Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
1. Лабораторна робота №1.Державний первинний еталон одиниць часу і частоти
Мета роботи – вивчення історії і сучасних принципів відтворення і зберігання одиниць часу і частоти, структурної схеми і функційних можливостей державного еталона, метрологічних характеристик еталона та напрямків його удосконалення.
1.1. Методичні вказівки з організації самостійної роботи студентів
Програма самостійної підготовки включає: знайомство з історією визначення одиниці часу-секунди і еволюцією точності відтворення секунди; вивчення принципу відтворення “атомної” секунди за допомогою квантових генераторів; ознайомлення з структурною схемою державного первинного еталона та його складовими частинами, знайомство з основними функціями, що виконуються еталоном, та його метрологічними характеристиками.
Специфікою даної лабораторної роботи є те, що вона проводиться безпосередньо на держаному еталоні, тому студенти мають можливість ознайомитись з реальною апаратурою і інфраструктурою еталона, а з метрологічними процедурами, які виконуються на еталоні в процесі його функціонування.
1.1.1.Коротка історія еталонування одиниці часу – секунди
Відзначимо, що пошуки найкращого еталона часу, що відповідає вимогам необхідної точності, відтворюваності і доступності, мають велику історію. Ще в стародавності відлік часу ґрунтувався на періоді обертання Землі навколо своєї осі. Донедавна секунду визначали як 1/86400 частину середньої сонячної доби, тобто еталоном часу була “Земля, що обертається навколо своєї осі”. Пізніше було виявлено, що обертання Землі навколо своєї осі відбувається нерівномірно. Відносна похибка відтворення одиниці часу відповідно до цього визначення становила близько 10-7, що було недостатньо для ряду практичних застосувань і наукових досліджень. Тому в основу визначення одиниці часу поклали період обертання Землі навколо Сонця – тропічний рік (тобто інтервал між двома весняними рівноденнями). Розмір секунди був визначений як 1/31556925,9744 частина тропічного року. Оскільки тропічний рік також змінюється (близько 5 с за 1000 років), то за основу був узятий тропічний рік, віднесений до 12 год. ефемеридного часу (рівномірний поточний час, що визначається астрономічним шляхом) 0 січня 1900 року, що відповідає 12 годині 31 грудня 1899 р. Це визначення секунди було зафіксовано в Міжнародній системі одиниць 1960 р. Дане рішення дозволило на 3 порядки (у 1000 разів) знизити похибку визначення одиниці часу, а еталоном часу стала “Земля, що обертається навколо Сонця”.
Неважко бачити, що при такому формулюванні секунда набула достатню визначеність, більшу точність, проте утратила відтворюваність (оскільки була прив'язана до певного року) і не стала більш доступною. Значним подальшим кроком була розробка в 1927 році Морісоном і Хорстоном (США) кварцових годинників. У найбільш досконалих конструкціях цих годинників (генераторів) добова нестабільність складала (1–2)·10-6 с.
Однак, до справжнього “прориву” у створенні еталона часу привели успіхи атомної і квантової фізики, що дозволили використовувати частоту електромагнітного випромінювання або поглинання при енергетичних переходах молекул і атомів для визначення розміру одиниці часу.
Першим кроком у цьому напрямку було використання електромагнітного випромінювання молекул і створення молекулярних аміачних годинників (1953, Г. Ліокс), нестабільність ходу яких становила близько 1·10-7. Усі подальші зусилля не дозволили знизити нестабільність менше за 1·10-8, але була встановлена причина, що обмежує можливості молекулярного генератора – хаотичний тепловий рух часток газу (так званий подовжній ефект Допплера). Подальші дослідження дозволили значною мірою подолати вплив цього ефекту.
На початку 60-х р. група вчених з NBS, США (нині NIST ) створила квантовий генератор на основі цезію, в якому вдалося майже цілком уникнути подовжнього ефекту Допплера. У перших моделях цезієвого генератора нестабільність становила близько 1·10-9, але надалі її вдалося істотно знизити. Кращі сучасні цезієві генератори (стандарти частоти) мають нестабільність на рівні 10-14 при відтворюваності частоти порядку 5·10-14.
