Методы измерений, контроля, диагностики Приборы и методы измерений, № 1 (4), 2012 69 УДК 537.214.089.68(045) СОЗДАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ НАЦИОНАЛЬНОГО ЭТАЛОНА ЕДИНИЦЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЕМКОСТИ Коломиец Т.А., Казакова Е.А., Сосновская Т.Г. Белорусский государственный институт метрологии, г. Минск, Республика Беларусь В период с 2008 по 2010 гг. в Белорусском государственном институте метрологии создан Национальный эталон единицы электрической емкости. В работе рассмотрены основные этапы создания Национального эталона единицы электрической емкости. Представлен состав эталона, его метрологические характеристики и результаты их исследований с момента создания эталона по настоящее время. (E-mail: kolomiets@belgim.by) Ключевые слова: электрическая емкость, меры емкости, воспроизведение единицы, передача единицы, мост электрической емкости. Введение В настоящее время на предприятиях и в организациях Республики Беларусь эксплуати- руется большая номенклатура средств измере- ния (СИ) электрической емкости. На начало 2008 г. производственно-исследовательский от- дел измерений электрических величин БелГИМ располагал двумя мерами емкости 1-го разряда с номинальными значениями 100 и 1000 пФ, комплектом мер электрической емкости 2-го разряда и мостом переменного тока, эксплуати- руемыми с 1973 г. Проведение сличений в этой области показало, что для метрологического обеспечения нового поколения разрабатывае- мых высокоточных СИ электрической емкости, как отечественных, так и зарубежных, которые находят широкое применение на предприятиях и в организациях Беларуси, имеющиеся эта- лоны недостаточно соответствуют современ- ным требованиям как по точности, так и по техническому исполнению. Поэтому потребо- валось создание эталона электрической емко- сти, укомплектованного высокоточным обору- дованием, способным на порядок повысить уровень точности измерения электрической емкости на всех ступенях передачи размера единицы электрической емкости. На сегодняшний день наибольшее распро- странение получили следующие методы вос- произведения емкости. 1. Метод расчетного конденсатора. В ос- нове метода лежит теорема Томпсона–Лам- парда: если поперечное сечение некоторой произвольной цилиндрической оболочки, име- ющей по крайней мере одну ось симметрии, разделено на четыре части двумя взаимно пер- пендикулярными прямыми, лежащими в плос- костях, линия которых параллельна образую- щим цилиндрической оболочки, то емкости на единицу длины между противоположными сто- ронами будут равны. В основу такого эталона входит расчетный конденсатор, в котором из- менение емкости, определяющее размер еди- ницы, осуществляется путем электрической коммутации и механического перемещения электродов и определяется расчетным путем по геометрическим размерам электродов, скорости света и магнитной постоянной. Передача размера единицы от расчетного конденсатора к конденсаторам вторичных эта- лонов осуществляется с помощью установок на базе мостов переменного тока. Принципиальным достоинством эталона электрической емкости на основании расчет- ного конденсатора является возможность вос- произведения единицы емкости в абсолютной мере – через основную единицу Международ- ной системы единиц SI – метр. В то же время эталон на расчетном конденсаторе пред- ставляет собой достаточно сложную конструк- цию, изготовить которую на необходимом тех- Методы измерений, контроля, диагностики 70 Приборы и методы измерений, № 1 (4), 2012 нологическом и метрологическом уровнях – достаточно трудная и дорогостоящая задача. 2. Метод воспроизведения электрической емкости на основании квантового эффекта Холла. Данный метод является самым точным методом воспроизведения единицы электриче- ской емкости. Уникальность применения для метрологии квантового эффекта Холла и фун- даментальных физических констант заключа- ется в том, что при корректной реализации он позволяет воспроизводить значение электриче- ского сопротивления с очень большой точно- стью. После того как в ходе международных сличений Международное бюро мер и весов (МБМВ) продемонстрировало точность связи на основе квантового сопротивления Холла с емкостью 10 и 100 пФ, этот метод был предло- жен для создания эталонов. Данная работа тре- бует проведения измерений квантового сопро- тивления Холла при частоте 1,6 кГц. Метод является дорогостоящим. Реализация эффекта Холла – это сложная инфраструктура криоген- ной техники для получения жидкого азота и гелия, специальные холловские структуры ме- талл-диэлектрик-полупроводник, технологией изготовления которых не владеет ни одна страна СНГ; это сильные и высокостабильные магнитные поля, специально оборудованные помещения, сложная электрическая и элек- тронная техника. 