Metrologia Elektryczna i Elektroniczna
Podstawowe pojęcia metrologiczne, jednostki miar, wzorce
Analiza błędów i niepewności wyników pomiarów, opracowywanie wyników
pomiarów
Metody pomiaru podstawowych parametrów sygnałów
Metody pomiaru rezystancji, pojemności, indukcyjności, impedancji
Metody mostkowe i kompensacyjne
Pomiary częstotliwości, okresu i czasu
Analogowe przetwarzanie sygnałów
Oscyloskopy analogowe i cyfrowe, budowa, zastosowanie w pomiarach
Multimetry analogowe i cyfrowe, budowa, zastosowanie w pomiarach
Literatura
1. Dusza J., Gortat G., Leśniewski A.: Podstawy Miernictwa, Oficyna Wydawnicza
PW, Warszawa, 2002
2. Tumański Sł.: Technika pomiarowa, WNT, Warszawa , 2007
3. Stabrowski M.: Cyfrowe przyrzÄ…dy pomiarowe, PWN, Warszawa, 2002
4. Gołębiowski J.: Systemy kontrolno-pomiarowe,Wydawnictwo PA
, A
ódz
,2009
5. Miłek M.: Pomiary wielkości nieelektrycznych metodami elektrycznymi, Wyd.
Politechniki Zielogórskiej, Zielonagóra, 1998,
6. Sidor T.: Elektroniczne przetworniki pomiarowe, AGH Uczelniane Wyd.
Naukowo-Dydaktyczne, Kraków, 2006,.
7. Zieliński T.: Cyfrowe przetwarzanie sygnałów, WKiA
, Warszawa, 2007
Metrologia jest definiowana jako:  wiedza o pomiarach, obejmujÄ…ca
wszystkie zagadnienia pomiarowe niezależnie od rodzaju wielkości
mierzonej i dokładności pomiaru; miernictwo".
Metrologia ma do spełnienia trzy ściśle ze sobą związane grupy zadań:
- zadania naukowe,
- zadania urzędowo-prawne,
-zadania wynikające z udziału w procesach produkcji.
Zadania naukowe metrologii obejmują następujące zagadnienia:
- ustalenie podstawowych pojęć metrologicznych, terminologii
i symbolistyki,
- opracowanie podstaw teorii mierzenia i zasad budowy przyrządów
i urządzeń pomiarowych,
- opracowanie kryteriów oceny dokładności otrzymywanych wyników
pomiarów,
- prace nad jednostkami miar - doskonalenie układu jednostek,
realizację, ochronę i doskonalenie podstawowych wzorców wielkości
fizycznych,
- opracowanie systemu przekazywania jednostek miar od wzorców
podstawowych do narzędzi kontrolnych i użytkowych,
Zadania metrologii wynikające z jej udziału w procesach produkcji
przemysłowej, to:
-ustalenie dokładnych danych dotyczących właściwości technicznych
surowców i materiałów produkcyjnych,
-wprowadzanie metod racjonalnego projektowania wyrobów, wprowadzanie
technicznie i ekonomicznie uzasadnionych procesów technologicznych,
- opracowanie zadań i struktury organizacyjnej nowoczesnej kontroli jakości,
ISTOTA POMIARU - POJ
CIA PODSTAWOWE
Pomiar jest zbiorem operacji mających na celu określenie wartości wielkości
mierzonej. Według metrologii stosowanej definicja pomiaru jest następująca:
 Pomiar jest to proces poznawczy polegający na porównaniu z odpowiednią
dokładnością (w danej chwili i w danych warunkach) wartości wielkości
mierzonej z pewną jej wartością przyjętą za jednostkę miary".
W wyniku pomiaru następuje przyporządkowanie badanym cechom
przedmiotów lub zjawisk pewnej miary liczbowej, wyrażającej stosunek
wielkości mierzonej do jej jednostki. Stosunek ten jest nazywany wartością
wielkości mierzonej. Definicje pojęć występujących w definicji pomiaru są
następujące:
Wartość wielkości mierzonej jest to liczba wyrażająca stosunek wielkości
mierzonej do jej jednostki.
Wielkość mierzona (metrologiczna), jest to cecha zjawiska, ciała lub
substancji, rozróżnialna jakościowo i możliwa do określenia ilościowo.