Приблизно в ці ж роки були створені перші водневі квантові стандарти, що сьогодні, після серії вдосконалень, за рядом параметрів не поступаються цезієвому, зокрема, за стабільністю. Вважається, що цезієві генератори перевершують усі інші за відтворюваністью, що визначає систематичну похибку еталона, а водневі є найкращими за стабільністю. Саме тому сьогодні визначення і відтворення одиниці часу здійснюються через період випромінювання атомів цезію, а її збереження реалізується з використанням водневих генераторів.
XIII Генеральна конференція з мір та ваг у 1967 р. прийняла нове визначення одиниці часу – секунди: “Секунда – це час, який дорівнює 9192631770 періодам випромінювання, що відповідає переходу між двома надтонкими рівнями основного стану атома цезію-133”. Вибір кількості коливань зроблений таким чином, щоб прив'язати “цезієву” секунду до “тропічної”.
Відповідно до визначення одиниці часу, її відтворення здійснюється цезієвим репером (рис. 1). Суть роботи репера полягає в стабілізації частоти кварцового генератора за частотою випромінювання атомів цезію. Основою еталона є атомно-променева трубка. Атоми цезію-133 випромінюються нагрітим до температури 100-150 0С джерелом 1 (цезієва піч). Пучок цих атомів потрапляє до області неоднорідного магнітного поля, створюваного магнітом 2. Кут відхилення атомів у такому магнітному полі визначається їхнім магнітним моментом. Тому неоднорідне магнітне поле дозволяє виділити з пучка ті атоми, що знаходяться на визначеному енергетичному рівні. Ці атоми спрямовуються в об'ємний резонатор 3, пролітаючи через який взаємодіють із змінним електромагнітним полем надвисоких частот (НВЧ). Частота електромагнітних коливань може регулюватися в невеликих межах.
При збігу частоти електромагнітного поля з частотою квантових переходів відбувається поглинання енергії НВЧ-поля, і атоми переходять в основний стан. У магнітній системі 4 здійснюється вторинна сепарація, у результаті чого атоми, що знаходяться у відповідному стані, спрямовуються в детектор 5. Струм детектора при настроюванні резонатора на частоту квантових переходів є максимальним. Це є основою стабілізації частоти в цезієвому репері. Для замикання кільця автопідстроювання частота коливань кварцового генератора (зазвичай 5 МГц) помножується до частоти квантового переходу в цезії.
Рисунок 1 - Структурна схема цезієвого репера:
1 – джерело атомів цезію-133; 2, 4 – магніти; 3 – резонатор; 5 – детектор
Системи з використанням атомно-променевої трубки на цезії, як правило, будуються за пасивною схемою, коли кварцовий стандарт частоти (КСЧ) відіграє роль квантового дискримінатора, тобто енергія НВЧ коливань поглинається атомами цезію (рис. 1).
При відхиленні частоти кварцового генератора від номінального значення інтенсивність переходів атомів і, отже, щільність атомного пучка на виході трубки різко зменшується. Блок автопідстроювання, зв'язаний з трубкою, виробляє сигнал помилки, що повертає частоту кварцового генератора до номінального значення. Подільник частоти, що знаходиться в кварцовому годиннику, дозволяє одержати на їхньому виході необхідні частоти і часові інтервали (у тому числі і частоту 1 Гц).
Відтворення одиниць часу і частоти за допомогою метрологічного цезієвого репера класичного пучкового типу здійснюється з НСП близько (3-5) · 10-14 (рис. 1).
До складу первинного еталона часу-частоти, зокрема, системи зберігання одиниці входить також водневий генератор. Стисло розглянемо принцип його роботи (рис. 2). У балоні 1 під дією високочастотного електричного розряду відбувається дисоціація молекул водню. Пучок атомів водню через коліматор 2, який забезпечує його спрямованість, потрапляє в неоднорідне магнітне поле багатополюсного осьового магніту 3, де проходить просторове сортування (сепарацію). У результаті останньої на вхід накопичувального осередку 4, розташованого в об'ємному резонаторі 5, потрапляють лише атоми водню, що знаходяться на потрібному енергетичному рівні. Високодобротний резонатор, що знаходиться усередині багатошарового екрана 6, настроєний на частоту квантового переходу. Взаємодія збуджених атомів з високочастотним полем резонатора (протягом приблизно 1 с) приводить до їхнього переходу на нижній енергетичний рівень з одночасним випромінюванням квантів енергії на резонансній частоті 1420405751,8 Гц. Це викликає самозбудження генератора, частота якого відзначається високою стабільністю.
