СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЕМКОСТИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2016 года по МПК G01R27/26 

Группа изобретений относится к измерительной технике и метрологии, а именно к технике измерения электрической емкости при работе ее на постоянном электрическом токе, определяемой через заряд электрона.

Конденсатор - это устройство для накопления заряда и энергии электрического поля. Конструктивно это «бутерброд» из двух проводников и диэлектрика, которым может быть вакуум, газ, жидкость, органическое или неорганическое твердое тело. Первые отечественные конденсаторы (стеклянные банки с дробью, обклеенные фольгой) делали в 1752 г. М. Ломоносов и Г. Рихтер.

Единица измерения электрической емкости в Международной системе единиц (СИ), называется фарад. Единица названа в честь английского физика Майкла Фарадея.

В Международную систему единиц (СИ) фарад введен решением XI Генеральной конференцией по мерам и весам в 1960 году одновременно с принятием системы СИ в целом.

Фарад (Ф) - это емкость такого уединенного проводника, потенциал которого повышается на 1 вольт при сообщении ему заряда в 1 кулон.

Электроемкость конденсатора равна отношению заряда одной из пластин Q к напряжению между ними U:

В то же время известна формула определения силы постоянного тока

откуда

и, определяя ток через заряд электрона i=e·f, получим:

Из уровня техники средства измерения емкости на постоянном электрическом токе непосредственно в соответствии с этой формулой не известны.

Измерение емкости конденсаторов в ответственных случаях должно осуществляться в условиях (при их использовании для воспроизведения постоянного тока), близких к эксплуатационным. Таким образом, например, емкости дифференцирующих конденсаторов, применяемых в мерах для воспроизведения постоянного электрического тока, необходимо измерять на постоянном токе.

Известны способы измерения емкости конденсаторов. Наиболее распространенными являются мостовой, резонансный, замещения, биений, метод амперметра и вольтметра и т.д. Общим недостатком измерения емкости конденсаторов являются трудность измерения емкости на постоянном токе и высокая погрешность на низкой частоте измерения.

Известен способ измерения электрической емкости [Хромой Б.П., Моисеев Ю.Г. Электрорадиоизмерения. М.: Радио и связь, 1985, с. 203], основанный на измерении частоты сигнала генератора, в частотно-задающую цепь которого включена измеряемая емкость. При этом значение измеряемой емкости определяется как функция частоты сигнала на выходе генератора. Недостатками известного способа являются высокая погрешность измерения, связанная с нестабильностью частоты генератора и нелинейностью его характеристики, при этом чем ниже частота генератора, тем выше погрешность измерения, а также невозможность измерения емкости на постоянном токе.

Наиболее точным способом измерения емкости является мостовой способ (см. там же с. 199), который основан на включении измеряемой емкости в состав одного из плеч измерительного моста, питаемого переменным током с последующим определением емкости по величине напряжения в измерительной диагонали моста. Недостатками этого способа измерения также являются высокая погрешность измерения на низкой частоте, а также невозможность измерения емкости на постоянном токе. Так, например, высокоточный прецизионный мост переменного тока, АН 2700 А, на частоте 50 Гц при измерении емкости в диапазоне от 1×10^-15 Ф (1 фФ) до 1×10^-9 Ф (1 нФ), имеет погрешность ±(50-0,16) %, при измерении емкости 1×10^-12 Ф (1 пФ) погрешность измерения емкости ±0,6% [описание высокоточного моста АН 2700 A, Andeen-Hager ling, США].

Консультативный комитет по электричеству и магнетизму принял рекомендацию Е1 (2007) о предлагаемых изменениях Международной системы единиц СИ и, в частности, действующего определения ампера. Предложен пример определения ампера:

- «ампер - это электрический ток, эквивалентного потока, точно равный 1/(1,60217653×10^-19) элементарных зарядов в секунду (из этого следует, что данное определение фиксирует элементарный заряд как равный точно 1,60217653×10^-19 А с)» [RECOMMENDATION Е 1 (2007): Proposed changes to the International System of Units (Sl). The Consultative Committee for Electricity and Magnetism (CCEM), CCEM/2007-44].

