работа по курсу «основы физических измерений» (стр. 1 из 4)

Курсовая работа по курсу

«основы физических измерений»

Группа: И-202

Автор: Хусаинов В.М.

Екатеринбург 2008

Меры электрических величин

Электроизмерительная техника представляет собой совокупность средств и методов электрических измерений для получения достоверной количественной и формации о характеристиках веществ, материалов, изделий, технологических процессов и физических явлений. Средствами электрических измерений называют технические средства, используемые при электрических измерениях и имеющие нормированные метрологические характеристики.

Меры ЭДС на основе нормальных элементов

Термин нормальный элемент (НЭ) происходит от немецкого Normal — эталон, стандарт. Полное его наименование — кадмиевый насыщенный (или ненасыщенный) нормальный элемент Вестона — сегодня практически не употребляется.

Впервые кадмиевый нормальный элемент с кадмием в качестве отрицательного электрода и раствором сернокислого кадмия в качестве электролита приготовил и применил Эдвард Вестон в 1892 г. В 1908 г. международная конференция по электрическим единицам и эталонам рекомендовала его в качестве эталона международного вольта. Вскоре применение нормального элемента Вестона приобретает международный характер и официально признается правительственными актами различных государств. В таком виде с небольшими изменениями НЭ дошли до наших дней.

Длительное время, вплоть до 1980-х гг., нормальные элементы применялись в качестве исходных эталонов и являлись основой измерений постоянного напряжения и других электрических величин. С внедрением в метрологическую практику эталонов вольта на основе квантового эффекта Джозефсона в ряде стран мира, в том числе и в нашей стране, НЭ утратили роль первичного эталона, но благодаря своим достоинствам продолжают выполнять функции вторичных и рабочих эталонов, а также высокоточных рабочих средств измерений.

Нормальные элементы являются обратимыми гальваническими элементами, состоящими из ряда разнородных соприкасающихся веществ, которые на границах однородности вызывают обмен и образование ионов. Обмен ионами вызывает в гальваническом элементе появление электродвижущей силы (ЭДС). Гальванический элемент называют обратимым, если направление происходящих в нем процессов может быть изменено приложением бесконечно малой силы.

Устройство нормального элемента показано на рис. 6.1. НЭ состоит из запаянного стеклянного сосуда Н-образной формы, в нижние части ветвей которого впаяны платиновые проволочки. Положительным электродом является ртуть (1), поверх которой расположен слой пасты (2), состоящей из смеси сернокислой закиси ртути Hg₂S0₄ с кристаллами сернокислого кадмия CdS0₄. Отрицательным электродом (3) является амальгама кадмия. В качестве электролита (4) использован насыщенный раствор сернокислого кадмия CdS0₄ + 8/3H₂0. Для поддержания насыщения раствора в обоих электродах поверх них помещены кристаллы сернокислого кадмия (5). В состав НЭ могут также входить добавки, улучшающие некоторые его свойства.

Кристаллы сернокислого кадмия обладают свойством слегка спаиваться между собой и образовывать корку, предохраняющую ртуть, пасту и амальгаму кадмия от перемещения при случайных наклонах и встряхиваниях сосуда.

Сосуд нормального элемента заключается в футляр с хорошо изолированными зажимами, к которым внутри футляра подсоединяются проводники от электродов.

НЭ такого устройства при тщательном изготовлении с применением химически чистых веществ имеет ЭДС около 1,0186 В, остающуюся с высокой точностью почти неизменной в течение десятков лет.

Если электролит в виде раствора сернокислого кадмия находится в ненасыщенном состоянии, то такой нормальный элемент называется ненасыщенным. Ненасыщенные НЭ обладают несколько худшими характеристиками стабильности значения ЭДС и меньшими сроками службы по сравнению с насыщенными.

На нормальные элементы распространяется межгосударственный стандарт ГОСТ 1954-82 «Меры электродвижущей силы. Элементы нормальные. Общие технические условия», согласно которому изготавливают меры ЭДС на основе нормальных элементов классов точности от 0,02 до 0,0002.

Нормальные элементы обладают высокой долговременной стабильностью значения ЭДС, характеризующейся отклонением не более 2 мкВ/год у НЭ класса точности 0,0002, а у лучших экземпляров — менее 1 мкВ/год, что определяет их применение в качестве вторичных и рабочих эталонов высоких разрядов. В верхних звеньях поверочной схемы для единицы ЭДС и постоянного напряжения — вольта — в качестве мер ЭДС на основе насыщенных НЭ используют групповые меры, состоящие из 4-10 нормальных элементов, помещенных в один термостат. Среднее значение ЭДС такой меры имеет еще более стабильное значение, чем у одиночного НЭ.