Рисунок 2 - Структурна схема водневого генератора:
1 – балон з воднем; 2 – коліматор; 3 – осьовий магніт;
4 – накопичувальний осередок; 5 – резонатор; 6 – багатошаровий екран
Водневий стандарт частоти зазвичай є активним пристроєм, тобто відіграє роль квантового генератора, за частотою якого через систему синтезу частот і фазового автопідстроювання частоти стабілізується частота кварцового генератора (рис. 3).
Рисунок 3 - Структурна схема водневого стандарту частоти
До складу первинного еталона часу і частоти розвинутих країн, як правило, входять такі системи, що забезпечують виконання його основних функцій:
- система відтворення і зберігання одиниць часу і частоти, основними елементами якої є цезієвий репер і водневі стандарти частоти;
Спрощена структурна схема еталона, що виконує всі названі функції, наведена на рис 4.
Крім того, до складу первинних еталонів деяких країн входить комплекс апаратури радіооптичного частотного моста (РОЧМ), що являє собою систему переносу стабільних частот з радіочастотного в оптичний діапазон. Це важливо для багатьох областей науки і техніки, зокрема, для створення єдиного еталона часу-частоти-довжини, про що буде сказано нижче.
Наведемо метрологічні характеристики державного еталона часу і частоти України:
Рисунок 4 - Структурна схема державного еталону одиниць часу і частоти.
1.1.3.Перспектива удосконалення еталона
Цезієвий репер як еталон часу і частоти був створений у 50-ті роки минулого століття і постійно удосконалювався. Вважається, що потенціал точності репера класичного пучкового типу знаходиться в одиницях 14-го знаку.
З відкриттям лазерних методів охолодження атомів, що ґрунтуються на взаємодії атомів з фотонами світла, це обмеження вдається перебороти і підвищити точність приблизно на один-два порядки. Поєднання ідей цезієвого репера вертикальної конструкції і лазерного охолодження привело до створення в ряді країн так званого «цезієвого фонтану» (рис.5).
Назва виникла через фонтаноподібний політ пучка атомів цезію, що реалізовано в цьому репері. Атоми, що емітуються цезієвим джерелом, накопичуються і охолоджуються в магнітооптичній камері. Потім, сконцентрований пучок підкидається догори силою магнітної взаємодії з фотонами лазерного променя і далі, після вимикання лазера, під дією гравітації повертається вниз, пролітаючи двічі через НВЧ – резонатор. Подвійне проходження одного резонатора пучком атомів цезію позбавляє необхідності вирішення задачі фазування, що притаманне рамзеєській схемі з двома резонаторами.
Цезієвий фонтан дозволяє знизити нестабільність частоти до декількох одиниць п'ятнадцятого знака за рахунок зниження практично до нуля теплових швидкостей атомів.
а б
Рисунок 5 - Цезієвий фонтан NPL : а − структурна схема;
б − зовнішній вигляд
1.2 Лабораторне завдання
1.2.1. Ознайомтесь з приміщеннями і умовами, в яких зберігаються і експлуатуються основні системи еталона:
-цезієвий репер;
-водневі стандарти частоти.
1.2.2. Ознайомтесь зі складом апаратури формування національної шкали часу України і системи внутрішніх звірень, умовами їх зберігання.
1.2.3. Ознайомтесь з приміщенням і складом апаратури для проведення зовнішніх звірянь.
1.2.4. Ознайомтесь з методиками і процедурами повірки ( калібрування) на еталоні прецизійної апаратури для частотно-часових вимірювань (на прикладі електронно-лічильного частотоміра).
1.3 Контрольні запитання
Для допуску:
1) Назвіть основні величини системи SI та їх одиниці.
2) Наведіть сучасне визначення одиниці часу-секунди.
3) Який фізичний ефект лежить в основі первинного еталона одиниці часу?
4) Яка орієнтована точність відтворення секунди досягнута на сьогодні в Україні та в світі?
5) Які етапи «астрономічного» визначення секунди ви знаєте, в чому полягають ці визначення?
6) Що таке кварцовий і квантовий генератори?
7) В яких галузях науки і техніки використовуються частотно-часові вимірювання?
Для захисту:
1) Що таке цезієвий і водородний стандарти?