Jednostka miary jest to umownie przyjęta wartość danej wielkości, służąca do
porównywania ze sobą innych wartości tej samej wielkości.
Pomiar określa stan badanej wielkości w pewnej chwili czasowej i w
określonych warunkach zewnętrznych.
Przyrządy pomiarowe podlegają kontroli metrologicznej organów administracji
miar w formie:
legalizacji
uwierzytelnienia
zatwierdzenia typu
Legalizacja jest sprawdzeniem, stwierdzeniem i poświadczeniem przez organ
administracji miar, że przyrząd spełnia wymagania przepisów
metrologicznych. Dowodem legalizacji jest cecha legalizacyjna
umieszczona na przyrządzie lub świadectwo legalizacyjne. Przyrządy
pomiarowe powinny być zgłaszane do legalizacji pierwotnej przez
wytwórcę, sprzedawcę lub importera (rozliczenia finansowe) przed
wprowadzeniem ich do obrotu lub użytkowania.
Uwierzytelnienie jest sprawdzeniem, stwierdzeniem i poświadczeniem, że
przyrząd pomiarowy spełnia wymagania metrologiczne ustalone w
przepisach, normach, zaleceniach międzynarodowych lub właściwych
dokumentach, a jego wskazania zostały odniesione do państwowych
wzorców jednostek miar.
Obowiązkowi uwierzytelnienia podlegają przyrządy pomiarowe określone
przez prezesa GUM, mające znaczenie dla bezpieczeństwa życia, ochrony
zdrowia i środowiska.
Prezes GUM określa okres ważności uwierzytelnienia.
Przyrządy pomiarowe zalegalizowane uważa się za odpowiadające
uwierzytelnieniu.
Przyrządy pomiarowe podlegające legalizacji lub uwierzytelnieniu, a także inne
przyrządy pomiarowe określone przez prezesa GUM, podlegają zatwierdzeniu
typu.
Przez typ przyrzÄ…du pomiarowego rozumie siÄ™ ostatecznÄ… realizacjÄ™ w
wykonaniu określonego wytwórcy - przyrządu pomiarowego, którego wszystkie
elementy mające wpływ na właściwości metrologiczne zostały określone w
dokumentacji.
Decyzje zatwierdzenia typu są podejmowane na podstawie badań prototypów lub
egzemplarzy produkcyjnych tych przyrządów sprawdzających zgodność z
wymaganiami zawartymi w przepisach metrologicznych, normach, zaleceniach
międzynarodowych lub innych właściwych dokumentach.
Przyrządom, które uzyskały zatwierdzenie typu prezes GUM może nadać znak
typu.
Znak typu składa się z dużych liter RP i T, dwóch ostatnich cyfr roku, w którym
nadano typ przyrzÄ…du pomiarowego i kolejnego numeru znaku.
(Np. RP T 97 5, gdzie 97 - sÄ… dwiema cyframi roku 1997, a 5 jest kolejnym
numerem nadanego znaku typu).
Większość przyrządów pomiarowych nie podlega legalizacji ani
obowiÄ…zkowi uwierzytelnienia lecz prawie wszystkie przyrzÄ…dy pomiarowe
podlegajÄ… obowiÄ…zkowi zatwierdzenia typu.
UKA
AD JEDNOSTEK MIAR
Tworzy się układy jednostek, w których jednostki miar wszystkich wielkości
powinny być jednoznaczne oraz łatwo odtwarzalne.
W procesie tworzenia układu jednostek tworzy się zbiór wszystkich wielkości
występujących w tych dziedzinach wiedzy, do których będzie stosowany układ.
Zbiór wszystkich wielkości występujących w równaniach danej dziedziny wiedzy
nazywa się układem wielkości.
Spośród wielkości należących do układu wyróżnia się kilka wielkości, które
umownie przyjmuje się za wielkości podstawowe.
Każda wielkość podstawowa winna spełniać dwa warunki:
" W definicji wielkości podstawowej nie mogą występować pozostałe wielkości
podstawowe.
Wielkość pochodna jest to wielkość określona za pomocą wielkości
podstawowych.
