КВАНТОВАЯ МЕРА НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 1995 года по МПК G01R19/00 

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано в прецизионных приборах, предназначенных для измерения напряжения, а также в эталонах напряжения.

Известны квантовые меры напряжения [1], содержащие квантовый пpеобpазователь "частота-напpяжение" на основе эффекта Джозефсона и резистивные делители напряжения, используемые для увеличения (умножения) воспроизводимого напряжения.

Напряжение, воспроизводимое квантовым преобразователем Джозефсона, не превышает единиц милливольт, что неудобно для практики. Его необходимо умножить хотя бы до 1 В.

Известные квантовые меры напряжения по принципу действия требуют сверхнизкой температуры (< 4,2 К), которая обеспечивается применением дорогого хладагента - жидкого гелия, что существенно ограничивает область их применения.

Известно устройство [2], содержащее квантовый преобразователь Джозефсона, два набора резисторов, включенных в цепи источников тока, переключатели, коммутирующие цепи делителей, нуль-органа и квантового преобразователя.

Недостатками аналога является недостаточно высокая точность, связанная с большим количеством резисторов, необходимостью их взаимного сравнения и подстройки, что при больших коэффициентах умножения (>1000) приводит к сложным конструкциям.

Как следует из [2], при коэффициентах деления (умножения) 1000 погрешность квантовой меры оценивается как 2 ˙ 10^-7. Такая точность недостаточна в некоторых важнейших технических приложениях например, при выпуске прецизионных стабилитронов. Тем более в первичных или вторичных эталонах вольта, где точность должна быть еще на порядок выше.

Известна квантовая мера напряжения [3], которая по совокупности признаков и достигаемому результату наиболее близка к изобретению.

Эта мера содержит квантовый преобразователь Джозефсона, воспроизводящий напряжение по принципу, изложенному в [1], а также переключатель, нуль-орган, "n" последовательно включенных в цепь регулируемого источника тока равнономинальных резисторов. Указанный выше преобразователь Джозефсона с помощью переключателя через нуль-орган подключается встречно-параллельно каждому из "n" резисторов. Нуль-орган индуцирует отсутствие тока (равенство напряжений), чем устанавливается равенство всех резисторов.

Напряжение на i-том резисторе, выраженное через его отклонение от сопротивления R₁ в резисторной цепи, определяется как
U_i = R₁I(1 + Δ R_i/R₁), (1) что при нулевом показании нуль-органа (U₁ = U_дж) эквивалентно
U_i = U_дж(1 + Δ R_i/R₁). (2)
Напряжение, воспроизводимое на всей резисторной цепи (U_o), определяется как сумма всех напряжений на "n" резисторах, т.е.

U_o=u_i= U1 + ΔR_i/R. (3)
Подгонкой резисторов обеспечивается условие приближенного равенства резисторов друг другу, т.е.

Δ R_i << R₁. (4)
Тогда с учетом (4), можно пренебречь членом и записать (3) в виде
u nU_дж (5)
Напряжение U_о используется как опорное для калибровки следующего каскада по принципу, описанному выше.

Как видно из выражения (3), погрешности подгонки резисторов к одному значению суммируются, т.е. накапливаются. Погрешность трехкаскадного делителя 1:1000 равна 2 ˙ 10^-7, что, как уже указано выше, примерно на порядок ниже запросов практики. Конструкция известной меры содержит порядка 60 резисторов и элементов коммутации, т.е. достаточно сложна, поэтому возможность расширения воспроизводимого напряжения (коэффициент умножения более 1000) практически ограничена.

Таким образом, недостатком известного устройства является низкая точность, узкий диапазон напряжений при сложной конструкции.

Целью предполагаемого изобретения является повышение точности, увеличение диапазона воспроизводимых напряжений и упрощение конструкции.

Эта цель достигается тем, что в квантовую меру напряжения, содержащую квантовый преобразователь Джозефсона, резисторную цепь, состоящую из последовательно соединенных равнономинальных резисторов с отводами от каждого резистора, первый переключатель, выполненный двухсекционным, первый нуль-орган, первый вход которого соединен с одним из полюсов преобразователя Джозефсона, а второй вход через первую секцию первого переключателя соединен с отводами резисторной цепи, второй полюс преобразователя Джозефсона соединен через вторую секцию первого переключателя с отводами резисторной цепи, первый источник тока, подключенный одним из полюсов к первому выводу резисторной цепи, а управляющим входом к выходу первого нуль-органа, согласно изобретению введены дополнительный резистор, сопротивление которого равно сопротивлению резисторной цепи, второй нуль-орган и второй источник тока, управляющий вход которого соединен с выходом второго нуль-органа, второй переключатель, выполненный двухсекционным, и третий переключатель, при этом второй полюс первого источника тока соединен с одним из полюсов второго источника тока и одним из выводов дополнительного резистора, второй вывод которого через первую секцию второго переключателя соединен с отводом от точки соединения первого и второго резисторов резисторной цепи, второй вывод резисторной цепи, соединенный с одним из входов второго нуль-органа, подключен через вторую секцию второго переключателя к второму выводу дополнительного резистора и второму полюсу второго источника тока, второй вход второго нуль-органа соединен через третий переключатель с отводами резисторной цепи.

