CN112285396A - 一种超稳标准电阻 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种超稳标准电阻，包括：金属块承载体，设置有容置槽及容置孔，容置槽置放标准电阻模块，容置孔置放测温元件；导热绝缘片置于标准电阻模块与容置槽中间；加热片，贴置于金属块承载体上；加热电源，与加热片连接；绝热保温层，包覆金属块承载体及加热片；温度控制器，与加热电源电连接，用于检测所述标准电阻模块的温度，低于设定温度时，控制所述加热电源向所述加热片提供电流。标准电阻模块由多个同标称值电阻构成，该多个同标称值电阻通过多个串联、并联或并串混联方式连接，多个电阻间的温度系数、阻值偏差、漂移量值等能够相互抵消，标准电阻模块还通过全屏蔽结构进行屏蔽，从而保证了超稳标准电阻的稳定性达到10‑8量级。
Description
技术领域
本申请实施例涉及超稳标准电阻，尤其涉及一种小型化控温超稳标准电阻。
背景技术
标准电阻是电学计量最重要的标准器之一，主要用于量值传递，作为计量标准校准电阻测量仪表或低等级标准电阻器，由于电流的测量是通过标准电阻(分流器)将被测电流转换为可测量的电压信号，再由电压和电阻量值导出电流量值，因此标准电阻决定了电流测量的准确度，进而决定了功率和电能测量的准确度。实物电阻基准的量值为1Ω。
随着科技的发展，近年国际上已经采用量子化霍尔效应复现电阻基准的量值，围绕其发现和应用获得了诺贝尔物理学奖，其常用量值是12906.4037Ω，不确定度在10-8～10-9量级，需要由电桥将其通过1kΩ、100Ω、10Ω等高稳定度电阻逐级传递到1Ω实物电阻基准，因此没有短期稳定性10-8量级的超稳电阻就不能实现量子电阻的传递；而当前实物电阻工作基准的年稳定性指标为5×10-7，其稳定性不能在10-8量级保存量子化霍尔效应复现的电阻量值。由于量子化霍尔电阻基准装置需要在液氦条件下运行，因此利用其进行电阻校准，成本极其昂贵，若没有超稳标准电阻保存量子电阻产生的量值，使得量子化霍尔电阻基准装置的运行成为常态，对于缺乏液氦资源的中国成为突出的技术问题。
标准电阻的稳定性是首要指标，电阻有温度系数，阻值都会随着温度变化，因此高等级的标准电阻首先需要解决内在温度系数这一突出问题，然后需要解决环境温度不稳定的问题。并且电磁干扰产生的感应电流是影响电阻测量稳定性的重要因素，高等级电阻需要通过屏蔽手段解决电磁干扰的问题。
目前的高等级标准电阻器的温度系数通常在10-6量级，需要进一步减小；由于标准电阻有较大的温度系数，通常采用恒温油槽进行控温，这种结构存在体积大，操作不便的问题，目前也有采用电控温箱进行控温的方式，同样存在结构复杂，体积较大和使用不便的问题；高等级标准电阻的接线均为四端子结构，存在接线端子不能完全屏蔽的情况，进而使电阻测量受到电磁干扰的影响，成为10-8量级电阻传递过程中的误差来源之一。
发明内容
有鉴于此，本申请实施例提供一种超稳标准电阻。
根据本申请的第一方面，提供一种超稳标准电阻，包括：
金属块承载体，设置有容置槽及容置孔，所述容置槽置放标准电阻模块，所述容置孔置放测温元件；
导热绝缘片，设置于标准电阻模块与所述容置槽中间；
加热片，贴置于所述金属块承载体上；
加热电源，与加热片连接；
绝热保温层，用于包覆所述金属块承载体及所述加热片；
温度控制器，与加热电源电连接，其中的温度传感器用于检测所述标准电阻模块的温度，低于设定温度时，控制所述加热电源向所述加热片提供电流，即对所述金属块承载体进行加热；达到设定温度时控制加热电源不输出电流，所述加热电源与所述加热片之间没有加热电流。
在一些实施例中，所述标准电阻模块还包括：
两个以上的分电阻；
所述两个以上的分电阻以串联方式、或并联方式、或串并混联的方式连接而构成所述标准电阻模块；
所述两个以上的分电阻的温度系数中至少具有属性相对的两个；所述两个以上的分电阻的温度系数叠加小于第一设定阈值。
在一些实施例中，所述两个以上的分电阻的阻值偏差的叠加值小于第二设定阈值。
在一些实施例中，所述两个以上的分电阻的阻值的漂移叠加值小于第三设定阈值。
