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低温电流比较仪及其应用

2014/11/13 23:08:44  来源:计测网通讯员 
字号: 13号字 16号字

    1·引言

    众所周知,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。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是极为重要的。不断提高比例量具的准确度成为人们一种持久的追求。

    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,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。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,对于电磁测量中的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,原有的各种比例量具的比例值准确度均显得力不从心,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。

    2·低温电流比较仪的基本原理

    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分别通入绕在同一磁路上的W1和W2中。当安匝数达到平衡时有

    I1W1+I2W2=0        (1)

    如果用某种非常灵敏的检测手段来准确监视安匝数平衡条件式(1)保持严格成立,就可得到电流比例为

    I1/I2=-W1/W2       (2)

    由于匝数比W1/W2是个无误差的数值,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。另一方面,匝数比可以设计成各种各样的非整数比例,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。限制磁调制器式电流比较仪准确度提高的因素有下述两个方面:

    首先是漏磁通引起的误差。导出式(1)时假定了检测线圈中的磁通也同时完全耦合了W1和W2两个比例线圈。但在实际结构中很难做到这一点,总会有一部分磁通的耦合是不完全的。这样的部分磁通就是所说的漏磁通。漏磁通的存在使得式(1)或式(2)的安匝数平衡条件不能严格成立,因而造成了电流比例的误差。目前的商品磁调制器式电流比较仪中用高导磁材料把检测线圈和比例线圈隔离开来,尽量减少漏磁通与检测线圈之间的耦合,达到了一定的效果。但是目前能得到的高导磁材料的相对导磁率最高只有几十万,还不能起到完全的隔离作用,总会有一些残余误差存在。

    第二方面的误差来源于监视式(1)的安匝数平衡条件的技术手段的不完善。在磁调制器式电流比较仪中,安匝数平衡条件的监视是利用磁芯材料的非线性特性完成的。当安匝数平衡条件式(1)未得到满足时,检测线圈的磁芯中会出现直流磁通,检测线圈及其相应的电子线路就根据是否存在直流磁通来判断安匝数平衡条件是不是得到了满足。但是最好的磁性材料也会有磁滞特性,使得安匝数平衡条件的判断不能十分完善,从而造成了一定的电流比例误差。

    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10-7米的量级。因此,只要用超导体作成超导屏蔽来隔离电流比较仪检测线圈和比例线圈,其隔离作用将非常的完善。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,已经在控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。一些国家实验室已建立了比例误差小于10-13的低温电流比较仪,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。

    低温电流比较仪的缺点也是显而易见的。用来隔离电流比较仪检测线圈和比例线圈的超导体屏蔽和监测安匝数平衡条件的超导量子干涉器件均需在接近绝对零度的液氦温度下才能工作,因此这种仪器的运行费用较高,一般只有在量子化霍尔电阻的测量这样的重要场合才会使用。

    图1中画出了一种实际的低温电流比较仪的结构示意图。可以看到,线圈及其引线均用铅制的超导屏蔽包裹着,防止线圈的漏磁通逸出而造成比例误差。线圈有多个,可以按需要串联起来构成适当的匝数比。线圈外的超导屏蔽是多层的,以加强隔离效果。各层屏蔽之间要互相绝缘,不能形成短路圈。否则会影响不平衡磁通的检测。当安匝数平衡条件未得到满足时,不平衡磁通由超导的检测线圈L耦合到超导量子干涉器件SQUID的超导输入线圈Li中,不平衡信号经放大后反馈到供电电源中的从动电流源。其操作原理与通常的磁调制器式电流比较仪基本相同。

    目前低温电流比较仪主要用于传递量子化霍尔电阻的量值。图2中画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分别供电。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的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。例如我们可以选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。从此例中我们可以看到,利用低温电流比较仪加以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。

    3·展望

    低温电流比较仪以其高超的性能为电磁计量技术提供了一种比例值高度准确的比例量具。但是低温电流比较仪中使用了超导量子干涉器件、超导屏蔽和超导线圈,这些超导元器件需在4·2K的液氦温度下才能工作。以目前的技术水平而言,液氦费用是相当高昂的,一套在液氦温度下工作的低温电流比较仪的运行费用约为人民币500元/日。这就使低温电流比较仪的进一步推广遇到了一定困难,目前只在国家级的计量实验室中才能见到低温电流比较仪装置。

    20世纪80年代开始出现的高Tc(高临界温度)超导材料则为低温电流比较仪的推广提供了新的可能性。高Tc超导材料在液氮温度(77K)下即能工作,而液氮的价格仅为液氦的几十分之一,所以高Tc超导材料出现后,国内外纷纷着手研制利用这种材料制作的元器件。目前国内外均已报道研制成功了可在液氮温度下工作的超导量子干涉器件,而用来制作超导屏蔽的高Tc超导薄板材料和制作超导线圈的高Tc超导线材尚不成熟,所以当前还未见到试制成全部使用高Tc超导材料的低温电流比较仪的报道。但是高Tc超导材料的研究已成为世界各国的战略性重点攻关项目,目前遇到的一些困难有望在不远的将来一一得到克服。高准确度和低运行费用的高Tc超导材料低温电流比较仪亦有可能应运而生,为电磁计量技术开辟新的局面。

    作者:张钟华

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