2) Намалюйте структурну схему цезієвого репера.
3) Які основні системи входять до складу державного еталона?
4) Яку НСП і СКО забезпечує державний еталон часу і частоти України?
5) Які умови зберігання еталона?
6) Що таке «рідіооптичний частотний міст»?
7) Яку функцію виконує «система зовнішніх звірянь» еталона?
8) В якому напрямку йде подальше удосконалення первинного еталона одиниць часу і частоти?
6. Лабораторна робота №6. Державний первинний еталон одиниці коефіцієнта амплітудної модуляції ВЧ-коливань
Мета роботи: вивчити принцип побудови і структуру первинного еталона, ознайомитися з процедурами відтворення коефіцієнта АМ на еталоні і повірки (калібрування) робочих еталонів (установки К2-34).
6.1.Методичні вказівки з організації самостійної роботи
6.1.1 Завдання до самостійної підготовки
Вивчити параметри АМ сигналу, структурну схему модулометра, основні методи вимірювання коефіцієнта АМ, структуру державного еталона коефіцієнта АМ. Ознайомитись з метрологічними характеристиками еталона, методикою відтворення та передавання одиниці коефіцієнта АМ робочому еталону.
6.1.2. Параметри АМ сигнала
АМ сигнал з гармонічним несучим коливанням можна подати виразом
,
де – миттєва амплітуда або огинаюча АМ сигналу; – несуча частота (частота у відсутності модуляції); – початкова фаза.
Огинаюча сигналу може бути записана як
,
де – амплітуда несучого (немодульованого) коливання; – закон зміни амплітуди при модуляції.
При гармонічній АМ закон зміни амплітуди буде
,
де – частота модулюючої напруги; – коефіцієнт АМ.
Зображення модулюючого і модульованого сигналів наведено на рис. 1.
Коефіцієнти АМ у бік збільшення і зменшення амплітуди (для позитивної і негативної напівхвиль огинаючої АМ сигналу) прийнято називати коефіцієнтами амплітудної модуляції “вверх” і “вниз” (рис. 1)
; . (1)
При симетричній модуляції, коли модуляційна характеристика лінійна, .
При складному законі АМ використовується середньоквадратичне значення коефіцієнта АМ
. (2)
У випадку наявності нелінійних спотворень закону АМ (огинаючої АМ сигналу) вираз для АМ сигналу має вигляд:
,
де – парціальні коефіцієнти АМ з частотами .
Нелінійні спотворення АМ сигналів характеризуються коефіцієнтами гармонік Кг
; ; … ,
де – парціальні коефіцієнти гармонік огинаючої АМ (= 1, 2, ...).
Сумарний КГ дорівнює
. (3)
6.1.3 Принцип побудови та структурна схема еталона
Еталон коефіцієнта АМ, побудований за принципом міри, тобто джерела вимірювального сигналу з гармонічною АМ і з каліброваним коефіцієнтом АМ (КАМ). При цьому діапазони несучих і модулюючих частот АМ сигналів еталона повинні відповідати частотам апаратури, що повіряється.
Оскільки такі параметри АМ сигналу, як і (амплітудний шум) є джерелами похибки відтворення КАМ, вони повинні бути мінімізовані, а до складу апаратури повинні входити засоби атестації АМ сигналу за цими параметрами.
В основу відтворення одиниці коефіцієнта АМ покладено метод, що полягає у формуванні АМ сигналу з огинаючою, близькою до синусоїдальної, установленні з високою точністю коефіцієнта АМ і точному діленні модулюючої напруги для одержання каліброваних значень у діапазоні 0,1 – 100 %. Структурну схему еталона наведено на рис. 2.
АМ сигнал формується модуляторами з квазілінійними модуляційними характеристиками ( ), як правило, на декількох фіксованих несучих частотах.
Для розширення діапазону несучих частот використовуються перетворювачі частоти, за допомогою яких здійснюється відтворення АМ сигналу на дискретних частотах у всьому діапазоні роботи модулометрів загального застосування (0,01 – 500 МГц).
Калібрування коефіцієнта АМ =100 % здійснюється за допомогою характерної осцилограми (рис. 3) при максимальній чутливості вертикального підсилювача осцилографа, що входить до складу калібратора.
Передача розміру одиниці коефіцієнта АМ робочим еталонам (які також є джерелами АМ сигналів) здійснюється за допомогою компаратора, на який почергово подаються сигнали від державного і робочого еталонів.
