專利名稱：一種用于整體校驗(yàn)低溫電流比較儀比例的儀器及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于一種在計(jì)量過(guò)程中的一種計(jì)量?jī)x器及其方法，尤其涉及一種在電測(cè)量中的低溫電流比較儀的整體校驗(yàn)裝置及其方法。
背景技術(shù)：
測(cè)量過(guò)程是指把被測(cè)量與標(biāo)準(zhǔn)量進(jìn)行比較，求得兩者之間的比例值。因此，標(biāo)準(zhǔn)量、被測(cè)量和比例量具是完成測(cè)量過(guò)程的三個(gè)要素。其中，比例量具所給出的比例值是否準(zhǔn)確，對(duì)于測(cè)量過(guò)程而言自然是極為重要的。不斷提高比例量具的準(zhǔn)確度也就成為各國(guó)計(jì)量工作者一種持久的追求。在電測(cè)量中，歷史悠久的惠斯頓電橋及電位差計(jì)是人們最熟知的兩種比例量具。其比例的準(zhǔn)確度是基于電阻元件的準(zhǔn)確度及穩(wěn)定性，在20世紀(jì)的工藝條件下一般能達(dá)到10-5量級(jí)。同樣基于電阻元件的哈蒙量具則由于原理的革新而得到了10-8量級(jí)的比例準(zhǔn)確度。但哈蒙量具只適用于固定的比例值，難以實(shí)現(xiàn)任意比例值。而且為了實(shí)現(xiàn)一個(gè)比例值需在串聯(lián)和并聯(lián)兩種情況下分別進(jìn)行測(cè)量，用起來(lái)很不方便。20世紀(jì)70年代出現(xiàn)的磁調(diào)制器式電流比較儀則實(shí)現(xiàn)了一次飛躍，可以給出任意值的電流比例，準(zhǔn)確度達(dá)到10-7量級(jí)。目前大部分的計(jì)量實(shí)驗(yàn)室中，磁調(diào)制器式電流比較儀仍然起著舉足輕重的作用。但是到了20世紀(jì)90年代，對(duì)于電磁測(cè)量中比例量具的比例準(zhǔn)確度又提出了新的、更高的要求。根據(jù)國(guó)際計(jì)量委員會(huì)的建議，從1990年1月1日起，在世界范圍內(nèi)啟用了約瑟夫森電壓基準(zhǔn)和量子化霍爾電阻基準(zhǔn)這兩種自然基準(zhǔn)。電磁計(jì)量基準(zhǔn)的復(fù)現(xiàn)性和一致性提高到了10-9量級(jí)，而新發(fā)展起來(lái)的低溫電流比較儀則以其超群的比例準(zhǔn)確度發(fā)揮了卓越的作用。除了計(jì)量基標(biāo)準(zhǔn)方面，各種實(shí)際應(yīng)用中電磁測(cè)量的準(zhǔn)確度要求也在日益提高。低溫電流比較儀的出現(xiàn)，提供了一種實(shí)現(xiàn)超高準(zhǔn)確度測(cè)量的可能性。
低溫電流比較儀的基本原理與現(xiàn)在已經(jīng)比較熟知的磁調(diào)制器式電流比較儀相當(dāng)接近。磁調(diào)制器式比較儀所使用的方法是電流的安匝數(shù)平衡。即把待比較的兩路電流I1和I2分別通入繞在同一鐵芯磁路上的兩個(gè)繞組中。設(shè)這兩個(gè)繞組的匝數(shù)分別為W1和W2，當(dāng)安匝數(shù)達(dá)到平衡時(shí)應(yīng)滿足條件I1W1+I2W2＝0 (1)如果用某種非常靈敏的檢測(cè)手段來(lái)監(jiān)視安匝數(shù)平衡條件式(1)，并設(shè)法使它保持嚴(yán)格成立，就可得到此時(shí)的電流比例為I1/I2＝-W1/W2(2)由于匝數(shù)比W1/W2是個(gè)無(wú)誤差的整數(shù)之比，所以原則上電流比較儀方法可以得到極為準(zhǔn)確的電流比例值。另一方面，匝數(shù)比可以設(shè)計(jì)成各種各樣的非整數(shù)比例值，所以也可以適應(yīng)非整數(shù)比例值測(cè)量的要求。