Еталони фізичних величин

1.

Еталони фізичних величин
Доповідач – науковий керівник
НДІ АЕД КПІ ім. Ігоря Сікорського,
доктор технічних наук, професор,
лауреат Державної премії України
в галузі науки і техніки,
заслужений діяч науки і техніки
Туз Юліан Михайлович
1

2.

Загальна кількість
ідентифікованих фізичних величин
приблизно 600
2

3.

Терміни та визначення
Фізична величина
Властивість, спільна в якісному відношенні у багатьох
матеріальних об'єктів та індивідуальна в кількісному
відношенні у кожного з них.
Розмір фізичної величини
Кількісний вміст фізичної величини в даному об'єкті.
Одиниця фізичної величини
Фізична величина певного розміру, прийнята за угодою
для кількісного відображення однорідних з нею величин.
3

4.

Терміни та визначення
Міжнародна система одиниць SI
Когерентна
система
одиниць,
прийнята
та
рекомендована Генеральною Конференцією з мір та ваг
(ГКМВ).
Вимірювання
Відображення вимірюваних величин їх значеннями
шляхом експерименту та обчислень за допомогою
спеціальних технічних засобів.
Відтворення фізичної величини
Вимірювальна операція, що полягає у створенні та (чи)
зберігання фізичної величини заданого значення.
4

5.

Терміни та визначення
Еталон одиниці фізичної величини
Засіб вимірювальної техніки, що забезпечує відтворення
та (або) зберігання одиниці фізичної величини та
передавання її розміру відповідним засобам, що стоять
нижче за повірочною схемою, офіційно затверджений як
еталон.
Державний еталон
Первинний або спеціальний
офіційно як державний.
еталон,
затверджений
Первинний еталон
Еталон, що забезпечує відтворення та (або) зберігання
одиниці фізичної величини з найвищою в країні (у
порівнянні з іншими еталонами тієї ж одиниці) точністю.
5

6.

Терміни та визначення
Міжнародний еталон
Еталон, який за міжнародною угодою призначений для
погодження розмірів одиниць, що відтворюються і
зберігаються державними (національними) еталонами.
Еталон передавання
Вторинний еталон, що призначається для взаємного
звірення еталонів, які за тих чи інших обставин не можуть
бути звірені безпосередньо.
Вихідний зразковий засіб вимірювальної техніки (засіб
вимірювань)
Засіб вимірювальної техніки (засіб вимірювань), що має
метрологічні характеристики, які відповідають найвищому
ступеню повірочної схеми метрологічної служби.
6

7.

Терміни та визначення
Стандартний зразок
Міра у вигляді речовини або матеріалу зі встановленими в
результаті метрологічної атестації значеннями однієї або більше
величин, що характеризують властивості або склад цієї
речовини або матеріалу.
Відтворення одиниці фізичної величини
Відтворення шляхом формування фіксованої за розміром
фізичної величини відповідно до визначення її одиниці.
Повірочна схема
Нормативний
документ,
що
регламентує
метрологічну
підпорядкованість засобів вимірювальної техніки (засобів
вимірювань), які приймають участь у передаванні розміру
одиниці фізичної величини від еталону або вихідного зразкового
засобу вимірювальної техніки (засобу вимірювань) до інших
засобів вимірювальної техніки (засобів вимірювань) зі
встановленням методів і похибок передавання.
7

8.

Одиниці системи СІ
м
СД
кг
СІ
моль
К
с
А
8

9.

Ієрархія еталонів
Визначення одиниці
Міжнародний еталон
НМС
Всі
користувачі
Національний еталон
Робочий еталон
9

10.

Фундаментальні фізичні константи
Назва величини
Символ
Початкове
рівняння
Значення величини
± абсолютна похибка
Відносна
похибка
10-6
Універсальні постійні
Швидкість світла
в вакуумі
c
-
299792458 м/с
точно
-
4 10-7 Гн/м =
12,566370614 10-7 Гн/м
точно
8,854187817 10-12 Ф/м
точно
Магнітна
постійна
μ0
Електрична
постійна
ε0
Гравітаційна
постійна
G
(6,67259 0,00085) 10-12 м3кг-1с-2
128
Постійна Планка
h
(6,6260755 0,0000040) 10-34
Дж с
0,60
Планковська
маса
mp
(2,17671 0,00014) 10-8 кг
64
2 1
c
0
hc
2 G
1
2
10

11.

Фундаментальні фізичні константи
Назва величини
Символ
Початкове
рівняння
Значення величини
± абсолютна похибка
Відносна
похибка
10-6
Електромагнітні постійні
-
(1,60217733 0,00000049) 10-19
Кл
0,30
Ф0
h/2e
(2,06783461 0,00000061) 10-15
Вб
0,30
Постійна
Джозефсона
КДж
2e/h
Постійна
Клитцинга
RK
Гіромагнітне
відношення
протона
p
Елементарний
заряд
е
Квант магнітного
потоку
(4,8359767 0,0000014) 1014 Вб1
0,30
h/e2
25812,8956 0,0012 Ом
0,043
-
(26752,2128 0,0081) 104 с-1 Тл-1
0,30
11

12.

Основні одиниці системи СІ
Метр дорівнює довжині шляху, яку проходить у вакуумі світло за
1/299792458 частину секунди (XVII ГКМВ, 1983 р., Резолюція 1).
Кілограм є одиницею маси і дорівнює масі міжнародного прототипу
кілограма (III ГКМВ, 1901 р.).
Секунда дорівнює 9192631770 періодам випромінювання, яке відповідає
переходу між двома надтонкими рівнями основного стану атома цезія -133
(XIII ГКМВ, 1967 р., Резолюція 1).
Ампер дорівнює силі незмінного струму, який під час проходження по двох
безмежно довгих паралельних прямолінійних провідниках надмалого
кругового перерізу, розташованих на відстані 1 м один від одного у вакуумі,
викликав би на кожній ділянці провідника довжиною 1 м силу взаємодії,
яка дорівнює 2 10-7 Н (МКМВ, 1946 р., Резолюція 2, яка схвалена IX
ГКМВ, 1948 р.).
12

13.

Основні одиниці системи СІ
Кельвін є одиницею термодинамічної температури і дорівнює 1/273,16
частині термодинамічної температури потрійної точки води (XIII ГКМВ,
1967 р., Резолюція 4).
Кандела дорівнює силі світла в напрямі джерела, яке випромінює
монохромне випромінення частотою 540 1012 Гц, енергетична сила світла
якого в цьому напрямі становить 1/683 Вт/ср (XVI ГКМВ, 1979 р.,
Резолюлюція 3).
Моль дорівнює кількості речовини системи, яка містить стільки ж
структурних елементів, скільки міститься атомів у нукліді 12°С масою 0,012
кг. При застосуванні моля структурні елементи повинні бути специфіковані
і можуть бути атомами, молекулами, йонами, електронами чи іншими
частинками чи специфікованими групами частинок (XIV ГКМВ, 1971 р.,
Резолюція 3).
Радіан дорівнює куту між двома радіусами кола, довжина дуги між якими
дорівнює радіусу, а стерадіан дорівнює тілесному куту з першиною у
центрі сфери, який вирізає на поверхні сфери площу, що дорівнює площі
квадрата із стороною, яка по довжині дорівнює радіусу сфери.
13

14.

Міжнародний еталон метра, що
використовувався з 1889 по 1960 рік
14

15.

Еталон маси
15

16.

