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一和二標(biāo)準(zhǔn)實驗室都保存著電阻的工作標(biāo)準(zhǔn)，用來校準(zhǔn)分流器、電橋、分壓器及其它電阻設(shè)備和電阻測量儀器。工作標(biāo)準(zhǔn)的溯源性通過周期性地和實驗室的一電阻標(biāo)準(zhǔn)進行比較來保持。

之前介紹的各種類型的單值標(biāo)準(zhǔn)電阻器的現(xiàn)有商品都是按十進制序列取值的，其數(shù)值范圍從0 .000 01?到100 M?。由于提高穩(wěn)定性、降低電阻的功率系數(shù)、降低與銅導(dǎo)體連接時的熱電動勢等方面的要求，多年來這些標(biāo)準(zhǔn)電阻的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計不斷進步。

本地標(biāo)準(zhǔn)實驗室通常具有若干組這種電阻器，并將它們保存在攪拌油槽中，以便使電阻器保持在標(biāo)準(zhǔn)溫度之下。實驗室對這些電阻器的數(shù)值互相進行比較，并將其與NIST可溯源的運輸標(biāo)準(zhǔn)或本地的QHE裝置進行比較。進行這種比較所用的技術(shù)將在下面的“電阻器的相互比較”一節(jié)進行介紹。

雖然，運輸標(biāo)準(zhǔn)也可以采用其它的數(shù)值，但是其數(shù)值通常是10 k?或1 ?。先，把NIST對這些運輸標(biāo)準(zhǔn)所賦的數(shù)值傳遞給本地標(biāo)準(zhǔn)電阻組中的電阻器。然后，本地標(biāo)準(zhǔn)電阻組中的電阻器就可以用來給工作標(biāo)準(zhǔn)(如福祿克公司的742A)進行賦值。

用10 k?而不用1 ?來保存實驗室一電阻標(biāo)準(zhǔn)的好處是，當(dāng)把該電阻的量值擴展到其它的電阻量值時，積累的誤差較小。例如，從1?的一標(biāo)準(zhǔn)電阻開始校準(zhǔn)1 M?的標(biāo)準(zhǔn)電阻，將需要6次10 :1的比率測量。在每一步的測量中都會積累一些誤差。而如果從10 k?的一標(biāo)準(zhǔn)電阻開始，則校準(zhǔn)工作只需要2次10:1的比率測量就能完成。

理想的情況是，同時用1 ?和10 k?來保存一實驗室電阻標(biāo)準(zhǔn)。這樣對于高、低數(shù)值的實驗室標(biāo)準(zhǔn)電阻來說都會減小積累的誤差。而且，還可以通過比較從1 ?標(biāo)準(zhǔn)電阻向上和從10 k?標(biāo)準(zhǔn)電阻向下，用比率的方法校準(zhǔn)1?和10 k?之間的十進電阻器時的差別，來對實驗室測量過程的準(zhǔn)度和重復(fù)性進行很好的檢查。

電阻器的相互比較

準(zhǔn)的電阻測量可以通過把未知電阻和已知數(shù)值的標(biāo)準(zhǔn)電阻器作比較來進行。假定在進行測量的期間內(nèi)，測量設(shè)備是穩(wěn)定的、可重復(fù)的，那么就可能以很高的準(zhǔn)度、很低的不定度來比較兩個電阻器。當(dāng)兩個電阻器的阻值之差減小時，其測量誤差也減小。當(dāng)然，這種方法的限制因素是標(biāo)準(zhǔn)電阻的數(shù)值的不定度。

2和4電阻器

測量電阻的一種方法是，使一已知的電流流過該電阻，然后測量該電流在電阻兩產(chǎn)生的電壓降。依據(jù)傳送電流和測量電位時連接方法的不同，所獲得的測量結(jié)果也會有所變化。現(xiàn)在考慮電阻器的一的情況。我們把末裝有鏟形焊片的測試導(dǎo)線連到螺旋接線柱上。如果傳送電流的導(dǎo)線位于接線柱的底部，緊靠著電阻元件，那么測量電位的導(dǎo)線所探測到的將不僅是電阻元件上的電壓降，而且還有電流流過傳送電流的導(dǎo)線的接觸電阻時產(chǎn)生的電位差。見圖8-3。

