Wzorce wielkości elektrycznych

1. Wzorce miary rezystancji

Wtórne wzorce miary rezystancji są odpowiednio skonstruowanymi i starannie wykonanymi rezystorami. Rezystory są wykonane z materiału oporowego o małym temperaturowym współczynniku rezystancji, mniejszym niż 10 -5/K i sile elektromotorycznej (SEM) kontaktowej mniejszej niż l μV/K. Konstrukcyjnie są wykonane w kształcie płaskownika lub zwojnicy z izolowanego drutu, odpowiednio ukształtowanej i zamkniętej w obudowie. Na obudowie są podane: rezystancja znamionowa, temperatura odniesienia, dopuszczalny prąd, wskaźnik klasy dokładności i numer fabryczny.

Wzorce jednomiarowe są wykonywane o wartościach znamionowych ze znormalizowanego szeregu RN = 10mΩ (gdzie m = - 4,..., + 7). Zgodnie z normą PN-90/E-06509 wzorce jednomiarowe rezystancji są wykonane w klasach dokładności: 0,0005; 0,001; 0,002; 0,005; 0,01; 0,02; 0,05; 0,1 i 0,2. Wskaźnik klasy dokładności 0,0005 0,01 oznacza liczbę wyrażającą w procentach (%) niepewność uwierzytelnienia i niestałość wzorca rezystancji. Wskaźnik klasy 0,02 0,2 oznacza liczbę wyrażającą w procentach tolerancję wzorca rezystancji. Moc znamionowa wzorców rezystancji w powietrzu wynosi PN = 0,1W dla czterech najdokładniejszych klas oraz PN = lW dla pozostałych klas dokładności. Dopuszczalny prąd można obliczyć ze wzoru IN = ^/PN / RN. Temperatura rezystora zależy od prądu przepływającego przez rezystor. Znaczne przeciążenie prądowe rezystora może trwale zmienić wartość rezystancji. Temperatura odniesienia czynnika chłodzącego rezystory czterech najdokładniejszych klas wynosi 20 ± 0,1C, a rezystory pozostałych klas dokładności — 20 ± l \"C. Rezystory wzorcowe powinny mieć osobne zaciski prądowe i napięciowe.

Wzorce wielomiarowe rezystancji elektrycznej wykonuje się jako rezystory wielo-dekadowe, składające się z rezystorów łączonych szeregowo i wyposażonych w przełączniki, za pomocą których nastawia się określoną wartość rezystancji. Zgodnie z normą PN-90/E-06508 rezystory dekadowe są wykonane w klasach dokładności: 0,01; 0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1; 2 i 5. Najdokładniej wykonuje się dekady o największej wartości (np. 10xlOkΩ i 10xlkΩ), ponieważ od nich przede wszystkim zależy dokładność rezystora wielo-dekadowego. Dekady o najmniejszej wartości (np. 10 x lΩ i 10 x 0,1Ω) mogą być mniej dokładne (gorszej klasy). Rezystancja styków przełączników oraz przewodów łączących poszczególne rezystory między sobą jest nazywana rezystancją zerową. Wartość rezystancji zerowej mierzy się między zaciskami rezystora wielo-dekadowego przy nastawieniu wszystkich dekad na zero. Moc znamionowa rezystorów dekadowych wynosi: 0,5W (normalnych); 0,25W lub 0,1 W (miniaturowych) na każdy pojedynczy rezystor w dekadzie.

2. Wzorce miary indukcyjności

Wzorce miary indukcyjności własnej są cewkami nawiniętymi na karkasach z takiego materiału, jak marmur, steatyt, szkło kwarcowe, ceramika (porcelana). Użytkowe wzorce indukcyjności własnej są nawijane wielowarstwowo przewodem skręconym z wielu cienkich izolowanych przewodów miedzianych (tzw. lica). Wartości znamionowe wzorców miary indukcyjności własnej są zawarte w granicach 10-5 10 H, a ich niepewność wynosi + (0,02 0,1%). Indukcyjność wzorca zmienia się wraz ze zmianą częstotliwości prądu, więc indukcyjność znamionową wzorców podaje się dla określonej częstotliwości, najczęściej l000Hz. Rzeczywista cewka wzorca indukcyjności własnej stanowi dla prądu zmiennego impedancję. Indukcyjność L jest połączona szeregowo z rezystancją R cewki, a równolegle jest dołączona pojemność C reprezentująca miedzy zwojową pojemność cewki.

