Термины и определения. // М.: Изд. стандартов. 1972.

3. РМГ 29-99. Государственная система обеспечения единства измерений. Метрология. Основные термины и определения. // Минск, Изд. стандартов 2000.

4. ГОСТ 1.25-76. Метрологическое обеспечение // М.: Изд. стандартов.1976.

5. ГОСТ Р 8.000-2000 Государственная система обеспечения единстваизмерений. Основные положения // М.: Изд. стандартов 2000.

6. Катков А.С., Галахова О.П., Короткова И.В. История создания и развития эталонов вольта России. // Законодательная и прикладная метрология. № 5. - 2002. - С. 53-63.

7. Галахова О.П. Государственный первичный эталон единицы электродвижущей силы вольта. // Измерительная техника. - 1971.- № 12.-С. 12-15.

8. ГОСТ 8.027-89. ГСИ. Государственный первичный эталон и государственная поверочная схема для средств измерений электродвижущей силы и постоянного напряжения. // М.: Издательство стандартов. 1989.

9. ГОСТ 8.027-81 ГСИ. Государственный первичный эталон игосударственная поверочная схема для средств измерений электродвижущей силы и постоянного напряжения. // М.: Издательство стандартов. 1981.

10. Mutual Recognition of National Measurement Standards and of Calibration and Measurement Certificates Issued by National Metrology Institutes. // BIPM. Paris. - 1999.11 .Quinn T. J. News from the BIPM. // Metrologia. 1989. - No. 26. - P. 6974.

11. Field В., Finnegan T. F. and Toots J. Volt Maintenance at NBS via 2e/h: A New Definition of the NBS Volt. // Metrologia. 1973. - Vol. 9. - P. 155166.

12. Barone A. and Paterno G. Physics and Application of the Josephson Effect. //John Wiley & Sons. 1982. - P. 350-351.

13. David P. Leech. Economic Impact Assessment of the NIST's Josephson Volt Standard Program. // Planning Report 01-1. NIST. - 2001.

14. Галахова О.П., Кржимовский В.И., Катков A.C. Результаты сличения национальных эталонов ЭДС СССР и Германии. // Измерительная техника. 1991.-№ 10-С. 61-62.

15. Телитченко Г.П. Система обеспечения единства измерений переменного электрического напряжения: состояние. // С-Пб.: Издательство Санкт-Петербургского государственного университета -2002.-43 С.

16. Богуславский М.Г., Широков К.П. Международная система единиц СИ. // М.: Изд. стандартов. 1968. - 64 С.

17. ГОСТ 19880-74. Электротехника. Основные понятия. Термины и определения. // М.: Изд. стандартов. 1974.

18. BIPM: The international System of Units (SI). 5th edition. // Serves. 1985.

19. Деньгуб В.М., Смирнов В.Г.Единицы величин. Словарь-справочник. // Издательство стандартов. 1990. - 240 С.

20. Josephson В. D. Possible New Effect in Superconductive Tunneling. // Phys. Lett.-1962.-Vol. l.-P. 251-253.

21. ГОСТ 1954-82. Меры электродвижущей силы. Элементы нормальные. Общие технические условия. // М.: Издательство стандартов. — 1982.

22. Горбацевич С. Анализ погрешностей при измерении на токовых весах э.д.с. эталонных нормальных элементов. // M.-JI. Труды ВНИИМ. -1959. вып. 38 (98). - С. 5-20.

23. Kibble В. P., Robinson I. A. and Belliss J. Н. A realization of the SI Watt by the NPL moving coil balance. // Metrologia. 1990. - Vol. 27. - P. 173192.

24. Elnekave N., Fau A. An absolute determination of the volt at LCIE. // BIPM Com. Cons. Electricite 16. 1983. - Doc. CCE/83-2.

25. Clothier W.K., Sloggett G.J., Bairnsfather H., Currey M.F., Benjamin D.J. A determination of the Volt. // Metrologia. 1989. - Vol. 26. - P. 9-46.