Основу формулировки данного определения составляют следующие факторы:

1) определение силы постоянного электрического тока как явления направленного движения электрических зарядов;

2) определение количественной характеристики этого явления - силы электрического тока - как величины, численно равной количеству заряда, протекающего через определенную поверхность в единицу времени;

3) дискретность заряда.

Благодаря развитию современных нанотехнологий появилась возможность измерять фарад путем счета электронов.

Для решения поставленной задачи во многих ведущих метрологических институтах проводятся работы по созданию криогенного эталона электрической емкости С_крио.

Известен способ измерения электрической емкости, который по выполняемой функции и совокупности существенных признаков является наиболее близким аналогом заявленного способа [Keller M. W., A. L Eichenberger, J. M. Martinis, N.М. Zimmerman, Science 285, 1706 (1999) ″Capacitance Standard based on Counting Electrons″].

Принцип криогенного эталона емкости со счетом электронов заключается в заряде конденсатора известным числом электронов и последующим измерением полученного напряжения на электродах конденсатора.

Эффекты одноэлектронного тунелирования проявляются в системах, которые содержат маленький металлический островок, слабо связанный (т.е. через туннельные переходы) с внешней цепью. Когда емкость островка C_Σ достаточно мала, присутствие избыточного электрона на островке может быть обнаружено. Этот эффект наиболее очевиден, когда заряжающая энергия е²/2·С_Σ является доминирующей энергией в системе: она должна превышать энергию электронов, связанных с приложенным напряжением, e-V, и их тепловую энергию, k·Т. На практике это требует применения металлических структур с характеристическими размерами менее 100 нанометра, работающих при температурах менее 50 милликельвин (менее - 223°С).

Посредством емкостного вентиля (затвора), связанного с островком, можно управлять зарядом островка. Наиболее известная структура - это одноэлектронный транзистор (SET), который имеет два туннельных перехода и одну емкость затвора [IEEE Trans. IM vol.52, N2, pp.584-587, 2003].

Известный способ измерения электрической емкости осуществляется устройством, которое содержит эталонный криогенный вакуумный конденсатор, воспроизводящий емкость С_крио, электронный насос, SET электрометр, находящиеся при криогенной температуре, измеритель напряжения, находящийся при комнатной температуре.

Известный способ измерения электрической емкости криогенного вакуумного конденсатора С_крио осуществляется устройством, которое содержит цепь заряда измеряемого конденсатора, состоящую из электронного насоса, в виде последовательно соединенных: истока, «n» туннельных переходов, «n-1» островков, расположенных между ними, стока, поддерживаемые подложкой, измеряемого конденсатора и источника напряжения смещения V_c. Положительный полюс источника напряжения смещения связан с измеряемым конденсатором С_крио, а отрицательный - с истоком. Фиксированные электроды затворов расположены в непосредственной близости от указанных квантовых островков, образуя емкостную связь между каждым электродом затвора и каждым островком. Каждый электрод затвора через фазосдвигающую цепочку связан с одним из полюсов генератора частоты, другой полюс генератора частоты соединен с общей точкой истока и с отрицательным полюсом источника напряжения смещения V_c. Контроль процесса зарядки конденсатора осуществляется SET электрометром одним концом, подключенным к ″низкопотенциальному″ электроду конденсатора С_крио, а другой конец подключен через обратную связь электрометра (нуль - детектора) к ″высокопотенциальному″ электроду, подавая на него компенсационное напряжение. Затем, сохраняя заряд неизменным, измерителем напряжения, подключенным к обкладкам конденсатора С_крио, измеряется напряжение между обкладками С_крио. При этом емкость определяется по формуле:

Где: е - заряд электрона;

N - количество электронов которыми зарядили криогенный конденсатор;

U - напряжение между обкладками криогенного конденсатора.

