CN1963556B - 一种用于整体校验低温电流比较仪比例的仪器及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于一种在计量过程中的一种计量仪器及其方法，尤其涉及一种在电测量中的低温电流比较仪的整体校验装置及其方法。所述低温电流比较仪整体校验仪器包括两组待校验的绕组(W₁、W₂)，两组匝数相同且反极性串接。还包括主动电流源和从动电流源、指零仪以及不平衡磁通检测器SQUID。本发明对低温电流比较仪的比例不确定度在实际工作状态下进行整体校验，其方法是模拟低温电流比较仪实际工作情况，采用主动电流和被动电流在指零仪支路直接叠加(相加或相减)的方法在很高的量级基础上确定了低温电流比较仪的比例准确度。所以是一种很全面的校验方法，得到了不确定度为10^-10量级的结果，这是一项重要的技术进展。

Description

一种用于整体校验低温电流比较仪比例的仪器及其方法

技术领域：

本发明属于一种在计量过程中的一种计量仪器及其方法，尤其涉及一种在电测量中的低温电流比较仪的整体校验装置及其方法。

背景技术：

测量过程是指把被测量与标准量进行比较，求得两者之间的比例值。因此，标准量、被测量和比例量具是完成测量过程的三个要素。其中，比例量具所给出的比例值是否准确，对于测量过程而言自然是极为重要的。不断提高比例量具的准确度也就成为各国计量工作者一种持久的追求。在电测量中，历史悠久的惠斯顿电桥及电位差计是人们最熟知的两种比例量具。其比例的准确度是基于电阻元件的准确度及稳定性，在20世纪的工艺条件下一般能达到10^-5量级。同样基于电阻元件的哈蒙量具则由于原理的革新而得到了10^-8量级的比例准确度。但哈蒙量具只适用于固定的比例值，难以实现任意比例值。而且为了实现一个比例值需在串联和并联两种情况下分别进行测量，用起来很不方便。20世纪70年代出现的磁调制器式电流比较仪则实现了一次飞跃，可以给出任意值的电流比例，准确度达到10^-7量级。目前大部分的计量实验室中，磁调制器式电流比较仪仍然起着举足轻重的作用。但是到了20世纪90年代，对于电磁测量中比例量具的比例准确度又提出了新的、更高的要求。根据国际计量委员会的建议，从1990年1月1日起，在世界范围内启用了约瑟夫森电压基准和量子化霍尔电阻基准这两种自然基准。电磁计量基准的复现性和一致性提高到了10^-9量级，而新发展起来的低温电流比较仪则以其超群的比例准确度发挥了卓越的作用。除了计量基标准方面，各种实际应用中电磁测量的准确度要求也在日益提高。低温电流比较仪的出现，提供了一种实现超高准确度测量的可能性。

低温电流比较仪的基本原理与现在已经比较熟知的磁调制器式电流比较仪相当接近。磁调制器式比较仪所使用的方法是电流的安匝数平衡。即把待比较的两路电流I₁和I₂分别通入绕在同一铁芯磁路上的两个绕组中。设这两个绕组的匝数分别为W₁和W₂，当安匝数达到平衡时应满足条件

I₁W₁+I₂W₂＝0            (1)

如果用某种非常灵敏的检测手段来监视安匝数平衡条件式(1)，并设法使它保持严格成立，就可得到此时的电流比例为

I₁/I₂＝-W₁/W₂           (2)