При повірці модулометрів (приймачів сигналу) еталонний сигнал подається безпосередньо на їхній вхід, минаючи компаратор, тобто повірка відбувається методом прямого вимірювання.
До складу засобів атестації еталона входять додатковий вимірювач коефіцієнта АМ, у якому реалізується контрольний незалежний метод вимірювання середнього значення коефіцієнта АМ, а також пристрої для атестації АМ сигналів еталона по КГ і амплітудних шумах. Керування роботою еталона й обробка результатів здійснюються за допомогою керувально-обчислювального пристрою.
Джерелами похибок відтворення коефіцієнта АМ є:
нелінійні спотворення огинаючої АМ сигналу;
паразитна АМ шумового характеру;
неточність установлення = 100 %;
похибка прецизійного подільника модулюючої напруги;
спотворення АМ сигналу в перетворювачах частоти.
При використанні компаратора додається також похибка останнього, яка носить, в основному, випадковий характер.
Як робочі еталони використовуються зразкові установки, що являють собою, як і ДЕ, джерела АМ сигналів із внутрішнім калібруванням їхнього коефіцієнта АМ.
Державний еталон (рис. 4) має такі метрологічні характеристики:
діапазон несучих частот 0,01 – 500 МГц;
діапазон модулюючих частот 0,02 − 200 кГц;
діапазон значень коефіцієнта АМ 0,1 – 100 %;
НСП ( ) (1–2)·10-3;
СКВ ( ) 3·10-4.
6.2 Лабораторне завдання
Провести повірку робочого еталону коефіцієнта АМ - установки К2-34, а саме, визначити похибку відтворення коефіцієнта АМ установкою К2-34 в діапазоні несучих і модулюючих частот; встановити її відповідність паспортним характеристикам.
6.3 Опис лабораторної установки
До складу лабораторної установки входять:
1) Державний первинний еталон одиниці коефіцієнта АМ ДЕТУ 09-02-96
2) Установка К2-34
3) Компаратор (вимірювач модуляції СКЗ-45 і спеціальний обчислювальний вольтметр)
6.4 Методичні вказівки до виконання лабораторної роботи
Повірка установки К2-34 проводиться методом звірення за допомогою компаратора. Суть методу полягає в почерговій подачі еталонного АМ сигналу (від ДЕТУ 09-02-96) і АМ сигналу установки К2-34 на компаратор і знаходження К2-34 за виразом:
, (4)
Де my– значення коефіцієнта АМ, встановлене за допомогою засобів вимірювання установки К2-34
me – значення коефіцієнта АМ, встановлене на еталоні.
Роль компаратора відіграє вимірювач модуляції СК3-45, до виходу НЧ якого підключено обчислювальний вольтметр. Вольтметр в автоматичному режимі проводить почергове вимірювання НЧ-напруги на виході модулятора СК3-45, пропорційних коефіцієнтам АМ my і me, а також обчислення похибки за формулою (4).
Повірка установки К2-34 проводиться у такій послідовності:
-Установлюється mн еталона 100% за характерною осцилограмою, наведеною на рис. 3.
- За допомогою подільника модулюючої напруги на еталоні встановлюється значення mе=100%К, наведені в таблиці, де К – множник, що встановлюється на подільнику (1,0;0,9;0,8;0,7;0,6;0,5;0,4;0,3;0,2;0,1).
- Встановлюються такі ж коефіцієнти АМ на установці К2-34 (у відповідності до її технічного опису).
- Проводиться компарування та визначення похибки установки К2-34 за виразом (4).
- Повірка проводиться на несучих частотах 4,10,25 і 100 МГц. На модулюючій частоті 1 кГц повірка проводиться при 5-6 значеннях множника (від 1 до 0,1), на інших модулюючих частотах (0,03;6;20;60;100 і 200 кГц) – при двох значеннях (див. таблицю).
- При повірці на державному еталоні і установці К2-34 виставляються однакові значення несучих і модулюючих частот.
- Порівнюються одержані значення c допустимим, наведеними в ТО установки і приймається рішення про відповідність (при повірці). При калібруванні одержані значення з протилежним знаком використовуються в якості поправок.