26. Funck Т., Sienknecht V. Determination of the Volt with the improved PTB voltage balance. // IEEE Trans. Instrum. Meas. 1991. - Vol. 40. - P. 158-162.

27. Неронов Ю. И. Использование изолированного электрона для поддержания единицы напряжения. // Измерительная техника. — 1988. — № 12.-С. 27-28.

28. Катков А.С. Принципы построения и характеристики современных эталонов электрических величин. // В Сб.: Материалы 51-ой научно-технической конференции, посвященной Дню радио. Санкт

29. Петербургское НТО РЭС им. А.С.Попова. С. Петербург. - 1996. - С. 123.

30. Туиинский B.C. Согласование значений фундаментальных физических констант и воспроизведение единиц физических величин. // Измерительная техника. 2001. -№ 9. - С. 59-62.

31. Горбацевич С. В., Краснов К. А., Мазуров В. П., Сатрапинский А. Ф., Француз Э. Т., Яшина Т. В. Аппаратура для контроля стабильности э.д.с. нормальных элементов на основе эффекта Джозефсона. // Измерительная техника. 1976.- № 4.- С. 59-62.

32. Taylor B.N., Parker W.H., Langenberg D.N., Denenstein A. On the use of the ac Josephson effect to maintain standard of electromotive force. // Metrlogia. 1967. - Vol. 3. - P. 89-98.

33. Kose V. Melchert F, Engiland W, Fack H, Fuhrmann B, Gutmann P. and Warnecke P. Maintaining the unit of voltage at PTB via the Josephson effect.// IEEE Trans. Instrum. Meas. 1974. - Vol. IM-23. - P. 271-275

34. Gallop J.C., Petley B.W. Recent NPL work on the ac Josephson effect as a voltage standard.//IEEE Trans. Instrum. Meas. 1972.- Vol. IM-21.- P. .310-314.

35. Тарбеев Ю.В., Колтик Е.Д., Рождественская Т.Б., Галахова О.П., Краснов К.А., Кржимовский В.И. Новый государственный первичный эталон единицы электродвижущей силы Вольта. // Измерительная техника.- 1981.- № 12.- С. 3-5.

36. Denenstein A., Finnegan T.F. High accuracy potentiometrs for use with ten millivolt Josephson devices. II. Cascades-interchange comparator. // Rev.Sci. Instrum. 1974. - Vol. 45. - No. 6. - P. 635-741.

37. Колтик E. Д., Галахова О. П., Кржимовский В. И., Катков А. С., Ловцюс В. Э., Мжень А. С., Гуревич В. М., Короткова И. В. Государственный первичный эталон единицы ЭДС и переход на новый размер вольта. // Измерительная техника. 1991. - № 10. - С. 6-7.

38. Seppa Н., Pekka I., Jarmo R. A computer-controlled Josephson voltage standard. // IEEE Trans. Instr. Meas. 1988. - Vol. 37. - N 1. - P. 2-9.

39. Hamilton C. A., Kautz R. L., Steiner R. L., and Lloyd F. L. A practical Josephson voltage standard at one volt. // IEEE Electron Device Lett. -1985.-Vol. 6.-P. 623-625.

40. Niemeyer J., Grimm L., Meier W., Hinken J. H., and Vollmer E. Stable Josephson reference voltages between 0.1 and 1.3 V for high precision voltage standards. // Appl. Phys. Lett. 1985. - Vol. 47. - P. 1222-1223.

41. Hamilton C. A., Lloyd F. L., Chieh K., Goeke C. A 10-V Josephson voltage standard. // IEEE Trans. Instrum. Meas. 1989. - Vol. 38. - P. 314-316.

42. Murayama Y., Sakamoto Y., Iwasa A., Nakanishi M., Yoshida H., Klein U., Endo Т., Ten-volt Josephson junction array. // IEEE Trans. Instrum. Meas. -1995.-Vol. 44.-P. 219-222.

