МНОГОЗНАЧНАЯ МЕРА ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Полезная модель относится к области электроизмерительной техники и может быть использована в прецизионных приборах для воспроизведения и передачи единицы постоянного напряжения, для калибровки цифровых вольтметров, а также может использоваться в составе эталонов напряжения.
Известна мера постоянного напряжения типа Fluke 732В с использованием туннельного эффекта в стабилитронах, Direct Voltage Standard (734В/732В DC Reference standard. Instruction manual. Fluke corporation. 1999, http://ru.flukecal.com). Значение воспроизводимого постоянного напряжения приведенного аналога определяется в данном случае выходным напряжением прецизионного стабилитрона. Основным недостатком такого устройства является зависимость выходного напряжения стабилитрона от времени, давления, температуры и влажности окружающей среды.
В основу современных эталонов и мер напряжения положен квантовый эффект Джозефсона, основанный на том факте, что под воздействием внешнего электромагнитного поля с частотой f на вольтамперной характеристике джозефсоновского контакта возникают ступени тока при напряжениях VJ=nf/KJ, где KJ=2e/h=483,5979 ГГц/мВ -постоянная Джозефсона, а n - номер ступени, целое число. Таким образом, величина постоянного напряжения VJ определяется только квантовыми константами и частотой облучения, которая может измеряться с очень малой неопределенностью. Основанные на эффекте Джозефсона государственные эталоны воспроизводят выходное напряжение с относительной неопределенностью около (1-5)×10-9.
Известна также мера постоянного напряжения на эффекте Джозефсона, содержащая квантовый преобразователь Джозефсона с двухсекционным переключателем и нуль-органом, резисторную цепь, два источника тока, дополнительный резистор, сопротивление которого равно сопротивлению резисторной цепи, два переключателя, дополнительный нуль - орган (патент RU 2026557, МПК G01R 19/00, публ. 09.01.1995). Недостатки предложенной конструкции связаны с тем, что значения выходных напряжений в ней получаются в результате сложного процесса калибровки делителей напряжения, выполняемого в ручном режиме. Кроме того, джозефсоновские контакты охлаждаются до температуры жидкого гелия (4 К), что сопряжено со сложностью охлаждающей системы и трудностями в ее эксплуатации.
Наиболее близким по технической сущности заявляемой конструкции является устройство, содержащее два декадных делителя напряжения (ДН), максимальное выходное напряжение каждого из которых равно 10 В, нуль-индикатор, механические переключатели, управляемые вручную, криогенный зонд с джозефсоновскими переходами из высокотемпературного сверхпроводника (ВТСП) (A.M. Klushin, А.V. Komkov, V.D. Gelikonova, S. I. Borovitskii, M. Siegel, DC voltage calibrator based on arrays of high-temperature superconductor Josephson junctions, IEEE Trans. Meas. - 2003. - V. 52 - No.2. -P. 529-532). Необходимое число джозефсоновских переходов выполнено в виде массива контактов, расположенных на одной микросхеме, размещенной на конце зонда и охлаждаемой для нормальной работы жидким азотом до температуры 77 К. Суммарное эталонное напряжение, получаемое с джозефсоновских переходов, составляющее от 10 до 50 мВ, преобразовывается в выходное напряжение меры с помощью декадных делителей напряжения.
Недостатками известного технического решения является длительное время калибровки делителей напряжения, предшествующее непосредственно измерению напряжения, и ручное управление механическими переключателями, используемое при калибровке и при измерениях напряжения. Другим недостатком известного устройства является необходимость использовать для охлаждения джозефсоновских переходов до азотных температур дьюар, заполняемый жидким азотом, что требует постоянного наличия хладагента, усложняет работу с устройством-прототипом и его обслуживание.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является разработка многозначной меры постоянного напряжения от 0 до 10 В, обеспечивающей повышение точности воспроизведения постоянного напряжения, имеющей улучшенные эксплуатационные и функциональные характеристики.