Кількість державних, вторинних та вихідних
еталонів фізичних величин в Україні
Еталони
Фізична величина
Державні
Вторинні
Вихідні
Загалом
01
Вимірювання геометричних величин
4
12
1
17
02
Вимірювання механічних величин
5
6
9
20
03
Вимірювання параметрів потоку, витрати, рівня, об’єму
речовин
4
3
1
8
04
Вимірювання тиску, вакуумні вимірювання
3
7
-
10
05
Вимірювання фізико-хімічного складу і властивостей речовин
3
6
5
14
06
Температурні та теплофізичні вимірювання
6
6
-
12
07
Вимірювання часу та частоти
1
1
-
2
08
Вимірювання електричних і магнітних величин на постійному
та змінному струмі
8
16
6
30
09
Радіотехнічні та радіоелектронні вимірювання
6
-
12
18
10
Вимірювання акустичних величин
1
1
1
3
11
Оптико-фізичні вимірювання
9
7
4
20
12
Вимірювання іонізуючих випромінень та ядерних констант
9
3
-
12
59
68
39
166
Всього:
16

17.

Карта розташування Державних
еталонів України
П
БІЛОРУСІЯ
С
РОСІЯ
З
П
ПОЛЬЩА
Харків
Київ
53
15
Львів
1
СЛОВАЧЧИНА
ІваноФранківськ
1
М
УГОРЩИНА
РУМУНІЯ
О
Л
Д
О
В
А
Азовське
море
Крим
Чорне море
Чорне море
17

18.

Карта розташування вторинних
еталонів України
П
БІЛОРУСІЯ
С
РОСІЯ
З
П
ПОЛЬЩА
Харків
Київ
25
Львів
1
4
СЛОВАЧЧИНА
20
Полтава
3
5
Донецьк
Запоріжжя
6
М
РУМУНІЯ
1
Дніпро
ІваноФранківськ
УГОРЩИНА
Сєверодонецьк
О
Л
Д
О
В
А
4
Южне
1
Азовське
море
Крим
Чорне море
Чорне море
18

19.

Методи підвищення точності
Конструктивнотехнологічні
Захистнозапобіжні
Структурноалгоритмічні
19

20.

Модель процесу вимірювального
перетворення
Множина
вимірюваних
величин
Множина
вхідних
величин
Множина
неінформативних
параметрів
Множина
внутрішніх
похибок
Множина
вимірювальних
перетворювачів
Множина
вихідних
величин
Множина
зовнішніх
факторів
20

21.

Класи рівнянь
Тестування
за аргументом
за функцією
y0 x0
y0 x
y1 x1
y1 1 x
y2 x2
y2 2 x
.................
.................
yn xn
yn n x
Тестування
21

22.

Військовий вторинний еталон одиниці
електричної напруги від 0,1 В до 1000 В
змінного струму в діапазоні частот
від 10 Гц до 30 МГц
Реєстраційний номер в Реєстрі державних, первинних
та вторинних еталонів: ВВЕТУ 08-07-01-09
22

23.

Наказ Національного наукового центра (ННЦ
«Інститут метрології») Держспоживстандарту
України № 356 від 09 жовтня 2009 “Про
затвердження
військового
вторинного
еталона одиниці електричної напруги від
0,1 В до 1000 В змінного струму в діапазоні
частот від 10 Гц до 30 МГц”
23

24.

Основні технічні дані за ТТЗ на ДКР
“Батуметр”
Діапазон напруг 10-3 В – 103 В
Діапазон частот 10 Гц – 30 МГц
S
S
10-5 - 3·10-3
5·10-5 - 1·10-3
5·10-5 - 5·10-3
10-5 - 3·10-3
24

25.

Середньоквадратичне значення напруги
змінного струму
U СКЗ
T
1
2
U t dt
T0
25

26.

Схема термокомпарування
Uac
Udc
Якщо
E ~ E ,
то
U ~ U .
RД
RН
Е
26

27.

Загальний вигляд еталону «Батуметр»
27

28.

Структурна схема еталону «Батуметр»
Засоби відтворення та передавання розміру одиниці напруги змінного струму військовим засобам вимірювання (АПС1)
Калібратор
Н4-7
Калібратор
В1-29
Блок розширення
часто
тног
оі
динамічного
діапазонів
Блок розширення
частотного
і динамічного
діапазонів
Робочі еталони
військового
призначення
(РЕВП)
Нановольтметр
HP34420A
Комплект
еталонних
ПНТЕ
Мультиметр
Мультіметр
HP3458
HP3458A
A
Атенюатор
Атенюатор
НР8495G
НР8495G
Адаптер
НР909
НР909F
F
Пристрій автоматичної реєстрації та
оброблення результатів вимірів (АПС3)
Персональний
комп'ютер
плата NI PCI-GPIB
Принтер
Джерело
безперебійного
живлення
Монітор
Клавіатура,
маніпулятор
"миша"
Засоби зберігання одиниці напруги змінного струму (АПС2)
Пристрій
відтворення
одиниці вольта
Комплект
еталонних
ПНТЕ
Прилад
NRVD R&S
Калібратор
Н4-7
Калібратор
В1-29
Мультиметр
HP3458A
Блок розширення
частотного
і динамічного
діапазонів
NRV-Z51
Частотомір
Ч3-64/1
Комплект апаратури ВЕ,
що транспортується
Еталонпереносник
н
я
Аналізатор
спектру
NI PXI-1042Q/
8106
+NI PXI-4461
Шина IEEE-488.2
Шина RS-232
28

29.

Термоелектричні ефекти
Ефект Джоуля
QI = d R I 2 t
Ефект Зеєбека
E12 = S12 (T1 – T2)
Ефект Пельтьє
QP = P I t
Ефект Томпсона
Qm = m (T1 – T2) I t
E12
I
R
T1
T2
29

30.

Графік розподілу температури (ЕРС)
вздовж нагрівача
Е(l)
lT
E l , I
E+
E l , I
EC
ЕП
EП
EП
E
l
0
IH
lП
Т
Е
30

31.

Відносна похибка переходу від постійної
напруги до змінної в частках вхідної
напруги
U
acdc
tg tg
0,25
tg tg
E
P
31

32.

Порівняльний графік температурної
нестабільності затискачів з різними
ізоляторами
4,5
контактна ЕРС (мкВ)
3,5
2,5
1,5
0,5
-0,5
27
29
31
33
35
37
39
41
43
температура основи (° C)
AlN_d=1мм
без_изолятора
AlN_d=3мм
пластмасса
Sil_Pad_1500_d=0,25мм
32

33.

РТВ
Вибірка,
хвилини
Похибка різнополярності 21 ppm
Вхідна напруга
0,999891
0,9998905
0,99989
0,9998895
0,999889
0,9998885
Відхилення з вірогідністю 0,95
—
+
середнє
1
-3,82
3,2
3,51
2
-7,75
6,73
7,24
5
-11,12
9,26
10,19
10
-21,46
17,78
19,62
30
-64,25
49,68
56,97
60
-119,18
106,44
112,81
1972
1878
1784
1690
1596
1502
1408
1314
1220
1126
938
1032
844
750
656
562
468
374
280
92
186
0,999888
Вихідна напруга
0,039545
0,03954
0,039535
0,03953
1977
1873
1769
1665
1561
1457
1353
1249
1145
1041
937
833
729
625
521
417
313
209
1
105
0,039525
33

34.

Rohde & Schwarz
Похибка різнополярності 55 ppm
Вибірка,
хвилини
Відхилення з вірогідністю 0,95
—
+
середнє
1
-9,09
6,37
7,73
2
-17,53
15,24
16,39
0,999443
5
-28,75
19,94
24,35
0,999442
10
-39,47
42,31
40,89
0,999441
30
-75,81
76,23
76,02
0,99944
60
-97,06
84,26
90,66
Вхідна напруга
1456
1553
1650
1747
1844
1941
1546
1649
1752
1855
1958
1359
1443
1262
1165
971
1068
874
777
680
583
486
389
292
195
1
98
0,999439
Вихідна напруга
0,0041495
0,004149
0,0041485
0,004148
1340
1237
1134
1031
928
825
722
619
516
413
310
207
104
1
0,0041475
34

35.

