IMG�97 (2)

dła napięcia znajdujące się w temperaturze otoczenia, co było kiedyś zadaniem trudnym do wykonania z dużą dokładnością

Ryl. 3. I. Detekcja skwantowanego napięcia Josephsona pod wpływem prądu o przebiegu trójkątnym

Mając w jednym układzie scalonym tysiące złącz mamy do dyspozycji napięcie wzorcowe skwantowane, gdzie każdy kwant napięcia jest napięciem Josephsona, a więc realizuje miarę napięcia na zasadzie definicji Żadne źródło napięcia me może być z założenia dokładniejszą miarą napięcia Kusi więc, zęby dodać odpowiednią sieć kluczy przełączających i stworzyć nastawialne (sterowane cyfrowo!) źródło napięcia wzorcowego o dużej rozdzielczości nastawiania Taki układ nazywa się w miernictwie umownie przetwornikiem cyfrowo-analogowym (c/a). a przetwornikami c/a będziemy się zajmować potem Tu powiemy, Ze opracowano, wykorzystując tę technologię, przetwornik c/a o bardzo dużej rozdzielczości (np 32 bity) i dużej dokładność. Można oczekiwać w przyszłości opracowania konstrukcji najdokładniejszych woltomierzy z wewnętrznym, skwantowanym wzorcem napięcia na złączach Josephsona Będzie to możliwe, gdy w niewielkiej, wyodrębnionej przestrzeni da się łatwo wytworzyć temperaturę bliską zera bezwzględnego

Z fizycznych właściwości zjawiska Josephsona wynika, ze otrzymane napięcie jest dostępne w okolicznościach, których utrzymanie w dłuższym okresie czasu może być kłopotliwe (przynajmniej współcześnie), tak samo jak kłopotliwe jest przenoszenie miary napięcia na źródła użytkowane w temperaturze otoczenia Z tego względu miarę napięcia, wyrażoną w woltach i zrealizowaną za pomocą zjawiski Josephsona przenosi się przez porównanie na inne, o odpowiedniej stałości, źródła napięcia tworząc w ten sposób wzorce napięcia_wtórne (czyli kopie pierwotnego wzorca miary), użytkowane w temperaturze otoczeiuajŁańcuch porównań można wydłużyć Już przeniesienie miary napięcia ze zjawiska Josepnsona na napięcie źródła U_m powiększa niepewność tej miary wtórnej (3.2) o niepewność o_c porównania (komparacji, jak mówi się w metrologii). Niepewność wypadkową wzorca wtórnego otrzymujemy bowiem jako złożenie niepewności miary wzorca pierwotnego Exf% oraz niepewność komparacji <r_£

(3.2)

Przenoszenie miary ze wzorca na wzorzec jest normalną procedurą stosowaną w służbie miar, a każda kolejna komparacja w łańcuchu porównań powoduje powiększenie ¹

niepewności miary następnego wzorca w danym łańcuchu, bo przy każdym porównaniu niepewność miary powstałej z porównania powiększa się o niepewność porównywania (np składowa a_c w zależności 3.2). Ciąg wzorców powstały w wyniku kolejnych porównań tworzy tzw hierarchię (dokładności) wzorców w danym kraju Miejsce w hierarchii dokładności nazywa się rzędem dokładności wzorca w krajowej służbie miar, a rzędy numeruje się poczynając od wierzchołka hierarchii („piramidy") w dół Na wierzchołku dokładności znajduje się tzw wzorzec państwowy, którym może być pierwotny wzorzec napięcia (ale me musi, bo w Polsce np. nie jest)¹ Wzorzec państwowy jest wzorcem rzędu „zerowego” dokładności w danym kraju. Oczywiście, konstrukcję i wykonanie źródła napięcia dobiera się o takiej stałości i jakości, żeby było sensowne wzorcować dane źródło na danym poziomie dokładności i uczynić je wzorcem danego rzędu dokładności

