Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Prezentace se nahrává, počkejte prosím

P14d1 METROLOGIE ELEKTRICKÝCH VELIČIN KAPACITA A INDUKČNOST.

Podobné prezentace


Prezentace na téma: "P14d1 METROLOGIE ELEKTRICKÝCH VELIČIN KAPACITA A INDUKČNOST."— Transkript prezentace:

1 P14d1 METROLOGIE ELEKTRICKÝCH VELIČIN KAPACITA A INDUKČNOST

2 P14d2 Do šedesátých let minulého století se jako primární etalony elektrické impedance používaly téměř výhradně etalony vlastní a vzájemné indukčnosti. Tyto etalony byly konstruovány především s ohledem na to, aby byly co nejstabilnější a aby bylo možno s co největší přesností stanovit všechny rozměry potřebné pro výpočet jejich indukčnosti. Vycházelo se ze známých vzorců pro cívky s jednou vrstvou závitů.

3 P14d3 Přesné stanovení vzájemné indukčnosti etalonu je velmi obtížné a vyžaduje celou řadu měření. Problémy bývají i s umístěním etalonu tak, aby jejich indukčnosti nebyly žádným způsobem ovlivňovány přítomností feromagnetic- kých předmětů. Z těchto důvodů lze hodnotu absolutního etalonu vzájemné indukčnosti jen těžko stanovit s chybou menší než 1·10 -4 %.

4 P14d4 Primární etalon elektrické kapacity na základě Thompson-Lampardova teorému Nové možnosti etalonáže kapacity přinesl v roce 1955 objev Thompson-Lampardova teorému, na jehož základě lze realizovat kapacitní etalony (dále TLK), tj. vypočitatelné kondenzátory, u nichž lze změnou aktivní délky elektrod dosáhnout přesně známých změn kapacity. K výpočtu těchto změn stačí znát pouze permitivitu vakua a změnu jediného rozměru - aktivní délky elektrod.

5 P14d5 Vlastní Thompson-Lampardův teorém řeší vlastnosti kapacity kondenzátorů válcových tvarů. Jeho odvození je komplikované a s použitím teorie funkce komplexní proměnné. Vzhledem k tomu, že tento matematický aparát není pro studenty běžný zde se soustředíme pouze na jeho důsledky v etalonážní praxi.

6 P14d6 Schéma TLK a změna jeho aktivní délky:

7 P14d7 TLK TLK na předchozím obrázku je znázorněn ve vodorovní poloze, ale ve skutečnosti je osa kondenzátoru ve svislé poloze. V metrologických laboratořích se TLK nejčastěji realizují způsobem naznačeným na obrázku, kde E je stínicí kryt a A, B, C, D jsou hlavní elektrody etalonu tvaru kruhových válců, F a G jsou stínicí elektrody, které jsou na stejném potenciálu jako stínicí kryt. Vše je umístěno ve vakuu. Posouváním elektrody G lze měnit délku úseku, na němž elektrody A a C, příp. B a D nejsou odstíněny, a tím i kapacity C AC, příp. C BD mezi nimi.

8 P14d8 TLK Na koncích elektrod F a G jsou opticky propustné plochy, které spolu s jinými optickými prvky, jež na obrázku nejsou vyznačeny tvoří Fabryho-Perotův interferometr. Část monochromatického světla přivedeného do duté elektrody F prochází dutou elektrodou G přímo bez odrazů do hlavy interferometru a interferuje zde se světlem, které sem dospěje až po odrazech na čelních plochách elektrod G a F, tj. až po proběhnutí optické dráhy o dvojnásobek aktivní délky elektrod delší, než je dráha světla postupujícího přímo.

9 P14d9 TLK Ze změn interferenčního obrazce, pozorovaného v zorném poli interferometru lze vyhodnocovat změny ve vzdálenosti elektrod F a G. V případě, že se jako světelného zdroje použije např. He-Ne laseru, lze změny řádově desítek cm vyhodnocovat s nejistotami řádově 1 · %. Změna kapacity kondenzátoru závisí na změně polohy elektrody G podle následujícího vztahu: kde   je permitivita vakua. Konstanta má hodnotu 1, pF/m.

10 P14d10 Sekundární etalony kapacity Jako sekundární etalony elektrické kapacity se používají přesně zhotovené kondenzátory zvláštních konstrukcí, které jsou určené pro uchovávání a přenos jednotky elektrické kapacity. Takový etalonový kondenzátor musí být konstruovaný a vyrobený z takového materiálu, aby jeho hodnota kapacity byla časově stálá, hodnota kapacity musí být jednoznačně definovaná, jeho elektrické pole musí být přesně ohraničené a rozptylové pole minimální, dielektrikum mezi deskami musí mít vysoký izolační odpor, dielektrické ztráty kondenzátoru musí být co nejmenší, teplotní závislost kapacity musí být co nejmenší a jeho vlastní indukčnost musí být zanedbatelná.