Wielkościom układu przypisuje się jednostki miary; przy tym, jednostki
przypisane wielkościom podstawowym nazywa się jednostkami
podstawowymi, a jednostki miar wielkości pochodnych odpowiednio -
jednostkami pochodnymi
Uporządkowany zbiór jednostek miar określonego układu wielkości stanowi
układ jednostek miar.
Obecnie w większości krajów świata, w tym również i w Polsce obowiązuje
Międzynarodowy Układ Jednostek Miar SI (Systeme International d'Unites)
w skrócie SI.
W układzie SI wyróżniono siedem wielkości i jednostek podstawowych oraz
dwie wielkości i jednostki uzupełniające.
Metr jest to długość drogi przebytej w próżni przez światło w czasie równym
1/ 299 792 458 sekundy
Kilogram - jednostka masy nie doczekał się dotychczas wzorca atomowego,
jakkolwiek istnieje propozycja wykorzystania do tego celu izotopu węgla C12
(jako masę 50259,36217*1021 atomów tego izotopu). Nadal obowiązuje więc
klasyczna definicja.
Kilogram jest masą międzynarodowego wzorca tej jednostki, przechowywanego
w Międzynarodowym Biurze Miar i Wag pod Paryżem.
Zgodnie z tendencjÄ… do wykorzystywania zjawisk atomowych obecnie sekundÄ™
odwzorowuje siÄ™ za pomocÄ… tak zwanego  wzorca cezowego", a definicja
sekundy jest następująca.
Sekunda jest czasem trwania 9 192 631 770 okresów promieniowania
odpowiadającego przejściu między dwoma poziomami nadsubtelnymi stanu
podstawowego atomu Cs (cezu 133).
Jednostka natężenia prądu - amper jest definiowana w oparciu o prawo Ampere'a
dotyczące wzajemnego oddziaływania dwóch przewodów wiodących prąd.
Amper jest natężeniem prądu elektrycznego, nie ulegającego żadnym zmianom,
który - płynąc w dwóch przewodach równoległych, prostoliniowych, nieskończenie
długich, o przekroju kołowym znikomo małym, umieszczonych w próżni w
odległości 1 m od siebie - wytwarza miedzy tymi przewodami siłę 2*10-7 N na
każdy metr długości przewodu.
Do odwzorowania wzorca ampera wykorzystuje się tzw.  wagę prądową", w której
do wytworzenia siły powodującej wychylenie belki wagi wykorzystuje się wzajemne
oddziaływanie dwu połączonych szeregowo cewek (ruchomej i nieruchomej),
przez które płynie prąd.
Jednostka temperatury - Kelwin - jest definiowany jako jednostka
termodynamicznej (rozpoczynającej się od zera bezwzględnego) skali temperatur.
Kelwin jest częścią temperatury termodynamicznej punktu potrójnego wody
273,16 .
Punkt potrójny wody oznacza stan wody przy takich ciśnieniu i temperaturze, że
występuje ona w trzech stanach: stałym, ciekłym i gazowym.
Ten przypadek zachodzi przy temperaturze równej 273,16 K (0,01°C) i ciÅ›nieniu
równym 631,163 N/m2.
Ponieważ Kelwin jest równy stosowanemu dotąd stopniowi Celsjusza,
dopuszczalne jest przejściowo stosownie skali Celsjusza.
Wzorce jednostek miar są to narzędzia pomiarowe lub układy pomiarowe
przeznaczone do zdefiniowania, zrealizowania, zachowania lub odtworzenia
jednostki miary lub jej wielokrotności.
Wzorzec jednostki miary, który jest ustalony lub powszechnie uznany jako
charakteryzujący się najwyższą jakością metrologiczną i którego wartość jest
przyjęta bez odniesienia do innych wzorców miary tej samej wielkości jest
nazywany wzorcem pierwotnym.
Wzorzec jednostki miary, którego wartość jest uzyskana przez porównanie z
wzorcem pierwotnym jednostki miary tej samej wielkości jest nazywany wzorcem
wtórnym.
Wzorzec odniesienia (wzorce międzynarodowe, państwowe) jest to wzorzec
jednostki miary o najwyższej jakości metrologicznej w danym miejscu lub danej
organizacji, który stanowi odniesienie dla wykonywanych tam pomiarów.