43. Popel R., Niemeyer J., Fromknecht R., Meyer W., Grimm L., Dunschede F.W. Nb/A1203/Nb-Josephson Voltage Standard at 1 V and 10 V. // IEEE Trans. Instrum. Meas. 1991. - Vol. 40. -No.2. - P. 298-300.

44. Tsai J.-S., Jain A. K., and Lukens J. E. High precision test of the universality of the Josephson voltage-frequency relation. Phys. Rev. Lett. 1983. - Vol. 51.-P. 316-318.

45. Jain A.K., Lukens J.E., Tsai J.-S. Test for relativistic gravitational effects on charged particles. // Phys. Rev. Lett. 1987. - Vol. 58. - P. 1165-1168.

46. Semenov V.K., Voronova M.A. DC voltage multipliers: A novel application of synchronization in Josephson junction arrays. // IEEE Trans, on Magn. -1989.-Vol. 25.-P. 1432-1435.

47. Semenov V.K. Digital to analog conversion based on processing of the SFQ pulses. // IEEE Trans. Appl. Supercond. 1993. - Vol. 3. - P. 2637.

48. Likharev К. K., Semenov V. K. RSFQ logic/memory family: A new Josephson-junction digital technology for sub-Terahertz-clock-frequency digital systems. // IEEE Trans. Appl. Supercond. 1991. - Vol.1. - P. 3-28.

49. Hamilton C. A. Josephson voltage standard based on single-flux-quantum voltage multipliers. // IEEE Trans. Appl. Supercond. 1992. - Vol. 2. - P. 139-142.

50. Катков А. С., Харченко И. П. Высокотемпературная сверхпроводимость в измерительной технике. // В Сб.: Материалы 50-й научно-технической конференции посвященной Дню радио. Санкт-Петербургское НТО РЭС им. А.С.Попова. - С.Петербург. - 1995. - С. 159-160.

51. Katkov A.S. Investigation of AC Josephson Effect in HTSC. // 2ND International Symposium on Electromagnetic Metrology (2ND ISEM'93). -Beijing.-1993.-P. 80-81.

52. Tarbeyev Yu. V., Koltik E. D., Krzhimovsky V. I., Katkov A. S., Galachova O. P., Kozyrev S. V., Khabarov S. E. Precision measurement of the Josephson constant in YBaCuO superconductor. // Metrologia. -1991.- No. 28.-P. 305-307.

53. Witt T. J. Accurate determination of 2e/h in Y-Ba-Cu-0 Josephson junctions. // Phys. Rev. Lett. 1988. - Vol. 61. - P. 1423-1426.

54. Klushin А. М., Behr R., Numssen К., Siegel М. and Niemeyer J. Accurate Measurements of Quantum Voltage Steps on Arrays of Bicrystal Josephson Junctions. // Appl. Phys. Lett. 2002. - Vol. 80. - No. 11. - P. 1972-1974.

55. Tarbeyev Yu. V., Krzhimovsky V. I., Katkov A. S., Koltik E. D. A transportable Josephson voltage standard based on high-temperature superconductors. // Conference Digest CPEM-96. Braunschweig. - 1996. -P. 241-242.

56. Klushin A. M, Komkov A. V., Gelikonova V. D., Borovitskii S. I., Siegel M. DC voltage calibrator based on an arrays of high-temperature superconductor Josephson junctions. // IEEE Trans. Meas. 2003. - Vol. 52.-No. 2.-P. 529-532.

57. Klushin A. M., Katkov A. S., Druzhnov D. M., Klein N. Progress in thevoltage calibrator based on arrays of high-temperature superconductorth

58. Josephson junctions. // Proceedings of 6 International Seminar of Electrical Metrology. Rio de Janeiro. - 2005. - P. 29-31.

59. Klushin A. M., Katkov A. S., Pesel E. and Warnecke P. DC resistive divider for 10 V HTS voltage calibrator. // Conference Digest CPEM2004. -London. 2004. -P. 332-333.

