福祿克專家說：直流比率

本文深入探討了比率裝置與非比率定標技術(shù)在計量學中的應(yīng)用與重要性，通過詳細闡述各種定標實驗、比率實驗及非比率實驗方法，如串聯(lián)電池設(shè)置、布魯斯·菲爾德法、直流電流標定及量子標準化方法等，為讀者提供了根據(jù)特定需求挑選適用技術(shù)的全面指導。

今天將非常詳細地介紹一些比率裝置和非比率定標技術(shù)，使讀者可以根據(jù)他們特定的需要來判斷其適用性。

在90年代，人們從事計量學工作的方式是，通過仔細的工作建立基本單位，如歐姆、伏特、法拉等，然后再用定標實驗來擴展其應(yīng)用范圍。定標就是給量建立一個標尺，其內(nèi)容是建立基本單位的精確已知的倍數(shù)。在電學計量中，最常用的定標技術(shù)是比率。比率就是從某一等級的一個量，按比例求出同一個量另一個等級的數(shù)值。

由于沒有國家的比率標準作為依據(jù)來校準其它的比率標準，所以對比率裝置的評定是一種獨立的實驗。比率實驗必須周密地設(shè)計和實施，以便考慮到實驗中所有重要的偏差來源。作為量的一個值和另一個值之間關(guān)系的表達式，比率是無量綱的。

人們一直有一種傾向，認為比率裝置不需要校準，對它沒有溯源性的要求。這是不對的，因為要可以準確地、精密地實現(xiàn)某一個量的某一給定的比率，需要適當?shù)脑O(shè)備、環(huán)境和技術(shù)。所以，謹慎的計量學家會通過對比率裝置進行校準，或者與別的比率裝置校準過的其它設(shè)備進行比較，來校驗比率的準確度。

非比率定標技術(shù)

用非比率實驗建立基本量的倍數(shù)的經(jīng)典例子，是如圖9-l所示的用來得到標準千克的倍數(shù)和分數(shù)的比較實驗。

▲ 圖9-1 定標和比率

串聯(lián)電池

電學計量中的一個例子是，使用幾個標準電池串聯(lián)起來，以建立一個等于標準電池平均電壓n倍的電壓。然后，使用開爾文-瓦利分壓器(福祿克公司的720A)，用這個已知電壓來對另一個10V電平的電壓進行標定(stand-ardize)。見圖9—2。

▲ 圖9—2串聯(lián)電池設(shè)置

這個標定的過程如下：

1.將10V電壓源預(yù)先調(diào)節(jié)到10V±0.01%

2.將開爾文-瓦利分壓器的度盤設(shè)置為

式中：∑Vcell=9個標準電池的證書電壓之和，大約為9.16V。

3.在開爾文-瓦利分壓器和串聯(lián)電池之間連接檢零計。

4.調(diào)節(jié)10V電壓源，在檢零計上獲得檢零指示。

這種方法有幾個問題。開爾文-瓦利分壓器不具有足夠的分辨度，用來驅(qū)動開爾文-瓦利分壓器的電壓源引入了附加的噪音和漂移。而且，最重要的是，串聯(lián)疊加的標準電池會引入附加的泄漏通路，這就使得電池串聯(lián)后得到的電壓和電池電壓之和不相同。

布魯斯·菲爾德法

1985年6月，NIST的布魯斯·菲爾德(Bruce Field)博士報告了另一種通過累積電壓來建立接近10 V的已知電壓的方法。他首先把10個1 kΩ的電阻器串聯(lián)，在這些電阻器的11個連接點都有電壓抽頭。見圖9—3。

▲ 圖9-3 布魯斯·菲爾德博士的分壓器

將一個穩(wěn)定的10.18 V的電壓源(經(jīng)過改制的福祿克公司的732A)接到該電阻器串的輸入端，使得每個電阻器上的電壓大約為1.018 V。

然后，用差分測量的方法，將每個電阻器上的電壓和4個準確已知的標準電池的電壓一一進行比較。由于該差動被測電壓在微伏的數(shù)量級，所以DMM的準確度對測量結(jié)果沒有很大的影響。

完成這些測試以后，布魯斯·菲爾德博士就有了一組精密已知的電壓，其電壓范圍從l.018 V到10.18 V，步進值為l.018 V。這樣就可以用這組電壓來校準這個范圍內(nèi)的其它非標準電壓，并曾用來校驗DMM的線性度。菲爾德的這個方法曾用作NIST校準服務(wù)的基礎(chǔ)，可以在10 V電平提供0.3ppm的不確定度。

注意，在測量10 V的標準時，DMM只需要測量大約0.18 V的電壓，此電壓值不到總電壓的2%。在線性度已知的情況下，校準到幾個ppm的DMM對于測量準確度沒有很大的影響。

使用阻值為主分壓器的電阻器阻值的十分之一的電阻器，可以構(gòu)成第二個十進分壓器。通過和一個單個電阻器兩端的電壓降進行比較[1]”，就可以校準第二個十進分壓器。在此情況下，電阻器串上的總電壓是已知的，而單個電壓可以從差值電壓計算出來。

從原理上說，累積技術(shù)可以用來產(chǎn)生電阻標準的倍數(shù)和分數(shù)。然而，由于有很多問題，這種技術(shù)不常用于高準確度的測量工作。對于按4端電阻來進行測量的電阻器來說，接觸電阻和連接導線的電阻都是問題。對于大于1 MΩ的電阻器來說，1012Ω數(shù)量級的泄漏電阻將引起1ppm水平的偏差。

直流電流的標定

用累積的方法擴展測量范圍的最后一個例子，是直流電流的標定(standardizing)。通常，直流電流的標定是通過測量一個已知的高準確度電阻器上的電壓降來進行的。如果被測的電流不大于校準該電阻器時所用的電流，那么這種方法是很有效的。

然而，在電流更大的情況下，電阻器的功率系數(shù)和電壓系數(shù)都可能產(chǎn)生問題。使被測電流流過幾個互相并聯(lián)的準確已知的電阻器，然后再測量每個電阻器上的電壓降，就可以避免這個問題，見圖9-4。

▲ 圖9-4 分流的方法

這時，電流的分配情況決定于每個電阻器的電阻值和在連接時引入的附加的接觸電阻和連接電阻的數(shù)值。用這種方法可以準確地確定電路中每個支路的電流。在沒有明顯泄漏電阻影響的情況下，各個支路電流之和一定等于總的電流。還可以把這個實驗擴展到在更大電流下校準單個電阻器，這為以后的測量提供了一個更簡單的實驗方法。

量子標準化方法

另一種非比率的替代方法，是使用量子標準來得到基本單位的倍數(shù)和分數(shù)。當代最顯著的例子就是最初在N1ST研究出來的約瑟夫遜結(jié)陣列電壓標準。這種裝置可以產(chǎn)生±l00 μV到±10 V范圍內(nèi)的精確已知的電壓。這種裝置的一項應(yīng)用是準確地校準電壓和電阻的比率。

當比率大于100:1時，因為找不到合適的檢零計，使用約瑟夫遜陣列的方法受到限制。將來，可能采用超導量子干涉器件(SQUID)檢測器來擴展其使用的范圍。這種檢測器在大約4K的溫度之下工作，并且實際上不受限制普通室溫檢測器性能的約翰遜噪音和其它噪音的影響。