電流比較儀方法在原理上相當(dāng)完善，但是磁調(diào)制器式電流比較儀的準(zhǔn)確度在經(jīng)多年努力后只達(dá)到了10-7量級(jí)，尚不能適應(yīng)傳遞新的電磁計(jì)量自然基準(zhǔn)量值的要求。低溫電流比較儀就是針對(duì)這兩方面的問(wèn)題進(jìn)行了重大改進(jìn)而制成的。在解決漏磁通引起的誤差方面，在低溫電流比較儀中，充分利用了超導(dǎo)屏蔽的完全抗磁效應(yīng)，即邁斯納效應(yīng)。超導(dǎo)理論及實(shí)驗(yàn)均證實(shí)了超導(dǎo)體是一種完全抗磁體，超導(dǎo)體內(nèi)部不會(huì)有磁場(chǎng)存在，外界磁場(chǎng)對(duì)超導(dǎo)體表面的透入深度僅為10-7m的量級(jí)。因此，只要用超導(dǎo)體做成超導(dǎo)屏蔽來(lái)隔離電流比較儀檢測(cè)線圈和比例線圈，其隔離作用將非常完善。這樣就相當(dāng)徹底地解決了漏磁通誤差的問(wèn)題。在解決安匝數(shù)平衡條件的監(jiān)視技術(shù)手段方面，在低溫電流比較儀中，使用了超導(dǎo)量子干涉器件(SQUID，國(guó)內(nèi)擬譯為司圭器)。超導(dǎo)量子干涉器件是現(xiàn)代最靈敏的微弱磁通探測(cè)手段，其靈敏度可達(dá)到10-20Wb量級(jí)，已經(jīng)在探測(cè)生物微弱磁場(chǎng)和空間磁場(chǎng)方面得到了很好的應(yīng)用。而且這種器件沒(méi)有磁滯特性，用于監(jiān)測(cè)安匝數(shù)平衡條件可得到很好的效果。由于低溫電流比較儀中比較理想地實(shí)現(xiàn)了安匝數(shù)平衡條件，其電流比例的準(zhǔn)確度極高。成為電磁計(jì)量領(lǐng)域中首屈一指的高準(zhǔn)確度儀器。這種儀器已用于量子化霍爾電阻量值的比較，解決了這個(gè)高難度的量值傳遞問(wèn)題。
圖1中給出了用低溫電流比較儀構(gòu)成的電阻比較電橋線路。被比較的量子化霍爾電阻和另一個(gè)100Ω電阻，分別由主動(dòng)電流源和從動(dòng)電流源供電。從動(dòng)電流源的輸出電流大小由檢測(cè)安匝數(shù)不平衡的超導(dǎo)量子干涉器件SQUID的輸出所控制。這樣形成的反饋系統(tǒng)能時(shí)刻保持安匝數(shù)的平衡，構(gòu)成準(zhǔn)確的電流比例。在比較量子化霍爾電阻的量值時(shí)，一般是把i＝2平臺(tái)處的量子化霍爾電阻值12906.4035Ω(國(guó)際上統(tǒng)一使用的推薦值)與100Ω標(biāo)準(zhǔn)電阻相比較。此時(shí)線圈W1和W2可有多種選擇方法。例如可以選W1為4001匝，W2為31匝。此時(shí)式(2)中的電流比例I1/I2將為I1/I2＝-W1/W2＝-4001/31＝-129.064516(3)此比例與理想值僅差3.7×10-6，再加上一些必要的微差補(bǔ)償裝置，就可使電橋完全平衡。從此例中可以看到，利用低溫電流比較儀加上適當(dāng)?shù)奈⒉钛a(bǔ)償裝置，的確可以以相當(dāng)高的準(zhǔn)確度構(gòu)成任意的比例值。對(duì)于普通的十進(jìn)制量值電阻的相互比較，情況當(dāng)然就要簡(jiǎn)單得多，只要令W1/W2等于所需的十進(jìn)制值即可。
盡管低溫電流比較儀已經(jīng)達(dá)到了很高的比例準(zhǔn)確度，但尚有一些技術(shù)問(wèn)題需要進(jìn)一步改進(jìn)。下面就目前限制其準(zhǔn)確度的幾個(gè)問(wèn)題進(jìn)行說(shuō)明。