60. ГОСТ 8.057-80 ГСИ "Эталоны единиц физических величин» // М.: -Изд. Стандартов. 1980.

61. Niemeyer J., Grimm L., Hamilton С. A., and Steiner R. L. High Precision Measurement of a Possible Resistive Slope of Josephson Array Voltage Steps. // IEEE Electron Device Lett. 1986. - EDL-7. - P. 44-46.

62. Behr R., Niemeyer J., Katkov A. Comparison of the Josephson Voltage Standards of VNIIM and PTB. IEEE Trans. Instrum. Meas. - Vol. 50. -No. 2.-2001.-P. 203-205.

63. Гудков A.JI., Гогин А.А., Козлов А.И., Крюк В.В., Самусь А.Н. Цепочки джозефсоновских переходов для сверхпроводниковых интегральных схем. // Электронная промышленность. № 3. - 2004. -С.88-96.

64. Отчет НИОКР. Разработка технологии изготовления и исследование электрических параметров тестовых образцов джозефсоновских интегральных схем криогенного преобразователя частота-напряжение. Науч. рук. Катков А.С. ВНИИМ - 2001 - 31 С.

65. Катков А.С., Короткова И.В. Система обеспечения единства измерений постоянного электрического напряжения и ЭДС. // "Гироскопия и навигация" 2002. - №4 (39). - С. 84.

66. Катков А. С. Особенности построения поверочной схемы для средств измерений постоянного электрического напряжения и электродвижущей силы. // Измерительная техника. 2005 - № 8.1. С. 48-49.

67. МИ 2230-92 Рекомендация. ГСИ. «Методика количественного обоснования поверочных схем при их разработке» // С.-Петербург, НПО «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева». 1992.-25 С.

68. ГОСТ 8.061-80 ГСИ. Поверочные схемы // М.: Изд. Стандартов. 1981.

69. ГОСТ 8.027-2001 ГСИ. Государственная поверочная схема для средств измерений постоянного электрического напряжения и электродвижущей силы. // М.: Издательство стандартов. 2001.

70. Александров B.C., Катков А.С., Телитченко Г.П. Новый государственный первичный эталон и государственная поверочная схема для средств измерений постоянного электрического напряжения. // Тез.докл. на конф. МО. 2002.

71. Alexandrov V.S., Katkov A.S., Telitchenko G.P. The VNIIM Josephson Junction Array Voltage Standard. // Conference Digest CPEM2002. -Ottawa. 2002. - P. 492-493.

72. Катков А. С. Транспортируемый эталон сравнения на эффекте Джозефсона. // Измерительная техника. 2005. - № 2. - С. 48-51.

73. Katkov A., Lovtsus V., Behr R., Niemeyer J. Transportable Josephson Voltage Standard. // Conference Digest CPEM2002. Ottawa. - 2002. - P. 488-489.

74. Крутиков В. H., Катков А. С. Эталон вольта России. // Контрольно-измерительные приборы и системы. 2000. - № 3. - С. 25.

75. Андреев С.Н., Муста Т.Н., Потапов С.В., Яшина Т.В. Исследование особенностей процессов формирования тонкопленочных джозефсоновских схем метрологического назначения" // Измерительная техника. 1986. -№ 10. - С. 45-47.

76. Отчет НИОКР Исследование методики воспроизведения постоянного напряжения с номиналом 1.02 -1.2 В на основе обратного нестационарного эффекта Джозефсона. Науч. рук. Потапов С.В. // СПб. -ВНИИМ.- 1985.-29 С.

77. Bochanov A.F., Gelikonova V.D., Klushin A.M., Shisharin P.A., Krasnopolin I.Ya. Development and investigation of Nb-Al-Oxide-Nb Josephson junction arrays. // Conference Digest CPEM'94. Boulder. -1994.-P. 89-90.

78. Краснополин И. Я. Установка для абсолютной калибровки источников э.д.с. и напряжения на основе интегральной цепочки переходов Джозефсона. // ПТЭ. 1993. - № 4. - С. 200-231.