ТВБ-3 № 16 (найкраща)
Вибірка,
хвилини
Похибка різнополярності 7 ppm
Вхідна напруга
Відхилення з вірогідністю 0,95
—
+
середнє
1
-1,82
1,36
1,59
1979
1893
1033
1807
26,25
1721
16,53
1635
-35,96
1549
60
1553
5,50004
1463
18,22
1377
13,39
1456
-23,05
1291
30
1205
5,500045
1119
6,49
947
5,20
861
-7,77
775
10
689
5,50005
603
3,77
517
2,97
431
-4,57
345
5
259
2,49
173
2,09
1
-2,88
87
2
5,500055
Вихідна напруга
0,0086385
0,008638
0,0086375
0,008637
0,0086365
0,008636
0,0086355
1941
1844
1747
1650
1359
1262
1165
1068
971
874
777
680
583
486
389
292
98
195
1
0,008635
35

36.

ТВБ-3 № 12 (найгірша)
Похибка різнополярності 90 ppm
Вхідна напруга
5,50001
5,5
Вибірка,
хвилини
Відхилення з вірогідністю 0,95
—
+
середнє
1
-5,52
4,46
4,99
2
-16,40
13,33
14,87
5
-26,43
22,76
24,59
10
-51,17
45,22
48,19
30
-120,13
123,84
121,99
60
-177,74
264,96
221,35
5,49999
5,49998
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
1400
1600
1800
2000
Вихідна напруга
0,010484
0,010482
0,01048
0,010478
0,010476
0,010474
0,010472
0
200
400
600
800
1000
1200
36

37.

ДТПТ-6 № 109 (найгірша)
1-й нагрівач, 5 В
Похибка різнополярності 169 ppm
Вхідна напруга
5,000076
5,000074
5,000072
5,00007
5,000068
5,000066
5,000064
Вибірка,
хвилини
Відхилення з вірогідністю 0,95
—
+
середнє
1
-2,02
1,77
1,89
2
-3,59
3,19
3,39
5
-5,58
4,72
5,15
10
-9,51
8,18
8,85
30
-25,24
23,14
24,19
60
-29,02
53,75
41,39
5,000062
5,00006
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
1401
1601
1801
2000
Вихідна напруга
0,0088669
0,0088664
0,0088659
0,0088654
0,0088649
0,0088644
0,0088639
1
201
401
601
801
1001
1201
37

38.

ДТПТ-6 № 134 (найкраща)
2-й нагрівач, 8 В
Похибка різнополярності 4 ppm
Вибірка,
хвилини
Відхилення з вірогідністю 0,95
—
+
середнє
1
-3,12
2,54
5,66
8,000025
2
-4,54
3,46
8,00
8,00002
5
-6,24
5,23
11,47
8,000015
10
-10,93
8,28
19,21
8,00001
30
-30,72
17,02
47,74
8,000005
60
-72,71
22,24
94,95
Вхідна напруга
8
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
1400
1600
1800
2000
Вихідна напруга
0,0214665
0,021466
0,0214655
0,021465
0,0214645
0,021464
0,0214635
0,021463
0,0214625
0,021462
0
200
400
600
800
1000
1200
38

39.

Загальний вигляд еталонного
перетворювача напруги
термоелектричного (ЕПНТЕ)
39

40.

Принцип перетворення напруги в
інтервал часу
u
u01
ut(t)
t1
t3
t
T1
u02
u
t
u
T2
t
40
40

41.

Схема визначення похибки переходу від
змінного струму до постійного
41

42.

Визначення похибки переходу з
напруги змінного струму на напругу
постійного струму перетворювачів
ЕПНТЕ 1В, ЕПНТЕ 2В
acdc
1
1,
2 cos fT1
де f частота калібровки,
f 1000 10 Гц,
T1 - інтервал часу на рівні
1
Ua,
2
T1 250 20 мкс.
42
42

43.

Необхідні вимоги для застосування
методу компарування з однією опорною
напругою
U U U
~
E E
c
Чистий спектральний склад синусної
напруги
43

44.

Джерела похибок при компаруванні
Динамічні похибки
Похибка
від різниці затримок t PDLH і t PDHL
Статичні похибки
Похибка
від гістерезису
Похибка від напруги зсуву компаратора
44

45.

Джерела похибок при компаруванні
Похибка від різниці затримок
t PDLH і
t PDHL
45

46.

Джерела похибок при компаруванні
t PDLH
Похибка від різниці затримок
і
t PDHL
-6
8
x 10
6
2
a
acdc
( t ), ( t )
U
PD
PD
4
0
-2
-4
-6
-8
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
t
t PD t PDHL t PDLH , ns
0
1
5
10
20
1.2
PD
U a , ppm
0
0,314
1,572
3,142
6,283
1.4
1.6
1.8
2
-8
x 10
acdc , ppm
0
-0,314
-1,572
-3,142
-6,283
46

47.

Джерела похибок при компаруванні
Похибка від гістерезису
47

48.

Джерела похибок при компаруванні
Похибка від гістерезису
U H , mV
0
0,1
0,2
0,5
1
2
, ns
0
0,016
0,064
0,398
1,592
6,366
U a , ppm
0
0,005
0,02
0,125
0,5
2
acdc , ppm
0
-0,005
-0,02
-0,125
-0,5
-2
48

49.

Джерела похибок при компаруванні
Похибка від напруги зсуву
49

50.

Джерела похибок при компаруванні
Похибка від напруги зсуву
U H , mV
0
0,1
0,2
0,5
1
2
, ns
0
15,9
31,8
79,6
159,2
318,6
U a , ppm
0
50,006
100,03
250,16
500,63
1002,5
acdc , ppm
0
-49,999
-99,995
-249,97
-499,88
-999,5
50

51.

Схема дослідження компаратора
51

52.

Синус-ступінчата напруга
Ui
U t U a sin t
U1 t C1 sin t 1
1
1
2 n
52
зона синхронного детектування
n n
1
4 4
2
n
k pn 1
bk 1
pn 1
2
i
n
52

53.

Метод компенсації вищих гармонік
шляхом корекції коду ЦАП
53

54.

Похибки при вимірюванні напруги за
миттєвими значеннями
1
кв
LSB
12
U0
LSB n
2
1 U0
n
кв
1
2
12
кв
U0
U0
12 2n
54

55.

Вимоги до розрядності АЦП
1
n log 2
12 кв
кв 10
6
1
1
n log 2
log 2 6 19,93
10
кв
55

56.

Підвищення діючої частоти дискретизації
АЦП
56

57.

Підвищення діючої частоти дискретизації
АЦП
Складений період сигналу в режимі
субдискретизації
57

58.

Спрощена еквівалентна схема ЕПНТЕ 2 В
R1
I1
I2
C1
U
I5
I3
L2
C1 – конструктивна ємність
додаткового резистора R1,
R2
L2, L4 – конструктивні
індуктивності вводів нагрівача,
C3
R4
C5
R1 – додатковий опір,
R2, R4 – півопори нагрівача,
C5 – ємність між гарячим спаєм
термопари і серединою нагрівача,
I4
L4
C3 – конструктивна ємність
входів нагрівача
58

59.

