Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Prezentace se nahrává, počkejte prosím

P14e1 METROLOGIE ELEKTRICKÝCH VELIČIN ELEKTRICKÝ PROUD.

Podobné prezentace


Prezentace na téma: "P14e1 METROLOGIE ELEKTRICKÝCH VELIČIN ELEKTRICKÝ PROUD."— Transkript prezentace:

1 P14e1 METROLOGIE ELEKTRICKÝCH VELIČIN ELEKTRICKÝ PROUD

2 P14e2 Elektrický proud je jedinou elektrickou veličinou, jejíž jednotka patří mezi základní jednotky mezinárodní soustavy jednotek SI. Metrologické laboratoře uchovávají jednotku proudu pouze nepřímo prostřednictvím jednotek elektrického napětí a elektrického odporu. Také vlastní přesná měření stejnosměrného i střídavého elektrického proudu se zpravidla provádí nepřímo tak, že se měří úbytek napětí vytvořený průchodem měřeného proudu odporovým etalonem vhodné velikosti. Elektrický proud nelze jako etalon uchovávat, lze jej pouze pro účely etalonáže (i když obtížně) reprodukovat.

3 P14e3 Za jednotku elektrického proudu uchovávanou jistou laboratoří se pokládá poměr: kde a jsou jednotky elektrického napětí a elektrického odporu, uchovávané v dané laboratoři prostřednictvím skupinových etalonů. Přitom je samozřejmě žádoucí, aby byl co nejpřesněji znám převodní koeficient mezi jednotkou a jednotkou proudu v soustavě SI,.

4 P14e4 Tradičně používaným prostředkem k určení konstanty K jsou proudové váhy, při jejichž použití se hodnota proudu v určuje z jeho silových účinků. Hodnotu koeficientu lze též stanovit z výsledků dvojího měření gyromagnetického poměru protonu - z výsledků jeho měření v silném magnetickém poli a z výsledků jeho měření ve slabém magnetickém poli. Poslední výzkumy etalonáže elektrického proudu na kvantovém principu se týkají elektronového turniketu.

5 P14e5 Proudové váhy

6 P14e6 Proudové váhy Helmholtzovy cívky C 1 a C 1 ’ vytvářejí homogenní magnetické pole ve směru svislé osy z, jeho intenzitu lze vypočítat z geometrických rozměrů cívky a budícího proudu. Silové účinky na pohyblivou cívku C 2 se kompenzují tíhou závaží na druhém rameni vah. Síla F 12 působící ve směru osy z mezi cívkami C 1 a C 1 ’ a cívkou C 2 je dána derivací energie magnetického pole W systému cívek C 1 a C 2

7 P14e7 Proudové váhy kde a jsou proudy procházející cívkami, M 12 je vzájemná indukčnost cívek, kterou lze počítat podle složitého vzorce. Protéká-li všemi cívkami stejný proud I, platí, kde je síla působící mezi cívkami C 1 a C 2 v případě, že jimi protéká jednotkový proud.

8 P14e8 Proudové váhy Při vlastním měření se zvolí dva směry proudu cívkou C 2, které se vždy vyváží závažím, rozdíl hmotnosti závaží je  m Odtud K přesnému výpočtu je třeba znát rozměry cívek, tvar a vzájemné pozice. Relativní nejistota proudu je dosud

9 P14e9 Gyromagnetický poměr protonu Působením magnetického pole na proudovou smyčku, oběžný elektron i rotující proton vzniká točivý moment: kde je točivý moment protonu, je magnetický moment protonu a je magnetická indukce. Proton může být ve stacionárním magnetickém poli ve dvou krajních stavech, ve směru (stabilní stav) a proti směru (labilní stav) magnetického pole.

10 P14e10 Gyromagnetický poměr protonu Rozdíl energií těchto dvou stavů je  w = 2 ·  P · B. Při přechodu protonu ze stavu proti směru pole do stavu po směru pole se emituje dipólové záření o kmitočtu : h · = 2 ·  P · B

11 P14e11 Gyromagnetický poměr protonu Pro úhlový kmitočet pak platí: kde je tzv. Bohrův magneton. Pak platí: kde výraz je tzv. gyromagnetický poměr protonu (GPP).