從原理上來(lái)說(shuō)，低溫電流比較儀可以達(dá)到10-12的不確定度。所謂不確定度是表征合理賦予被測(cè)量之值的分散性，與測(cè)量結(jié)果相聯(lián)系的參數(shù)。過(guò)去這個(gè)概念常用誤差來(lái)表示，近年來(lái)，隨著科學(xué)實(shí)驗(yàn)的進(jìn)一步發(fā)展，需要對(duì)誤差的概念進(jìn)一步精確化，國(guó)際上提出來(lái)了不確定度的概念，并進(jìn)一步發(fā)布了導(dǎo)則對(duì)不確定度進(jìn)一步規(guī)范化，我國(guó)也制定相應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)JJF1059-1999來(lái)規(guī)范不確定度的使用。但是對(duì)低溫電流比較儀的比例進(jìn)行校驗(yàn)則是一個(gè)難度很高的問(wèn)題。一方面，低溫電流比較儀的比例不確定度很小，難以找到更準(zhǔn)確的比例量具與其比對(duì)。另一方面，低溫電流比較儀中使用的不平衡磁通檢測(cè)器SQUID是新型量子器件，在使用中會(huì)產(chǎn)生一些特殊問(wèn)題。因此用實(shí)際實(shí)驗(yàn)方法對(duì)低溫電流比較儀的比例進(jìn)行校驗(yàn)是有必要的。目前文獻(xiàn)中尚未見(jiàn)到對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行詳細(xì)討論的文章。
在現(xiàn)有技術(shù)中已經(jīng)用電磁場(chǎng)計(jì)算證明了，如果低溫電流比較儀的超導(dǎo)屏蔽是完善的，低溫電流比較儀的比例誤差可小于10-12的量級(jí)。如果超導(dǎo)屏蔽在制作中存在某種缺陷，比例誤差就會(huì)加大。比例線圈引出線的雜散磁場(chǎng)與SQUID的耦合也會(huì)導(dǎo)致比例誤差。因此用實(shí)際實(shí)驗(yàn)方法對(duì)低溫電流比較儀的比例進(jìn)行校驗(yàn)是有必要的。
現(xiàn)有技術(shù)中對(duì)比例誤差超導(dǎo)屏蔽完善性的檢測(cè)中，低溫比較儀比例繞組的匝數(shù)一般是按照二進(jìn)制安排。國(guó)外實(shí)驗(yàn)室利用這一點(diǎn)設(shè)計(jì)了一種對(duì)比例誤差進(jìn)行校驗(yàn)的方法。例如我們可以按照上面所說(shuō)的校驗(yàn)方法把匝數(shù)為1024、512、256、128、64、32、16、8、4、2、1、1的12個(gè)繞組同極性串連起來(lái)，得到一個(gè)總匝數(shù)為2048的繞組。把它與匝數(shù)為2048的繞組反極性相串聯(lián)，再用圖1中的主動(dòng)電流源通以電流。此時(shí)繞組的總安匝數(shù)為0。如果超導(dǎo)屏蔽是完善的，不存在漏磁通，作為不平衡磁通檢測(cè)器的SQUID的輸出就等于0。反言之，如果SQUID的輸出不為0，就反映了超導(dǎo)屏蔽存在缺陷，存在漏磁通。這種做法的缺點(diǎn)是只用到了圖1中的主動(dòng)電流源，而對(duì)于更為復(fù)雜的從動(dòng)電流源回路未涉及。從動(dòng)電流源回路是一個(gè)包括了SQUID在內(nèi)的反饋回路，更容易產(chǎn)生比例誤差。例如，反饋回路中的積分電容的漏電和吸收電流，信號(hào)引出導(dǎo)線無(wú)定向性的不完善等，就是容易產(chǎn)生誤差的因素。因此國(guó)外的校驗(yàn)方法不能給出低溫比較儀實(shí)際工作時(shí)的比例誤差。