此接觸電阻隨著接觸點的清潔程度、接觸面的小、螺旋接線柱旋緊的程度而變化。通常這種變化有幾個毫歐。如果此變化為2 m?(每各為1m?)，標(biāo)準(zhǔn)電阻器為1 ?，則誤差為0.2%，這對于精密測量來說是不可接受的。如果把測試導(dǎo)線反過來，使得測量導(dǎo)線緊靠著電阻元件，那么誤差將減小。但是，接觸電阻的變化仍然超過標(biāo)準(zhǔn)實驗室高質(zhì)量測量的要求。

不論使用什么樣的測量技術(shù)，2電阻器的電阻值總會受到所使用的連接方法的影響。因此，低阻值的標(biāo)準(zhǔn)電阻器和分流器都做成4結(jié)構(gòu)兩個子供連接電流;兩個子供連接電位。如圖8—4所示，通過電阻的輸入電流從左邊的電流子流過，而電阻上的電壓降則出現(xiàn)在右邊的兩個子之間。4電阻器的電阻值則定義為在電壓子之間測量出的電阻值。

阻值為100 k?及其以上的標(biāo)準(zhǔn)電阻通常為2電阻器，因為2m?的變化對于100k?來說誤差只有。

電阻的精密測量通常使用電橋的方法來進行。在比較標(biāo)稱值相等的電阻時，很容易獲得小于1ppm的不定度。在不需要這種等的不定度時，可以使用其它更方便的測量方法。下面討論一些更流行的電阻測量方法現(xiàn)在，指針偏轉(zhuǎn)型的測量儀器多數(shù)已經(jīng)被更準(zhǔn)、具有很多其它優(yōu)性能的數(shù)字式儀器所取代。一臺高質(zhì)量的數(shù)字多用表的電阻測量的準(zhǔn)度，在中檔量程(1 k?到1M?)為幾個ppm的數(shù)量，對于較高和較低的量程則降低到100ppm。對于廉價的數(shù)字表(如手持式多用表)來說，其典型的準(zhǔn)度為0.5%的數(shù)量。

除了數(shù)字讀出值的優(yōu)點之外，數(shù)字多用表中的歐姆表電路的特性，使其讀出值隨被測電阻的數(shù)值呈線性變化。所以，比起指針偏轉(zhuǎn)型的歐姆表來，數(shù)字歐姆表能夠地提高其分辨度和準(zhǔn)度。在DMM的輸入連接2電阻的典型情況電路圖示于圖8—5。

從“源”子送出的已知恒定電流連到被測電阻Rx上.在Rx上產(chǎn)生的電壓降由“取樣(sense)”子進行測量。由于電流的幅度是已知的、恒定的，所以可以把電壓的讀數(shù)變換成以歐姆為單位的電阻讀數(shù)。

在測量高電阻時，保證測量準(zhǔn)度的一個重要因素是，電壓測量電路具有很高的輸入電阻，其典型輸入電阻于10 000M?。在更昂貴的數(shù)字多用表上，為了提高低電阻量程的準(zhǔn)度，可以將電流源子和電壓測量子分別連到被測電阻上，形成4歐姆表的連接方式(圖8—6)。

由于沒有把連接導(dǎo)線的電阻當(dāng)作被測電阻的一部分予以測量，所以這種測量方法比2連接的測量方法準(zhǔn)度要高。

DMM的傳遞測量

一些現(xiàn)代的 7½ 位、 8½ 位DMM具有很好的電阻測量能力。雖然通常在進行電阻讀數(shù)測量時，其不定度不是非常低，但是其高分辨度、的線性度和短期穩(wěn)定性，使得這種DMM在比較阻值近乎相等的電阻器時非常有用。

見圖8—7

使用這種方法時，用下述方程式來求出Rmeas:

式中Rmeas—未知電阻器的阻值;

Rstd —標(biāo)準(zhǔn)電阻器的阻值;

Rdga —Rmeas的DMM讀數(shù);