12 P14e12 Měření GPP ve slabém magnetickém poli (10 -3 T): Polarizace protonů nastává v malé nádobce s vodou (materiál obsahující protony) kulového tvaru, umístěné nejprve do silného magnetického pole 0,5 T, kde se protony jako setrvačníky orientují ve směru magnetického pole. Nádobka se pomocí speciální vodicí trubky vstřelí do středu solenoidu přesně známých rozměrů navinutého na kostře z křemenného skla (při známém proudu je známá i hodnota magnetické indukce B 1 ).

13 P14e13 Měření GPP ve slabém magnetickém poli (10 -3 T):  Orientace nádobky je taková, aby směr magnetických momentů protonů byl kolmý ke směru magnetické indukce ve středu solenoidu. Nastává změna směru orientace protonů doprovázená indukovaným střídavým napětím v době trvání několika sekund, jehož kmitočet se srovnává a etalonem. Kromě B 1 změříme tedy i úhlový kmitočet  1.

14 P14e14 Vigureux realizoval pokus ve slabém magnetickém poli v zařízení dle následujícího obrázku. Polarizace se provádí uvnitř solenoidu pomocí krátkých impulsů proudu 20 A do polarizační cívky. Detekční cívkou měříme kmitočet  1 odpovídající magnetické indukci B 1, pak platí:

15 P14e15 Měření GPP Vigureuxovou metodou

16 P14e16 Měření GPP v silném magnetickém poli (0,5 T): Nádobka s vodou je umístěna uvnitř malé budící cívky, vloží se mezi pólové nástavce silného elektromagnetu, jehož magnetickou indukci B 2 můžeme změřit zařízením podle silových účinků a proudů cívky, viz následující obrázek. Osa budící cívky je kolmá k ose magnetického pole mezi pólovými nástavci.

17 P14e17 Měření indukce B 2 magnetického pole silného elektromagnetu 1 pólové nástavce, 2 cívky elektromagnetu, 3 měřicí cívka

18 P14e18 Budicí cívka je napájena z vhodného vysokofrekvenčního zdroje a vytváří ve vodě pole stimulující přechody protonů z jednoho energetického stavu do druhého, má-li kmitočet pole hodnotu danou vztahem: dochází k rezonanci, při níž vzorek nejvíce pohlcuje energii pole vytvářené budicí cívkou, pak platí:

19 P14e19 Dalšími matematickými úpravami lze odvodit, že: což je další metoda pro nezávislé určení vztahu A lab / A SI.

20 P14e20 Metrologický trojúhelník V je zde napětí

21 P14e21 Metrologický trojúhelník Napětí, proud a frekvence: Vztah mezi napětím a frekvencí je dán Josephsonovým jevem, vztah mezi napětím a proudem je dán kvantovým Hallovým jevem a předpokládaný vztah mezi proudem a frekvencí by řešil elektronový turniket. Tím by byl systém z hlediska popisu přeurčený, tj. více vztahů než neznámých. Zatím je reprodukovatelnost etalonů napětí a odporu asi 10 -9, pokud by se dosáhlo u proudu reprodukovatelnosti alespoň 10 -7, vedlo by to ke zmenšení neurčitosti fundamentálních konstant h a e.

22 P14e22 Elektronový turniket jako možný etalon elektrického proudu Elektronový turniket je speciální elektronická součástka umožňující kontrolovaně propouštět elektrony.

23 P14e23 Cesta k elektronovému turniketu Jednoelektronový tranzistor

24 P14e24 Jednoelektronový tranzistor Dva tunelovací přechody viz předchozí obrázek, vztah mezi V a V G, oblasti stability: šedá oblast propouští proud, bílá oblast nepropouští proud. Na rozhraní je propustnost pro izolované elektrony. Těchto vlastností je možno dosáhnout jen pro velmi malé struktury (náboj elektronu změní její potenciál) a pro velmi nízké teploty kolem 10 mK (aby teplotní šum nerušil kvantové děje).