Wzorzec roboczy jest to wzorzec jednostki miary używany do wzorcowania lub
sprawdzania przyrządów pomiarowych.
W technice pomiarów wielkości elektrycznych, z największą precyzją
odtwarzane są jednostki miary następujących wielkości:
siły elektromotorycznej (napięcia),
rezystancji,
pojemności,
indukcyjności własnej i wzajemnej,
częstotliwości
WZORCE SIA
Y ELEKTROMOTORYCZNEJ I NAPI
CIA
Ogniwo Westona
Wzorcem napięcia stałego (siły elektromotorycznej) są ogniwa chemiczne
Westona. Budowane sÄ… dwa typy ogniw: nasycone i nienasycone.
Ogniwo nasycone Westona mieści się w szklanym naczyniu o kształcie zbliżonym
do litery H.
Elektrodami ogniwa sÄ… druty platynowe wtopione w ramiona naczynia.
Biegunem dodatnim ogniwa jest rtęć (Hg), biegunem ujemnym - amalgamat
kadmu (Cd-Hg).
Elektrolitem jest nasycony wodny roztwór siarczanu kadmowego (CdS04 ) z
nadmiarem kryształów siarczanu kadmu (3CdS04 +8H20).
Wartość siły elektromotorycznej ogniwa wzorcowego jest zależna od temperatury.
Wartość charakterystyczną siły elektromotorycznej ogniwa w temperaturze T
różnej od temperatury znamionowej T1.
E = E1 +a (T- T1 ) + b (T- T1)2 +c (T- T1 ) 3
w którym: E1 - wartość uwierzytelniona, czyli wartość rzeczywista siły
elektromotorycznej, podana w świadectwie sprawdzenia, T1 - temperatura
znamionowa, T - temperatura ogniwa, a, b, c - stałe, określone oddzielnie dla
każdego ogniwa, podane w świadectwie sprawdzenia.
E1 dla temperatury 200 C wynosi od 1,018540 do 1,018730 V (w zależności od
materiałów).
Dla ogniw nasyconych norma rozróżnia sześć klas dokładności oznaczonych
symbolami:
0,0002; 0,0005; 0,001; 0,002; 0,005; 0,001
lub odpowiednio
2ppm; 5ppm; 1Oppm; 20ppm; 50ppm; 1OOppm.
Ogniwa nienasycone budowane są w czterech klasach dokładności
0,002; 0,005; 0,01; 0,02
y
ródła wzorcowe wykorzystujące efekt Josephsona
Podstawową wadą ogniw Westona jako wzorców jest to, ze właściwości zależą
od użytych materiałów i technologii wykonania.
Ponadto ich parametry silnie zależą od wpływu warunków otoczenia, a przede
wszystkim zmian temperatury i przyspieszeń.
Dlatego dąży się do zdefiniowania jednostki napięcia na podstawie zjawisk
molekularnych jako powszechnych, praktycznie niezmiennych i prawie nie
podlegających wpływom zmian warunków otoczenia.
W tym celu prowadzone są intensywne prace nad wykorzystaniem właściwości
złącza Josephsona.
Złącze Josephsona składa się z dwóch nadprzewodników rozdzielonych cienką
warstwÄ… dielektryka 1-2 nm.
W temperaturze ciekłego helu 4,2K przez warstwę dielektryczną może
przepływać prąd tunelowy, będący sumą prądu pojedynczych elektronów i
elektronów związanych w pary.
Prąd par elektronowych i jego oddziaływanie z zewnętrznymi wymuszeniami
nadaje złączu wiele interesujących właściwości.
Stałoprądowy efekt Josephsona polega na tym, że przez złącze może
przepływać prąd stały o wartości mniejszej od pewnej wartości krytycznej Ik
nie wywołując spadku napięcia na złączu.
Przemiennoprądowy wewnętrzny efekt Josephsona występuje w przypadku
umieszczenia złącza spolaryzowanego prądem stałym o wartości większej od
wartości krytycznej w słabym (1 mT) stałym polu magnetycznym.