附圖1中是現(xiàn)有技術(shù)中由低溫電流比較儀構(gòu)成的電阻比例電橋，用于把量子化霍爾電阻的量值傳遞到100歐電阻。為了得到更高的比例準(zhǔn)確度，在SQUID的輸出到從動(dòng)電流源之間插入了一個(gè)積分環(huán)節(jié)，包括SQUID在內(nèi)的反饋回路成為一個(gè)無(wú)差系統(tǒng)。即只有當(dāng)SQUID的輸出完全為0的時(shí)候，積分器的輸出才能穩(wěn)定，整個(gè)反饋回路達(dá)到平衡狀態(tài)。因此在理想狀態(tài)下這樣的反饋回路是不會(huì)帶來(lái)比例誤差的。但如果實(shí)際的反饋回路中的某些部分與理想狀態(tài)有差別，例如積分環(huán)節(jié)的積分電容存在漏電和吸收電流，信號(hào)引出導(dǎo)線無(wú)定向性的不完善，或是比例線圈引出線的雜散磁場(chǎng)與SQUID之間存在耦合，也會(huì)導(dǎo)致比例誤差。此種誤差需對(duì)低溫電流比較儀的比例在實(shí)際工作狀態(tài)下進(jìn)行整體校驗(yàn)才能確定。
對(duì)低溫電流比較儀的比例在實(shí)際工作狀態(tài)下進(jìn)行整體校驗(yàn)是一項(xiàng)高難度的工作，現(xiàn)有技術(shù)中也未涉及到此種問(wèn)題。由于低溫電流比較儀是目前準(zhǔn)確度最高的直流比例量具，因此如要用其它量具對(duì)其比例值從實(shí)驗(yàn)上進(jìn)行校驗(yàn)是很困難的。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上面所述的技術(shù)問(wèn)題，具體設(shè)計(jì)和研發(fā)了一種用于整體校驗(yàn)低溫電流比較儀比例的儀器及其方法，對(duì)低溫電流比較儀的比例在實(shí)際工作狀態(tài)下進(jìn)行整體校驗(yàn)，確實(shí)的提高了低溫電流比較儀的比例準(zhǔn)確度。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種用于整體校驗(yàn)低溫電流比較儀比例的儀器，所述整體校驗(yàn)儀器用于提高低溫電流比較儀的比例準(zhǔn)確度；所述整體校驗(yàn)低溫電流比較儀比例的儀器包括兩組待校驗(yàn)的繞組(W1、W2)，兩組匝數(shù)相同；還包括主動(dòng)電流源和從動(dòng)電流源、指零儀以及不平衡磁通檢測(cè)器SQUID；被比較的主動(dòng)電流I1和從動(dòng)電流I2與指零儀的上端連接，指零儀的下端與兩個(gè)繞組的上端連接。實(shí)際操作時(shí)，只需將主動(dòng)電流源的輸出端與指零儀的高(H)端相連接，而從動(dòng)電流源的輸出端也與指零儀的高(H)端相連接。而指零儀的低(L)端與相應(yīng)的繞組W1及W2的一端(互為逆名端)相連。兩個(gè)繞組的匝數(shù)相同且極性相反，I1和I2方向相反在指零儀支路中疊加，使兩個(gè)電流相減。當(dāng)檢測(cè)到I1和I2相抵消的情況，就在實(shí)際工作狀態(tài)下從整體上檢驗(yàn)了低溫電流比較儀的比例準(zhǔn)確度。
所述的指零儀用于指示電流的不平衡量；指零儀中包含表計(jì)(D)和一個(gè)電阻(R1)；所述表計(jì)(D)是型號(hào)為N1A的納伏計(jì)，其內(nèi)阻為1GΩ量級(jí)；且在納伏計(jì)輸入端上并聯(lián)一個(gè)低值的電阻(R1＝100歐姆)。
所述儀器用于高準(zhǔn)確度地確定低溫電流比較儀實(shí)際工作時(shí)的比例不確定度。