由于匝数比W₁/W₂是个无误差的整数之比，所以原则上电流比较仪方法可以得到极为准确的电流比例值。另一方面，匝数比可以设计成各种各样的非整数比例值，所以也可以适应非整数比例值测量的要求。电流比较仪方法在原理上相当完善，但是磁调制器式电流比较仪的准确度在经多年努力后只达到了10^-7量级，尚不能适应传递新的电磁计量自然基准量值的要求。低温电流比较仪就是针对这两方面的问题进行了重大改进而制成的。在解决漏磁通引起的误差方面，在低温电流比较仪中，充分利用了超导屏蔽的完全抗磁效应，即迈斯纳效应。超导理论及实验均证实了超导体是一种完全抗磁体，超导体内部不会有磁场存在，外界磁场对超导体表面的透入深度仅为10^-7m的量级。因此，只要用超导体做成超导屏蔽来隔离电流比较仪检测线圈和比例线圈，其隔离作用将非常完善。这样就相当彻底地解决了漏磁通误差的问题。在解决安匝数平衡条件的监视技术手段方面，在低温电流比较仪中，使用了超导量子干涉器件(SQUID，国内拟译为司圭器)。超导量子干涉器件是现代最灵敏的微弱磁通探测手段，其灵敏度可达到10^-20Wb量级，已经在探测生物微弱磁场和空间磁场方面得到了很好的应用。而且这种器件没有磁滞特性，用于监测安匝数平衡条件可得到很好的效果。由于低温电流比较仪中比较理想地实现了安匝数平衡条件，其电流比例的准确度极高。成为电磁计量领域中首屈一指的高准确度仪器。这种仪器已用于量子化霍尔电阻量值的比较，解决了这个高难度的量值传递问题。

图1中给出了用低温电流比较仪构成的电阻比较电桥线路。被比较的量子化霍尔电阻和另一个100Ω电阻，分别由主动电流源和从动电流源供电。从动电流源的输出电流大小由检测安匝数不平衡的超导量子干涉器件SQUID的输出所控制。这样形成的反馈系统能时刻保持安匝数的平衡，构成准确的电流比例。在比较量子化霍尔电阻的量值时，一般是把i＝2平台处的量子化霍尔电阻值12906.4035Ω(国际上统一使用的推荐值)与100Ω标准电阻相比较。此时线圈W₁和W₂可有多种选择方法。例如可以选W₁为4001匝，W₂为31匝。此时式(2)中的电流比例I₁/I₂将为

I₁/I₂＝-W₁/W₂＝-4001/31＝-129.064516    (3)

此比例与理想值仅差3.7×10^-6，再加上一些必要的微差补偿装置，就可使电桥完全平衡。从此例中可以看到，利用低温电流比较仪加上适当的微差补偿装置，的确可以以相当高的准确度构成任意的比例值。对于普通的十进制量值电阻的相互比较，情况当然就要简单得多，只要令W₁/W₂等于所需的十进制值即可。

尽管低温电流比较仪已经达到了很高的比例准确度，但尚有一些技术问题需要进一步改进。下面就目前限制其准确度的几个问题进行说明。

从原理上来说，低温电流比较仪可以达到10^-12的不确定度。所谓不确定度是表征合理赋予被测量之值的分散性，与测量结果相联系的参数。过去这个概念常用误差来表示，近年来，随着科学实验的进一步发展，需要对误差的概念进一步精确化，国际上提出来了不确定度的概念，并进一步发布了导则对不确定度进一步规范化，我国也制定相应的国家标准JJF1059-1999来规范不确定度的使用。但是对低温电流比较仪的比例进行校验则是一个难度很高的问题。一方面，低温电流比较仪的比例不确定度很小，难以找到更准确的比例量具与其比对。另一方面，低温电流比较仪中使用的不平衡磁通检测器SQUID是新型量子器件，在使用中会产生一些特殊问题。因此用实际实验方法对低温电流比较仪的比例进行校验是有必要的。目前文献中尚未见到对此问题进行详细讨论的文章。

在现有技术中已经用电磁场计算证明了，如果低温电流比较仪的超导屏蔽是完善的，低温电流比较仪的比例误差可小于10^-12的量级。如果超导屏蔽在制作中存在某种缺陷，比例误差就会加大。比例线圈引出线的杂散磁场与SQUID的耦合也会导致比例误差。因此用实际实验方法对低温电流比较仪的比例进行校验是有必要的。