Interesujący z punktu widzenia przydatności złącza do budowy wzorców
napięcia jest przemiennoprądowy zewnętrzny efekt Josephsona. Efekt ten
występuje po umieszczeniu złącza w polu elektromagnetycznym wielkiej
częstotliwości fs . W tym przypadku charakterystyka prądowo-napięciowa
złącza przybiera kształt schodkowy.
2e
nfs = Un
h
Zależność wiąże częstotliwość
pola elektromagnetycznego fs z
napięciem przez stosunek stałych
fizycznych e i h
Elektroniczne wzorce napięcia stałego
Ogniwo Westona jako z
ródło napięcia wzorcowego jest mało praktyczne. Mała
wartość SEM, niemożność obciążania prądem, delikatna budowa - to wady, które
powodują, że coraz częściej jako wzorce użytkowe stosuje się elektroniczne
z
ródła napięcia stałego z diodami Zenera.
Dioda krzemowa Zenera jest złączem półprzewodnikowym typu p-n o
charakterystyce prądowo-napięciowej jak na rysunku .
Charakterystyka
prądowo-napięciowa
diody Zenera.
Ważnymi parametrami diod Zenera są: współczynnik stabilizacji Sd , rezystancja
dynamiczna Rd i współczynnik temperaturowy napięcia stabilizacji ąT .
Współczynnik stabilizacji wyraża stosunek względnych zmian prądu płynącego
przez diodę do wywołanych przez nie względnych zmian spadku napięcia na
diodzie
"Iz
Iz
Sd =
"Uz
Uz
1 "Uz
Ä…T =
UT "T
Rys. Zależność współczynnika temperaturowego od napięcia Zenera
Obecnie na świecie wytwarza się półprzewodnikowe z
ródła napięcia o stabilności
rocznej dla z
ródeł o wartości 1,018V około2 ppm, a dla z
ródeł 10V około 1 ppm.
Kalibratory napięcia stałego budowane są jako elektroniczne sterowane z
ródła
napięcia stałego, w których wykorzystuje się właściwości wyselekcjonowanych
diod Zenera.
Umożliwiają one otrzymywanie żądanej wartości napięcia z określoną
dokładnością bez konieczności mierzenia i ręcznego korygowania nastawień.
Budowane są jako wielozakresowe wzorce użytkowe - np. kalibrator firmy
Siemens typu D2300 umożliwia nastawienie napięć w zakresie 0-1000V w
czterech podzakresach: 0-1V, 0-10V, 0-100V i 0-1000V, w stopniach co 0,0001
wartości podzakresu.
Dopuszczalny pobór prądu dla zakresu pierwszego i drugiego wynosi 1OOmA,
dla trzeciego 1OmA, dla czwartego zaÅ› 1mA.
BÅ‚Ä…d podstawowy kalibratora nie przekracza Ä…0,008%.
Budowane są również precyzyjne kalibratory napięcia przemiennego.
Zwykle wykonywane jako uniwersalne, wielofunkcyjne i wielozakresowe wzorce
napięć stałych i przemiennych o różnych zakresach częstotliwości.
Do czołowych firm produkujących te kalibratory należą: J. Fluke, Hewlett-
Packard, Siemens, Datron .
WZORCE REZYSTANCJI
Wzorcami rezystancji są bardzo starannie wykonane i dokładnie wywzorcowane
oporniki z drutów i taśm rezystancyjnych.
Materiał oporowy z którego wykonuje się wzorce powinien się charakteryzować
poniższymi właściwościami:
- duża rezystywność;
- mały współczynnik temperaturowy,
- mała siła termoelektryczna w styku z miedzią,
- stałość oporu w czasie,
- duża wytrzymałość mechaniczna i cieplna.
Materiałami spełniającymi te wymagania są stopy miedzi, znane pod nazwami
handlowymi manganin i nikrothal.
manganin nikrothal
współczynnik temperaturowy < 2 " 10-5 K-1 < 1 " 10-5 K-1
rezystancji
rezystywność ok. 43*10-8 &! m ok. 133*10-8 &! m
napięcie termoelektryczne ok. 1źV/K ok. 2 ź V/K
w/m miedzi
Dla zapewnienia stałości rezystancji w czasie przeprowadza się sztuczne lub
naturalne starzenie materiału oporowego. Starzenie sztuczne polega na
wygrzewaniu materiaÅ‚u przez kilkadziesiÄ…t godzin w temperaturze (100-150)°C.