79. Abschlussberich Transform-Project: BMBF 13N7259. Systeme zurprazisen Gleichspannungsmessung mit hilfe von Josephsonspannungsnormalen. // PTB. Braunschweig. 2000. - 67 P.

80. Отчет НИОКР. Создание и метрологического обеспечение вторичных эталонов вольта с применением установок на эффекте Джозефсона для районов Сибири и Дальнего востока, № госрегистр. 01.20 000 879, Науч. рук. Катков А.С., ВНИИМ, 2000, 121 С.

81. Steward W. С. Current-Voltage Characteristic of Josephson Junctions. // Appl. Phys. Lett. 1968. - Vol. 12. - P. 277-280.

82. McCumber D. E. Effect of AC Impedance on DC Voltage Current Characteristics of superconducting Weak Link Junctions. // Journ. Appl. Phys. 1969. - Vol. 39. - P. 3113-3118.

83. Shapiro S. Josephson current in superconducting tunneling: The effect of microwaves and other observations. // Phys. Rev. Lett. 1963. - vol. 11.-P. 80-82.

84. Бухштабер В. M., Карпов О.В., Тертычный С.И. Особенности динамики джозефсоновского перехода, смещенного синусоидальным СВЧ-током. // Радиотехника и электроника. 2006. - Том. 51. - № 4. -С. 1-6.

85. Behr R., Schulze Н., Muller F., Kohlmann J., Niemeyer J. Josephson arrays at 70 GHz for conventional and programmable voltage standards. // IEEE Trans. Instrum. Meas. 1999. - Vol. 48. -No.2. - P. 270-273.

86. Kohlmann J., Muller F., Gutman P., Popel R., Grimm L., Dunschede F., Meyer W., Niemeyer J. Improved 1 V and 10 V Josephson Standard Arrays. // IEEE Trans. Appl. Superconduct. 1997. - vol. 7. - P. 3411-3414.

87. Muller F., Behr R., Kohlmann J., Popel R., Niemeyer J., Wende G., Fritzsch L., Thrum F., Meyer H.-G., Krasnopolin I.J. Optimized 10 V Josephson series arrays: fabrication and properties. // Proc. ISEC'97. 1997. - Vol. 1. -P. 95-97.

88. Levinson M. Т., Chiao R. Y., Feldman M. J., and Tucker B. A. An inverse ac Josephson effect voltage standard. Appl. Phys. Lett. - 1977. - Vol. 32. - P. 776-778.

89. Kautz R. L. Noise, Chaos, and Josephson Voltage Standard. // Rep. Prog. Phys. 1996. - vol. 59. - No. 8. - P. 935-992.

90. Kautz R. L., Costabile G. Josephson Voltage Standard Using a Series Array of 100 Junction. // IEEE Trans. Magn. 1981. - Vol. 17. - P. 780-783.

91. Бароне А., Патерно Дж. Эффект Джозефсона: физика и применение. // Москва. Мир. - 1984. - 640 С.

92. Klushin А. М., Solve S., Behr R., Wende G., Schubert M., Katkov A. S., Otto R., Buchal. Ch., Schumilov V.A. A new millimeterwave synthesizer for Josephson Voltage Standards. // Conference Digest CPEM2006. -Torino 2006. - P. 368-369.

93. Hamilton C.A., Tang Y.A. Evaluating the uncertainty of Josephson voltage standards. // Metrologia. 1999. - Vol. 36. - P. 53-58.

94. Katkov A. S., Klushin A. M., Telitchenko G. P., Behr R., and Niemeyer J. Challenges of Josephson Junction Arrays for ac Voltage Generation by Microwave Pulse Power Modulation.// IEEE Trans. Appl. Supercond. -2005.-Vol. 15.-No. 2.-P. 352-355.