3. При создании эталона единицы электри- ческой емкости национальные метрологические институты используют прецизионную технику производителей ведущих фирм, имеющую в своем составе эталонные средства для вос- произведения, хранения и передачи размера единицы и обеспечения функционирования эта- лона. Таким образом, эталон хотя и не воспро- изводит автономно размер единицы, однако он способен «принять» и «хранить» единицу элек- трической емкости, реализованную другими способами. Национальный эталон единицы электриче- ской емкости: состав, основные метрологи- ческие характеристики и результаты их ис- следования Анализ способов воспроизведения и хра- нения электрической емкости и учет того, что эталон единицы электрической емкости отно- сится к эталонам производных единиц, а также экономического развития Республики Беларусь на данный период времени и потребности в та- кого рода измерениях, показали, что самым рентабельным и целесообразным для создания эталона является использование третьего подхода. Национальный эталон единицы электриче- ской емкости состоит: – из комплекса эталонного оборудования для хранения опорного значения единицы электрической емкости и тангенса угла потерь; – комплекса эталонного оборудования для измерения электрической емкости методом за- мещения; – комплекса эталонного оборудования для хранения и передачи единицы электрической емкости с номинальными значениями емкости от 1 пФ до 10 мФ и тангенса угла потерь в диа- пазоне от 1·10-5 до 1; – вспомогательного оборудования, сос- тоящего из системы кондиционирования, ПЭВМ. Комплекс эталонного оборудования для хранения опорного значения единицы электри- ческой емкости и тангенса угла потерь состоит из эталонных мер электрической емкости серии АН11А с номинальными значениями емкости 10 и 100 пФ. При выборе эталонных мер электрической емкости был проведен анализ наиболее точных и стабильных мер электрической емкости в мире на сегодняшний день. В ре- зультате анализа были выбраны меры модели AH11А производства фирмы Andeen-Hagerling (США) с номинальными значениями емкости 10 и 100 пФ. В них в качестве диэлектрика используется плавленый кварц; калибруются они относительно расчетного конденсатора в Национальном институте метрологии США NIST. В состав Национального эталона входят 3 меры с номинальным значением 10 пФ и три меры с номинальным значением 100 пФ. В ходе создания Национальный эталон единицы электрической емкости активно исследовался, в частности исследовались метрологические характеристики эталонных мер емкости. Дей- ствительное значение мер определяется на ча- стоте 1 кГц методом замещения [см. формулу (1)]. На рисунках 1 и 2 представлены данные по определению действительного значения эталонных мер в 2009–2011 гг. Нестабильности эталонных мер за год и среднеквадратичное отклонение (СКО) не пре- Методы измерений, контроля, диагностики Приборы и методы измерений, № 1 (4), 2012 71 вышают значений 1,00∙10-6–1,00·10-5, установ- ленных в техническом задании на эталон (таб- лица). Исследование тангенса угла потерь эталонных мер подтвердили характеристики мер, заявленные производителем: не более 0,000003 (таблица). Рисунок 1 – Результаты экспериментальных исследований мер АН11А с номинальным значением емкости 10 пФ: 1 – действительное значение меры 1634; 2 – действительное значение меры 1631; 3 – действительное значение меры 1630 Рисунок 2 – Результаты экспериментальных исследований мер АН11А с номинальным значением емкости 100 пФ: 1 – действительное значение меры 1633; 2 – действительное значение меры 1635; 3 – действительное значение меры 1632 Таблица Метрологические характеристики, полученные при исследованиях Номер меры Номинальное значение, пФ СКО, пФ Тангенс угла потерь Нестабильность, отн. ед. полученная при исследованиях допускаемая по документации 01630 10 9,6·10-7 5,3·10-7 5·10-8 1·10-6–1·10-5 01631 10 7,8·10-7 6,0·10-7 2,2·10-7 1·10-6–1·10-5 01634 10 