Предварительный бюджет неопределенностей для криогенного эталона емкости составляет порядка 2·10^-6 [″Electron counting capacitance standard experiment with an improved five-junction single-electron R-pump″ В Camarota, H Scherer, M W Keller, S V Lotkhov, G-D Willenberg, and F J Ahlers, 2011]. Недостатком данного способа измерения емкости является то, что при измерении емкости количество электронов, которыми заряжают криогенный конденсатор, определяется косвенным методом путем приложения к затвору электронного насоса напряжения определенной частоты, а также то, что измерение напряжения между обкладками криогенного конденсатора происходит в статике, в условиях, отличных от эксплуатации конденсатора (при его использовании для воспроизведения постоянного тока). Недостатком также является необходимость применения высоких технологий для создания структур, работающих в условиях сверхнизких температур, и специального оборудования для обеспечения этих условий (на уровне единиц Кельвина). Кроме того, необходимо обеспечить снижение частотной зависимости криогенного эталона емкости и уменьшение его потерь [Keller M. W., A. L. Eichenberger, J. M. Martinis, N. М. Zimmerman, Science 285, 1706 (1999) ″Capacitance Standard based on Counting Electrons″].

Для обеспечения измерения емкости, находящейся при комнатной температуре, необходим еще криогенный мост переменного тока, эталонный конденсатор и мост переменного тока, находящиеся при комнатной температуре. При этом воспроизводимое значение емкости конденсатора с помощью криогенного моста переменного тока, находящегося при низкой температуре, передается эталонному конденсатору С_э, находящемуся при комнатной температуре (который затем может быть использован в качестве основы для калибровки), с последующим измерением емкости испытуемого конденсатора С_х мостом переменного тока, находящимся при комнатной температуре, что в конечном счете приводит к снижению точности измерения.

Из уровня техники средства измерения электрической емкости в соответствии с формулой (5) не известны.

Устройства для измерения емкости на постоянном электрическом токе, аналогичные по технической сущности и выполняемой функции, в уровне техники заявителем не обнаружены.

Задачей, на решение которой направлена заявляемая группа изобретений, является повышение точности измерения емкости и расширение диапазона измерения емкости в сторону меньших значений, обеспечение возможности создания устройства для измерения емкости в условиях ее эксплуатации (при воспроизведении постоянного электрического тока).

Технический результат, полученный при заявленной группе изобретений, заключается в обеспечении возможности измерения промежутка времени, за который напряжение между электродами достигнет определенной величины, и непосредственной регистрации заряда каждого электрона в цепи измеряемой емкости при воспроизведении ею постоянного тока.

Указанный технический результат достигается при осуществлении заявленной группы разнообъектных изобретений, которые образуют единый творческий замысел и представляют собой способ измерения емкости (при протекании по конденсатору постоянного электрического тока) и устройство для его осуществления.

Указанный технический результат при осуществлении заявленной группы изобретений достигается тем, что в заявляемом способе измерения емкости емкость конденсатора определяется по времени Δt, за которое изменяется напряжение на величину ΔU, заряду электрона е и количеству электронов f, в соответствии с формулой:

Где: е - элементарный заряд электрона, точно равный 1,60217653×10^-19 Кл;

f - измеряемая частота (число) электронов на выходе измерителя тока;

Δt - время, за которое изменяется напряжение на величину ΔU.

при этом

где: U₂ и U₁ - выходное напряжение двух уровневой меры напряжения. При этом как частный случай одно из напряжений может быть равно нулю или по величине такое же, но только другого знака (±U₁).