Wzorce miary indukcyjności wzajemnej są realizowane jako dwa uzwojenia nawinięte w jednej warstwie w taki sposób, że zwoje obu uzwojeń leżą obok siebie. Użytkowe wzorce indukcyjności wzajemnej nawija się dwoma przewodami jednocześnie lub wykonuje się jako układ dwóch cewek o dużym wzajemnym sprzężeniu magnetycznym. Znamionowe wartości wzorców indukcyjności wzajemnej wynoszą 0,1100rnH przy częstotliwości 1000Hz.

3. Wzorce miary pojemności

Użytkowe wzorce pojemności, zależnie od rodzaju zastosowanego dielektryka, buduje się jako kondensatory powietrzne, gazowe, olejowe lub z dielektrykiem stałym. Na wartość pojemności kondensatora mają wpływ temperatura i wilgotność, powodując zmianę odległości miedzy elektrodami oraz zmianę przenikalności elektrycznej względnej εr. Wzorce najdokładniejsze, o klasie dokładności 0,01, odtwarzają małą pojemność (do l0pF). Kondensatory powietrzne wielopłytkowe wykonuje się o pojemności znamionowej 10 l0000pF, napięciu znamionowym 250 1000 V, klasie dokładności 0,02; 0,05 lub 0,1. Budowane są też wielopłytkowe wzorce powietrzne nastawne, w których zmianę pojemności uzyskuje się przez obrót jednego układu elektrod względem drugiego nieruchomego układu. Powietrzne wzorce nastawne wykonuje się o pojemności do l000pF. Wadą wzorców powietrznych jest ich duża masa i duże wymiary. Wzorce o większej pojemności mają dielektryk stały (np. mika, polistyren) i pojemność do kilku mikrofaradów.
Miarą jakości kondensatora rzeczywistego w porównaniu z idealnym jest współczynnik stratności tgδ, gdzie δ oznacza kąt strat dielektrycznych kondensatora. Właściwości rzeczywistych kondensatorów można przedstawić jako połączenie równoległe bezstratnej pojemności C i rezystancji Rr o dużej wartości lub jako połączenie szeregowe bezstratnej pojemności C i rezystancji Rr o małej wartości.
Wzorce pojemności są budowane w klasach dokładności: 0,01; 0,02; 0,05; 0,1; 0,2 i 0,5. Wskaźnik klasy 0,01 i 0,02 oznacza liczbę określającą w procentach niepewność uwierzytelniania i niestałość roczną wzorca pojemności. Wskaźnik klasy 0,050,5 oznacza liczbę wyrażającą w procentach tolerancję wzorca pojemności. Niepewność uwierzytelniania może być rzędu niepewności etanolu pierwotnego (podstawowego).

4. Wzorce miary częstotliwości i czasu

Użytkowymi wzorcami częstotliwości służącymi do odtwarzania miary częstotliwości są generatory z rezonatorami kwarcowymi. Generator kwarcowy umieszczony w termostacie, starannie zaprojektowany, zapewnia niestabilność częstotliwości nie większą niż 1·10-10 na dobę, a generator średniej klasy ok. 10-8.
Generatory częstotliwości wzorcowej są budowane na jedną wartość częstotliwości. Inne wartości częstotliwości uzyskuje się w układzie dzielnika lub powielacza częstotliwości. Typowa wartość drgań własnych rezonatora kwarcowego wynosi od 50 kHz do 50 MHz. Generatory wzorcowe są stosowane w pomiarach czasu i częstotliwości, w pomiarach napięcia metodami cyfrowymi, (jeżeli przetwornik A/C przetwarza napięcie na czas lub częstotliwość) i w wielu innych pomiarach.
Wzorce miary częstotliwości są równocześnie wzorcami miary czasu, ponieważ częstotliwość jest powiązana z czasem.