9,7·10-7 7,4·10-7 2,2·10-7 1·10-6–1·10-5 01632 100 9,9·10-7 9,6·10-7 2·10-6 1·10-6–1·10-5 01633 100 9,4·10-7 3,2·10-7 9·10-7 110-6–1·10-5 01635 100 8,9·10-7 7,4·10-7 2,3·10-6 1·10-6–1·10-5 Комплекс эталонного оборудования для измерения электрической емкости методом за- мещения состоит из моста электрической емко- сти многочастотного серии АН2700А, блока коммутации БК8х2 восьмиканального для из- мерения емкости, пакета прикладных программ для обработки результатов измерений. Мост электрической емкости АН2700А представляет собой многочастотный прецизи- онный мост с диапазоном измерения электри- ческой емкости (1·10-12–1·10-6) Ф и частотой (50–20) кГц, точность измерения (5–1000) ppm. Использование в конструкции моста АН2700А трансформатора отношений со специальной Методы измерений, контроля, диагностики 72 Приборы и методы измерений, № 1 (4), 2012 конструкцией обмоток, а также термостатиро- ванного конденсатора на основе плавленого кварца является главным фактором, обеспе- чивающим прецизионные измерения емкости (тангенса угла потерь) в частотном диапазоне от 50 Гц до 20 кГц. Блок коммутации БК8x2 специально раз- работан БелГИМ совместно с фирмой ОДО «ТКС-МиСБоС» для Национального эталона единицы электрической емкости. Структурная схема модуля управления БК8x2 представлена на рисунке 3. Блок коммутации позволяет проводить измерение мостом АН2700А электрической емкости до восьми конденсаторов путем управляемого переключения измерительных каналов коммутатора. При измерении ем- кости блок коммутации обеспечивает реа- лизацию трехпроводной схемы измерений при соединении моста АН2700А с объектами измерений. БК8x2 разработан на базе микроконтрол- лера семейства PIC18. Функционально БК8x2 содержит следующие узлы: два стабилизатора напряжения, управляющий микроконтроллер, буфер управления реле, кнопки управления, преобразователь интерфейсов. Питание БК8x2 осуществляется от внешнего источника 9В 500мА. БК8x2 содержит два стабилизатора напряжения ИП 5В: один – для питания цифро- вой части схемы – микроконтроллера, преобра- зователя интерфейсов TTL\RS232, второй – для питания реле. Схема с двумя стабилизаторами напряжения выбрана для уменьшения проник- новения шумов из цифровой части схемы в аналоговую. Для фильтрации по цепям питания используются ЭМС фильтры фирмы Мурата – NFM21 и танталовые блокирующие емкости. Для дальнейшего снижения уровня шумов, пе- чатная плата модуля управления конструктивно имеет разделенную «землю» – аналоговую и цифровую. Управляющий микроконтроллер имеет мо- дуль USART (асинхронный последовательный интерфейс) с уровнями транзисторно-транзи- сторной логики, поэтому используется преоб- разователь интерфейсов TTL\RS232 с гальва- нической развязкой по питанию. Данное реше- ние позволяет изолировать зашумленные линии интерфейса RS232 компьютера от проникнове- ния в чувствительную аналоговую часть схемы. Буфер для управления реле, разработан на базе MOSFET транзисторов с дополнительной филь- трацией. Фильтр буфера – П-образный. Под- ключение модулей коммунаров (High и Low каналы) осуществляется экранированным про- водом, с дополнительной фильтрацией П- образным фильтром для каждого реле. Программное обеспечение для микро- контроллера разработано в среде MPLAB про- изводства компании Microchip на языке про- граммирования С с использованием компиля- тора HI-TECH PICC-18 Pro v.9.63. Программ- ное обеспечение, разработанное для коммута- тора, позволяет производить программную ка- либровку, учитывающую параметры (сопро- тивление, индуктивность, емкость, длина) из- мерительных кабелей. Программное обеспече- ние коммутатора открывает широкие возмож- ности при обработке и анализе полученных ре- зультатов измерений. В настоящее время БелГИМ совместно с фирмой ОДО «ТКСМиСБоС» готовит документы для получе- ния патента на блок коммутации БК8x2. Рисунок 3 – Структурная схема модуля управления БК8x2 Методы измерений, контроля, диагностики Приборы и методы измерений, № 1 (4), 2012 73 Схема передачи размера единицы электри- ческой емкости осуществляется методом заме- щения, при котором удается исключить по- грешность измерительного моста, а наиболее влияющими факторами на точность являются метрологические характеристики эталонных мер емкости. Отсчет показаний емкости эта- лонной меры и калибруемой меры (меры, кото- рой передается размер единицы