Указанный технический результат при осуществлении заявленной группы изобретений достигается тем, что в заявляемом устройстве для измерения емкости конденсатора в отличие от известного способа воспроизводят постоянный электрический ток с помощью цепи, выполненной в виде измеряемого конденсатора С_х и генератора линейно изменяющегося напряжения, причем одна обкладка измеряемого конденсатора C_x соединена с выходом генератора линейно изменяющегося напряжения и с двухуровневым компаратором напряжений, другая обкладка конденсатора соединена с измерителем тока, третий зажим конденсатора соединен с общей шиной. При этом выход счетчика числа проходящих по цепи электронов, входящий в состав измерителя тока, подключен к персональному компьютеру. Двухуровневая мера напряжения подключена к двухуровневому компаратору напряжений, выход которого соединен с измерителем времени, а выход измерителя времени подключен к персональному компьютеру. С общим проводом соединены: генератор линейно изменяющегося напряжения, измеритель тока со счетчиком числа электронов, двухуровневый компаратор напряжений, измеритель времени, двухуровневая мера напряжения и персональный компьютер.

В устройстве для осуществления способа измерения емкости конденсатора при воспроизведении им постоянного электрического тока (чертеж), измеряемый конденсатор 1 подключен по трехзажимной схеме. Одна из обкладок измеряемого конденсатора 1 соединена с выходом генератора линейно изменяющегося напряжения 2 и с двухуровневым компаратором напряжений 3. Другая обкладка конденсатора 1 соединена с входом измерителя тока 4, выход счетчика числа проходящих по цепи электронов 5, входящий в состав измерителя тока 4, подключен к персональному компьютеру 6. Двухуровневая мера напряжения 7 подключена к двухуровневому компаратору напряжений 3, выход которого соединен со входом измерителя времени 8, а выход измерителя времени 8 подключен к персональному компьютеру 6. С общим проводом соединены: третий зажим измеряемого конденсатора 1, генератор линейно изменяющегося напряжения 2, измеритель тока 4 со счетчиком числа электронов 5, двухуровневый компаратор напряжений 3, измеритель времени 8, двухуровневая мера напряжения 7 и персональный компьютер 6.

Заявляемый способ измерения емкости на постоянном электрическом токе осуществляется устройством следующим образом.

При включении генератора линейно изменяющегося напряжения 2 напряжение на его выходе линейно возрастает (убывает) и конденсатор 1 начнет заряжаться постоянным электрическим током. В момент равенства выходного напряжения генератора 2 и напряжения U₁ двухуровневой меры напряжения 7, двухуровневый компаратор 3 запускает измеритель времени 8. Когда выходное напряжение генератора 2 сравняется с напряжением U₂ двухуровневой меры 7, двухуровневый компаратор 3 останавливает измеритель времени 8. Сила тока i_B, воспроизводимая измеряемым конденсатором С_х 1 и генератором линейно изменяющегося напряжения 2, измеряется измерителем тока 4 путем счета электронов счетчиком числа электронов 5.

Значение емкости измеряемого конденсатора определяется временем Δt за которое разность напряжения между электродами конденсатора достигнет определенного уровня ΔU=U₂-U₁. которое в свою очередь определяется величиной заряда, т.е. количеством электронов (при этом фиксируется каждый электрон), проходящих по цепи заряда конденсатора, за время Δt Эти значения подаются на персональный компьютер и им обрабатываются по формуле (7).

Результирующая погрешность измерения емкости в диапазоне от 1×10^-18 Ф (1 аФ) до 1×10^-9 Ф (1 нФ) при протекании постоянного тока в измерительной цепи не превышает ±(50-0,05) %. Погрешность измерения емкости 1×10^-15 Ф (1 фФ) и 1×10^-12 Ф (1 пФ) не более ±10% и 0,1% соответственно.

Таким образом, предлагаемый способ измерения электрической емкости в сравнении с базовым способом-прототипом и другими известными способами-аналогами обладает следующими преимуществами:

- диапазон измерения емкости расширяется на три порядка с 1×10^-15 Ф (1 фФ) до 1×10^-18Ф(1 аФ).

- погрешность измерения емкости на постоянном токе уменьшается более чем в 5 раз.