Таблиця 1
|
Несуча частота, МГц |
Модулююча частота, кГц |
Коефіцієнт АМ, % |
Отримане значення |
Допустиме значення % |
|
4;10;25;100 |
1 |
100 80 60 40 20 1 |
||
|
4 |
0,03 |
100 20 |
||
|
10 |
6 |
100 30 |
||
|
25 |
20 |
100 50 |
||
|
100 |
60 |
100 30 |
6.5 Контрольні запитання
Для допуску:
Для захисту:
4.Лабораторна робота №4.Державний первинний еталон одиниці електричної напруги високої частоти
Мета: Знайомство з принципом побудови і структурною схемою первинного еталона одиниці електричної напруги високої частоти, а також методикою повірки(калібрування) компенсаційних вольтметрів в діапазоні частот 30-1000мГц.
4.1 Методичні вказівки з організіції самостійної роботи
4.1.1 Завдання до самостійної роботи
Програма самостійної роботи включає знайомство з основними методами відтворення(точного вимірювання) змінної напруги, вивчення метода теплового компарування і шляхів його апаратурної реалізації в різних частотних діапазонах.
Студенти також повинні ознайомитись з принципом побудови державного первинного еталона електричної напруги високої частоти, його метрологічними характеристиками і вимірювальними процедурами, які виконуються на еталоні. Основні відомості про еталон наводяться нижче.
4.1.2 Основні методи точного вимірювання (відтворення) напруги змінного струму
Існує кілька методів точного вимірювання СКЗ змінної напруги Uск. Перший ґрунтується на дискретизації сигналу, вимірюванні миттєвих значень з наступною цифровою обробкою й обчисленні СКЗ. У цьому напрямку в останні роки досягнуто високі результати навіть у серійних приладах, наприклад, у HP3458A (фірма “Hewlett-Packard”, США), де найменша похибка не перевищує 0,01%.
Другий, придатний для чисто гармонічного чи іншого сигналу з точно відомою формою, полягає у вимірюванні амплітуди змінної напруги Um і наступному перерахуванні в СКЗ. Цей спосіб застосовується в компенсаційних вольтметрах, де в припущенні синусоїдальності напруги обчислюється СКЗ за формулою
.
Третій базується на компаруванні теплових енергій (потужностей) при поданні на термоперетворювач вимірюваної змінної і відомої постійної напруг.
Перші два способи мають ряд відомих недоліків і характерних джерел похибок, що обмежують їхню точність і можливості використання в еталонних засобах, тому найбільше поширення для точних вимірювань параметрів інтенсивності випромінювання будь-якого типу одержав метод теплового компарування. Відповідно до закону збереження енергії при повному поглинанні однакові кількості виділеного тепла відповідають однаковим енергіям незалежно від виду чи частоти випромінювання. На основі цього закону порівнюється енергія змінного струму з енергією постійного струму. Метод забезпечує єдність одиниць напруги (струму, потужності) при різних довжинах хвиль і їх прив'язку до тих же одиниць на постійному струмі, де вони визначаються з найвищою точністю.
У спрощеному вигляді структурну схему еталона, побудованого на цьому методі, можна подати у вигляді, наведеному на рис. 1. На еталонний термоперетворювач (ТП) почергово подається змінна напруга, яку треба виміряти і постійна напруга, значення якої може бути встановлене (виміряне) з необхідною точністю (наприклад, шляхом зв’язку з еталоном на ефекті Джозефсона).
При подачі на вхід ТП змінної напруги (перемикач П в положенні 1) фіксується термо-ЕРС на його виході, пропорційна . Потім на вхід ТП подається постійна напруга і регулюється її рівень до одержання термо-ЕРС на виході ТП, рівної . Тоді = . Термо-ЕРС і напруга вимірюються, як правило, компенсаційним методом за допомогою відповідних пристроїв, що входять до складу еталона (міри ЕРС, потенціометра, подільника напруги).
