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DIY高准确度电压基准

时间:2012-10-13  来源:38hot  作者:lymex

第三部分,计量部门用的最高级的固态电压基准
电压基准最早用硫化镉(饱和)标准电池,标称电压1.018V,稳定度普通好一些的10ppm/年,更好的1ppm/年,而最好的控温标准(10只组)可以达到0.1ppm/年。标准电池的弱点是对温度变化敏感,不仅温度系数大(40ppm/C),而且一旦温度变化后,电压的变化有滞后且很难恢复,因此需要长期的高稳定度、高准确度的恒温。另外,标准电池不可倒置,怕晃动,因此不便于携带运输。
国际上80年代、国内90年代开始大量采用固体(半导体)标准,具有体积小,电压高(10V),携带运输方便等特点,准确度达到1ppm之内,好的(久经考验的、多组的)可以达到0.1ppm之内,短期特性更好,因此广泛做为地区标准和传递标准使用。之所以采用10V电压为基准,是因为10V附近的电压的质量最好,也容易测量。

90年代后国际上电压基准采用了约色夫森结(JVS),这是一种低温量子效应的自然基准,只要有条件就可以独立复现,准确度达到0.01ppm甚至更高。由于价格昂贵、运行费用高,因此一个国家也没有几套,主要做原始基准来校验各种次级标准。正因为JVS的出现,标准电池作为保持电压的基准的作用大大削弱,而固态基准的短期稳定性好,便于运输传递,因此标准电池日见淘汰。

目前计量单位广泛采用的固态基准有:
(这些基准都是10V为主,尽管有1V或1.018V,但为分压输出,指标差)
A、英国Datron公司的4910/4911/4912,4ppm/年,内部基准应该是其自己开发的Zn21,9.8V,5ppm/年。应用范围不详,二手市场偶见。

B、美国Fluke公司从1983年开始生产的第一代老基准,732A,稳定性3ppm/年(老的732A为6ppm/年)。我国曾进口很多,作为国家、各大区级别的电压基准,目前仍然在用。国际上用的也很多,但现在逐步被更好的基准淘汰,因此二手市场常见。Fluke公司自己的电压标准就从1984年切换到4只732A保存(后来大概有更新)。我自己本来想进个二手的,但发现这东西体积庞大(深度650mm!重量12.3kg),因此做罢。

C、Fluke公司的第二代基准,723B,1992年发表,稳定性为2ppm/年,现在仍然在生产,报价7万多,体积比732A小了不少(深度406mm,重量5.9kg),而且可以4只成组,年稳定性可达1.2ppm,国内也进了不少组。
无论是732A还是732B,其基准元件都是采用自己开发的深埋补偿型稳压管,通过内部的恒温槽来保证所需要的运行条件。并把其它关键器件(参考放大器、分压器)也密封在恒温槽里,这样的系统对温度变化尽管不敏感,但需要长时间通电保持(否则,断电恢复差异可达到0.5ppm之多),因为其基准器件也工作于高温,经受不起冷热的变化,使用条件比较严格。

D、Fluke的第三代基准7000系列,最早是Wavetek公司收购Datron后利用其49xx系列的技术于1998年开发7000系统,根据所配的数量(单:7000M,四个:7004N,十个:7010N)指标为1ppm-1.8ppm/年不等。这系统采用的核心基准器件就是LTZ1000,而且工作在相对低的温度:45度,所以对掉电不太敏感,而且采用所谓“退磁”技术,能够大部分恢复掉电前的状态。
2000年Wavetek被Fluke收购,这个基准就带了过来成为Fluke的了,而且基本没有改动。这个系统体积比较小(深度290mm、重量2.1kg)。同时带过来的还有其8位半的1281万用表,这个本来我看好了深圳一家二手的,但找人去买的时候发现是坏的!Fluke在英国把1281改造成了目前世界顶级的8位半:8508。以前Fluke还真的没有自己的8位半万用表

图1、Fluke早期的732A,在其基准实验室,估计是在做基准、做测试、做老化、做样子。


图2、二手市场上的732A。价格一般700USD左右


图3、Fluke后期的732B,4个松散组合成734A,报价27万到35万。


图4、5,Fluke最新的7000系统,单个价格5万多,最多可以10个组成一套系统(紧密组合)上传的图像



  

  
图6、Fluke近期的电压基准实验室。前景稍微模糊的大罐子是约色夫森结基准,架子上还有10多个732A,而右下角部分已经被更小的732B替代了不少。
架子上边有一套7000系统,右上角是低热电动势多路开关。


图7,10V固态电压标准比较表。
(后面给出LTZ1000的典型/理想值,以及我自己的目标)上传的图像

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