электрической емкости) производится поочередно на частоте 1 кГц. Действительное значение емкости ка- либруемой меры Сд определяется по формуле: Сд = k · xC = (Сэт д/ xC эт ) · xC , (1) где Сэтд – действительное значение эталонной меры; xC эт – среднее измеренное значение эталонной меры; xC – среднее измеренное значение калибруемой меры. Комплекс эталонного оборудования для хранения и передачи единицы электрической емкости с номинальными значениями емкости от 1 пФ до 10 мФ и тангенса угла потерь в диа- пазоне от 1⋅10-5 до 1 состоит: – из однозначных эталонных мер элек- трической емкости серии SCA с номиналь- ными значениями от 1 пФ до 10 мФ и пределами допускаемой основной относи- тельной погрешности электрической емкости ± (1·10-2–1,5·10-1) %, магазина емкости HACS- Z-A-9E-10 pF; – магазина мер тангенса угла потерь с диапазоном воспроизведения тангенса угла по- терь от 1·10-5 до 1, предел абсолютной погреш- ности воспроизведения не более ± (0,001 тан- генса угла потерь + 2·10-5). В ходе создания эталона БелГИМ принял участие в международных сличениях нацио- нальных эталонов электрической емкости в рамках темы COOMET 345/UA/05 (COOMET.EM – K4, COOMET.EM – S4), но- минальные значения емкости 10 и 100 пФ на частотах 1 и 1,6 кГц. В данных сличениях при- няли участие 7 национальных метрологических институтов, входящих в состав COOMET, EURAMET, APMP. В ходе проведенных сличе- ний БелГИМ получены следующие значения расширенной неопределенности: 2,2 ppm для значения емкости 10 пФ на частотах 1 и 1,6 кГц; 2 ppm для значения емкости 100 пФ на частотах 1 и 1,6 кГц (k = 2; Р = 95 %). Заключение Создан Национальный эталон единицы электрической емкости, способный хранить и передавать единицу электрической емкости с наивысшей точностью в Республике Беларусь, удовлетворяющей требованиям реальных по- требителей: номинальные значения электриче- ской емкости 10 и 100 пФ; относительная не- стабильность эталона за год составляет 1∙10-6– 1·10-5 (при частоте 1 кГц); расширенная не- определенность составляет 2,2 ppm для номи- нального значения емкости 10 пФ на частотах 1 и 1,6 кГц; 2 ppm для номинального значения емкости 100 пФ на частотах 1 и 1,6 кГц (k = 2, Р = 95 %). По конструктивному исполнению Нацио- нальный эталон соответствует современному международному уровню в области измерения электрической емкости и позволяет осуществ- лять метрологическое обеспечение всех эта- лонных СИ электрической емкости, которые эксплуатируются в Республике Беларусь. В рамках расширенной неопределенности, полученной в ходе сличений, результаты БелГИМ совпадают с результатами других национальных метрологических институтов. На основании проведенных сличений БелГИМ получил возможность включить новые из- мерительные и калибровочные возможности в международную базу данных KCDB Меж- дународного бюро мер и весов. Внедрение Национального эталона еди- ницы электрической емкости обеспечивает: повышение точности измерения электрической емкости в Республике Беларусь и качества мет- рологического обслуживания отраслей народ- ного хозяйства; единство измерений, улучше- ние и совершенствование точностных характе- ристик вновь разрабатываемых СИ электриче- ской емкости и подтверждение метрологиче- ских характеристик импортных СИ электриче- ской емкости, поступающих в Республику Бе- ларусь; развитие приборостроения в области измерения электрических величин; подтвер- ждение наилучших возможностей при калиб- ровке, возможность участия в дополнительных сличениях и признания результатов калибровки на мировом уровне. Работа выполнена (2008–2010 гг.) в рамках Государственной научно-технической про- граммы «Эталоны и научные приборы». Методы измерений, контроля, диагностики 74 Приборы и методы измерений, № 1 (4), 2012 Kolomiets T.А., Kazakova E.А., Sosnovskaya T.G. Creation and research of the national standard of capacitance In 2008–2010 the Belorussian State Institute of Metrology established the national electric capacitance standard. The basic steps for creating a national standard are presented in this manuscript. Represented by the composition of the standard, its metrological characteristics, as well as research results. (E-mail: kolomiets@belgim.by) Key words: electric capacitance, capacitance standard, unit reproduction, unit transfer, bridge of electric capacitance. Поступила в редакцию 03.11.2011.