在一些实施例中，所述电阻还包括：
第一箱体，用于盛放包覆有绝热保温层的金属块承载体；
所述第一箱体内还设置有支撑件，所述支撑件设置于绝热保温层和第一箱体内壁之间，使第一箱体与绝热保温层之间隔离。
在一些实施例中，所述电阻还包括：
第二箱体，用于容置第一箱体；
所述第二箱体上设置有第二盖板，所述第二盖板上开设有与所述第一箱体匹配的穿置孔，并盖设于所述第二箱体的开口侧。
在一些实施例中，所述第一箱体上设置有第一盖板，所述第一盖板盖设于所述第一箱体的开口侧；
所述第一箱体置放于所述第二箱体内时，所述第一箱体卡置于所述第二盖板的穿置孔内，并与所述第二盖板相互卡持。
在一些实施例中，所述第一盖板上还设置有全屏蔽快速连接器，所述全屏蔽快速连接器与所述标准电阻模块连接，以在使用所述标准电阻模块时，通过所述全屏蔽快速连接器将所述标准电阻模块接入测量电路中。
在一些实施例中，所述电阻还包括：
辅助盒，设置于所述第三箱体内，用于盛放所述温度控制器和所述加热电源。
在一些实施例中，所述支撑件由聚四氟绝缘材料制成。
在一些实施例中，所述标准电阻模块外还包覆有云母或电子陶瓷材料层。
本申请实施例的小型化控温超稳标准电阻，通过多个分电阻以串联方式、或并联方式、或串并混联方式连接而构成；所述两个以上分电阻的温度系数的叠加值小于第一设定阈值，这里的第一设定阈值可以是接近于0的值，使分电阻之间的温度系数能够相互抵消，以使本申请实施例的标准电阻模块能够尽量抵消温度对其阻值的影响。另外，所选择的多个分电阻存在正偏差和负偏差的，通过对所述两个以上的分电阻的阻值偏差的叠加，使所述两个以上分电阻的阻值偏差的叠加值接近于0。所选择的多个分电阻的阻值漂移叠加值小于第三设定阈值。本申请还通过对标准电阻模块包覆屏蔽材料层和接线端子的屏蔽，避免外界电磁场对本申请标准电阻模块的稳定性的影响，本申请保证了超稳标准电阻的稳定性达到10-8量级。通过采用嵌入导热金属体的控温方式替代控温罐，导热快，体积小。采用加热片替代加热丝，仅需单侧加热，相比加热丝的环绕结构大幅简化了结构。本申请实施例使温度控制器及加热电源与标准电阻分离，减小了对标准电阻的电磁干扰，并使标准电阻便于携带。
附图说明
图1为本申请实施例提供的小型化控温超稳标准电阻整体外形示意图；
图2为本申请实施例提供的小型化控温超稳标准电阻整体外形示意图；
图3为本申请实施例提供的小型化控温超稳标准电阻分解结构示意图。
具体实施方式
本申请实施例的超稳标准电阻，可以用于量子电阻的传递和传递电桥比例的验证，标准电阻的短期稳定性需要达到10-8量级。电阻有温度系数，标准电阻的温度通常在10-6量级，目前最好的低温度系数标准电阻的温度系数在10-7量级，成为量子电阻传递和电桥比例验证中的主要不确定因素的来源，因此控温是必须采取的技术手段。本申请实施例的标准电阻结构，能将标准电阻的温度系数控制在10-9量级，并将单只标准电阻的体积减小到100mm×100mm×100mm的级别，同时采用全屏蔽快速连接器，实现了标准电阻和测试线的全屏蔽，进一步克服了电磁场的干扰。
图1为本申请实施例提供的小型化控温超稳标准电阻整体外形示意图，图2为本申请实施例提供的小型化控温超稳标准电阻整体外形示意图，如图1、图2所示，本申请实施例提供的小型化控温超稳标准电阻整体为方形，单只标准电阻的体积大致为100mm×100mm×100mm；本申请实施例提供的小型化控温超稳标准电阻具有第一箱体15和第二箱体17，第一箱体15和第二箱体17的一侧开口，开口处分别设置有第一盖板19和第二盖板18。第二盖板18能整体容纳套置第一箱体15。
图3为本申请实施例提供的小型化控温超稳标准电阻分解结构示意图，如图3所示，本申请实施例的小型化控温超稳标准电阻包括：
金属块承载体10，设置有容置槽(图中未示出)及容置孔(图中未示出)，所述容置槽置放标准电阻模块11，所述容置孔置放测温元件12；本申请实施例中，测温元件12可以是热敏电阻等温度测量仪器。
导热绝缘片(图中未示出)，设置于标准电阻模块与所述容置槽中间；
加热片13，贴置于所述金属块承载体上；
加热电源(图中未示出)，与加热片13连接；