Na wzorce wtórne napięcia wybiera się źródła o odpowiedniej stałości napięcia Są stosowane elektrochemiczne ogniwa Westona i źródła elektroniczne

Elektrochemiczne ogniwo nasycone Westona jest ogniwem kadmowo-rtęciowym, jest ono od ponad stu lat używane jako źródło wzorcowego napięcia Obecnie używane jest wyłącznie na najwyższym poziomie dokładności, ponieważ na mzszych poziomach dokładności elektroniczne wzorce napięcia są mniej kłopotliwe w użyciu Zaletą ogniwa Westona (w stosunku do elektronicznych źródeł) jest niski poziom szumu i dobrze określone właściwości każdego egzemplarza, jeżeli tylko ogniwo zostało wykonane zgodnie z receptą Wówczas napięcie ogniwa ma wartość napięcia z przedziału (1 018540V, 1 018730V), a dokładną wartość napięcia danego egzemplarza wyznacza się przez wzorcowanie Jest dobrze określona stałość (np. najlepsze zmieniają swoje napięcie mniej niż 2pV na rok) i dobrze określona zależność przede wszystkim od temperatury. Wrażliwość temperaturowa jest dokładnie opisana wielomianowym wzorem, a współczynniki wielomianu są takie same dla wszystkich ogniw. Ogniwa na najwyższym poziomie dokładności są permanentnie trzymane w niezmiennej temperaturze, w specjalnie w tym celu budowanych termostatach (termostat z rezerwowym, akumulatorowym źródłem zasilania), które zapewniają niestałość temperatury ogniwa mniejszą niż ±0 0IK Użytkowanie jest kłopotliwe, ale na najwyższym poziomie dokładności jeszcze opłacalne

Ze względu na roczną stałość napięcia ogniwa kwalifikowane są do odpowiednich klas dokładności Mówi się, że ogniwo Westona jest klasy dokładności 0.0002, jeżeli jego roczna zmiana napięcia nie przekracza 2 jxV.

Mniej kłopotliwe w użyciu (ale znacznie droższe) są elektroniczne źródła napięcia wzorcowego, które zdobywają sobie coraz większe zaufanie metrologów nawet na najwyższym poziomie dokładności, choć mają większy poziom szumu niż ogniwa Westona Najdokładniejsze odtwarzają kilka miar napięcia, np. IV, 10V, 1 018V (napięcie o wartości I.018V użyteczne do prostych i dokładnych porównań z napięciem ogniwa Westona) Najdokładniejsze wymagają bezustannego zasilania (bezustannego pozostawania „pod prądem") i wówczas mają roczną niestałość napięcia bliską ±IpV, a więc są o niepewności dość bliskiej pierwotnej miary napięcia. W czasie użytkowania mogą być obciążane prądem kilku miliamperów.

Wykonywane są też elektroniczne źródła napięcia wzorcowego o nastawialnym napięciu w dużym zakresie i z dużą rozdzielczością, przeznaczone do badania dokładności woltomierzy lub innych przyrządów Ze względu na przeznaczenie takie źródła nazywane są kalibratorami napięcia Zapewniają napięcie nastawialne w dużym zakresie (np od miliwoltów do ponad 1000V) z dużą rozdzielczością (sześcio- lub siedmiocyfrową) Kali- ²

79

1

Istnieje przypuszczenie. Ze błąd SpV miary napięcia sprzed 1990 roku byl popełniony przy przenoszeniu miary napięcia ze złącza łosephsona na wzorce wtórne znajdujące się w temperaturze otoczenia.

Gdzie o*i- ą«ló jca - jak wiemy - względnym odchyleniem standardowym stałej Josephsona

2

Wzorcem państwowym miary napięcia w Polsce jest wzorzec grupowy 12 ogniw Westona. które zostały wywzorcowanc w Międzynarodowym Biurze Miar Ocenia się niepewność wzorca państwowego na 10 (odchylenie standardowe względnej.