Технический результат в разработанной многозначной мере постоянного напряжения достигается за счет того, что она, как и прототип, содержит размещенные в термостате нуль-индикатор, два делителя напряжения, подсоединенные соответственно к двум источникам опорного напряжения через механический переключатель полярности токов, механические переключатели для присоединения нуль-индикатора к отводам делителей напряжения при проведении их калибровки и для подачи напряжений с делителей напряжения на выход меры при измерении напряжения, а также расположенный вне термостата криогенный зонд с джозефсоновскими контактами, выполненными из высокотемпературного сверхпроводника и охлаждаемыми до рабочей температуры, квантовое выходное напряжение которых может быть подано на один из низковольтных отводов первого делителя.
Новым в разработанной мере постоянного напряжения является то, что делители напряжения, имеющие полное выходное напряжение 5 В каждый, выполнены с возможностью включения параллельно в режиме калибровки и последовательно в режиме измерения напряжения. Механические переключатели снабжены программно управляемыми электромоторами, подключенными к микроконтроллеру, что позволяет проводить калибровку и измерение напряжения в автоматическом режиме и за более короткое время.
В частном случае реализации разработанной меры постоянного напряжения целесообразно для охлаждения джозефсоновских контактов, расположенных в криогенном зонде, использовать малогабаритный криоохладитель замкнутого цикла, что существенно уменьшает габариты и вес устройства, исключает необходимость периодической заправки жидким азотом и обеспечивает удобство эксплуатации.
В разработанном устройстве эталонное напряжение, получаемое с джозефсоновских контактов, равное Vj=25÷100 мВ, преобразуется в выходное напряжение меры до 10 В с помощью делителей напряжения, собранных из одинаковых прецизионных сопротивлений. Таким образом, выходное напряжение меры калибруется относительно встроенного источника квантового джозефсоновского напряжения. Неопределенность выходного напряжения меры определяется неопределенностью нахождения коэффициентов деления делителя и минимальное ее значение ограничено собственными шумами стабилитронов. С целью обеспечения стабильности коэффициентов делителей в процессе их калибровки и работы, ток питания делителей напряжения был выбран таким, чтобы ограничивать выделяемую на сопротивлениях делителей напряжения мощность величиной значительно меньшей, чем их предельно допустимая рассеиваемая мощность.
В отличии от известной меры-прототипа, первый делитель состоит из секций с выходными напряжениями  В - 1 шт.,  В - 2 шт.,  В - 1 шт.,  В - 2 шт. Второй делитель состоит из секций с выходными напряжениями  В - 3 шт.,  В - 1 шт.,  В - 1 шт.,  В - 2 шт. и  В - 1 шт.. Полное падение напряжения на каждом делителе равно  В. При параллельном включении первого и второго делителя напряжений проводится определение коэффициентов деления каждого из делителей. Последовательное их включение позволяет получать на выходе меры напряжение от 0 до V10=10 В с шагом 0.1 В, которое
используется для аттестации источников постоянного напряжения с выходным напряжением VDUT.
Сущность изобретения поясняется следующими фигурами:
- на фиг. 1 представлена блок схема разработанной многозначной меры напряжения,
- на фиг. 2 представлена схема секции первого делителя напряжения с выходным напряжением  В, калибруемого относительно джозефсоновского напряжения Vj.
Многозначная мера постоянного напряжения, изготовленная в соответствии с пунктами формулы и представленная на фиг. 1, содержит делители напряжения 1 и 2, собранные из одинаковых прецизионных сопротивлений величиной 100 Ом, соединенные соответственно с источниками опорного напряжения 3 и 4 посредством механического переключателя полярности токов 5, позволяющего проводить измерения при двух полярностях тока. Механические переключатели 6 и 7 на 23 положения и на два направления каждый объединены в единый блок переключателей и коммутируют выход микросхемы с джозефсоновскими контактами с отводами делителя 1, а также отводы делителей 1 и 2 между собой, с нуль индикатором 8 и выходом меры напряжения. Переключатели 5, 6, 7 имеют низкое и постоянное контактное сопротивление, обеспечивающее изменение термо-ЭДС не более 0.5 нВ при смене положения переключателей. Все вышеперечисленные составляющие меры напряжения расположены в термостате 9, поддерживающем постоянную температуру 35±0.01°C. Криогенный зонд 10, содержащий микросхему с джозефсоновскими контактами, расположен вне термостата 9 и охлажден до необходимого азотного уровня температур.