Oporniki wzorcowe powinny mieć następujące właściwości:
dużą dokładność, stałość rezystancji w czasie, mała siła elektromotoryczna w styku
z miedzią, mała zależność rezystancji od częstotliwości, kąt przesunięcia fazowego
bliski zeru.
Ostanie dwa wymagania dotyczą wzorców pracujących w układach prądu
przemiennego.
Rys. Schemat zastępczy opornika
Zmniejszenie indukcyjności resztkowej można uzyskać stosując uzwojenie
bifilarne. Przewód oporowy tworzy długą pętlę o małej powierzchni. Kierunki
prądu w przewodach leżących obok siebie są przeciwne, tak jak pokazano na
rys.
Przy nawinięciu bifilarnym opornik charakteryzuje się dużą pojemnością,
dlatego ten sposób nawinięcia można stosować w opornikach o rezystancji
mniejszej lub równej 100 &!.
W opornikach o większej rezystancji stosuje się uzwojenie Chaperona.
Uzwojenie to jest nawinięte w kilku sekcjach na korpusie w kształcie walca,
W zależności od wartości błędów podstawowych norma PN-90/06509
rozróżnia 9 klas dokładności oporników wzorcowych, o wskaz
nikach:
0,0005; 0,001; 0,002; 0,005; 0,01; 0,02; 0,05; 0,1 i 0.2.
Przy tym, wskaz
nik klasy jest równy liczbowo wartości granicznej błędu
podstawowego wyrażonego w procentach lub ppm.
Np. dla opornika klasy 0,0005 błąd podstawowy wyznaczony w warunkach
odniesienia nie powinien przekraczać ą0,0005%, (lub ą5 ppm), dla opornika
klasy 0,001 nie powinien przekraczać ą10 ppm itd.
Schemat elektryczny opornika wzorcowego; 1,2 -zaciski prÄ…dowe,
3,4 - zaciski napięciowe.
Oporniki wzorcowe mają dwie pary zacisków: dwa zaciski prądowe i dwa
zaciski napięciowe.
Zaciski prądowe służą do doprowadzenia prądu do opornika, zaś zaciski
napięciowe - do pomiaru napięcia na oporniku.
Rezystancja opornika jest zawarta między zaciskami napięciowymi.
Oporniki dekadowe z przełącznikiem obrotowym mają 10 lub 9 jednakowych
elementów oporowych połączonych ze sobą szeregowo.
Przedstawiono układ połączeń opornika cztero-dekadowego.
Układ połączeń opornika dekadowego z przełącznikiem obrotowym
Wzorcami pojemności są kondensatory wzorcowe.
Kondensatorom tym stawia się następujące wymagania:
dokładna wartość pojemności, stałość pojemności w czasie, niezależność
pojemności od temperatury, niezależność pojemności od częstotliwości, mały
współczynnik stratności.
Wymagania te najlepiej spełniają kondensatory powietrzne i próżniowe o
prostych geometrycznie kształtach.
Są to wzorce liczalne, tj. kondensatory wzorcowe, których pojemność jest
obliczana na podstawie wymiarów geometrycznych, wyznaczonych z dużą
dokładnością oraz znajomości stałej dielektrycznej próżni.
Najczęściej są to kondensatory płaskie o kolistym kształcie elektrod lub
kondensatory cylindryczne.
Schemat zastępczy ekranowanego wzorca pojemności
Schematy zastępcze kondensatora  równoległy , szeregowy
Budowane są powietrzne kondensatory wzorcowe o wartościach pojemności
od kilku pF do 1OOOO pF.
Wzorce odniesienia odtwarzają jednostkę pojemności z błędem względnym
10-5 % (0,1 ppm).
Roczne względne zmiany pojemności kondensatorów wzorcowych wynoszą
0,2ppm.
Zmianę pojemności pod wpływem temperatury określa współczynnik temperaturowy
pojemności, który dla kondensatorów wzorcowych jest rzędu ok. 10-6 /K.
Kondensatory powietrzne są budowane na napięcia znamionowe: 250V- 500kV.
Wadą kondensatorów powietrznych jest mała wartość pojemności przy jednocześnie
dużych wymiarach.