绝热保温层14，用于包覆所述金属块承载体及所述加热片13；
温度控制器(图中未示出)，与加热电源电连接，其中的温度传感器用于检测所述标准电阻模块11的温度，低于设定温度时，控制所述加热电源向所述加热片13提供电流，即对所述金属块承载体10进行加热；达到设定温度时控制加热电源不输出电流，所述加热电源与所述加热片13之间没有加热电流。
如图1、图3所示，本申请实施例的小型化控温超稳标准电阻还包括：
第一箱体15，用于盛放包覆有绝热保温层14的金属块承载体10；
所述第一箱体15内还设置有支撑件16，所述支撑件16设置于绝热保温层14和第一箱体15内壁之间，使第一箱体15与绝热保温层14之间隔离。本申请实施例中，所述支撑件16由聚四氟绝缘材料制成。
如图1、图3所示，本申请实施例的小型化控温超稳标准电阻还包括：
第二箱体17，用于容置第一箱体15；
所述第二箱体17上设置有第二盖板18，所述第二盖板18上开设有与所述第一箱体15匹配的穿置孔，并盖设于所述第二箱体17的开口侧。
所述第一箱体15上设置有第一盖板19，所述第一盖板19盖设于所述第一箱体15的开口侧；
所述第一箱体15置放于所述第二箱体17内时，所述第一箱体15卡置于所述第二盖板18的穿置孔内，并与所述第二盖板18相互卡持。
本申请实施例中，所述标准电阻模块11还包括：
两个以上的分电阻；
所述两个以上的分电阻以串联方式、或并联方式、或串并混联方式连接而构成所述标准电阻模块11；
所述两个以上的分电阻的温度系数中至少具有相对的两个；所述两个以上的分电阻的温度系数叠加小于第一设定阈值，这里的第一设定阈值可以是接近于0的值，具体根据标准电阻模块的稳定性要求而设置。这里，属性相对是指分电阻阻值随温度上升而下降，以及分电阻阻值随温度上升而上升的两种属性；本申请实施例通过对分电阻的温度系数进行测量，尽量选择温度系数相反的多个分电阻，使分电阻之间的温度系数能够相互抵消，以使本申请实施例的标准电阻模块11能够尽量抵消温度对其阻值的影响。本申请实施例中，分电阻也是同标称值电阻，本申请实施例通过在同标称值电阻中选择多个温度系数相反的多个电阻，使本申请实施例的标准电阻模块11对温度的敏感度降低，以达到其电阻值更稳定，标准电阻模块11的阻值精度更高。
作为一种优选的方式，构成本申请实施例的标准电阻模块11的所述两个以上的分电阻的阻值偏差的叠加值小于第二设定阈值。也即是说，本申请实施例中，在选用标称电阻时，所选择的标称电阻的阻值需要存在正偏差和负偏差的，通过对所述两个以上的分电阻的阻值偏差的叠加，使所述两个以上的分电阻的阻值偏差的叠加值接近于0，这样可以使本申请实施例的标准电阻模块11的阻值更精确。
作为一种优选的方式，构成本申请实施例的标准电阻模块11的所述两个以上的分电阻的阻值的漂移叠加值小于第三设定阈值，这里的第三设定阈值是接近于0的值，即通过多个同标称值电阻的串联方式、或并联方式、或串并混联方式连接而构成所述标准电阻模块11，可以将温度系数、阻值偏差和漂移量等的叠加值尽量归于0，从而可以提升本申请实施例的标准电阻模块11的稳定性。
本申请实施例中，还将串联、或并联、或串并混联连接的多个同标称值电阻置放于密封铁盒中，并在铁盒中灌满油，以使加热片13对金属块承载体10加热时，热量能够传导至多个同标称电阻组合而成的标准电阻模块，使铁盒中的标准电阻模块11温度保持恒定。
本申请实施例中，为了避免泄漏电流对本申请实施例的标准电阻模块11的影响，本申请实施例的标准电阻模块11的外缘还包覆有云母或电子陶瓷材料层，以使泄漏电流对本申请实施例的标准电阻模块11的影响降低到最小。
本申请实施例中，为了避免电磁场对本申请实施例的标准电阻模块11的影响，本申请实施例的标准电阻模块11的外有第一箱体和第二箱体两层屏蔽，以使外界的电磁场对本申请实施例的标准电阻模块11的影响降低到最小。
如图1、图3所示，所述第一盖板19上还设置有全屏蔽快速连接器20，全屏蔽快速连接器20与所述标准电阻模块11连接，以在使用所述标准电阻模块11时，通过所述全屏蔽快速连接器20接入电路中。