Формула для підрахунку відносної
частотної похибки, виражена через
елементи еквівалентної схеми
R R R 1
R 1 C L C R
0,5
R R
2 2 2
1
2
1
f U
2
4
2
2
2
2
5 4
5 4
4
2
R4 :
: R2 R4 1 2 12 2 R2 R4C5 2 4 1 2 12 R1 2C3 R1R2
1 2 2C3C5 R1R2 R4 1 2 1 2 2 1 4 2 2 4
2
2
R1R4 1 4 C5 C3 2 R2 2 R4 4 1 2 12
R2 R4C5 1 2 2 4 1 2 12 R1 1 C3 R1R2 1 2 1 2
C3C5 R1R2 R4 2 2 1 4 2 1 2 4 R1R4 1 2 1 4 C3 C5
2
1
59

60.

Залежність частотної похибки на частоті
30 МГц (пакет MicroCap)
Залежність похибки на частоті 30 МГц від ємностей, ppm
< 300 ppm
< 1000 ppm
>= 1000 ppm
C3 = 2 pF
C1, pF
0,20
0,30
0,40
0,50
0,50 -93,40 -48,47
56,41
1,00 -166,09 -126,15 -26,27
2,00 -346,78 -316,82 -226,94
221,21
133,53
-77,14
445,93
353,24
132,54
C5, pF
0,10
Залежність похибки на частоті 30 МГц від ємностей, ppm
< 300 ppm
< 1000 ppm
>= 1000 ppm
C3 = 1 pF
C5, pF
0,10
0,50
1,00
2,00
196,67
173,95
93,08
C1, pF
0,20
0,30
281,61
253,88
163,01
426,51
393,78
292,90
0,40
0,50
631,37
593,63
482,74
896,18
853,43
732,51
60

61.

Залежність похибки на частоті 30 МГц від
ємностей (в ppm) при R = 180 Ом
61

62.

Ланцюг визначення частотних похибок
Вхідна
напруга
В
Межа
вимірювання 0,5
В
0,5
1
1
2
2
4
4
8
8
16
16
32
32
50
50
100
100
300
300
500
500
1000
E 0,5 D 0,5;1 E1 ,
E 8 D 8;4 E 4 ,
E100 D 100;50 E 50 ,
E1 D 1;2 E 2 ,
E16 D 16;8 E 8 ,
E 300 D 300;100 E100 ,
E 2 розрахункова,
E 32 D 32;16 E16 ,
E 500 D 500;300 E 300 ,
E 4 D 4;2 E 2 ,
E 50 D 50;32 E 32 ,
E1000 D 1000;500 E 500 .
62

63.

Середньоарифметичне значення
частотних похибок
fi (0,5) D fi (0,5;1) D fi (1;2) fi (2)
fi (1) D fi (1;2) fi (2)
fi (2) fi (2)
fi (4) D fi (4;2) fi (2)
fi (8) D fi (8;4) D fi (4;2) fi (2)
fi (16) D fi (16;8) D fi (8;4) D fi (4;2) fi (2)
fi (32) D fi (32;16) D fi (16;8) D fi (8;4) D fi (4;2) fi (2)
fi (50) D fi (50;32) D fi (32;16) D fi (16;8) D fi (8;4) D fi (4;2) fi (2)
fi (100) D fi (100;50) D fi (50;32) D fi (32;16) D fi (16;8) D fi (8;4) D fi (4;2) fi (2)
fi (300) D fi (300;100) D fi (100;50) D fi (50;32) D fi (32;16) D fi (16;8) D fi (8;4) D fi (4;2) fi (2)
fi (500) D fi (500;300) D fi (300;100) D fi (100;50) D fi (50;32) D fi (32;16) D fi (16;8) D fi (4;2) fi ( 2)
fi (1000) D fi (1000;500) D fi (500;300) D fi (300;100) D fi (100;50) D fi (50;32) D fi (31;16) D fi (16;8)
D fi (8;4) D fi (4;2) fi (2)
63

64.

Необхідна вольт-герцова площа
Необхідна швидкість наростання сигналу
64

65.

Схема високовольтного підсилювача з
взаємозалежними зворотними зв’язками
на п'яти операційних підсилювачах
r1
r2
r3
r4
r5
r6
Uвих
Uвх
E1
0
E1
1
30 МГц
E2
E2
2
E3
E3
3
1 n 1
k ri
r1 2
E4
E4
4
E5
E5
Zш
0
5
30 В
65

66.

Векторна діаграма високовольтного
багаточарункового підсилювача
U1
U
U2
U3
1 e
U c Ue
1 e j
j
U4
jU
jn
5
U U i
i 1
U5
66

67.

Залежність вихідної напруги окремих ОП
від фазового зсуву та кількості ОП для
досягнення сумарної напруги 30 В
67

68.

Залежність струмів кожного підсилювача
від кількості каскадів в схемі
номер каскаду
кількість каскадів
68

69.

Спрощена принципова схема
підсилювача 100 В, 1 МГц
Еквівалентна схема підсилювача 100 В,
1 МГц на двох ОП типу АР98
69

70.

Підсилювач напруги 30 В 30 МГц з
термоелектричним перетворювачем
70

71.

Підсилювач напруги 30 В 30 МГц без
кришки
71

72.

Підсилювачі 30 В 1 МГц, 100 В 1 МГц,
300 В 100 кГц
72

73.

Підсилювач напруги 1000 В 100 кГц
73

74.

Визначення шляхом термокомпарування
похибок переходу зі змінної напруги на
постійну ЕПНТЕ та ПНТЭ-12/2 з
суміжними значеннями номінальних
напруг на частоті калібрування 1 кГц
acdcП acdcE
ECE EП fi
6
0,5
1 10 ,
ECП EE fi
де ECE 0,5 EE EE , ECП 0,5 E П EП ,
EE - ТЕРС еталонного ПНТЕ, виміряне при заданій позитивній постійній напрузі,
EE - ТЕРС еталонного ПНТЕ, виміряне при заданій негативній постійній напрузі,
E П - ТЕРС повіряємого ПНТЕ, виміряне при заданій позитивній постійній напрузі,
E П - ТЕРС повіряємого ПНТЕ, виміряне при заданій негативній постійній напрузі,
74

75.

Експериментальна оцінка частотної
похибки опорного ЕПНТЕ
N 2 f K E E1 f i
6
E1 NRV Z 51 0,5
2
1 10 ,
E E1 f K N f i
де E1 - чаcтотна похибка атестуємого ЕПНТЕ 2 В,
NRV Z 51 - частотна похибка термоголовки NRV-Z51 № 100480,
N ( f k ), N ( fi ) - покази приладу NRVD на частоті калібровки на частоті fi відповідно,
EE1 f k , EE1 fi - покази нановольтметра НР34420А на частоті калібровки f k , та частоті fi .
75

76.

Визначення інструментальної складової
невилученої систематичної похибки
автоматизованої системи ВЕ при вимірюваннях
для визначення різниці похибок переходу зі
змінної напруги до постійної шляхом
термокомпарування
acdc1 acdc 2
E
E E fi
EC
2
0,5
EEC1 EE fi
1
2
1 106 ,
де ECE1 0,5 EE 1 EE 1 , ECE 2 0,5 EE 2 EE 2 ,
1 - ТЕРС на поточній частоті fi , виміряна каналом 1,
EE fi - ТЕРС на поточній частоті fi , виміряна каналом 2,
2
E E fi
EE 1 - ТЕРС еталонного ПНТЕ, виміряне при заданій позитивній напрузі каналом 1 нановольтметра,
EE 2 - ТЕРС еталонного ПНТЕ, виміряне при заданій позитивній напрузі каналом 2 нановольтметра,
EE 1 - ТЕРС еталонного ПНТЕ, виміряне при заданій негативній напрузі каналом 1 нановольтметра,
EE 2 - ТЕРС еталонного ПНТЕ, виміряне при заданій негативній напрузі каналом 2 нановольтметра.
76

77.

