IMG�58 (2)

np wykorzystującej dobrze odtwarzalne miary czasu, napięcia i rezystancji (dobrze zdefiniowane na podstawie wzorców kwantowych) i opartej na dokładnym mierzeniu

Przykładem konstrukcji liczalnego wzorca pojemności odpowiadającego powyższym I postulatom jest kondensator w układzie elektrod Lamparda (rys. 4 3b), zapewniający najwyższą dokładność liczalnego odtworzenia miary pojemności. Układ stanowią cztery elektrody walcowe rozmieszczone w wierzchołkach kwadratu, odizolowane od siebie i zamknięte w sztywnym ekranie Elektrody „elektrycznie widzą się” tylko na tej części swej długości, na której me są separowane między sobą przez znajdującą się w środku przestrzeni międzyelek-trodowęj uziemioną rurę Pojemność między elektrodami np. I i 3, gdy elektrody 2 i 4 są uziemione, jest proporcjonalna do długości tej części elektrod walcowych, wzdłuZ której elektrody są separowane przez uziemioną rurę („ widzą się") i jest tylko funkcją tej długości (i oczywiście stałej dielektrycznej ośrodka, czyli w danym przypadku powietrza lub próżni). Pojemność można zmieniać wsuwając separującą rurę do lub wysuwając z przestrzeni mię-dzyelektrodowej. Położenie rury separującej (a tym samym nie separowaną długość elektrod) mierzy się z dużą dokładnością przyrządem laserowym

Jedynym niedostatkiem konstrukcji Lamparda jest to, że odtwarzana pojemność jest bardzo mała, rzędu dwu pikofaradów na metr długości. Przenoszenie miary tego wzorca na inne wzorce pojemności, a nawet wyznaczanie miar innych wielkości elektrycznych wymaga wykonania dokładnych i trudnych pomiarów Odpowiednia dokładność jest jednak osiągalna, skoro przed rokiem 1990 do doświadczalnego wyznaczenia z potrzebną dokładnością stałej Josephsona i stałej Klitzinga jedną spośród wielu wykorzystanych zasad fizycznego pomiaru była taka, w której wykorzystywano liczalny wzorzec pojemności.

Innym stosowanym układem elektrod liczalnego kondensatora jest układ elektrod płaskich (kondensator plaski) W tej konstrukcji kondensatora osiąga się znacznie większą pojemność (np. 1000 lub więcej pikofaradów), jednak ten wzorzec miary jest mniej dokładny Jako wtórne wzorce pojemności stosuje się specjalnie skonstruowane kondensatory, których dielektrykiem jest powietrze, gdy pojemność ma być mała (do 10 nF) lub kondensatory o dielektryku stałym starannie dobranym, gdy pojemność ma być większa. Zawsze problemem jest zastosowanie takiej konstrukcji i takich materiałów, które zapewniłyby stałość pojemności, tj. jej niezależność od czasu, ale przede wszystkim od temperatury i wilgotności otoczenia.

Każdy wykonany kondensator zawsze oprócz pojemności głównej - między okładzinami (elektrodami 1-2) - ma pojemności sprzężeń (rys. 4 3c, pojemności C/o i Cio) tych elektrod w stosunku do otoczenia (np. do ekranu). Pojemności sprzężeń zmieniałyby się zależnie od sytuacji przestrzennej kondensatora i tym samym w sposób nieokreślony zmieniałaby się pojemność główna (pojemności sprzężeń bocznikują pojemność główną) Z tego względu kondensatory wzorcowe są zawsze otoczone sztywnym ekranem elektrostatycznym Takie rozwiązanie zapewnia stałość pojemności sprzężeń elektrod do ekranu. Wówczas te pojemności można pomiarowo wyznaczyć i w pewnych zastosowaniach uwzględnić ich istnienie Możliwe jest też w konkretnym układzie pomiarowym takie ich włączenie do układu pomiarowego, że ich pojemności „nie wejdą do wyniku pomiaru”, tak jakby fizycznie ich nie było^{1 2}

Gdy pojemność główną oznacza się jako Cu, to pojemności sprzężeń do ekranu oznacza się odpowiednio C,o i C» (rys 4 .3c).