Rdgb —Rstd的DMM讀數(shù)。

這種方法對于1 k?以上的阻值效果特別好，可以獲得約1ppm的傳遞不定度。把DMM切換到直流電壓方式，可以測量出電路中的熱電動勢。如果電路中存在熱電動勢，那么，把DMM的測試導(dǎo)線互換，重復(fù)進行測量并求平均值，可以部分地對熱電動勢進行補償電阻的實際單位是歐姆，是用德國物理學(xué)家喬至·西蒙·歐姆(Georg Simon Ohm)(1787--1854)的名字命名的。近期內(nèi)容會介紹電阻標(biāo)準(zhǔn)的歷史發(fā)展，用不同方法設(shè)計的電阻在環(huán)境條件變化時的性能情況，以及什么是歐姆。我們還將介紹各種不同形式的電阻器及它們各自的適用范圍，探討本地電阻標(biāo)準(zhǔn)的保存和溯源性的問題，以及導(dǎo)出本地使用的其它電阻阻值的方法。這些內(nèi)容是計量學(xué)域的學(xué)生的基本讀物，對于希望更好地了解電阻測量的業(yè)工作人員來說也是很寶貴的材料。

直流電阻的SI定義(歐姆)

在*單位制中，基于力學(xué)單位的電阻單位的定義是Ω=V/A

式中Ω——電阻單位，歐姆;

V——W/A;

A——SI的基本單位，安培;

W——瓦特(SI功率的導(dǎo)出單位)。

瓦特是由焦耳和牛頓導(dǎo)出的，而焦耳和牛頓則是由米、千克和秒導(dǎo)出的。

電阻的表示

在傳統(tǒng)上，各個國家實驗室都使用托馬斯(Thomas)1歐[姆]標(biāo)準(zhǔn)電阻來保存其歐姆的表示。Reichsanstalt電阻器和Rosa電阻器也用作電阻標(biāo)準(zhǔn)。然而，在很多實驗室中，量子霍耳效應(yīng)電阻標(biāo)準(zhǔn)正在替代上述這些電阻標(biāo)準(zhǔn)。

量子霍耳效應(yīng)固有電阻標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)*協(xié)議，從1990年1月1日開始，上述歐姆的定義已經(jīng)通過馮·克里青常數(shù)和量子霍耳效應(yīng)(QHE)聯(lián)系起來。這就使得國家實驗室能夠通過量子霍耳效應(yīng)來表示歐姆。歐姆的QHE表示相對于其SI定義的不定度為。

1988年10月，*度量衡委員會(CIPM)建議，所有的國家實驗室都采用相同的馮·克里青常數(shù)數(shù)值，其推薦的數(shù)值為 Rk-90=25 Ω

在這里，下標(biāo)k-90表明此推薦值從1990年1月1日開始生效。

在量子霍耳效應(yīng)的物理解釋中，馮·克里青常數(shù)RK是一個通用的量。而且，有足夠的理由相信RK是基本常數(shù)h和e之比的函數(shù)，即

RK=h/e²

式中 e—基本電荷;h—普朗克常數(shù)。

雖然Rk-90是賦給馮·克里青常數(shù)的值，但是這并不意味著Rk-90的賦值必須等于物理常數(shù)RK=h/e²。正如我們在第4章“*計量學(xué)”中所討論的那樣，各個實驗室進行各種基本實驗來定自然常數(shù)。

仔細觀察量子霍耳效應(yīng)固有標(biāo)準(zhǔn)

1980年克勞斯·馮·克里青(Klaus von Klitzing)發(fā)現(xiàn)了量子霍耳效應(yīng)(QHE)。這是對物理學(xué)十分重要的發(fā)現(xiàn)，因之他于1985年獲得了物理學(xué)的諾貝爾獎。QHE裝置的心臟是霍耳棒，這是一個平面型的MOSFET或異質(zhì)結(jié)晶體管(heterojunction transistor)，其構(gòu)造使之可以把電子流限制在管子表面的一個薄層內(nèi)該平面晶體管在低于的低溫環(huán)境下工作，通常其溫度在1～2K之間。在垂直于樣品平面的方向上施加幾個特斯拉的磁場，在該平面的縱方向上加以電子流，而在與電流和磁場相垂直的方向上來測量霍耳電壓您的樹脂廠中當(dāng)前使用機械式流量計測量聚合產(chǎn)物。您除了需要應(yīng)對攪拌罐中的樹脂粘度控制帶來的挑戰(zhàn)，還需要定期維護設(shè)備。需要頻繁清洗過濾單元，以防機械式流量計堵塞和生產(chǎn)停產(chǎn)。使用我們的科氏力質(zhì)量流量計Promass 83l替代機械式流量計，所需維護量較少，提高了過程安全性您是否知道，分辨率、線性偏差和精度屬于一個測量傳感器系統(tǒng)的核心特征?視應(yīng)用要求和測量原理而定，它們變化很。本篇內(nèi)容將向您解釋這些概念。