Предлагаемое решение позволяет с помощью резисторной цепи из минимального числа "n" равнономинальных резисторов использовать "повторно" коэффициент деления "n" для создания через выходной резистор дополнительного тока, в (n-1) раз большего основного, что позволяет практически при заданном числе резисторов получить умножение напряжения U_дж не в "n", а в "n²" раз, тем самым расшиpить в "n" раз диапазон воспроизводимых напряжений и повысить в /2 раз точность меры за счет уменьшения суммарной погрешности подгонки резисторов, при этом существенно уменьшить количество схемных элементов (упростить устройство), и тем самым при меньшем количестве элементов и более простой конструкции повысить точность и увеличить диапазон воспроизводимых величин.

На чертеже представлена схема предложенной квантовой меры напряжения.

В предлагаемом устройстве один полюс квантового преобразователя 1 Джозефсона через нуль-орган 2 подсоединен к одной из щеток переключателя 3, к ламелям первой секции которого присоединены отводы от каждого из "n" равноминальных резисторов резисторной цепи 4, а также вторая клемма дополнительного резистора 5, сопротивление которого равно сумме сопротивлений "n" равноминальных резисторов. Второй полюс квантового преобразователя 1 Джозефсона подсоединен к второй щетке переключателя 3. К ламелям второй секции переключателя 3 присоединены отводы от всех резисторов цепочки 4, начиная с 1-го, и первая клемма дополнительного резистора 5. В одном из положений двухсекционного переключателя 6 (показанном на чертеже) через одну из секций резисторы цепи 4 и дополнительный резистор 5 соединены последовательно и включены в цепь источника 7 тока. В этом положении двухсекционного переключателя 6 цепь дополнительного источника 8 тока, один из полюсов которого присоединен к второй клемме дополнительного резистора 5, а другой полюс - к ламели двухсекционного переключателя 6, разорвана.

Во втором положении двухсекционного переключателя 6 через его вторую секцию дополнительный резистор 5 подключен к отводу между 1 и 2 резисторами цепи 4, а один из полюсов второго источника 8 тока подключен к дополнительному резистору 5, а его второй полюс через двухсекционный переключатель 6 подключен к клемме первого резистора цепи 4, т.е. резисторы R₁ и R_д соединены последовательно и включены в цепь регулируемого источника 8 тока. Один полюс второго нуль-органа 9, например, гальванометра, через односекционный переключатель 10 связан с отводами каждого резистора цепи 4, а его второй полюс подключен к щетке двухсекционного переключателя 6. Нуль-орган 9 может быть выполнен в виде операционного усилителя, вход которого присоединен как указано выше, а выход подключен к регулируемому источнику тока 8 по принципу обратной связи.

Устройство работает следующим образом.

Переключатели 3 и 6 обеспечивают два режима работы: режим калибровки делителя и рабочий режим воспроизведения напряжения. В режиме калибровки делителя напряжения на каждом из "n" резисторов цепи 4 сравнивается через нуль-орган 2 с помощью переключателя 3 с напряжением квантового преобразователя 1. Подстройкой резисторов реализуется их равенство. Окончательная (тонкая) подстройка резисторов может осуществляться с помощью переменных высокоомных резисторов, шунтирующих подстраиваемый резистор.

Подключив преобразователь 1 Джозефсона через нуль-орган 2 с помощью переключателя 3 параллельно всей цепи 4, уменьшают в "n" раз значение тока источника 7 (по равенству напряжений). Затем подключают преобразователь 1 с нуль-органом 2 с помощью переключателя 3 параллельно дополнительному резистору 5 (R_д) в "n" раз большему, чем R₁. Подгонкой этого резистора обеспечивается его равенство суммарному сопротивлению цепи 4 (по равенству напряжений)
U_д = U_дж . (6) При этом значение R_д можно выразить через "n" и R₁ следующим образом
R_д= R₁1 + ΔR_i/R (7)
В другом положении переключателя 6 обеспечивается дифференциальное (встречное) включение напряжения на резисторе R₁ цепи 4 с напряжением на остальных (n-1) резисторах. Регулируют ток источника 8 вручную или автоматически до нулевого показания нуль-органа 9. При этом в цепи дополнительного источника 8 протекает ток I_д и напряжение R₁ равно суммарному напряжению на остальных (n-1) резисторах, т.е.

J_дR₁ = J R_i = JR1 + ΔR_i/R (8) Откуда, поделив правую и левую части (8) на R₁, получим значение тока
J_д = J 1 + ΔR_i/R J(n-1) (9)
В этой операции использован повторно полученный ранее коэффициент деления "n" для обеспечения известной кратности токов I_д и I, т.е. I_д/I = n - 1.