现有技术中对比例误差超导屏蔽完善性的检测中，低温比较仪比例绕组的匝数一般是按照二进制安排。国外实验室利用这一点设计了一种对比例误差进行校验的方法。例如我们可以按照上面所说的校验方法把匝数为1024、512、256、128、64、32、16、8、4、2、1、1的12个绕组同极性串连起来，得到一个总匝数为2048的绕组。把它与匝数为2048的绕组反极性相串联，再用图1中的主动电流源通以电流。此时绕组的总安匝数为0。如果超导屏蔽是完善的，不存在漏磁通，作为不平衡磁通检测器的SQUID的输出就等于0。反言之，如果SQUID的输出不为0，就反映了超导屏蔽存在缺陷，存在漏磁通。这种做法的缺点是只用到了图1中的主动电流源，而对于更为复杂的从动电流源回路未涉及。从动电流源回路是一个包括了SQUID在内的反馈回路，更容易产生比例误差。例如，反馈回路中的积分电容的漏电和吸收电流，信号引出导线无定向性的不完善等，就是容易产生误差的因素。因此国外的校验方法不能给出低温比较仪实际工作时的比例误差。

附图1中是现有技术中由低温电流比较仪构成的电阻比例电桥，用于把量子化霍尔电阻的量值传递到100欧电阻。为了得到更高的比例准确度，在SQUID的输出到从动电流源之间插入了一个积分环节，包括SQUID在内的反馈回路成为一个无差系统。即只有当SQUID的输出完全为0的时候，积分器的输出才能稳定，整个反馈回路达到平衡状态。因此在理想状态下这样的反馈回路是不会带来比例误差的。但如果实际的反馈回路中的某些部分与理想状态有差别，例如积分环节的积分电容存在漏电和吸收电流，信号引出导线无定向性的不完善，或是比例线圈引出线的杂散磁场与SQUID之间存在耦合，也会导致比例误差。此种误差需对低温电流比较仪的比例在实际工作状态下进行整体校验才能确定。

对低温电流比较仪的比例在实际工作状态下进行整体校验是一项高难度的工作，现有技术中也未涉及到此种问题。由于低温电流比较仪是目前准确度最高的直流比例量具，因此如要用其它量具对其比例值从实验上进行校验是很困难的。

发明内容：

为了解决上面所述的技术问题，具体设计和研发了一种用于整体校验低温电流比较仪比例的仪器及其方法，对低温电流比较仪的比例在实际工作状态下进行整体校验，确实的提高了低温电流比较仪的比例准确度。

本发明的技术方案如下：

一种用于整体校验低温电流比较仪比例的仪器，所述整体校验仪器用于提高低温电流比较仪的比例准确度；

所述整体校验低温电流比较仪比例的仪器包括两组待校验的绕组(W₁、W₂)，两组匝数相同；

还包括主动电流源和从动电流源、指零仪以及不平衡磁通检测器SQUID；被比较的主动电流I₁和从动电流I₂与指零仪的上端连接，指零仪的下端与两个绕组的上端连接。实际操作时，只需将主动电流源的输出端与指零仪的高(H)端相连接，而从动电流源的输出端也与指零仪的高(H)端相连接。而指零仪的低(L)端与相应的绕组W₁及W₂的一端(互为逆名端)相连。两个绕组的匝数相同且极性相反，I₁和I₂方向相反在指零仪支路中叠加，使两个电流相减。当检测到I₁和I₂相抵消的情况，就在实际工作状态下从整体上检验了低温电流比较仪的比例准确度。

所述的指零仪用于指示电流的不平衡量；指零仪中包含表计(D)和一个电阻(R₁)；所述表计(D)是型号为N1A的纳伏计，其内阻为1GΩ量级；且在纳伏计输入端上并联一个低值的电阻(R₁＝100欧姆)。