Ze wzorców pierwotnych pojemności przenosi się miarę na wzorce wtórne za pomocą komparatorów, którymi konstrukcyjnie mogą być mostki transformatorowe² One mogą zapewnić komparację pojemności i indukcyjności pozostających w praktycznie dowolnym stosunku (me tylko w stosunku I: I ale np 1:10, 1:100) z największą potrzebną dokładnością

tak więc nie trzeba wykonywać fizycznie podziału lub składania miar, tak jak to sę np praktykuje dla rezystancji

Kondensatorów wzorcowych nie wykonuje się o dokładnie zadanej wartości³ (czyli założonej, nominalnej), tj dopuszcza się znaczną tolerancję wykonania, natomiast dokładność wzorca uzyskuje się zapewniając stałość jego pojemności i wyznaczając pomiarowo jej wartość oraz wartość tg6. Buduje się kondensatory powietrzne nastawne, w których elektrody ruchome mogą być obrotowo przemieszczane pomiędzy elektrodami nieruchomymi (tzw kondensatory obrotowe), a ich pojemność (na ogół mniejsza niż 1000 pF) jest funkcją kąta obrotu. Buduje się też zestawy dekadowe kondensatorów, w których nastawę danej pojemności uzyskuje się zmieniając układ połączeń w sieci kondensatorów za pomocą odpowiedniej konstrukcji przełączników Taki zestaw dekadowy ma zazwyczaj stopnie najwyższej dekady o wartości 0 I pF, tak Ze pojemność zestawu niewiele przekracza IpF Gdy pojemność kondensatorów takich dekad jest zrealizowana z tolerancją np ±0 5%, to zestaw dekadowy może być wywzorcowany dość dokładnie, np ±0 05%, lub bardzo dokładnie, gdy jest lepiej

Wykonanie dokładnych wzorców indukcyjności własnej, tj cewek powietrznych i utrzymanie ich dokładności jest trudniejsze niż wzorców pojemności, ponieważ trudniej jest utrzymać stałość indukcyjności cewek - indukcyjność zmienia się, gdy zwoje cewki przemieszczają się lub zmieniają wymiary, bo np korpus cewki zmienia wymiary pod wpływem temperatury, wilgotności Przede wszystkim jednak indukcyjność cewek i ich rezystancja (przy prądzie zmiennym) zmieniają się pod wpływem metalowych przedmiotów, które mogą znaleźć się w sąsiedztwie Z tego względu dokładne wzorce indukcyjności kształtuje się w postaci cewek toroidalnych

Stosuje się układy komparatorów dużej dokładności, za pomocą których problem dokładnej komparacji indukcyjności z odpowiednim wzorcem indukcyjności zastępuje się równoważną komparacją takiej indukcyjności ze wzorcem pojemności. Korzysta się w talom przypadku z faktu, że przy dokładnie znanej częstotliwości (co - jak wiemy - me jest dzu problemem) można wyznaczyć indukcyjność wykorzystując możliwość porównywania w odpowiednim układzie modułów reaktancji indukcyjnej z reaktancją pojemnościową Można więc wzorzec indukcyjności zastąpić wzorcem pojemności w odpowiednim układzie kompa-racji.

4.3. Pomiary rezystancji

Naturalnym układem pomiaru rezystancji jest obwód prądu stałego szeregowo połączonych rezystorów mierzonego i wzorcowego (rys. 4.4a), w którym porównuje się rezystancje. a ogólniej, w którym wyznacza się stosunek rezystancji mierzonej i wzorcowej na podstawie spadków napięć powstałych na tych rezystorach Istotnie, jeżeli IpR,^m U„ a IpR_m = U_m,

193

1

¹ Patrz mostki transformatorowe, str 209

2

PaUz p. 4.4.

3

Nie dotyczy liczalnych.

Właściwie podobnie postępuje się w stosunku do rezystorów wzorcowych, tylko że stosuje się to do rezystorów najwyższej dokładności. Rezystor wzorcowy dużej dokładności (klaty lepszej niż 0.01) wykonuje się z tolerancją ±001%, a następnie jako laki ma dokładnie mierzoną rezystancję i otrzymany wynik pomiaru jest przypisywaną mu wartością jego rezystancji (wartość poprawna), a niepewność tego pomiaru jest liczbowo jego błędem dopuszczalnym i wyznacza jego klasę dokładności Oczywiście rezystor musi spełniać odpowiednie wymagania, żeby takie postępowanie było sensowne Może więc być tak. Ze wartość rezystora klasy lepszej niż 0 01 różnić się będzie więcej od podanej wartości nominalnej niż wynosi błąd dopuszczalny i to jest stan normalny Dla rezystorów wzorcowych dokładnych należy przyjmować wartość poprawną jako ich wartość, a wartość nominał-na odgrywa tylko rolę „wartości hasłowej, orientacyjnej". Na przykład rezystor wzorcowy klasy 0 0005 o warto-ści (nominalnej) 10 0000 może mieć wartość różną od nominalnej (tj. 10 000 O) o ±lfl i to będzie mieścić się w normie, ale w dokumentacji podawana będzie wartość poprawna jego faktycznej rezystancji i ta mus być określona z niepewnością ±0.05(1