Визначення інструментальної складової
невилученої систематичної похибки
автоматизованої системи ВЕ при
вимірюваннях для визначення різниці
частотних похибок
EE f k 2 EE f i 1
6
f 1 f 1 0,5
1 10 ,
EE f k EE f i
1
2
- ТЕРС на частоті калібровки f , виміряна каналом 1 нановольтметра,
fk - ТЕРС на частоті калібровки f , виміряна каналом 2 нановольтметра,
де EE f k
EE
2
fi
k
1
k
E E fi
1
- ТЕРС на поточній частоті fi , виміряна каналом 1 нановольтметра,
EE
2
- ТЕРС на поточній частоті fi , виміряна каналом 2 нановольтметра.
77

78.

Визначення похибки передачі розміру
одиниці напруги від ЕПНТЕ та ПНТЭ-12/2
до ППНТЕ та ПНТЭ-12
EE f k E П f i
6
П E 0,5
1 10 ,
E П f k EE f i
fk - ТЕРС повіряємого ПНТЕ на частоті калібровки f ,
де EE f k - ТЕРС еталонного ПНТЕ на частоті калібровки fk ,
EП
E П fi - ТЕРС повіряємого ПНТЕ на поточній частоті
k
EE fi - ТЕРС еталонного ПНТЕ на поточній частоті fi ,
fi .
78

79.

Структурна схема системи дослідження
частотної похибки повіряємого
термоперетворювача
Еталонний
ПНТЕ
Reference
Thermoconverter
E1
NanovoltНановольтметр
meter
Підсилювач
Amplifier
Calibrator
Калібратор
1
2
E2
3
Verifyable Thermoconverter
Повіряємий ПНТЕ
ПерсональPersonal
ний
Computer
комп’ютер
E f E f
пов fi ет fi 0,5 пов i ет k 1 ppm
Eет fi Eпов f k
79

80.

Структурна схема підсистеми стабілізації
Controller
Контролер
Adjustable
Регульоване
Reference
джерело
U
Voltage
Source
Reference
Зразковий
Voltage
вольтметр
Voltmeter
a
ТермоThermoперетворювач
converter
b
Adjustable
Регульоване
AC
джерело
U
Voltage~
Source
MillivoltМіліmeter
вольтметр
U out
вих
Рекурентна формула регулювання напруги
Ei( n 1 )
U in 0 ,5U i( n 1 ) 3
E
k0
80

81.

Часова діаграма роботи
N fj
N fk
EE f k
EП f k
N U
N U
M U
M U
EE U
EE U
EE fi
EП fi
EП U
...
EП U
...
...
t
1
E
~
2
15 16 17 18 19 20
19
~
fi 0, 2 E fi i
15
1
2
15 16 17 18 19 20
19
E 0, 2 E
i
15
1
2
15 16 17 18 19 20
19
E 0, 2 Ei
15
81

82.

Вікно переліку можливих експериментів
82

83.

Візуалізація даних вимірювання та
графіку різниці частотних похибок
83

84.

Військова метрологічна схема передавання розміру одиниці
електричної напруги від 0,1 В до 1000 В змінного струму в діапазоні
частот від 10 Гц до 30 МГц
84

85.

Вольт-частотні площі еталону «Батуметр»
та державних еталонів України
Напруга, В
10 Гц
1 кГц
10 кГц
Частота
100 кГц
1 МГц
10 МГц
30 МГц
1 ГГц
0.001
0,003
0,01
Еталон «Батуметр»
0,03
0,1
0,3
0,5
1
2
Державний еталон
України
4
8
16
32
- еталон «Батуметр»
50
100
- ДЕ України
300
500
1000
85

86.

Вольт-частотні площі еталону «Батуметр»
та національних еталонів США
Напруга, В
10 Гц
1 кГц
10 кГц
Частота
100 кГц
1 МГц
10 МГц
30 МГц
1 ГГц
0.001
0,003
0,01
Еталон «Батуметр»
0,03
0,1
0,3
0,5
1
NIST (США)
2
4
8
16
32
- еталон «Батуметр»
50
100
- НЕ США
300
500
1000
86

87.

Вольт-частотні площі еталону «Батуметр»
та національних еталонів ФРН
Напруга, В
10 Гц
1 кГц
10 кГц
Частота
100 кГц
1 МГц
10 МГц
30 МГц
1 ГГц
0.001
0,003
0,01
Еталон «Батуметр»
0,03
0,1
0,3
0,5
1
PTB (ФРН)
2
4
8
16
32
50
100
- еталон «Батуметр»
- НЕ ФРН
300
500
1000
87

88.

Вольт-частотні площі еталону «Батуметр»
та державних еталонів РФ
Напруга, В
10 Гц
1 кГц
10 кГц
Частота
100 кГц
1 МГц
10 МГц
30 МГц
3 ГГц
0.001
0,003
0,01
Еталон «Батуметр»
0,03
0,1
0,3
0,5
1
ВНИИМ (РФ)
2
4
8
16
32
- еталон «Батуметр»
50
100
- НЕ РФ
300
500
1000
88

89.

Вольт-частотні площі еталону «Батуметр»
та державних еталонів Білорусі
Напруга, В
10 Гц
1 кГц
10 кГц
Частота
100 кГц
1 МГц
10 МГц
30 МГц
2 ГГц
0.001
0,003
Еталон «Батуметр»
0,01
0,03
0,1
0,3
0,5
1
БелГИМ (Білорусь)
2
4
8
16
32
- еталон «Батуметр»
50
100
- ДЕ Білорусі
300
500
1000
89

90.

Вольт-частотні площі еталону «Батуметр»
та еталонів виробництва фірми HOLT
Напруга, В
10 Гц
1 кГц
10 кГц
Частота
100 кГц
1 МГц
10 МГц
30 МГц
1 ГГц
0.001
0,003
0,01
Еталон «Батуметр»
0,03
0,1
0,3
0,5
1
2
4
8
Фірма HOLT
16
32
- еталон «Батуметр»
50
100
- еталони фірми HOLT
300
500
1000
90

91.

Порівняльна таблиця похибок за ТТЗ та
за результатами атестації
SТТЗ – похибки за ТТЗ
SА – похибки за результатами атестації
91

92.

92

93.

Еталони довжини
1 Державний первинний еталон одиниці довжини
2 Вторинний еталон – інтерференційна установка для штрихових мір в діапазоні від
1 мкм до 0,2 м
3 Вторинний еталон – інтерференційна установка для повірки вимірювальних
кілець в діапазоні від 1 до 100 мм.
4 Вторинний еталон одиниці довжини для вимірювання плоскопаралельних
кінцевих мір довжини в діапазоні від 100 мкм до 0,1 м.
5 Вторинний еталон одиниці довжини в діапазоні від 1 м до 50 м.
6 Вторинний еталон одиниці довжини в діапазоні від 24 м до 1 км.
7 Державний еталон одиниці довжини в області вимірювань параметрів шорсткості
в діапазоні від 25 нм до 1,6 мм.
8 Державний еталон одиниці довжини в області зубчатих зачеплень та кута нахилу
лінії зуба.
9 Державний еталон одиниці довжини в області вимірювань прямолінійності та
площинності.
10 Еталон одиниці довжини в діапазоні від 10 нм до 10 мкм.
93

94.

Державний первинний еталон одиниці довжини
Державний еталон довжини є еталоном основної одиниці фізичної величини
метра. З ним пов’язані державні еталони відповідних одиниць.
Згідно ДСТУ 3741-98 передача розміру одиниці довжини передається усім
робочим еталонам та засобам вимірювальної техніки.
94

95.