В частном случае изготовления многозначной меры напряжения в соответствии с п. 2 формулы криогенный зонд 10 снабжен малогабаритным криоохладителем замкнутого цикла 11, обеспечивающим рабочую температуру джозефсоновских контактов в диапазоне от 65 до 80 К.
Секция делителя напряжения 1, выполненная по оригинальной схеме, представлена на фиг. 2. Она имеет выходное напряжение  В и калибруется относительно джозефсоновского напряжения Vj. Особенность этой схемы заключается в том, что, с одной стороны она является делителем напряжения, а с другой - имеет постоянное выходное сопротивление 100 Ом для любых пар отводов. Предположим, что мы имеем делитель на к, состоящий из одинаковых резисторов величиной R. Для того, чтобы сопротивление всего делителя было равно R, надо параллельно сопротивлению k×R включитьцепочку, состоящую из последовательно соединенных сопротивления R и группы из k-1 сопротивлений R, соединенных параллельно. В данном случае k=4, сопротивление R=100 Ом, падение напряжения на каждом из сопротивлений R составляет 25 мВ, а суммарное выходное напряжение данной секции делителя напряжения 1 составляет  В.
Разработанная многозначная мера напряжения, представленная на фиг. 1, работает следующим образом. Перед измерением выходного напряжения меры V10 и напряжения исследуемого внешнего прибора VDUT, а также их относительных неопределенностей u10 и uDUT проводят калибровку делителей 1 и 2 относительно джозефсоновского напряжения Vj. Нахождение напряжения V10 состоит в последовательном измерении падения напряжений на всех секциях делителей 1 и 2. Напряжения на всех отводах делителей 1 и 2 измеряются относительно напряжения , являющегося выходным для одной из секций делителя 1. Для определения  измеряют среднее значение разности напряжений  между Vj и , где m=1, 2…4 - число пар отводов, зависящее от напряжения Vj=0.1 В, 0.05 В или 0.025 В. Измерения проводятся для двух полярностей токов смещения. В результате измерений вычисляется сумма отклонений от среднего значения  и среднее напряжение  с суммарной неопределенностью  - стандартная неопределенность измерений для отводов m.
Затем относительно выходного напряжения  секции делителя напряжения 1 измеряются напряжения   на трех секциях делителя 2 и находятся соответствующие разности напряжений . На следующем шаге находятся разности напряжений  между суммой напряжений  двух секций на делителе 2 и напряжениями  секций делителя 1 и т.д. После измерения всех разностей напряжений вычисляются величины напряжений  и , а также соответствующие им неопределенности. Сумма найденных напряжении позволяет вычислить величинупервого делителя напряжений 1:
и величину суммарной неопределенности
Аналогичным образом вычисляется выходное напряжение  на втором делителе 2 с суммарной неопределенностью .
Наиболее важными для практики являются значения напряжений в 1 и 10 В. Напряжение 1 В может быть получено в нескольких вариантах, с наименьшей неопределенностью это напряжение находится по формуле:
с суммарной неопределенностью
Напряжение V10=10 В вычисляется из выше полученных результатов, с суммарной неопределенностью
Для оценки суммарной стандартной неопределенности предлагаемой меры напряжения  необходимо знать вклады случайной составляющей неопределенности, оцененной по типу А, и систематической составляющей, оцененной по типу В, которые возникают при калибровке делителей напряжения. Основными источниками неопределенности типа А являются шумы и нестабильность выходного напряжения источников опорного напряжения 3 и 4 стабилитронов, собственные шумы нановольтметра 8, флуктуации термо-ЭДС, а также шумы и электромагнитные наводки, не подавленные схемой экранирования. Теоретическая оценка неопределенности типа А проводилось авторами путем статистического анализа результатов многократных измерений.