分辨率是指測量系統(tǒng)能夠識別的小物理變化。

線性偏差是指從測量范圍的零點到終點(全程)的直線上所能允許的偏差。待測量的位置亦或行程和輸出信號之間存在線性關(guān)系。

精度表示測量結(jié)果與變量的實際值保持一致性。因此，只有當(dāng)度高且準(zhǔn)性好時，才能達到高精度。這方面的另一個概念是重復(fù)精度。在相同條件下多次檢測同一點，一直得到同一結(jié)果，就產(chǎn)生重復(fù)精度。閥門、操作閥門的執(zhí)行器以及控制閥門的電子電路，在安裝之后都很容易發(fā)生老化。閥座會由于閥門的重復(fù)操作以及液體和氣體的流通導(dǎo)致磨損。閥門每年可能操作上萬次，造成螺栓移位、彈簧彈性變?nèi)酢C械聯(lián)動裝置松動。電子元件的值會隨時間推移發(fā)生變化。所有這些都會造成閥門不能*打開或關(guān)閉、過早關(guān)閉或工作不穩(wěn)定。這種“校準(zhǔn)偏移”會造成閥門不能很好地控制氣體或液體調(diào)節(jié)。

為保證閥門正工作，就需要定期檢查電子閥門的定位。然而，需要快速完成檢查，以便程度降低停工時間。如果發(fā)現(xiàn)校準(zhǔn)漂移，必須立即重新校準(zhǔn)閥門定位器。實現(xiàn)以上目的比較好的工具是能夠測試和重新校準(zhǔn)電子閥門定位的手持式工具，例如Fluke 789 ProcessMeter過程萬用表。該工具提供信號輸出，激勵連接到閥門定位器輸入的控制器，可遞增連續(xù)調(diào)節(jié)輸出電流，所以能夠檢查閥門的線性度和響應(yīng)時間。

1. 將ProcessMeter過程萬用表設(shè)置為輸出模式，采用適合定位器的相應(yīng)電流范圍。

2. 將輸出電流測試線插入到mA輸出插孔。

3. 將旋轉(zhuǎn)功能開關(guān)從關(guān)閉位置(OFF)移動至上面的個mA輸出位置，選擇4-20 mA范圍。

4. 將過程萬用表連接至閥門定位器的輸入子。

5. 為了定定位器在4 mA時是否*關(guān)閉閥門，利用按鍵將輸出電流調(diào)節(jié)到4.0 mA。閥門應(yīng)關(guān)閉。

6. 同時觀察閥門是否移動，按粗調(diào)(Coarse)下箭頭按鈕一次，將電流降低至3.9 mA。閥門應(yīng)無任何運動。

7. 在設(shè)定閥門開始打開的位置點時，保執(zhí)行器上沒有反向壓力(控制器輸入為4.0 mA時，該壓力使閥門保持閉合)。對于彈簧關(guān)閉式閥門，膜片上沒有壓力。對于雙動活塞式執(zhí)行機構(gòu)，活塞的一側(cè)應(yīng)該沒有任何壓力。為保在關(guān)閉設(shè)置時沒有任何反向壓力，可以將閥門打開的起始點設(shè)定在4.1至4.2 mA之間。

8. 檢查閥門打開，按粗調(diào)(Coarse)上箭頭按鈕，從4.0 mA開始調(diào)節(jié)。每按一次粗調(diào)(Coarse)上箭頭按鈕，電流增0.1 mA。應(yīng)調(diào)節(jié)閥門定位器的調(diào)零功能，將閥門設(shè)置為相應(yīng)的關(guān)閉模式。

9. 為了檢查閥門的全開位置——稱為跨距位置檢查，利用范圍(Range)按鈕將輸出電流調(diào)節(jié)為20 mA，并等待閥門穩(wěn)定。觀察和感覺閥門移動的同時，按粗調(diào)(Coarse)上箭頭按鈕一次，設(shè)置至20.1 mA。閥門移動應(yīng)盡量小，可使用定位器上的跨距調(diào)節(jié)進行調(diào)節(jié)。