Діапазон значень довжини, у якому відтворюється та передається одиниця
довжини, становить від 1 мкм до 1 м.
Еталон забезпечує відтворення одиниці довжини з середнім квадратичним
відхиленням результату вимірювань, яке не перевищує 2,5 10–11.
- Невилучена систематична похибка не перевищує 1,2 10 –11.
- Нестабільність еталона за рік становить 7·10 -12.
Державний первинний
еталон одиниці довжини створений для
забезпечення відтворення, зберігання та передавання одиниці довжини метра. Еталон застосовується у відповідності з державною повірочною
схемою для засобів вимірювання довжини для забезпечення єдності
вимірювань у різних галузях народного господарства,науки та техніки
України.
В даний час державний еталон одиниці довжини проходе модернізацію,
зокрема механіки та електроніки, а так же актуалізацію повірочної схеми
3741-98 шляхом розширення дії в області нанодіапазона.
Пройде оновлення ДСТУ 3741-98 з раніше розробленими ГОСТом 805384 в великі довжини.
95

96.

Вторинний еталон – інтерференційна установка
для штрихових мір в діапазоні від 1 мкм до 0,2 м
Вторинний еталон забезпечує передачу розміру одиниці довжини від
первинного еталона мірам довжини (скляним та металевим) – робочим
еталонам 1 розряду у діапазоні від 10 мкм до 0,2 м методом прямих
вимірювань.
Метрологічні характеристики еталона:
середнє квадратичне відхилення результату вимірювань не перевищує
(0,01 + 0,04L) мкм, L – номінальна довжина міри в метрах.
96

97.

Вторинний еталон – інтерференційна установка
для повірки вимірювальних кілець в діапазоні
від 1 до 100 мм
Вторинний еталон забезпечує передачу розміру одиниці довжини від
первинного еталона вимірювальним кільцям – робочим еталонам 1 розряду
методом прямих вимірювань у діапазоні від 1 до 100 мм.
Сумарна відносна невизначеність вимірювань не перевищує 1×10 -7.
Невилучена систематична похибка 5,07×10-8.
Еталон застосовується у відповідності з державною повірочною схемою для
засобів вимірювань діаметрів отворів, що забезпечує єдність вимірювань у
територіальних органах, промисловості та у науці.
97

98.

Вторинний еталон одиниці довжини для
вимірювання плоскопаралельних кінцевих мір
довжини в діапазоні від 100 мкм до 0,1 м
98

99.

Еталон – копія - інтерференційна установка призначена для повірки
плоскопаралельних кінцевих мір довжини у довжинах хвиль у діапазоні від
100 мкм до 100 мм.
Існуючий у теперішній час парк засобів вимірювань кінцевих мір
довжини, який знаходиться в експлуатації в територіальних органах
Держспоживстандарту та на промислових підприємствах різноманітний по
номенклатурі і досить великий за кількістю. Так лише у територіальних
органах Держспоживстандарту використовується у повірочній практиці
більш 4000 одиниць повірочного обладнання різного рівня точності. При
цьому робочих еталонів 1-го розряду налічується більш ніж 300 одиниць.
Середнє квадратичне відхилення результату звірень еталона-копії з
Державним первинним еталоном одиниці довжини ДЕТУ 01-03-98 не
перевищує 9,4·10 –9, невилучена систематична похибка складає 8,9·10 –9.
99

100.

Вторинний еталон одиниці довжини в діапазоні
від 1 м до 50 м
100

101.

Середньоквадратичне відхилення результату вимірювань при звіренні
еталона з державним (0,08+0,2L) мкм.
Вторинний еталон для відтворення одиниці довжини у діапазоні від 1 м
до 50 м (ВЕТУ 01-03-05-98) входить до складу Національного лінійногеодезичного полігону ННЦ “Інститут метрології”, який є метрологічною
базою України з передачі розміру одиниці довжини в область великих
довжин.
На вторинному еталоні для відтворення одиниці довжини провадяться
роботи по повірці та метрологічній атестації вимірювальних стрічок 2-го
розряду, штрихових мір довжини, вимірювальних рулеток, землемірних
стрічок, вимірювачів лінійних переміщень, інших засобів вимірювання
довжини, а також при комплексній повірці та атестації світловіддалемірів
та тахеометрів (м. Харків, Львів, Донецьк, Запоріжжя, Дніпропетровськ).
Крім того на вторинному еталоні ВЕТУ 01-03-05-98 також проводяться за
наказами Держспоживстандарту державні приймальні та контрольні
випробування
різноманітних
засобів
вимірювальної
техніки
(інтерферометрів, тахеометрів, ін.)
101

102.

Вторинний еталон одиниці довжини в діапазоні
від 24 м до 1 км
102

103.

Номер за реєстром ВЕТУ 01-03-02-98.
Діапазон значень довжини, що зберігається еталоном від 24 до 1000 м.
Середньоквадратичне відхилення результату вимірювань еталона
(0,1 +5.10-7L) мм.
Мобільний еталонний лазерний далекомір, що входить до складу еталона і
не має аналогів у світі, надає можливість передавати значення одиниці
довжини зразковим лінійним базисам, розміщеним по всій території України,
з інструментальною похибкою вимірювання 0,1 мм.
Принцип роботи заснований на синхронному вимірі номінальної довжини
польового компаратора зразковим та повіряємим далекомірами з одночасним
вимірюванням метеопараметрів для урахування середньоінтегрального
показника заломлення.
В останні роки, у зв’язку з будівництвом складних інженерних споруд, в
авіаційній та корабельно-будівній промисловості, в трубобудівництві,
маркшедерії, при будівництві Державних геодезичних мереж, в Чорнобилі та
ряді інших галузей, різко підвищились вимоги до точності лінійних
вимірювань. При цьому, основним засобом, що дозволяє виконувати точні
вимірювання довжин в цій галузі стали лазерні інтерферометри, нівеліри та
тахеометри.
103

104.

Державний еталон одиниці довжини в області
вимірювань параметрів шорсткості в діапазоні
від 25 нм до 1,6 мм
104

105.

Номер за реєстром ДЕТУ 01-04-07.
Середнє квадратичне відхилення результату вимірювання:
- S=3 нм в діапазоні від 25 нм до 1,0 мкм включно. Невилучена
систематична похибка 4 нм;
- S=20 нм в діапазоні від 1,0 мкм до 1600 мкм включно. Невилучена
систематична похибка 40 нм.
Якість обробки поверхонь впливає на показники продукції, що
пов’язані з втратами енергії, та на собівартість виробів машинобудування.
Параметри шорсткості є показниками якості обробки поверхні.
Державний первинний еталон одиниці довжини для вимірювань
параметрів шорсткості є найвищою ланкою системи забезпечення єдності
геометричних вимірювань що до параметрів шорсткості. Еталон
затверджено 21.05.2007 року наказ №109.
105

106.

Державний еталон одиниці довжини в області
зубчатих зачеплень та кута нахилу лінії зуба
106

107.

Номер за реєстром ДЕТУ 01-01-96.
Середнє квадратичне відхилення результату вимірювання:
- S=0,25 мкм в діапазоні r0 від 37 до 150 мм включно. Невилучена
систематична похибка 0,15 мкм.
Державний первинний еталон одиниці довжини та кута нахилу лінії
зуба є міжнародною найвищою ланкою системи забезпечення єдності
параметрів евольвентної поверхні.
107

108.

Державний еталон одиниці довжини в області
вимірювань прямолінійності та площинності
108

109.