25 P14e25 Elektronový turniket Čtyři tunelovací přechody Likharev 1988 upozornil na možnost konstrukce turniketu, Geerligs 1990 pozoroval kvantové hodnoty proudu. Matematický vztah pro elektronový turniket: I = e · f

26 P14e26 Elektronový turniket

27 P14e27 Elektronový turniket Vložíme-li na hradlo vhodné střídavé napětí, součástka začne propouštět elektrony e po jednom s frekvencí f hradlového napětí. Proud I procházející turniketem při aplikaci střídavého hradlového napětí V G o frekvenci 10 a 40 MHz vykazuje oblasti konstantnosti (plato). Změny velikosti V G odpovídají přechodu mezi dvěma stabilními situacemi s žádným nebo s jedním dodatečným elektronem v centrálním ostrůvku.

28 P14e28 Elektronový turniket Závislost proudu I na napětí V pro elektronový turniket

29 P14e29 Elektronový turniket Proud 1,6 pA nastává při frekvenci 10 MHz. Realizace elektronového turniketu: Ostrůvky elektrod tunelovacích přechodů jsou velmi malé, izolátor tloušťky 1 nm, kapacita přechodů jen ve fF, podložka safír, elektrody Al, izolátor Al 2 O 3, teplota 10 mK. Výzkum v této oblasti provádí USA, Francie a Holandsko.

30 P14e30 Měření střídavého napětí Pomocí etalonu odporu je takto možno měřit i střídavý proud, omezení je způsobeno frekvenční závislostí odporu. Průběh střídavého napětí (i proudu) je uveden:

31 P14e31 Měření střídavého napětí Jednotlivé symboly značí: u(t) je okamžitá hodnota napětí, U m je maximální hodnota napětí, U s je střední hodnota napětí, U je efektivní hodnota napětí, T je půlperioda periodického děje.

32 P14e32 Měření střídavého napětí Mezi jednotlivými veličinami platí vztahy:

33 P14e33 Měření střídavého napětí Porovnání střídavého napětí se stejnosměrným napětím se provádí v komparátorech využívajících termoelektrických měničů, porovnání se provádí na základě tepelných účinků obou proudů. Zjednodušené schéma komparátoru je na následujícím obrázku.

34 P14e34 Měření střídavého napětí termoelektrickým komparátorem ss st

35 P14e35 Měření střídavého napětí Porovnává se střídavé napětí U x s napětím stejnosměrným U r. Obě napětí vyvolávají průchod proudu přes rezistory a přes topné smyčky, kde vzniká v důsledku průchodu proudu teplo, zvýšení teploty se měří termoelektrickými články, jejichž rozdíl napětí se indikuje galvanometrem G.

36 P14e36 Měření střídavého napětí Mají-li oba termoelektrické měniče stejné pracovní charakteristiky, pak se referenční stejnosměrné napětí nastaví tak, aby údaj galvanometru byl nulový. Za této podmínky je efektivní střídavé napětí stejné jako napětí stejnosměrné, které lze přesně měřit.

37 P14e37 Měření střídavého napětí Jsou-li pracovní charakteristiky termoelektric- kých měničů rozdílné, pak se při daném zatížení přepne přepínač tak, aby na oba měniče přicházelo jen napětí U r a galvanometr se vynuluje proměnným rezistorem (termočlánek s větším napětím se zatíží odběrem proudu). Tím mají oba měniče v daném pracovním bodě shodný průběh pracovní charakteristiky.

38 P14e38 Měření výkonu a práce elektrického proudu ( U, R )  I podle Ohmova zákona, jsou-li napětí a proud ve fázi, pak výkon (příkon) N = U · I, pro konstantní příkon je práce W = N · t, jinak Vztahy platí pro odporovou zátěž, kdy jsou napětí a proud ve fázi.