Рисунок 1 - Спрощена структурна схема еталона змінної напруги, заснованого на методі теплового компарування
Діапазон частот, у якому створюють еталони одиниці змінної напруги, становить від одиниць герц до 2-3 ГГц (вище цих частот вимірюють потужність). І хоча в усьому діапазоні цих частот використовується метод теплового компарування, його апаратурна реалізація в різних частотних піддіапазонах суттєво відрізняється. Так, у більшості еталонів у діапазоні до ~ 100 кГц використовуються багатоелементні термопари, на більш високих частотах і приблизно до 30 МГц найкращі результати одержано з використанням одноелементних вакуумних безконтактних термоперетворювачів (ТВБ). Вище 30 МГц застосовуються, як правило, терморезистори – болометри, термістори, які змінюють свій електричний опір при нагріванні. Одним з варіантів реалізації методу теплового компарування у ВЧ-діапазоні є використання в якості навантаження ТП безреактивного резистора (рис. 2). Існує також варіант методу теплового компарування, який полягає у вимірюванні ВЧ-потужності на відомому імпедансі і обчисленні ВЧ-напруги.
4.1.3. Державний первинний еталон одиниці ВЧ напруги України
Еталон побудовано за принципом теплового компарування (рис.1), але з оригінальною конструкцією теплоперетворювача (ТП)
Суть конструкції розробленого ТП полягає в тому, що для перетворення електричної енергії в теплову використовується безреактивний резистор (безкорпусний резистор SMD-типу). З боку, протилежному резистивному шару, приклеєно термістор, який перетворює теплову енергію в електричний параметр – зміну власного електричного опору.
Еквівалентну схему термоперетворювача наведено на рис. 2. Схематично конструкцію перетворювача показано на рис. 3.
Рисунок 2 - Еквівалентна схема ТП еталона: − навантажувальний резистор; − паразитна індуктивність резистора; − паразитна ємність, що характеризує електричний зв'язок між резистором і термістором (0,02 пФ)
Рисунок 3 - Конструкція ТП з резистором
На зріз коаксіальної лінії насаджений цанговий роз’єм, у який вмикається пробник вольтметра, що повіряється (на рисунку пробник не показано). Між обома провідниками коаксіальної лінії безпосередньо на самому зрізі впаяно безреактивний резистор, зображений прямокутником. З боку, протилежному резистивному шару, на керамічну підложку приклеєно термістор, який разом з резистором утворює терморезистор опосередкованого підігріву. Виводи термістора підключаються до пристрою реєстрації (за допомогою фільтруючих ланцюгів). Така конструкція забезпечує малу частотну залежність коефіцієнта перетворення, надійний тепловий контакт резистора з термістором і слабкий електричний зв'язок між ними.
Зазначимо, що паразитні ємності між виводами резистора, а також між виводами і корпусом принципово не впливають на частотні властивості термоперетворювача, оскільки ні змінний, ні постійний струм, які нагрівають резистор, через них не йдуть. Ці ємності лише додатково навантажують джерело сигналу. Таким чином, єдиним джерелом частотної похибки є власна реактивність (індуктивність ) навантажувального резистора, а еквівалентна схема має вигляд, зображений на рис. 4.
Рисунок 4 - Еквівалентна схема навантаження ТП
Розглянемо частотну похибку даного ТП, враховуючи, що термоперетворювач реагує на потужність сигналу. Значення потужності при подаванні постійної напруги дорівнює , при подаванні ВЧ-напруги
,
де − опір ТП постійному струму; − опір ВЧ-струму. Оскільки при тепловому компаруванні ми встановлюємо рівність теплових енергій (потужностей), то
або .
Розкладемо праву частину останнього виразу в ряд Тейлора, одержимо
;
; .
Частотна похибка () буде дорівнювати
.
Таким чином, для мінімізації частотної похибки треба використовувати резистор з мінімальним , а для кількісної оцінки цієї похибки еталона необхідно якимось чином оцінити значення . Перша задача вирішувалася шляхом вибору спеціального безкорпусного НВЧ резистора серії SMD, виготовленого за імпульсною технологією. Аналіз значень , одержаних різними методами і розрахунками, дозволяє оцінити її нижче за 1 нГн, а найбільш достовірне значення лежить в інтервалі 0,5-0,8 нГн.
Конструктивно термоперетворювач виконано таким чином, щоб забезпечити включення пробника вольтметра в потенціальну точку терморезистора і забезпечити мінімум реактансів схеми. ТП розміщений в масивному корпусі з термоізоляційних матеріалів (пінопласт, текстоліт) і являє собою термостат з додатковим терморегулюванням.
Реальна електрична схема ТП дещо відрізняється від еквівалентної.
Для запобігання спотворення структури електромагнітного поля в місці включення пробника використана симетричне включення терморезисторів в схему ТП (рис. 5).