Наряду с достоинством НЭ имеют ряд существенных недостатков, ограничивающих их более широкое применение. К их числу относятся:

□ высокое значение температурного коэффициента ЭДС, составляющего от 40 до 55 мкВ/°С в диапазоне температур от 20 до 30 °С у насыщенных НЭ и 5 мкВ/°С — у ненасыщенных. По этой причине НЭ высоких классов точности помещают в термостат с хорошо известным и стабильным значением температуры;

□ высокое значение внутреннего сопротивления, находящееся в диапазоне от 300 до 1000 Ом и определяющее малые значения допустимых для меры ЭДС токов нагрузки (не более 2,10~⁸-2,10~¹⁰ А в зависимости от класса точности). По этой причине изоляция меры ЭДС должна иметь значение сопротивления не хуже 1,10⁹-1,10^и Ом, и поэтому меру ЭДС на практике используют только при дифференциальном или компенсационном методе измерений. И именно по этой причине меры на основе нормальных элементов называют мерами ЭДС (то есть работающими практически при отсутствии тока нагрузки);

□ НЭ «не любят» тряски, их нельзя переворачивать или наклонять. Поэтому их используют в стационарных условиях без частых перемещений, а после транспортировки, например, в поверку, их до начала эксплуатации следует выдержать в стационарных условия длительный промежуток времени (до 10 суток):

□ НЭ содержат ртуть, поэтому их производство относится к категории вредных, и это накладывает ряд ограничений на их использование — так, например. в самолет с перевозимыми НЭ сопровождающего не пропустят.

Несмотря на столь внушительный перечень недостатков, меры ЭДС на основе нормальных элементов находят применение при самых ответственных измерениях в качестве опорного источника электродвижущей силы в компараторах, измерительных мостах, для передачи размера единицы ЭДС элементам других поверочных схем (переменного напряжения, переменного тока и т. д.).

Меры напряжения на основе кремниевых стабилитронов

Твердотельные элементы — кремниевые стабилитроны — применяют в качестве источников опорного напряжения (ИОН) относительно недавно (по сравне

нию с мерами ЭДС на основе нормальных элементов). Их широкое применение стало возможным по причине бурного развития полупроводниковой техники в 50-60-е гг. прошлого века.

Первоначально полупроводниковые стабилитроны, пришедшие на смену газонаполненным стабилитронам тлеющего разряда, использовали в стабилизаторах напряжения питания, в системах регулирования, устройствах защиты от перегрузок, в ограничителях и т. д. С появлением прецизионных стабилитронов малой мощности, имеющих в некотором диапазоне токов нагрузки более стабильное и воспроизводимое значение напряжения, стало возможно применять их для решения задач метрологии.

В наше время уже трудно представить себе измерительную технику без опорных элементов в виде полупроводниковых стабилитронов. ИОН является неотъемлемой частью цифровых приборов, компараторов, компенсаторов, калибраторов напряжения и тока. Изготавливают источники опорного напряжения — меры напряжения — и как самостоятельное средство измерений.

Мерой напряжения источники на стабилитронах называют потому, что, в отличие от мер ЭДС на основе нормальных элементов, стабилитроны в режиме стабилизации находятся в некотором диапазоне рабочих токов от I_min до I_max, соответственно мера на стабилитроне допускает некоторое значение тока нагрузки (в диапазоне миллиамперов).

Полупроводниковые стабилитроны представляют собой особую группу полупроводниковых диодов, рабочая точка которых (в отличие от обычных диодов) в нормальном режиме лежит на участке вольт-амперной характеристики, соответствующем состоянию пробоя р-n-перехода (рис. 6.2). В этом режиме напряжение на стабилитроне сохраняется примерно постоянным при изменении протекающего тока. Это напряжение называют напряжением пробоя, или напряжением стабилизации.

Механизм пробоя можно представить себе следующим образом. Если к р-n-переходу приложить обратное напряжение, то под действием электрического поля произойдет расширение области, обедненной свободными носителями заряда — электронами и дырками. Имеющиеся в этой области свободные носители заряд» перемещаются под действием электрического поля и образуют обратный ток перехода. Пока обратное смещение невелико, этот ток остается практически постоянным при изменении напряжения. При возрастании обратного напряжения до некоторого значения наблюдается резкое увеличение обратного тока. При этом свободные носители заряда, образующие обратный ток перехода, ускоряются электрическим полем настолько, что приобретают энергию, достаточную для ионизации нейтральных атомов полупроводника. В результате появляются новые носители заряда (электроны и дырки), которые также ускоряются и при столкновении с атомами вызывают их ионизацию, и т. д.