一種用于整體校驗(yàn)低溫電流比較儀比例的方法，所述方法用電流相加(或相減)的方法對(duì)低溫電流比較儀的比例進(jìn)行整體的準(zhǔn)確校驗(yàn)?，F(xiàn)就用電流相減法對(duì)繞組W2和W1進(jìn)行1∶1校驗(yàn)；-①設(shè)置繞組W1、W2；將方法中兩個(gè)繞組的各總匝數(shù)設(shè)置相同，且極性相反的串接；-②安設(shè)指零儀和不平衡磁通檢測(cè)器SQUID；所述的指零儀用于指示電流的不平衡量；指零儀中包含表計(jì)(D)和一個(gè)電阻(R1)；所述表計(jì)(D)是型號(hào)為N1A的納伏計(jì)，其內(nèi)阻為1G量級(jí)；且在納伏計(jì)輸入端上并聯(lián)一個(gè)低值的電阻(R1)；當(dāng)納伏計(jì)上測(cè)得的不平衡電壓為ΔV，流過(guò)R1的電流為I，則電流計(jì)測(cè)得的電流不平衡量為ΔI=ΔVR1---(1)]]>折合為相對(duì)不平衡量時(shí)則有ΔII1=ΔVI1R1---(2)]]>所使用的N1A納伏計(jì)的分辨率達(dá)到10pV，所用的并聯(lián)電阻R1為100Ω，按(2)知等效的電流分辨率為0.1pA。N1A的輸入端噪聲的峰-峰值為900pV(時(shí)間常數(shù)為5秒時(shí))，大于其分辨率10pV。為了克服噪聲的影響，需要進(jìn)行很多次的測(cè)量，取其平均值。如噪聲符合正態(tài)分布，測(cè)量次數(shù)為N時(shí)，等效噪聲將為900pV/N1/2；所述不平衡磁通檢測(cè)器SQUID設(shè)置在繞組線圈W1和W2一邊；兩個(gè)繞組線圈產(chǎn)生的不平衡磁通通過(guò)線圈耦合到不平衡磁通檢測(cè)器SQUID的線圈中，不平衡信號(hào)經(jīng)放大后反饋到從動(dòng)電流源中；其中通以電流的數(shù)值范圍在-5mA～5mA。
圖2即本發(fā)明用電流相減法對(duì)繞組W2和W1進(jìn)行1∶1校驗(yàn)的電路原理圖。
主動(dòng)電流源I1有兩個(gè)輸出端，從動(dòng)電流源I2也有兩個(gè)輸出端。指零儀N1A有兩個(gè)輸入端。連接時(shí)把主動(dòng)電流源I1的一個(gè)輸出端、從動(dòng)電流源I2的一個(gè)輸出端、指零儀N1A的一個(gè)輸入端接在一起。再把主動(dòng)電流源I1的另一個(gè)輸出端與W1串聯(lián)后、從動(dòng)電流源I2的另一個(gè)輸出端與W2串聯(lián)后、以及指零儀N1A的另一個(gè)輸入端三者也接在一起。按照?qǐng)D2連接好以后，在指零儀支路中流過(guò)的電流就等于I1和I2的差電流，也就是本發(fā)明要檢測(cè)的誤差電流。
W2和W1為兩個(gè)待校驗(yàn)的繞組，兩者匝數(shù)相同，但其中的一個(gè)繞組由若干個(gè)二進(jìn)制繞組組合而成。例如可取W2為512匝的繞組，I1和I2方向相反在指零儀支路中疊加，以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)電流相減。當(dāng)檢測(cè)了I1和I2相抵消的情況，也就在實(shí)際工作狀態(tài)下從整體上檢驗(yàn)了低溫電流比較儀的不確定度。這樣的整體校驗(yàn)可以同時(shí)反映超導(dǎo)屏蔽的缺陷和反饋回路與理想狀態(tài)的差別等等各方面的問(wèn)題。所以是一種很全面的校驗(yàn)方法，得到了不確定度為10-10量級(jí)的結(jié)果，這是一項(xiàng)重要的技術(shù)進(jìn)展。
所述儀器用于高準(zhǔn)確度地確定低溫電流比較儀實(shí)際工作時(shí)的比例不確定度。


圖1為是現(xiàn)有技術(shù)中低溫電流比較儀構(gòu)成電阻比較電橋；圖2為用本發(fā)明電流相減法對(duì)繞組W1和W2進(jìn)行1∶1整體校驗(yàn)儀器的電路圖；