11 P14d11 Sekundární etalony kapacity Desky takových kondenzátorů se vyrábějí z Invaru, dielektrikum je plynové nebo lépe z korundu nebo z taveného křemene. Teplotní závislost (10 až 20) · K -1 vyžaduje temperaci při použití. Kromě etalonů s pevnou kapacitou se užívají také etalony s proměnnou kapacitou, rozšíření a realizace stupnice kapacity se provádí pomocí střídavých můstků: transformátorový můstek, ale také Scheringův můstek, můstek Maxwellův a Wienův.

12 P14d12 Schéma návaznosti etalonů a měřidel kapacity

13 P14d13 Sekundární etalony kapacity Schéma návaznosti etalonů kapacity je na předchozím obrázku. Toto schéma je ještě z doby federace. Nyní používané sekundární etalony kapacity byly dříve navazovány na vypočitatelný kondenzátor v Sovětském svazu, nyní se provádí navazování kondenzátorů 10 pF v BIPM.

14 P14d14 Kvadraturní můstek umožňuje vhodným způsobem porovnávat různé veličiny, odpor a kapacitu. Tím je možné navazovat jednotky kapacity na jednotky odporu a naopak. Protože se musí jednat o můstek napájený střídavým proudem, zařazené prvky se musí posuzovat jako impedance (nebo admitance), které mají reálnou a imaginární složku. V rovnováze na můstku musí být vyrovnané jak reálné, tak také imaginární složky zařazených prvků, proto musí mít můstek minimálně dva vyvažovací prvky a musí tomu být přizpůsobena i dvojitá indikace vyrovnání.

15 P14d15 Kvadraturní můstek

16 P14d16 Kvadraturní můstek Můstek je napájen střídavým napětím. V můstku jsou zařazeny admitance,, a. Admitance a jsou tvořeny kapacitními etalony, admitance a jsou tvořeny odporovými etalony. Můstek má dva indikátory vyvážení IV1 a IV2 a vyvažuje se jednak změnou dělicího poměru n indukčního děliče, jednak změnou amplitudy a fáze napětí (odvozuje se z napětí pomocí vhodných indukčních poměrových prvků a vhodných obvodů pro posun fáze).

17 P14d17 Kvadraturní můstek Části můstku jsou vhodně uzemněny a stíněny, čímž se zjednoduší matematický popis. Pro můstek vyvážený na obou indikátorech pak platí jednoduché vztahy umožňující vzájemný přepočet z odporových etalonů na kapacitní nebo naopak.

18 P14d18 Elektrická indukčnost Vlastní indukčnost cívky L určuje poměr mezi celkovým magnetickým tokem  a konstantním proudem I protékajícím cívkou podle vztahu L =  / I a je definovaná vztahem: kde u je elektromotorické napětí, které se indukuje při časové změně proudu i.

19 P14d19 Elektrická indukčnost Vzájemná indukčnost M pro dvě vázané cívky je definovaná jako poměr mezi magnetickým tokem  2 v druhé cívce a proudem I 1 v první cívce podle vztahu M =  2 / I 1, z principu vzájemnosti musí také platit i opačný vztah M =  1 / I 2. I vzájemnou indukčnost lze definovat dynamicky pomocí indukovaného elektromotorického napětí: nebo.

20 P14d20 Etalony indukčnosti Etalony indukčnosti slouží pro uchovávání a přenos jednotky indukčnosti. Etalony musí splňovat následující podmínky: hodnota indukčnosti musí být časově stálá, nezávislá na velikosti proudu protékajícího etalonem, nesmí být závislá na kmitočtu proudu, musí mít co nejmenší teplotní závislost a hodnota kapacity a odporu etalonu musí být co nejmenší.

21 P14d21 Etalony indukčnosti Přesto, že je teoreticky možné vytvářet absolutní etalony vlastní indukčnosti a etalony vzájemné indukčnosti na základě výpočtů, dnes se jednotky indukčnosti odvozují na základě etalonů kapacity a odporu při měřeních na střídavých můstcích. Používají se etalony indukčnosti s jednou hodnotou, etalony s proměnnou hodnotou, stupnice indukčností se vytváří a rozšiřuje pomocí můstkových měření.

22 P14d22 Stav etalonů v ČR V České republice máme primární etalony kapacity, nemáme primární etalony indukčnosti. Navázání našich sekundárních etalonů těchto veličin se provádí přes sekundární etalony odporu pomocí kvadraturních můstků. Sekundární etalony odporu 10  a 10 k  navazujeme na náš primární etalon KHJ a také pravidelně navazujeme v BIPM v Paříži.

23 P14d23 Schéma návaznosti etalonů a měřidel indukčnosti


Stáhnout ppt "P14d1 METROLOGIE ELEKTRICKÝCH VELIČIN KAPACITA A INDUKČNOST."

Podobné prezentace


Reklamy Google