本申请实施例通过使用全屏蔽快速连接器20替代外接旋钮，可以使本申请实施例的标准电阻模块11的连接端通过全屏蔽快速连接器20而包覆，进一步避免外界的电磁场对本申请实施例的标准电阻模块11的阻值造成影响。作为一种实现方式，本申请实施例的全屏蔽快速连接器20可以采用LEMO低电压连接器的结构来实现。
本申请实施例的超稳标准电阻，通过多个分电阻以串联方式、或并联方式、或串并方式连接而构成；所述两个以上的分电阻的温度系数叠加值小于第一设定阈值，这里的第一设定阈值可以是接近于0的值，使分电阻之间的温度系数能够相互抵消，以使本申请实施例的标准电阻模块能够尽量抵消温度对其阻值的影响。另外，所选择的多个分电阻存在正偏差和负偏差的，通过对所述两个以上的分电阻的阻值偏差的叠加，使所述两个以上的分电阻的阻值偏差的叠加值接近于0。基于统计的原理，两个以上的分电阻的阻值的漂移叠加值小于第三设定阈值。
本申请还通过对标准电阻模块包覆屏蔽材料层，避免外界电磁场对本申请标准电阻模块的稳定性的影响，本申请超稳标准电阻的稳定性可达到10-8量级。通过采用嵌入导热金属体的控温方式替代控温罐，导热快，体积小。采用加热片替代加热丝，仅需单侧加热，相比加热丝的环绕结构大幅简化了结构。本申请实施例使温度控制器及加热电源与标准电阻分离，减小了对标准电阻的电磁干扰，并使标准电阻便于携带。
本申请实施例的小型化控温超稳标准电阻还包括：
辅助盒(图中未示出)，设置于所述第三箱体(图中未示出)内，用于盛放所述温度控制器和所述加热电源。
本申请实施例的小型化控温超稳标准电阻，能将10-7量级的温度系数带来不确定度降为10-9量级，从而进一步降低了温度对本申请实施例的超稳标准电阻的影响。
本申请实施例的小型化控温超稳标准电阻，在第二箱体17内加入控温装置，使超稳标准电阻内的温度变化小于0.05℃，从而使温度系数引入的不确定度保持在10-9量级。为了实现标准电阻的小型化控温，本申请实施例改变了以往采用的罐状控温结构，省去了较大的罐体和绕制的加热丝，改用体积较小的金属块作为标准电阻的承载体，并在金属块上设置加热片。具体地，根据超稳电阻模块的外形，在金属块上开设容置槽，将标准电阻模块嵌入金属块的容置槽中，通过加热片对金属块进行加热，实现对超稳电阻的加热；在金属块的适当位置，开一个孔，将测温探头埋入，实现温度测量；在金属块外粘贴高绝热保温材料，实现超稳电阻的保温；为了避免干扰和减小体积，温度控制器、电源与超稳标准电阻采用分体结构，温度控制器与电源同在一个辅助盒内，采用航插与超稳标准电阻高效连接。本申请实施例的超稳电阻的体积与FLUKE-742A等常规非控温电阻的体积相同，辅助盒的体积可以设置为仅为超稳电阻体积的1/2。因此本申请实施例的小型化控温超稳标准电阻具有体积小、温度系数极低和使用方便的特点。
本申请实施例中，金属块可以采用铝块、铜块和铁块等热的良导体的金属块。加热片发热后，热量能迅速通过金属块实现对本申请实施例的超稳电阻的加热，从而使对本申请实施例的超稳电阻的温度控制效果更快更便捷。
本申请实施例通过采用多只电阻补偿法将电阻的温度系数降低到10-7量级，并基于统计的原理可提高电阻的稳定性；通过温控来保证超稳标准电阻的温度恒定，使本申请实施例的超稳标准电阻的阻值恒定，采用嵌入式控温方式大幅减小了温控装置的体积和复杂度；采用全屏蔽插头实现了电阻接线端的整体屏蔽和快速连接。
应理解，说明书通篇中提到的“一个实施例”或“一实施例”意味着与实施例有关的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，在整个说明书各处出现的“在一个实施例中”或“在实施例中”未必一定指相同的实施例。此外，这些特定的特征、结构或特性可以任意适合的方式结合在一个或多个实施例中。应理解，在本发明的各种实施例中，上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的设备和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的设备实施例仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，如：多个单元或组件可以结合，或可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另外，所显示或讨论的各组成部分相互之间的耦合、或直接耦合、或通信连接可以是通过一些接口，设备或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性的、机械的或其它形式的。