圖3為本發(fā)明中檢測(cè)電流平衡的指零儀的電路構(gòu)成；圖4為本發(fā)明在-512/512的匝數(shù)比下進(jìn)行整體校驗(yàn)的效果圖；圖5為本發(fā)明在-125/125的匝數(shù)比下進(jìn)行整體校驗(yàn)的效果圖；圖6為本發(fā)明在-78/78的匝數(shù)比下進(jìn)行整體校驗(yàn)的效果圖。
具體實(shí)施例方式附圖2所示為用電流相減法對(duì)繞組W2和W2進(jìn)行1∶1校驗(yàn)的電路原理圖。W2和W1為兩個(gè)待校驗(yàn)的繞組，兩者匝數(shù)相同，但其中的一個(gè)繞組由若干個(gè)二進(jìn)制繞組組合而成。例如可取W2為512匝的繞組，W1則為10個(gè)繞組(256、128、64、32、1 6、8、4、2、1、1)同向串聯(lián)而成，等效匝數(shù)也是512匝。將原電阻比較電橋線路中的霍爾基準(zhǔn)電阻以及十進(jìn)制電阻R旁路，直接使I1和I2方向相反在指零儀支路中疊加，以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)電流相減。即如圖2所示，把I1和I2接入同一接點(diǎn)(即指零儀支路上面的接點(diǎn))就表示把I1和I2在指零儀支路中相減，也就是實(shí)現(xiàn)電流相減的具體實(shí)施方法(電路理論中的基爾霍夫第一定律)。檢測(cè)了I1和I2相抵消的情況，就在實(shí)際工作狀態(tài)下從整體上檢驗(yàn)了低溫電流比較儀的不確定度。這樣的整體校驗(yàn)可以同時(shí)反映超導(dǎo)屏蔽的缺陷和反饋回路與理想狀態(tài)的差別等問(wèn)題。
主動(dòng)電流源I1有兩個(gè)輸出端，從動(dòng)電流源I2也有兩個(gè)輸出端。指零儀N1A只有兩個(gè)輸入端(沒(méi)有四個(gè)輸入端)。連接時(shí)把主動(dòng)電流源I1的一個(gè)輸出端、從動(dòng)電流源I2的一個(gè)輸出端、指零儀N1A的一個(gè)輸入端接在一起。再把主動(dòng)電流源I1的另一個(gè)輸出端與W1串聯(lián)后、從動(dòng)電流源I2的另一個(gè)輸出端與W2串聯(lián)后、以及指零儀N1A的另一個(gè)輸入端三者也接在一起，就可以了。按照?qǐng)D2連接好以后，在指零儀支路中流過(guò)的電流就等于I1和I2的差電流，也就是本發(fā)明要檢測(cè)的誤差電流。
附圖2中的指零儀用于指示電流的不平衡量，如附圖3所示。此圖中的表計(jì)D是一架型號(hào)為N1A的納伏計(jì)，其內(nèi)阻為1GΩ量級(jí)；在用作檢測(cè)電流信號(hào)時(shí)，其輸入端應(yīng)并上一個(gè)較低值的電阻R1，這樣附圖3中的電路就轉(zhuǎn)換成了電流計(jì)。設(shè)納伏計(jì)上測(cè)得的不平衡電壓為ΔV，流過(guò)R1的電流為ΔI，則電流計(jì)測(cè)得的電流不平衡量為ΔI=ΔVR1---(1)]]>折合為相對(duì)不平衡量時(shí)則有ΔII1=ΔVI1R1---(2)]]>所使用的N1A納伏計(jì)的分辨率達(dá)到10pV，所用的并聯(lián)電阻R1為100Ω，按(2)知等效的電流分辨率為0.1pA。N1A的輸入端噪聲的峰-峰值為900pV(時(shí)間常數(shù)為5秒時(shí))，大于其分辨率10pV。為了克服噪聲的影響，需要進(jìn)行很多次的測(cè)量，取其平均值。如噪聲符合正態(tài)分布，測(cè)量次數(shù)為N時(shí)，等效噪聲將為900pV/N1/2；實(shí)施例1圖4中是按圖2所示辦法對(duì)低溫電流比較儀CCC3進(jìn)行整體校驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。其中低溫電流比較儀的兩個(gè)比例繞組的匝數(shù)均為512。