95. Зеликман M.A., Катков A.C., Кржимовский В.И., Козырев С.В., Третьяков В.В. Особенности эффекта Джозефсона в мостике YBaCuO в магнитном и СВЧ полях. // СФХТ. 1993. - Т. 6. - № 1. -С. 82-90.

96. Seidel P., Kohler H.J., Muller F., Moldenhauer U., Tietz U.J. The Pseudo Inverse AC Josephson Effect. // Phys. stat. sol. (a). 1986. - Vol. 96. - P. K203-K206.

97. ГОСТ 8.381-80. ГСИ. Эталоны. Способы выражения погрешностей // М.: Изд. Стандартов. 1981.

98. Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement // Geneva, International Organization for Standardization — 1995.

99. Слаев В. А. Подходы к применению "Руководства по выражению неопределенности измерения" в России. // Измерительная техника. -2000.-№5.-С. 35-38.

100. МИ 2552-99. Рекомендация. ГСИ. Применение "Руководства по выражению неопределенности измерения" // СПб.: ГП "ВНИИМ им. Д.И. Менделеева" 1999.

101. Avrons D., Katkov A., Krzhimovsky V., Reymann D. and Witt T.J. Bilateral comparison of 1.018V standards between the VNIIM and the BIPM. // BIPM Rapport. BIPM-99/2.

102. Reymann D., Witt T.J., Vrabcek P., Tang Y.H., Hamilton C.A., Katkov A., Jeanneret В., Power O. Recent developments in BIPM voltage standard comparisons. // Conference Digest CPEM2000. Sydney. - 2000. - P. 253-254.

103. Reymann D., Witt T.J., Vrabcek P., Tang Y., Hamilton C.A., Katkov A.S., Jeanneret В., Power O. Recent Developments in BIPM Voltage Standards Comparisons. // IEEE Trans. Instrum. Meas. 2001. - Vol. 50. - No. 2. -P. 206-209.

104. Behr R. and Niemeyer J., Katkov A. Comparison of the Josephson voltage standards of VNIIM and PTB. // Conference Digest CPEM2000. Sydney. -2000.-P. 251-252.

105. Katkov A., Behr R., Telitchenko G., Niemeyer J. VNIIM-PTB Comparison Using a Portable Josephson Voltage Standard. // Metrologia. 2003. -Vol. 40.-P. 89-92.

106. Behr R., Katkov A. Comparison of Josephson array voltage standards by using a portable Josephson transfer standard. EUROMET.EM.BIPM-KlO.a. - Final Report. - 2005.kcdb.bipm.org/AppendixB/appbresults/bipm.em-kl O.a/euromet.em.bipm-k 10.afinalreport.pdf)

107. Behr R. and Katkov A. S. Final Report on the key comparison EUROMET.BIPM.EM.K-lO.a. Comparison of Josephson array voltage standards by using a portable Josephson transfer standard. // Metrologia. -Vol. 42. No 1A - (Technical Supplement 2005) - 01005

108. Катков A.C., Ловцюс В.Э., Короткова И.В. Эталон сравнения на эффекте Джозефсона. // В Сб.: Материалы 61-й Научно-технической конференции, посвященной Дню радио.- Санкт-Петербургское НТО РЭС им. А.С.Попова. Санкт-Петербург, 2006, С. 213-214.

109. Катков А. С., Краснополин И. Я. Исследование погрешности передачи размера вольта с помощью транспортируемой меры напряжения на стабилитроне. // Измерительная техника. 2006. - № 1.С. 34-38.

110. Катков А. С. Метод калибровки эталонных делителей напряжения до 1000 В. // Измерительная техника. 2005. - N 4. - С. 52-56.

111. Witt Т. J. Low-frequency spectral analysis of nanovoltmeters and voltage standards. // IEEE Trans. Instrum. Meas. 1995. - Vol. IM-44. - No. 2. -P. 226-229.

112. А. ван дер Зил. Шумы при измерениях. // Мир. Москва. - 1979. -292 С.