Напряжение U_o на R_д удовлетворяет соотношение
U_o = R_д(I_д + I) . (10)
Подставив R_д из (7) и ток из (9), получим
U_o= JR1 + ΔR_i/R (11)
Используя условие равенства резисторов, получим
U_o = IR₁n² = U_джn² . (12)
Условие (11) позволяет также учесть поправки в виде
δ_o= 2nR_i/R₁+ R_i/R (13)
В рабочем режиме воспроизведения напряжения квантовой мерой квантовый преобразователь 1 Джозефсона переключателем 3 через нуль-орган 2 подключается встречно-параллельно одному из резисторов цепи "n" равнономинальных резисторов. Ток источника 7 вручную или автоматически регулируется по нулевому показанию нуль-органа 2, поддерживается также баланс напряжений во входной цепи нуль-органа 9, при этом воспроизводимое напряжение определяется через число "n" по формуле (12). Переключатель 10 служит для получения сетки напряжений в пределах от 2U_дж до U_джn². Очевидно, число измерений (сравнений) напряжений для получения коэффициента умножения n² равно (n + 1), т.е. в (n - 1) раз меньше по сравнению с прототипом (при эквивалентных коэффициентах умножения). При этом погрешность воспроизведения напряжения по сравнению с прототипом будет меньше для случайной погрешности в раз, для систематической погрешности в (n-1)/2 раз. В (n-1) раз уменьшается количество резисторов и коммутационных элементов.

Предлагаемое устройство может быть выполнено в виде нескольких каскадов, при этом напряжение U_о на выходе первого каскада используется в качестве опорного (вместо U_дж) для калибровки следующего каскада.

Предлагаемая квантовая мера напряжения в своих отличительных признаках может быть реализована, например, на серийных прецизионных резисторах типа Р3030 (с ТКС < 10^-6/K), операционных усилителях серий К140, К544 и др., коммутаторах типа МП-12. В качестве стабилизированных источников тока может быть использован серийный блок П36-1, имеющий 3 независимых источника тока с высокой стабильностью. При типовых значениях параметров, приведенных в описании прототипа, при двухкаскадном варианте предлагаемого устройства количество резисторов, необходимое для получения коэффициента умножения напряжения порядка 1300, в предлагаемом устройстве должно быть - 14 (в прототипе - 60), погрешность не превышает 3 ˙ 10^-8 (в прототипе 2 ˙ 10^-7) при диапазоне напряжений в 1,3 раз большем, чем в прототипе. Возможность расширения диапазона напряжений практически неограничена.

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано в прецизионных приборах, предназначенных для измерения напряжения, а также эталонах напряжения. Квантовая мера содержит квантовый преобразователь 1 Джозефсона с переключателем 3 и нуль-органом 2, резисторную цепь 4 из последовательно включенных в цепь источника 7 тока равнономинальных резисторов, дополнительный резистор 5, сопротивление которого равно сопротивлению резисторной цепи 4, второй источник 8 тока, второй нуль-орган 9, второй и третий переключатели 6, 10, при этом дополнительный резистор 5 подключен последовательно к резисторной цепи 4 через вторую секцию второго переключателя 6, а через его первую секцию - к отводу между первым и вторым резисторами цепи 4, один из полюсов второго источника 8 тока подключен к дополнительному резистору 5, а другой полюс через вторую секцию второго переключателя 6 связан с одним из входов второго нуль-органа 9 и дополнительным резистором 5, второй вход нуль-органа 9 через третий переключатель 10 связан с отводами резисторной цепи 4. Квантовая мера позволяет с высокой точностью воспроизводить широкий диапазон напряжений и имеет простую конструкцию. 1 з. п.ф-лы, 1 ил.

1. КВАНТОВАЯ МЕРА НАПРЯЖЕНИЯ, содержащая квантовый преобразователь Джозефсона, резисторную цепь, состоящую из последовательно соединенных равнономинальных резисторов с отводами от каждого резистора, первый переключатель, выполненный двухсекционным, первый нуль-орган, первый вход которого соединен с первым полюсом преобразователя Джозефсона, а второй вход через первую секцию первого переключателя соединен с отводами резисторной цепи, второй полюс преобразователя Джозефсона соединен через вторую секцию первого переключателя с отводами резисторной цепи, первый источник тока, подключенный первым полюсом к первому выводу резисторной цепи, а управляющим входом - к выходу первого нуль-органа, отличающаяся тем, что, с целью упрощения конструкции, повышения точности и расширения диапазона воспроизводимых напряжений, в нее введены дополнительный резистор, сопротивление которого равно сопротивлению резисторной цепи, второй нуль-орган и второй источник тока, управляющий вход которого соединен с выходом второго нуль-органа, второй переключатель, выполненный двухсекционным, и третий переключатель, при этом второй полюс первого источника тока соединен с первым полюсом второго источника тока и первым выводом дополнительного резистора, второй вывод которого через вторую секцию второго переключателя соединен с отводом от точки соединения первого и второго резисторов резисторной цепи, второй вывод резисторной цепи, соединенный с одним из входов второго нуль-органа, подключен через вторую секцию второго переключателя к второму выводу дополнительного резистора и второму полюсу второго источника тока, второй вход второго нуль-органа соединен через третий переключатель с отводами резисторной цепи. 2. Мера напряжения по п.1, отличающаяся тем, что второй нуль-орган выполнен в виде операционного усилителя, входы и выходы которого являются соответственно входами и выходом нуль-органа.