由于兩個(gè)繞組中電流方向相反，所以實(shí)際的比例為-512/512。-512/512是目前發(fā)明人課題組進(jìn)行整體校驗(yàn)時(shí)所能達(dá)到的極限情況。如W1和W2超過(guò)512，附圖1中的從動(dòng)電流源有可能出現(xiàn)電流跳躍現(xiàn)象。應(yīng)注意到，在國(guó)外發(fā)表的文章中，W2一般僅為16匝，個(gè)別情況下有用31匝的。W2再大就會(huì)出現(xiàn)電流跳躍現(xiàn)象。由于發(fā)明人較好地解決了安匝數(shù)較大時(shí)工作電流會(huì)發(fā)生跳躍的難點(diǎn)，因此做到了在-512/512的匝數(shù)比下進(jìn)行整體校驗(yàn)。從附圖4可以看出，由于實(shí)驗(yàn)時(shí)的安匝數(shù)很高，數(shù)據(jù)分散性也很小。實(shí)測(cè)的52組數(shù)據(jù)的A類不確定度為6.9×10-11(k＝1)，在數(shù)據(jù)分散性范圍內(nèi)未看到比例值有系統(tǒng)偏差。即證實(shí)了此種情況下低溫電流比較儀的比例誤差為10-11量級(jí)。
實(shí)施例216133/125是發(fā)明人在比較量子化霍爾電阻與100Ω時(shí)采用的匝數(shù)比，附圖5中的數(shù)據(jù)給出了對(duì)于CCC3當(dāng)安匝數(shù)與此相同時(shí)整體校驗(yàn)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，低溫電流比較儀的兩個(gè)比例繞組的匝數(shù)均為125。52組數(shù)據(jù)的A類不確定度為1.9×10-10(k＝1)，在數(shù)據(jù)分散性范圍內(nèi)未看到比例值有系統(tǒng)偏差。與附圖4中的數(shù)據(jù)相比較，由于安匝數(shù)小了一些，數(shù)據(jù)分散性也相應(yīng)變大了一些。
實(shí)施例3發(fā)明人在用CCC3比較量子化霍爾電阻與100Ω時(shí)，有時(shí)也采用-10067/78的匝數(shù)比，附圖6中的數(shù)據(jù)給出了安匝數(shù)與此相同時(shí)整體校驗(yàn)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，低溫電流比較儀的兩個(gè)比例繞組的匝數(shù)均為78。52組數(shù)據(jù)的A類不確定度為3.3×10-10(k＝1)，在數(shù)據(jù)分散性范圍內(nèi)未看到比例值有系統(tǒng)偏差。與附圖5中的數(shù)據(jù)相比較，由于安匝數(shù)小了不少，數(shù)據(jù)分散性又變大了一些。
權(quán)利要求
1.一種用于整體校驗(yàn)低溫電流比較儀比例的儀器，所述整體校驗(yàn)儀器用于提高低溫電流比較儀的比例準(zhǔn)確度；所述整體校驗(yàn)低溫電流比較儀比例的儀器包括兩組待校驗(yàn)的繞組(W1、W2)，兩組匝數(shù)相同且反極性串接；還包括主動(dòng)電流源和從動(dòng)電流源、指零儀以及不平衡磁通檢測(cè)器(SQUID)；被比較的主動(dòng)電流I1和從動(dòng)電流I2與指零儀的上端連接，指零儀的下端與兩個(gè)繞組的上端連接。