113. Allan D.W. Statistics of atomic frequency standards. // Proc. IEEE. 1966 -Vol. 30.-P. 221-230.

114. Allan D.W. Should the classical variance be used as a basic measure in standard metrology? // IEEE Trans. Instrum. Meas. 1987. - Vol. IM-36. -No.2. - P. 646-654.

115. Witt Т.J., Reymann D. Using power spectra and Allan variances to characterize the noise of Zener-diode voltage standards. // IEE Proc.-Sci. Meas. Technol. -2000. -Vol. 147.-No. 4.-P. 177-182.

116. Witt T. J. Using the Allan Variance and Power Spectral Density to Characterize DC Nanovoltmeters. // IEEE Trans. Instrum. Meas. 2001. -Vol. 50. - No. 2. - P. 445-448.

117. Katkov A., Behr R. Influence of the null-detector noise in Josephson voltage comparisons. // Conference Digest CPEM2006. Torino. - 2006. -P. 384-385.

118. Катков А.С. Применение преобразования Аллана для анализа предельных возможностей мер и компараторов напряжения. Измерительная техника. 2006 - N 6 - С. 49-52.

119. Малинин Д. В, Катков А. С. Термостат для мер электродвижущей силы. // Измерительная техника. 2003. - № 10. - С. 36-38.

120. Katkov A., Niemeyer J., Behr R. Direct Measurement of Standard Cells with a Josephson Junction Array Voltage Standard. // Conference Digest CPEM-98. Washington. - 1998. - P. 552-553.

121. Katkov A., Niemeyer J., Behr R. Possible direct measurement of standard cells with a Josephson voltage standard. // Metrologia. 1999. - No. 36. -P. 473-476.

122. Reymann D. Practical Device for 1-nV Accuracy Measuremnts with Josephson Array. // IEEE Trans. Instrum. Meas. 1991. - Vol. 40. - No. 2. -P. 309-311.

123. Reymann D., Witt T.J., Eklund G., Pajander H., Nilsson N. Comparision of the Josephson Voltage Standard of the SP and the BIPM. // IEEE Trans. Instrum. Meas. 1997. - Vol. 46. - No. 2. - P. 220-223.

124. Kupferman S.L., Hamilton C.A. Deployment of Compact, Transportable, Fully Automated Josephson voltage Standard. // IEEE Trans. Instrum. Meas. 1999. - Vol. 48. - No. 2. - P. 249-252.

125. Hamilton C.A., Burroughs C.J., Kupferman S.L., Naujoks G.A., Vickery A. Compact transportable Josephson voltage standard. // IEEE Trans. Instrum. Meas. 1997. - Vol. 46. - P. 237-241.

126. Schultze H., Muller F., Behr R., Kohlmann J., and Niemeyer J. SINIS Josephson junction for programmable Josephson voltage circuits. // IEEE Trans. Appl. Superconduct. 1999. - Vol. 9. - No. 2. - P. 4241-4244.

127. Дорошенко В.Н, Катков А.С. Повышение помехоустойчивости криогенных преобразователей постоянного тока. // Сб.: Вопр. атомной науки и техн. Вып.24. - Серия: Электрофизическая аппаратура. Л. - 1989. - С. 20-24.

128. Reymann D., Solve S., Porter C.H., Jansen T.J.B.M., Williams J.M. Comparison of the Josephson voltage standards of the NPL and the BIPM (part of the ongoing BIPM key comparison BIPM.EM-KlO.b). // Rapport BIPM-2005/02.

129. Reymann D., Solve S., Urano C., Marayama Y., Yoshida H., Comparison of the Josephson voltage standards of the NMIJ-AIST and the BIPM (part of the ongoing BIPM key comparison BIPM.EM-KlO.b) // Rapport BIPM-2005/13.

130. Reymann D., Solve S., Waldmann W., Heine G., Scheibenreiter P., Pribil J., Comparison of the Josephson voltage standards of the BEV and the BIPM (part of the ongoing BIPM key comparison BIPM.EM-KlO.b). // Rapport BIPM-2005/14.