所述仪器用于高准确度地确定低温电流比较仪实际工作时的比例不确定度。

一种用于整体校验低温电流比较仪比例的方法，所述方法用电流相加(或相减)的方法对低温电流比较仪的比例进行整体的准确校验。现就用电流相减法对绕组W₂和W₁进行1∶1校验；

-①设置绕组W₁、W₂；将方法中两个绕组的各总匝数设置相同，且极性相反的串接；

-②安设指零仪和不平衡磁通检测器SQUID；所述的指零仪用于指示电流的不平衡量；指零仪中包含表计(D)和一个电阻(R₁)；所述表计(D)是型号为N1A的纳伏计，其内阻为1G量级；且在纳伏计输入端上并联一个低值的电阻(R₁)；

当纳伏计上测得的不平衡电压为ΔV，流过R₁的电流为I，则电流计测得的电流不平衡量为

$\mathrm{\ΔI}=\frac{\mathrm{\ΔV}}{R_1}---\left(1\right)$

折合为相对不平衡量时则有

$\frac{\mathrm{\ΔI}}{I_1}=\frac{\mathrm{\ΔV}}{I_1{R}_1}---\left(2\right)$

所使用的N1A纳伏计的分辨率达到10pV，所用的并联电阻R₁为100Ω，按(2)知等效的电流分辨率为0.1pA。N1A的输入端噪声的峰-峰值为900pV(时间常数为5秒时)，大于其分辨率10pV。为了克服噪声的影响，需要进行很多次的测量，取其平均值。如噪声符合正态分布，测量次数为N时，等效噪声将为900pV/N^1/2；

所述不平衡磁通检测器SQUID设置在绕组线圈W₁和W₂一边；两个绕组线圈产生的不平衡磁通通过线圈耦合到不平衡磁通检测器SQUID的线圈中，不平衡信号经放大后反馈到从动电流源中；

其中通以电流的数值范围在：-5mA～5mA。

图2即本发明用电流相减法对绕组W₂和W₁进行1∶1校验的电路原理图。

主动电流源I₁有两个输出端，从动电流源I₂也有两个输出端。指零仪N1A有两个输入端。连接时把主动电流源I₁的一个输出端、从动电流源I₂的一个输出端、指零仪N1A的一个输入端接在一起。再把主动电流源I₁的另一个输出端与W1串联后、从动电流源I₂的另一个输出端与W2串联后、以及指零仪N1A的另一个输入端三者也接在一起。按照图2连接好以后，在指零仪支路中流过的电流就等于I₁和I₂的差电流，也就是本发明要检测的误差电流。

W₂和W₁为两个待校验的绕组，两者匝数相同，但其中的一个绕组由若干个二进制绕组组合而成。例如可取W₂为512匝的绕组，I₁和I₂方向相反在指零仪支路中叠加，以实现两个电流相减。当检测了I₁和I₂相抵消的情况，也就在实际工作状态下从整体上检验了低温电流比较仪的不确定度。这样的整体校验可以同时反映超导屏蔽的缺陷和反馈回路与理想状态的差别等等各方面的问题。所以是一种很全面的校验方法，得到了不确定度为10^-10量级的结果，这是一项重要的技术进展。