兩個(gè)繞組的匝數(shù)相同且極性相反，I1和I2方向相反在指零儀支路中疊加，使兩個(gè)電流相減；根據(jù)檢測(cè)到的I1和I2相抵消的情況，就在實(shí)際工作狀態(tài)下從整體上檢驗(yàn)了低溫電流比較儀的比例準(zhǔn)確度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的整體校驗(yàn)低溫電流比較儀比例的儀器，所述的指零儀用于指示電流的不平衡量；指零儀中包含表計(jì)(D)和一個(gè)電阻(R1)；所述表計(jì)(D)是型號(hào)為N1A的納伏計(jì)，其內(nèi)阻為1GΩ量級(jí)；且在納伏計(jì)輸入端上并聯(lián)一個(gè)低值的電阻(R1)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1-2之一所述的整體校驗(yàn)低溫電流比較儀比例的儀器，所述儀器用于高準(zhǔn)確度地確定低溫電流比較儀實(shí)際工作時(shí)的比例不確定度
4.一種用于整體校驗(yàn)低溫電流比較儀比例的方法，所述方法用電流相加或相減的方法對(duì)低溫電流比較儀的比例進(jìn)行整體的準(zhǔn)確校驗(yàn)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的整體校驗(yàn)低溫電流比較儀比例的方法，所述方法用電流相加或相減的方法對(duì)低溫電流比較儀的比例進(jìn)行整體的準(zhǔn)確校驗(yàn)，即用電流相減法對(duì)繞組W2和W1進(jìn)行1∶1校驗(yàn)；—①設(shè)置繞組W1、W2；將方法中兩個(gè)繞組的各總匝數(shù)設(shè)置相同，—②安設(shè)指零儀和不平衡磁通檢測(cè)器SQUID；所述的指零儀用于指示電流的不平衡量；指零儀中包含表計(jì)(D)和一個(gè)電阻(R1)；所述表計(jì)(D)是型號(hào)為N1A的納伏計(jì)，其內(nèi)阻為1GΩ量級(jí)；且在納伏計(jì)輸入端上并聯(lián)一個(gè)低值的電阻(R1)；當(dāng)納伏計(jì)上測(cè)得的不平衡電壓為ΔV，流過(guò)R1的電流為I，則電流計(jì)測(cè)得的電流不平衡量為ΔI=ΔVR1---(1)]]>折合為相對(duì)不平衡量時(shí)則有ΔII1=ΔVI1R1---(2)]]>所使用的N1A納伏計(jì)的分辨率達(dá)到10pV，所用的并聯(lián)電阻R1為100Ω，按(2)知等效的電流分辨率為0.1pA。N1A的輸入端噪聲的峰-峰值為900pV(時(shí)間常數(shù)為5秒時(shí))，大于其分辨率10pV。為了克服噪聲的影響，需要進(jìn)行很多次的測(cè)量，取其平均值；如噪聲符合正態(tài)分布，測(cè)量次數(shù)為N時(shí)，等效噪聲將為900pV/N1/2；所述不平衡磁通檢測(cè)器SQUID設(shè)置在繞組線圈W1和W2一邊；兩個(gè)繞組線圈產(chǎn)生的不平衡磁通通過(guò)線圈耦合到不平衡磁通檢測(cè)器SQUID的線圈中，不平衡信號(hào)經(jīng)放大后反饋到從動(dòng)電流源中。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的整體校驗(yàn)低溫電流比較儀比例的方法，其中通以電流的數(shù)值范圍在-5mA～+5mA。
全文摘要
本發(fā)明屬于一種在計(jì)量過(guò)程中的一種計(jì)量?jī)x器及其方法，尤其涉及一種在電測(cè)量中的低溫電流比較儀的整體校驗(yàn)裝置及其方法。所述低溫電流比較儀整體校驗(yàn)儀器包括兩組待校驗(yàn)的繞組(W
文檔編號(hào)G01R15/00GK1963556SQ200610144020
公開(kāi)日2007年5月16日 申請(qǐng)日期2006年11月24日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月24日
發(fā)明者李正坤, 張鐘華, 賀青 申請(qǐng)人:中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院