131. Reymann D., Solve S., Wood В., Comparison of the Josephson voltage standards of the NRC and the BIPM (part of the ongoing BIPM key comparison BIPM.EM-KlO.b). // Rapport BIPM-2005/03.

132. Deaver D., Miller W. В., Pardo L., Plowman D., Hamilton C. A. Interlaboratory comparison of Josephson voltage standards. // IEEE Trans. Instrum. Meas. 2001. - Vol. 50. - No 2. - P. 199-202.

133. Карпов О. В., Саранди А. Е., Шакирзянова Ф. Р., Шульга В. М. Транспортируемая мера напряжения. // Приборы и техника эксперимента 1993. - № 1. - С. 6-7.

134. Карпов О.В., Тертычная М.А. Исследование метрологических характеристик многоканальных твердотельных мер напряжения типа МН-1. //Измерительная техника. 2000. - N 5. - С.63.

135. Карпов О.В., Кутовой В.Д., Шульга В. М., Шакирзянова Ф. Р., Векслер JL С., Ким К. Т. Построение и исследование моделейпрогноза выходного напряжения мер сравнения на стабилитронах. // Измерительная техника. 1996. - № 3. - С. 67-70.

136. Зубарев Д. Е., Карпов О. В., Саранди А. Е., Шакирзянова Ф. Р., Шульга В. М. О возможности использования возимых мер напряжения в поверочной схеме передачи размера единиц ЭДС и постоянного напряжения. // Измерительная техника. 1993. - № 9. -С. 43.

137. Мера напряжения транспортируемая Н4-9. Техническое описание. -ОАО НПК «РИТМ», Краснодар.

138. Васильев Д. Р., Карпов О. В., Крутиков В. Н Вторичный эталон единицы постоянного напряжения ВЭТ-13-13-01, основанный на эффекте Джозефсона /. // Измерительная техника. 2003. - N 3. - С. 25-29

139. Witt T.J. Allan variances and spectral densities for DC voltage measurements with polarity reversals. // IEEE Trans. Instrum. Meas. -2005. Vol. 54. - No. 2. - P. 550-553.

140. Witt T.J., Reymann D., Avrons. D. The stability of some Zener-diode based voltage standards. // IEEE Trans. Instrum. Meas. 1995. - Vol. 44. -No. 2.-P. 226-229.

141. Witt T.J., Tang Y. Investigations of noise in measurements of electronic voltage standards, IEEE Trans. IEEE Trans. Instrum. Meas. 2005. - Vol. 54.-No. 2.-P. 567-570.

142. Helisto P., Seppa H. Measurement Uncertainty in the Presence of Low-Frequency Noise. // IEEE Trans. Instrum. Meas. 2001. - Vol. 50. -No.2. -P. 453-456.

143. Witt T.J. Pressure coefficients of some Zener diode-based electronic voltage standards. // IEEE Trans. Instrum. Meas. 1999. - Vol. 48. - No. 2.-P. 329-332.

144. Liu L. X., Sim T. Y., Tan V. K. S., Chua H. A., and Lam К. H. Mathematical model to approximate the response of a Zener cell outputunder varying environmental conditions. // Metrologia. 2000. - vol. 37. -P. 213-218.

145. Katkov A. 1000 V dc voltage ratio calibration at VNIIM. // Conference Digest CPEM2004. London. - 2004. - P. 575-576.

146. Slinde H., Lind K., Justervesenet. A Precision Set-Up and Method for Calibrating a DC Voltage Divider's Ratios from 10V to 1000V. // IEEE Trans. Instrum. Meas. 2003. - Vol. 52. - No. 2. - P. 461-464.

147. Sakamoto Y., Fujiki H. DC Voltage Divider Calibration System atNMIJ. // IEEE Trans. Instrum. Meas. 2003. - Vol. 52. - No. 2. - P. 465-468.

Похожие работы

Приборостроение, метрология и информационно-измерительные приборы и системы
05.11.00