Рисунок 5 - Електрична схема термоперетворювача.
Повну структурну схему еталона наведено на рис. 6.
Еталон має такі метрологічні характеристики:
діапазон частот від 30 до 1000 (2000) МГц;
діапазон напруг від 0,1 до 3 В;
відносна НСП від 1·10-4 до 2,6·10-3 (у залежності від частоти);
відносна СКВ від 2·10-4 до 5·10-4;
розширена невизначеність від 4·10-4 до 3·10-3.
Ці характеристики відповідають світовому рівню.
4.2 Лабораторне завдання
4.2.1 Ознайомитися зі структурною схемою еталона і конструкцією термоперетворювача еталона.
4.2.2 Вивчити методику повірки (калібрування) зразкового компенсаційного вольтметра(В3-49, В3-63) за допомогою державного еталона.
-4.2.3 Провести повірку (калібрування) вольтметра В3-63 на державному еталоні.
4.3 Методичні вказівки з виконання лабораторного завдання
4.3.1 Пункти 4.2.1 і 4.2.2 виконується шляхом вивчення літератури і п.4.1 даної лабораторної роботи.
4.3.2 Повірка (калібрування) вольтметра В3-63 виконується в такій послідовності:
Провести зовнішній огляд і опробування вольтметра В3-63 у відповідності до його експлуатаційної документації.
Поєднати вольтметр, що калібрується, з блоком термоперетворювачів ДЕТУ 09-05-04 у відповідності до рис. 7, тобто ввімкнути пробник вольтметра у відповідне гніздо блоку (0,1В; 1B; 3B)
Рисунок 7 – Схема підключення вольтметра до ДЕТУ 09-05-04.
Ввімкнути апаратуру та прогріти її не менш 1 години.
Встановити за допомогою органів керування державного еталону (у відповідності до ТО еталона) послідовні еталонні значення напруги Uет 0,3В; 1B; 3В на частоті 30 MГц.
Провести вимірювання цих напруг за допомогою вольтметра, що повіряється, у відповідності до його експлуатаційної документації (ЕД).
. Повторити ці операціі (п. 4.2.4, 4.2.5) на частотах 100МГц, 400МГц, 800МГц, 1000МГц.
Скоригувати результати вимірювань шляхом вилучення частотної похибки (введенням поправки у відповідності до ЕД). Дійсне значення виміряноЇ напруги обчислити за формулою:
, (1)
де U - показ вольтметра;
θ% – похибка вимірювання напруги (з урахуванням знака), що наведена в документації на вольтметр (рис 8).
Значення Qср визначаються за графіком, що наведений в ЕД на вольтметр.
Таблиця 1
|
Uет, В |
Дійсне значення напруги Uд на частотах |
||||
|
30 МГц |
100 МГц |
400 МГц |
800 МГц |
1000 МГц |
|
|
0,3 |
|||||
|
1 |
|||||
|
3 |
Таблиця 2
|
Uет, В |
Похибка вольтметра δ% на частотах |
||||
|
30 МГц |
100 МГц |
400 МГц |
800 МГц |
1000 МГц |
|
|
0,3 |
|||||
|
1 |
|||||
|
3 |
Рисунок 8 – Типова частотна характеристика вольтметра В3-63.
Результати занести до таблиці 1 протокола калібрування.
Визначити похибки вольтметра для всіх значень напруг і частот за формулою:
(2)
Результати занести до табл. 2.
Розрахувати відносну стандартну невизначеність калібрування за формулою:
(3)
Де Uет – стандартна невизначеність відтворення одиниці еталоном ДЕТУ 09-05-04 (від 2·10-4 до 1·10-3 в залежності від частоти);
- стандартна невизначеність типу А передачі розміру одиниці, джерелом якої є випадкові похибки еталона і метода передачі (оцінюється значенням 5·10-4);
- стандартна невизначеність типу В передачі розміру одиниці, джерелом якої є нелінійні спотворення Кг сигналу еталона (оцінюється значенням ≤0,1%).
Розрахувати розширену невизначеність калібрування при довірчій ймовірності Р= 0,95 за формулою
.
4.4 Контрольні запитання
Для допуску:
Для прийому:
NIST – національний інститут стандартів і технологій США.
NPL – Національна фізична лабораторія Англії