所述仪器用于高准确度地确定低温电流比较仪实际工作时的比例不确定度。

附图说明：

图1为是现有技术中低温电流比较仪构成电阻比较电桥；

图2为用本发明电流相减法对绕组W₁和W₂进行1∶1整体校验仪器的电路图；

图3为本发明中检测电流平衡的指零仪的电路构成；

图4为本发明在-512/512的匝数比下进行整体校验的效果图；

图5为本发明在-125/125的匝数比下进行整体校验的效果图；

图6为本发明在-78/78的匝数比下进行整体校验的效果图。

具体实施方式：

附图2所示为用电流相减法对绕组W₂和W₂进行1∶1校验的电路原理图。W₂和W₁为两个待校验的绕组，两者匝数相同，但其中的一个绕组由若干个二进制绕组组合而成。例如可取W₂为512匝的绕组，W₁则为10个绕组(256、128、64、32、16、8、4、2、1、1)同向串联而成，等效匝数也是512匝。将原电阻比较电桥线路中的霍尔基准电阻以及十进制电阻R旁路，直接使I₁和I₂方向相反在指零仪支路中叠加，以实现两个电流相减。即如图2所示，把I₁和I₂接入同一接点(即指零仪支路上面的接点)就表示把I₁和I₂在指零仪支路中相减，也就是实现电流相减的具体实施方法(电路理论中的基尔霍夫第一定律)。检测了I₁和I₂相抵消的情况，就在实际工作状态下从整体上检验了低温电流比较仪的不确定度。这样的整体校验可以同时反映超导屏蔽的缺陷和反馈回路与理想状态的差别等问题。

主动电流源I₁有两个输出端，从动电流源I₂也有两个输出端。指零仪N1A只有两个输入端(没有四个输入端)。连接时把主动电流源I₁的一个输出端、从动电流源I₂的一个输出端、指零仪N1A的一个输入端接在一起。再把主动电流源I₁的另一个输出端与W₁串联后、从动电流源I₂的另一个输出端与W₂串联后、以及指零仪N1A的另一个输入端三者也接在一起，就可以了。按照图2连接好以后，在指零仪支路中流过的电流就等于I₁和I₂的差电流，也就是本发明要检测的误差电流。

附图2中的指零仪用于指示电流的不平衡量，如附图3所示。此图中的表计D是一架型号为N1A的纳伏计，其内阻为1GΩ量级；在用作检测电流信号时，其输入端应并上一个较低值的电阻R₁，这样附图3中的电路就转换成了电流计。设纳伏计上测得的不平衡电压为ΔV，流过R1的电流为ΔI，则电流计测得的电流不平衡量为

$\mathrm{\ΔI}=\frac{\mathrm{\ΔV}}{R_1}---\left(1\right)$

折合为相对不平衡量时则有

$\frac{\mathrm{\ΔI}}{I_1}=\frac{\mathrm{\ΔV}}{I_1{R}_1}---\left(2\right)$

所使用的N1A纳伏计的分辨率达到10pV，所用的并联电阻R₁为100Ω，按(2)知等效的电流分辨率为0.1pA。N1A的输入端噪声的峰-峰值为900pV(时间常数为5秒时)，大于其分辨率10pV。为了克服噪声的影响，需要进行很多次的测量，取其平均值。如噪声符合正态分布，测量次数为N时，等效噪声将为900pV/N^1/2；

实施例1

图4中是按图2所示办法对低温电流比较仪CCC3进行整体校验的实验数据。其中低温电流比较仪的两个比例绕组的匝数均为512。由于两个绕组中电流方向相反，所以实际的比例为-512/512。-512/512是目前发明人课题组进行整体校验时所能达到的极限情况。如W₁和W₂超过512，附图1中的从动电流源有可能出现电流跳跃现象。应注意到，在国外发表的文章中，W₂一般仅为16匝，个别情况下有用31匝的。W₂再大就会出现电流跳跃现象。由于发明人较好地解决了安匝数较大时工作电流会发生跳跃的难点，因此做到了在-512/512的匝数比下进行整体校验。从附图4可以看出，由于实验时的安匝数很高，数据分散性也很小。实测的52组数据的A类不确定度为6.9×10^-11(k＝1)，在数据分散性范围内未看到比例值有系统偏差。即证实了此种情况下低温电流比较仪的比例误差为10^-11量级。

实施例2

16133/125是发明人在比较量子化霍尔电阻与100Ω时采用的匝数比，附图5中的数据给出了对于CCC3当安匝数与此相同时整体校验的实测数据，低温电流比较仪的两个比例绕组的匝数均为125。52组数据的A类不确定度为1.9×10^-10(k＝1)，在数据分散性范围内未看到比例值有系统偏差。与附图4中的数据相比较，由于安匝数小了一些，数据分散性也相应变大了一些。