Etanolami częstotliwości i czasu są atomowe wzorce cezowe, rubinowe oraz wodorowe. Etanol miary częstotliwości i czasu jest odtwarzany za pomocą atomowego zegara (generatora) cezowego przez Międzynarodowe Biuro Czasu. Atomowy etanol cezowy jest urządzeniem skomplikowanym. Składa się z dwóch zespołów. Jeden zespół to bardzo stabilny generator kwarcowy o częstotliwości 5 MHz. Drugi zespół to układy mikrofalowe, w których jest wytwarzana fala o częstotliwości odpowiadającej przejściu między dwoma nadsubtelnymi poziomami stanu podstawowego atomu cezu 133. Sygnał otrzymany z cezowej części mikrofalowej steruje częstotliwością generatora kwarcowego, wymuszając częstotliwość 5 MHz, będącą w ścisłym stosunku do częstotliwości odpowiedniego promieniowania cezu 133. Niepewność tak skonstruowanego etanolu o wzorcowej częstotliwości 5 MHz wynosi ok. ±1·10-13. Sygnały wzorcowej częstotliwości i czasu są emitowane drogą radiową. Równocześnie są podawane poprawki uwzględniające zmianę prędkości propagacji fal. Z etanolem państwowym porównuje się sygnały częstotliwości wzorcowej, które za pośrednictwem radia i sieci przewodowej są przesyłane do zainteresowanych ośrodków w państwie. Dostępność sygnałów z satelitarnego systemu GPS umożliwia wykonanie urządzeń odtwarzających państwowe etalonowe miary częstotliwości i czasu synchronizowane sygnałami GPS. Niepewność dobowa częstotliwości wzorcowej jest rzędu 1·10-12, a niepewność wzorcowego czasu jest mniejsza niż 40ns.

5. Wzorce miar napięcia elektrycznego.

Elektroniczne wzorce napięcia stałego są wytwarzane przy użyciu skompensowanych temperaturowo diod Zenera. Są odporne na wstrząsy i mogą być długotrwale obciążane prądem o wartości do 1; 10; 100 mA. Są odporne na przeciążenie i zwarcie. W najlepszych wzorcach napięcie skuteczne szumu w paśmie do 10 Hz nie przekracza kilku dziesiątych mikrowolta. Są wykonywane na napięcie 1V oraz 1,018 V i 10 V — np. elektroniczny wzorzec napięcia stałego typu FLUKE 732 B: obciążalność do 12 mA na zakresie 10 V, rezystancja wyjściowa l mΩ. Obciążane prądem 02mA zmieniają napięcie mniej niż 10-7. Są wewnętrznie termostatyzowane i muszą być stale zasilane. Ich roczna niestałość napięcia jest mniejsza niż +1·10-6, temperaturowa zmiana napięcia mniejsza niż 4·10-8 K. Błąd wzorcowania jest największą składową niepewności napięcia tych wzorców.

Kalibratory napięcia umożliwiają nastawienie napięcia wzorcowego o wartości 0 1100 V w kilku podzakresach. Najmniejsza zmiana napięcia wynosi 10 -410 -6 napięcia podzakresu. Dopuszczalne obciążenie prądem wynosi do 100 mA (na zakresie 10 V). Niepewność nastawianego wzorcowego napięcia stałego w najlepszych kalibratorach i na najkorzystniejszym zakresie wynosi ±3·10 -6 (±3 ppm)/rok.. W kalibratorach przeciętnej jakości niepewność wynosi ok. ±0,03% (±300ppm)/rok lub więcej.

Źródło:
· Książka „Miernictwo elektryczne i elektroniczne” autorstwa Józefa Parchańskiego