Kondensatory wzorcowe o pojemnościach większych od 1OOOOpF są budowane z
dielektrykiem mikowym.
Dzięki dużej przenikalności dielektrycznej oraz dużej wytrzymałości na przebicie,
wymiary i masa wzorców mikowych są znacznie mniejsze niż wzorców powietrznych.
Obecnie buduje się wzorce polistyrenowe ( styrofleksowe ), których właściwości są
zbliżone do właściwości kondensatorów mikowych.
Schemat połączeń dekady pojemności
Wzorcami indukcyjności własnej są cewki nawinięte jedno- lub wielowarstwowo
na korpusach z materiałów o minimalnym współczynniku rozszerzalności
temperaturowej, np. z marmuru, porcelany lub szkła.
Ze względu na zjawisko naskórkowości cewki nawijane są przewodem skręconym
z wielu cienkich przewodów miedzianych (tzw. licą), izolowanych emalią lub
jedwabiem.
Wzorce te należą do wzorców liczalnych tzn. takich, których wartość można
obliczyć na podstawie liczby zwojów i wymiarów geometrycznych uzwojenia.
Budowane są wzorce indukcyjności o wartościach od 10 źH do 10H.
Błąd względny odtworzenia jednostki przez wzorzec odniesienia wynosi 5*10-4 %,
(5 ppm).
Błędy wzorców użytkowych nie przekraczają zwykle 0,02%.
Względne zmiany indukcyjności na skutek zmian temperatury (zmiana wymiarów
geometrycznych ) są mniejsze niż 4 ppm/K.
Indukcyjność wzorca zależy od częstotliwości.
Jest to wywołane przede wszystkim przez pojemności międzyzwojowe oraz w
mniejszym stopniu - przez prÄ…dy wirowe i straty dielektryczne w izolacji.
Pojemności między zwojami można przedstawić w uproszczeniu jako
pojemność skupioną włączoną między zaciski wzorca.
Schemat zastępczy wzorca indukcyjności jest więc taki sam jak schemat
zastępczy opornika wzorcowego.
Wzorce indukcyjności powinny być używane przy częstotliwościach znacznie
mniejszych niż częstotliwość rezonansowa.
Zwykle wartość indukcyjności wzorca jest podawana dla konkretnej częstotliwości,
najczęściej dla 1 kHz. orca jest podawana dla konkretnej częstotliwości, najczęściej
dla 1 kHz.
Jednym z parametrów charakteryzujących jakość wzorców indukcyjności jest
dobroć Q, obliczana według wzoru
Schemat zastępczy wzorca indukcyjności własnej
Układ połączeń dla dekady indukcyjnej
Cezowy wzorzec częstotliwości
Cezowy wzorzec częstotliwości realizuje fizyczną definicję sekundy, czyli
jednostki czasu, a zarazem jest wzorcem częstotliwości ponieważ
częstotliwość jest powiązana prostą zależnością z czasem.
Sekunda jest to czas równy 9192631770 okresów drgań pola
elektromagnetycznego jednoznacznie odwzorowującego przejście między
stanami energetycznymi F=4 i F=3 swobodnych atomów cezu 133.
Zgodnie z powyższą definicją, wzorzec ten pracuje na zasadzie porównania
częstotliwości drgań bardzo stabilnego generatora kwarcowego z
częstotliwością rezonansową linii absorbcyjnej atomów cezu.
Linia ta jest uzyskiwana w spektrometrze masowym, przez który przebiega
wiązka atomów tego pierwiastka.
Ekrany magnetyczne
Wejście mikrofalowe
Schemat funkcjonalny cezowej lampy promieniowej
FW= 5 MHz
Schemat blokowy cezowego wzorca częstotliwości
Prąd wyjściowy z cezowej lampy promieniowej po wzmocnieniu jest
doprowadzany do detektora, gdzie jest porównywany z sygnałem o
częstotliwości f 5. Otrzymany z detektora sygnał błędu koryguje częstotliwość
fw= 5 MHz generatora kwarcowego. Tak skonstruowany wzorzec wytwarza
sygnał wzorcowy o częstotliwości 5MHz z błędem względnym mniejszym niż
Ä…10-13 .