В опытном образце были использованы:

- генератор линейно изменяющегося напряжения 2 (мера линейно изменяющегося напряжения калибратора тока НК1-4);

- двухуровневый компаратор напряжений 3 - типа К554СА;

- измеритель тока 4 со счетчиком числа электронов 5- (см. патент RU 2478974);

- персональный компьютер 6 - системные требования: процессор Intel Pentium 4 CPU 2,4 ГГц, ОЗУ 1,0 ГБ, HDD 250 ГБ, видеокарта ATI Radeon 9550. ОС «Windows XP, Win 7.»;

- двухуровневая мера напряжения 7, - Fluke 732 В, калибратор Н4-12;

- измеритель времени 8, - частотомер 43-47.

Таким образом, видно, что приведенные выше сведения подтверждают возможность осуществления заявляемого изобретения, достижения указанного технического результата и решения поставленной задачи.

Изобретение относится к измерительной технике и метрологии, а именно к технике измерения электрической емкости на постоянном электрическом токе, измеряемой путем счета электронов. Согласно способу постоянный электрический ток воспроизводят с помощью цепи, выполненной в виде измеряемого конденсатора С_x и генератора линейно изменяющегося напряжения, а значение электрической емкости определяется по времени Δt, за которое разность напряжения между электродами конденсатора достигнет определенного уровня ΔU, количеству электронов, прошедших по цепи воспроизводимого тока за это время (при этом фиксируется каждый электрон, проходящий по цепи воспроизведения тока), и заряду электрона, эти значения подаются на персональный компьютер и им обрабатываются по формуле: С_x=e·f·Δt/ΔU, где: е - элементарный заряд электрона; f - измеряемая частота (число) электронов на выходе измерителя тока; Δt - время, за которое напряжение изменяется на величину ΔU; при этом измерение электрической емкости конденсатора происходит в условиях эксплуатации конденсатора при прохождении через него воспроизводимого постоянного тока. Технический результат изобретения заключается в повышении точности измерения электрической емкости на постоянном электрическом токе (в условиях эксплуатации измеряемого конденсатора) и расширении диапазона измерения емкости в сторону меньших значений, обеспечение возможности непосредственной регистрации заряда с дискретностью электрона. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ измерения электрической емкости, использующий заряд электронов и перемещение их в цепи воспроизводимого тока, отличающийся тем, что постоянный электрический ток воспроизводят с помощью цепи, выполненной в виде измеряемого конденсатора С_x и генератора линейно изменяющегося напряжения, а значение электрической емкости определяется по времени Δt, за которое разность напряжения между электродами конденсатора достигнет определенного уровня ΔU, количеству электронов, прошедших по цепи воспроизводимого тока за это время (при этом фиксируется каждый электрон, проходящий по цепи воспроизведения тока), и заряду электрона, эти значения подаются на персональный компьютер и им обрабатываются по формуле:
С_x=e·f·Δt/ΔU,
где: е - элементарный заряд электрона, точно равный 1,60217653 10^-19 Кл;
f - измеряемая частота (число) электронов на выходе измерителя тока;
Δt - время, за которое напряжение изменяется на величину ΔU;
при этом измерение электрической емкости конденсатора происходит в условиях эксплуатации конденсатора при прохождении через него воспроизводимого постоянного тока.

2. Устройство для измерения электрической емкости на постоянном электрическом токе, состоящее из цепи, воспроизводящей постоянный ток, выполненной в виде измеряемого конденсатора С_х и генератора линейно изменяющегося напряжения, причем одна обкладка измеряемого конденсатора С_х соединена с выходом генератора линейно изменяющегося напряжения и с двухуровневым компаратором напряжений, другая обкладка конденсатора соединена с измерителем тока, третий зажим конденсатора соединен с общей шиной, при этом выход счетчика числа проходящих по цепи электронов, входящий в состав измерителя тока, подключен к персональному компьютеру, двухуровневая мера напряжения подключена к двухуровневому компаратору напряжений, выход которого соединен с измерителем времени, а выход измерителя времени подключен к персональному компьютеру, с общим проводом соединены: генератор линейно изменяющегося напряжения, измеритель тока со счетчиком числа электронов, двухуровневый компаратор напряжений, измеритель времени, двухуровневая мера напряжения и персональный компьютер.