上述作为分离部件说明的单元可以是、或也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是、或也可以不是物理单元；既可以位于一个地方，也可以分布到多个网络单元上；可以根据实际的需要选择其中的部分或全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各实施例中的各功能单元可以全部集成在一个处理单元中，也可以是各单元分别单独作为一个单元，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中；上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬件加软件功能单元的形式实现。
以上所述，仅为本发明的实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种超稳标准电阻，其特征在于，所述电阻包括：
金属块承载体，设置有容置槽及容置孔，所述容置槽置放标准电阻模块，所述容置孔置放测温元件；
导热绝缘片，设置于标准电阻模块与所述容置槽中间；
加热片，贴置于所述金属块承载体上；
加热电源，与加热片连接；
绝热保温层，用于包覆所述金属块承载体及所述加热片；
温度控制器，与加热电源电连接，其中的温度传感器用于检测所述标准电阻模块的温度，低于设定温度时，控制所述加热电源向所述加热片提供电流，即对所述金属块承载体进行加热；达到设定温度时控制加热电源不输出电流，所述加热电源与所述加热片之间没有加热电流。
2.根据权利要求1所述的电阻，其特征在于，所述标准电阻模块还包括：
两个以上的分电阻；
所述两个以上的分电阻以串联方式、或并联方式、或串并混联方式连接而构成所述标准电阻模块；
所述两个以上的分电阻的温度系数中至少具有属性相对的两个；所述两个以上的分电阻的温度系数叠加小于第一设定阈值。
3.根据权利要求2所述的电阻，其特征在于，所述两个以上的分电阻的阻值偏差的叠加值小于第二设定阈值；所述两个以上的分电阻的阻值的漂移叠加值小于第三设定阈值。
4.根据权利要求1至3任一项所述的电阻，其特征在于，所述电阻还包括：
第一箱体，用于盛放包覆有绝热保温层的金属块承载体；
所述第一箱体内还设置有支撑件，所述支撑件设置于绝热保温层和第一箱体内壁之间，使第一箱体与绝热保温层之间隔离。
5.根据权利要求4所述的电阻，其特征在于，所述电阻还包括：
第二箱体，用于容置第一箱体；
所述第二箱体上设置有第二盖板，所述第二盖板上开设有与所述第一箱体匹配的穿置孔，并盖设于所述第二箱体的开口侧。
6.根据权利要求5所述的电阻，其特征在于，所述第一箱体上设置有第一盖板，所述第一盖板盖设于所述第一箱体的开口侧；
所述第一箱体置放于所述第二箱体内时，所述第一箱体卡置于所述第二盖板的穿置孔内，并与所述第二盖板相互卡持。
7.根据权利要求6所述的电阻，其特征在于，所述第一盖板上还设置有全屏蔽快速连接器，所述全屏蔽快速连接器与所述标准电阻模块连接，以在使用所述标准电阻模块时，通过所述全屏蔽快速连接器将所述标准电阻模块接入测量电路中。
8.根据权利要求5所述的电阻，其特征在于，所述电阻还包括：
辅助盒，设置于所述第三箱体内，用于盛放所述温度控制器和所述加热电源。
9.根据权利要求4所述的电阻，其特征在于，所述支撑件由聚四氟绝缘材料制成。
10.根据权利要求4所述的电阻，其特征在于，所述标准电阻模块外还包覆有云母或电子陶瓷材料层。
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