Сличение многозначной меры напряжения с поверяемым источником напряжения для двух полярностей токов питания делителей 1 и 2 позволяет измерить среднее значение разности напряжений  и вычислить  с суммарной неопределенностью типа А
При выборе методики статистического анализа нахождения напряжений на отводах ДН учитывалось, что выходное напряжение меры V10 определяется как сумма напряжений, полученных на разных отводах ДН в результате измерений за время, равное обычно 30 минутам. Поэтому неопределенности сличений между отдельными секциями ДН определялись в результате статистической обработки ряда, обычно 10, средних значений разностей напряжений за указанное выше время. Средние значения находились в результате статистической обработки 10 единичных измерений, выполненных за 10 сек.
В табл. 1 приведены типичные значения неопределенностей , , , ,  c которыми измеряются напряжения на отводах ДН.
Используя данные табл. 1 и учитывая вклад, можно вычислить неопределенности измерений выходных напряжений меры напряжения. Наиболее важные из них приведены в табл. 2.
Неопределенности измерений типа В, т.е. систематические погрешности имеют много источников. Наиболее существенными из них являются токи утечки, дрейфы токов смещения делителей 1 и 2, нестабильности теромо-ЭДС в цепях подключения нановольтметра 8 к различным частям делителя 1 во время калибровки последнего, дрейф температуры в термостате 9, нелинейность коэффициента усиления нановольтметра 8, в также дрейф его нуля. Суммарная относительная неопределенность типа В равна примерно 1×10-8, так что ее вклад в общую неопределенность выходного напряжения меры будет незначителен.
-6
+
В конкретном примере реализации разработанного устройства делители напряжения 1 и 2 собраны из одинаковых прецизионных сопротивлений величиной 100 Ом. Сопротивления выполнены по фольговой технологии, маслонаполненные, герметичные, с низким температурным коэффициентом сопротивления менее 2×10/°C. Отклонение значений сопротивлений от номинального не превышает ±0,005%. Источники опорного напряжения 3 и 4 изготовлены на основе микросхемы типа LTZ 1000А, имеющей в составе стабилитрон с высокостабильным выходным напряжением 7,03 В. С помощью операционного усилителя LT1013 выходное напряжение преобразуется в ток питания делителей равный 10 мА. Максимальное выходное напряжение источника равно 5 В. В качестве переключателя 5 использовался переключатель типа C4D2003N, в качестве переключателей 6 и 7 - типа C7D0423N. Микросхема с джозефсоновскими контактами изготовлена в ННИПИ «КВАРЦ» на подложках размером 10×10 мм и толщиной 0.5 мм с помощью фотолитографии и последующего травления пленок Au и YBCO ионами Ar. В результате формируется цепочка джозефсоновских контактов в виде меандра, при этом контакты Джозефсона образуются в месте пересечения бикристаллической границы тонкопленочными мостиками из ВТСП шириной w=6 мкм. В криогенном зонде 10 собственного изготовления расположена измерительная часть, где крепится смонтированная в специальном держателе описанная выше джозефсоновская микросхема. В качестве малогабаритного криоохладителя замкнутого цикла 11 использован РТ08-4 (TransMIT GmbH - Zentrum für Adaptive Kryotechnik und Sensorik, ). Нуль-индикатор 8 представляет из себя нановольтметр, в качестве входного блока которого был использован малошумящий усилитель постоянного тока. Выходной сигнал с этого усилителя подавался на АЦП с постоянной времени усреднения равной 10 периодам колебаний сети питания, т.е. 0,2 сек. Термостат 9 представляет собой массивный алюминиевый корпус со встроенными в стенки нагревательными элементами.
-8
Проведенные авторами многократные измерения показали, что заявленная многозначная квантовая мера напряжения обеспечивает воспроизведение единицы напряжения в диапазоне от 0 до 10 В с относительной неопределенностью порядка 5×10.
Особенностью работы предлагаемой меры напряжения по п. 2 формулы является использование малогабаритного криоохладителя замкнутого цикла 11, что обеспечивает длительную автономную работу устройства, упрощает процесс эксплуатации и обслуживания разработанной меры напряжения