39 P14e39 Měření elektrické práce Měření elektrické práce (tj. spotřeba energie) je nejrozšířenější měření, na základě kterého se počítají náklady jednotlivých odběratelů elektrického proudu. Příslušná měřidla jsou stanovená a proto se tomuto měření věnuje zvýšená pozornost. Pro měření elektrických výkonů se také používají měřidla s termoelektrickými měniči.

40 P14e40 Měření elektrické práce Výkon elektrického proudu je dán vztahem: N = U · I · cos , kde cos  je účiník,  je úhel fázového posunu mezi napětím a proudem. Nejsou-li proud a napětí vzájemně posunuty (  = 0), pak měříme činný výkon (příkon), měříme jej ve wattech (W), ten se započítává při měření elektrické práce (kilowatthodina - kWh, ale také Wh, Ws, J) na elektroměrech a platí se rozvodným závodům.

41 P14e41 Měření elektrické práce Jsou-li proud a napětí vzájemně posunuty o  =  , pak činný příkon je nulový a součin U · I udává jalový výkon, měří se ve varech (var). Při jiném fázovém posunutí ( 0 < |  | <  ) udává součin U · I zdánlivý výkon, který se měří ve voltampérech (VA).

42 P14e42 Poměrové prvky - transferové etalony Jako poměrové prvky a transferové etalony se používají etalony Hamonova typu. Umožňují vytváření přesně definovaného poměru odporů (a napětí), čímž umožňují rozšíření etalonáže příslušných veličin z určitých hodnot na jejich násobky nebo díly a tím tvorbu celé stupnice příslušné veličiny, odtud plyne název transferový etalon. Používá se pro stejnosměrné veličiny.

43 P14e43 Stejnosměrné poměrové prvky Hamonův etalon, viz následující obrázek, je tvořen několika odporovými etalony stejné jmenovité hodnoty (lze je vzájemně porovnat a přesně vyrobit), které jsou trvale propojeny sériově, jejichž spojení je možno pomocí vhodných propojek změnit na paralelní a sériově-paralelní. Každý z jeho prvků je konstruován jako čtyřsvorkový rezistor, takže jsou minimalizovány problémy s přechodo- vými odpory.

44 P14e44 Stejnosměrné poměrové prvky

45 P14e45 Stejnosměrné poměrové prvky Je-li jedna složka rezistoru R i zatížena relativní chybou , pak sériová kombinace n rezistorů R s = n · R i a paralelní kombinace n rezistorů R p = R i /n jsou také zatíženy chybou  (nezvětšuje se chyba) a v jejich poměru R s /R p = n 2 se chyba  nevyskytuje.

46 P14e46 Střídavé poměrové prvky Pro měření střídavých proudů a napětí je vhodný dělicí prvek indukční dělič napětí, viz následující obrázek. Na toroidním jádře z feromagnetického materiálu s vysokou permeabilitou jsou přesně vinuty cívky (sekce) s definovaným počtem závitů a vyvedenými odbočkami, podobně jako u autotransfor-mátoru. Na těchto odbočkách se dělí napětí, shoda napětí je tím lepší, čím lépe se shodují vlastní indukčnosti těchto sekcí a čím lépe se shodují činitelé vazby mezi těmito sekcemi.

47 P14e47 Střídavé poměrové prvky

48 P14e48 Chyby indukčních děličů jsou způsobeny např. nestejnými ohmickými odpory jednotlivých sekcí poměrového vinutí, nestejnými rozptylovými indukčnostmi těchto sekcí, kapacitami a svodovými vodivostmi rozloženými mezi sekcemi. Při použití těchto děličů vzrůstají problémy při vyšších kmitočtech. Indukční děliče bývají konstruovány jako vícedekádové, což umožňuje jemnější dělení vzájemného poměru. Z doby federace zůstaly v České republice státní etalony poměru napětí a poměru proudů na technických kmitočtech.


Stáhnout ppt "P14e1 METROLOGIE ELEKTRICKÝCH VELIČIN ELEKTRICKÝ PROUD."

Podobné prezentace


Reklamy Google