实施例3

发明人在用CCC3比较量子化霍尔电阻与100Ω时，有时也采用-10067/78的匝数比，附图6中的数据给出了安匝数与此相同时整体校验的实测数据，低温电流比较仪的两个比例绕组的匝数均为78。52组数据的A类不确定度为3.3×10^-10(k＝1)，在数据分散性范围内未看到比例值有系统偏差。与附图5中的数据相比较，由于安匝数小了不少，数据分散性又变大了一些。

Claims (5)

1.一种用于整体校验低温电流比较仪比例的仪器，所述整体校验低温电流比较仪比例的仪器用于提高低温电流比较仪的比例准确度；

所述整体校验低温电流比较仪比例的仪器包括两组待校验的绕组(W₁、W₂)，两组匝数相同且反极性串接；

还包括主动电流源和从动电流源、指零仪以及不平衡磁通检测器(SQUID)；被比较的主动电流I₁和从动电流I₂与指零仪的上端连接，指零仪的下端与两个绕组的上端连接；两个绕组的匝数相同且极性相反，I₁和I₂方向相反在指零仪支路中叠加，使两个电流相减；根据检测到的I₁和I₂相抵消的情况，就在实际工作状态下从整体上检验了低温电流比较仪的比例准确度。

2.根据权利要求1所述的整体校验低温电流比较仪比例的仪器，所述的指零仪用于指示电流的不平衡量；指零仪中包含表计(D)和一个低值电阻(R₁)；所述表计(D)是型号为N1A的纳伏计，其内阻为1GΩ量级；且在纳伏计输入端上并联一个所述低值电阻(R₁)。

3.根据权利要求1-2之一所述的整体校验低温电流比较仪比例的仪器，所述仪器用于高准确度地确定低温电流比较仪实际工作时的比例不确定度。

4.根据权利要求1-3之一所述仪器进行低温电流比较仪比例的整体校验方法，所述方法用电流相加或相减的方法对低温电流比较仪的比例进行整体的准确校验，即用电流相减法对绕组W₂和W₁进行1∶1校验；

-①设置绕组线圈W₁、W₂；将方法中两个绕组线圈的各总匝数设置相同，

-②安设指零仪和不平衡磁通检测器SQUID；所述的指零仪用于指示电流的不平衡量；指零仪中包含表计(D)和一个低值电阻；所述表计(D)是型号为N1A的纳伏计，其内阻为1GΩ量级；且在纳伏计输入端上并联一个所述低值电阻；

当纳伏计上测得的不平衡电压为ΔV，流过所述电阻的电流为ΔI，则电流计测得的电流不平衡量为

$\mathrm{\ΔI}=\frac{\mathrm{\ΔV}}{R_1}---\left(1\right)$

折合为相对不平衡量时则有

$\frac{\mathrm{\ΔI}}{I_1}=\frac{\mathrm{\ΔV}}{I_1{R}_1}---\left(2\right)$

R₁表示在纳伏计中并联的低值电阻的阻值；所使用的N1A纳伏计的分辨率达到10pV，所用的并联电阻为100Ω，按(2)知等效的电流分辨率为0.1pA；N1A的输入端噪声的峰-峰值为900pV，时间常数为5秒时，大于其分辨率10pV；为了克服噪声的影响，需要进行很多次的测量，取其平均值；如噪声符合正态分布，测量次数为N时，等效噪声将为900pV/N^1/2；

所述不平衡磁通检测器SQUID设置在绕组线圈W₁和W₂一边；两个绕组线圈产生的不平衡磁通通过线圈耦合到不平衡磁通检测器SQUID的线圈中，不平衡信号经放大后反馈到从动电流源中。

5.根据权利要求4所述的方法，其中通以所述电流I₁的数值范围在：-5mA～+5mA。

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