Номер за реєстром ДЕТУ 01-02-96.
Фізична величина або діапазон значень фізичної величини, що
відтворює еталон - (0 – 10) мкм.
Середньоквадратичне відхилення результату вимірювань - 0,1 L мкм.
Невилучена систематична похибка - 0,1 L мкм.
Державний еталон одиниці довжини для відхилень від прямолінійності
та площинності призначений для відтворення і зберігання одиниці
довжини у галузі вимірювань відхилень від прямолінійності та
площинності і передавання розміру одиниці за допомогою вторинних та
робочих еталонів робочим засобам вимірювальної техніки, з метою
забезпечення єдності вимірювань в Україні.
109

110.

Еталон одиниці довжини в діапазоні від 10 нм
до 10 мкм
Розробка вторинного еталона одиниці довжини в нанометровому
діапазоні, який буде базуватися на поєднанні методів зондової мікроскопії та
лазерної інтерферометрії, дасть змогу створити в Україні сучасну систему
метрологічного забезпечення єдності лінійних вимірювань довжини з
включенням нанометрового діапазону, що сприятиме розвитку вітчизняної
нанотехнології та наноіндустрії.
Очікувані метрологічні характеристики еталона: діапазон вимірювань від 1 10-9 до 1 10-5 м;
Середньоквадратичне відхилення результату вимірювань - від 5 10-10 до
2 10-8 м.
110

111.

Завдання НІОКР «УДОСКОНАЛЕННЯ
ДЕРЖАВНОГО ЕТАЛОНА ОДИНИЦІ
ЕЛЕКТРИЧНОГО ОПОРУ»
Підвищення метрологічних характеристик і функційних
можливостей еталона
Доповнення еталона системою відтворення одиниці
електричного
опору
Розширення діапазону електричного опору, в який
передається
розмір одиниці
Доповнення
еталона
сучасними
мостамикомпараторами опору
Модернізація обладнання і інфраструктури еталона
111

112.

Еталон одиниці електричного опору
(перша черга)

113.

Еволюція відтворення електричних одиниць
(единицы СИ)
1956
10-6
1956
(2-5). 10-7
1948
10-6
1950
5.10-6
1962
(1-5).10-9
1980
1946
3.10-8
5.10-7
113
113

114.

Квантові ефекти
Ефект Джозефсона
U J n
Квантовий ефект Холла
Rx
h
f 0 [В]
2e
h
me2
[Ом]
2 f
Ядерний магнітний резонанс
B
Одноелектронне тунелювання
I efТ
ямр
[Тл]
р
[А]
Ом
Вольт
Ампер
114

115.

Відтворення вольта, ома і ампера
за допомогою квантових ефектів
115

116.

Ефект Холла
116

117.

Квантовий ефект Холла
117

118.

Двовимірна структура
МДН-структура
118

119.

Залежність холлівського і подовжнього
опору від магнітної індукції
119

120.

Холлівська двовимірна структура
120

121.

Холлівська двовимірна структура
121

122.

Структура Холла
122

123.

Надпровідний магніт
Соленоїд з обмоткою з надпровідного матеріалу
Умови надпровідності: T<Tкр, I<Iкр, H<Hкр
Стабільне поле, відсутність пульсацій (ефект Мейснера)
Матеріали обмотки:ніобій – цирконій (Тк=10,5 К)
ніобій – титан (Тк=9,8 К)
ніобій – олово (Тк=18,1 К)
ніобій – галій
(Тк=14,5 К)
Використання: сильні стабільні магнітні поля
123

124.

Схема реалізації КЕХ
124

125.

Квантова міра Холла 6800А
125

126.

Система передачі одиниці від QHR
в діапазон від 10-4 Ом до 1012 Ом
6530 HP
від 1010 Ом до 1012 Ом
109 Ом
DCC 6622-HV
DCC
Accubridge
104 Ом
від 109 Ом до 1010 Ом
108 Ом
106 Ом
QHR
Rx=12906,4035 Ом
100 Ом
DCC
Accubridge
DCC 6622-HV
6623-3
1 кОм
DCC 6622-HV
від 1 Ом до 10-3 Ом
1 Ом
DCC 6622-HV
6623-450
від 10-3 Ом до 10-4 Ом
126

127.

Система передачі одиниці від
QHR в NIST (США)
127

128.

Функційна схема еталона
Міра
опору на
КЕХ
Структура
Холла
Rх
Місткомпаратор
постійного
струму
Група
зберігання
1,10,100,1000 Ом,
10 кОм
Система
передавання
Містрозширювач
„вниз”
10-6-10-3 Ом
Базовий
міст
10-3-109 Ом
Тераомний
містрозширювач
109-1015 Ом
„Робочі” міри електричного опору
10-6 Ом
1015 Ом
До підпорядкованих еталонів опору
128

129.

Структурна схема еталона
129

130.

Система відтворення
130

131.

Система зберігання
131

132.

Система масштабування і
передавання
132

133.

Кріогенна система
133

134.

Схема моста EccuBridge
134

135.

Перелік експериментальних
досліджень
Передавання «холлівського» розміру ома мірам системи
зберігання за допомогою моста Eccubridge.
Передавання одиниці від системи зберігання в середньоомний
діапазон за допомогою базового моста 6622А-HV.
Передавання одиниці від системи зберігання в низькоомний
діапазон за допомогою моста 6622А і розширювача 6623А.
Передавання одиниці від системи зберігання в високоомний
діапазон за допомогою мостів 6622А та 6530.
Атестація квантової міри Холла.
Атестація моста 6622А-HV.
Дослідження СКВ (uA) високоомних мір.
Дослідження СКВ мір груп зберігання.
Розрахунок похибок і невизначеностей.
135

136.

Метрологічні характеристики еталона
Характеристика
Значення відтвореного опору на
мірі Холла, Ом
Значення відтворення опору на
мірах зберігання
Значення
НСП відтворення
2.10-8(R=1 кОм); 3,2.10-8(R=1 Ом, 100 Ом)
СКО відтворення
uа відтворення
3 10-9
ub відтворення
1 . 10-8 (R = 1 кОм); 1,6.10-8(R = 1 Ом, 100 Ом)
Up відтворення
2 . 10-8 (R = 1 кОм); 3,2.10-8(R = 1 Ом, 100 Ом)
Нестабільність зберігання за рік
1 Ом
100 Ом
10000 Ом
0,42 . 10-7
1 . 10-7
0,05 . 10-7
12906,4035
1 Ом, 100 Ом, 1 кОм, 10 кОм
3 10-9…….
Діапазон
опорів,
в
який
Від 10-4 Ом до 1012 Ом
передається розмір одиниці
Розширена
невизначеність
діапазоні передавання
в 8 . 10-7(R = 1 . 10-3 Ом)
1 . 10-6 (R = 1 . 10-4 Ом)
12 . 10-7 (R = 1 . 106 Ом)
10 . 10-6 (R = 1 . 109 Ом)
60 . 10-6 (R = 1 . 1012 Ом)
136

137.

Порівняння з еталонами
№
п/п
Країна
Діапазон
Невизначеність Невизначеність
передавання, Ом
типу А, Ом
типу В, Ом
1
Росія
1 10-3 - 1 109
<5 10-9
<1,5 10-8
2
Німеччина
1 10-3 - 1 109
<3 10-9
<1 10-8
3
США
1 10-4 - 1 1012
<3 10-9
<1 10-8
4
Україна
1 10-4 - 1 1012
<3 10-9
<1 10-8
137

138.

Калібрування C i L
0 ln 2
C C l
l
1
R
L
C
1
R
L 2
C
C
1
1
2
R L
138

139.

Квантовий ефект Холла на
змінному струмі
139

140.

ПЕРСПЕКТИВА – КВАНТОВИЙ ЕФЕКТ
ХОЛЛА НА ГРАФЕНІ
Характеристики
еталона
Існуюча
структура міри Холла
Структура на
графені (прогноз)
Охолодження
Рідкий гелій +
дроселювання
Без рідкого гелію
Температура
1,2 К
3-5 К
Магнітна індукція
~ 8 Тл
< 2 Тл
Частота змінного
струму
~ 1 кГц
до 100 кГц
10-8
10-7
10-9
10-8
Невизначеність
- на постійному струмі
- на змінному струмі
140

141.

«Практична» система еталонів
електричних одиниць
141

142.

Схема калібрування ємності і
індуктивності
142

143.

Фізичні ефекти
Тунелювання
електронів
Надпровідність,
ефект Мейснера
143

144.

Методи відтворення електричних
одиниць в SI і New SI
Одиниця
Відтворення в SI
Відтворення
в New SI
Ампер
Через механічні величини за
допомогою ампер - вагів
Опосередковано через
квантові ефекти
Джозефсона і Холла
Вольт
Нормальні елементи
Ефект Джозефсона
Ом
Розрахунковий конденсатор і Квантовий ефект Холла
міст-компаратор
Тесла
Через струм і розрахункову Ефект ядерного магнітного
котушку
резонансу
Фарада
Розрахунковий конденсатор
За допомогою КЕХ і мостакомпаратора
Генрі
Розрахункова котушка
За допомогою КЕХ і мостакомпаратора
144

145.

Загальний вигляд державного первинного
еталона одиниці електричного опору
145

146.

Еволюція визначення і точності
відтворення секунди
146

147.

Енергетичні рівні атома 133Cs в основному
стані
147

148.

Структурна схема цезієвого репера
5
1 – джерело атомів цезію-133 (цезієва піч); 2, 4 – магніти;
3 – резонатори; 5 – детектор
148

149.

Форма резонансної кривої (спектральної
лінії цезієвого переходу
149

150.

Структурна схема водневого
генератора
1 – балон з воднем; 2 – коліматор; 3 – осьовий магніт;
4 – накопичувальна чарунка; 5 – резонатор; 6 – багатошаровий екран
150

151.

Таблиця порівняння з основними
даними квантових стандартів частоти
151

152.

Структурна схема державного еталона
часу і частоти України
Система
відтворення та
зберігання одиниць
часу та частоти
Цезієвий репер
2
1
Водневі репери
1
2
3
Водневі зберігачі
1
2
3
4
5
Система формування
шкали часу
4
Цезієвий
зберігач
Система зберігання
шкали часу
Керувальнообчислювальний
комплекс
Система внутрішніх звірянь
Система зовнішніх
звірянь
Приймальний
комплекс
Метеорна
апаратура
Апаратура
фазових звірянь
Транспортабельний
квантовий годинник
152

153.

Принцип дії цезієвого фонтана
153

154.

Цезієвий фонтан NPL:
структурна схема та зовнішній вигляд
154

155.

Оптичний годинник на іонах стронцію
155

156.

Схема криптонового еталона метра
1 – капіляр; 2 – газорозрядна трубка з криптоном; 3 – розжарений
катод; 4 – манометр; 5 – посудина Дьюара з рідким азотом;
6 – герметична камера; 7 – термопара; 8 – окуляр; 9 – мотор з
лопаткою для перемішування рідкого азоту
156

157.

Криптоновий еталон метра
157

158.

Спрощена схема еталона одиниці
довжини
158

159.

Структурна схема газового лазера
1 – дзеркала; 2 – вікна для виходу
випромінювання;
3 – катод та анод; 4 – газорозрядна трубка
159

160.

Методика вимірювання частоти лазера
160

161.

Структурна схема первинного еталона
одиниці довжини
161

162.

Структура державного еталону часу,
частоти і довжини
162

163.

Фізичні основи ефекту Джозефсона
Наведемо деякі відомості з квантової фізики. Унікальною
особливістю квантових частинок, в тому числі електронів, є їх
особливість проникати через перешкоду (енергетичний бар’єр)
навіть в тих випадках, коли їхня енергія нижча від потенційного
бар’єра, властивого для даної перешкоди. Це явище носить назву
тунелювання. Схематично воно показане на рис. 4.3. Якби
електрон був класичною частинкою з енергією Е, то він, зустрівши
на своєму шляху перешкоду, для подолання якої необхідна енергія
U > Е, повинен би був відбитись від цієї перешкоди. Однак, як
хвиля, що володіє відповідною хвильовою функцією, він проходить
через цю перешкоду, хоча і з витратою енергії. Ймовірність
подолання перешкоди тим вища, чим геометрично тонший бар’єр і
чим менша різниця між енергією електрона і енергетичною висотою
бар’єра.
163

164.

Тунелювання електрона через бар'єр
164

165.

ВАХ тунельного контакту при
стаціонарному ефекті Джозефсона
165

166.

ВАХ тунельного контакту при
нестаціонарному ефекті Джозефсона
166

167.

Апаратура для вiдтворення напруги на
основі ефекту Джозефсона
167

168.

Зовнішній вигляд матриці Джозефсона
(РТВ), розмір 17 Х 10 мм
168

169.

Зовнішній вигляд первинного еталона
одиниці ЕРС
169

170.

Структурна схема первинного еталона
одиниці ЕРС (еталон України)
170

171.

Складові і сумарна оцінка похибок, а також
перераховані через відомі співвідношення
значення невизначеностей державного
еталона України
171

172.

Фізичні основи квантового ефекту Холла
Для розуміння квантового ефекту Холла розглянемо
спочатку «звичайний ефект Холла», відкритий відомим
фізиком у 1879 р. Він полягає в тому, що в металі, або в
напівпровідникові зі струмом, який поміщено в магнітне
поле, перпендикулярне до вектора напрямку струму,
виникає поперечне електричне поле і різниця потенціалів –
ЕРС Холла Ex. Причиною ефекту Холла є відхилення
електронів, які рухаються в магнітному полі, під дією сили
Лоренца. На рисунку вказані напрямки магнітної індукції В і
струму І, швидкості електронів v і сили Лоренца FЛ, а також
знаки зарядів, що накопичуються на верхній і нижній
поверхнях металу або напівпровідника. Відхилення
електронів магнітним полем буде мати місце, поки дія сили в
поперечному електричному полі не врівноважить силу
Лоренца.
172

173.

Ефект Холла
173

174.

Залежність холлівського опору від
щільності електронів у каналі
174

175.

Залежність холлівського і подовжнього
опору від магнітної індукції
175

176.

Холлівска структура типу метал –
діелектрик – напівпровідник
176

177.

Структурна схема установки для
реалізації квантового ефекту Холла
177

178.

Структурна схема первинного еталона
одиниці електричного опору
178

179.

Державний первинний еталон
одиниці електричного опору (ВНИИМ)
179

180.

Структурна схема еталона ампера з
використанням квантових ефектів
Джозефсона і Холла
180

181.

«Трикутник» квантових еталонів
181

182.

Варіант реалізації трикутника квантової
метрології
182

183.

Нова (практична) система еталонів
електричних одиниць
183

184.

Порівняння двох систем еталонів
184

185.

Зв'язок електричних одиниць з ФФС
f
e, νCs
10-7
10-7
e, h, νCs
Еф. одноел.
Тунелювання
А
e, νCs
Вт
10-9
10
e, h, νCs
Еф. Джозефсона
В
-6
h, e, νCs
Гн
f
10-8
Ф
f
h, e
Ом
10-7
e, h, νCs
Кв. еф. Холла
10-6
Тл
Еф. ЯМР
γp, νCs
f
185

186.

Виготовлення кремнієвої кулі
186

187.

Схема ват-вагів NIST (США)
187

188.

Ват-ваги NIST (США)
188