固态电压标准的维护(maintenance)是通过对其输出电压时进行比较以及测量和预计其随时间的稳定性来进行的。
在以下的讨论中,732B和732A可以互换使用。把未知参考电压和已知参考电压反向串联,测量其差值,就可以对二者进行比较。对于两个参考电压之差在10μV之内的情况来说,最容易的方法是使用如福禄克公司的845AB或845AR这样的检零计和已知的电压标准732B。
图7—12给出了其设置的情况。
把被测732B的10V输出的高端连到845AB的高端。已知标准的10V输出的高端连到845AB的低端。已知标准的10V输出的低端和被测732B的10V输出的低端连到845AB的保护端,并将845AB保护端和低端之间的短路片去掉。
8215AB的两个输入端相对于测量公共端都大约为10V。被测732B和已知标准之间的几个微伏的电压差就在845AB上显示出来。
845AB的分辨度为0.1μV。当用它作为检零计来比较10 V的参考电压时,0.1μV相当于0.01ppm。当被测的电压之差大于10μV时,应当使用具有0.1μV分辨度的DMM。
当把固态参考电压标准的电源切断然后再接通时,或者当其温度发生变化时,固态参考电压标准的输出可能表现出一个小的永久性的变化。所以,作为最高准确度的标准,固态参考电压标准应当总处于通电的状态。在运输固态参考电压标准时,这一点特别重要。
输出随时间的稳定性
我们使用统计技术来估计单个的732B的输出以及其一组的平均值随时间的稳定性。这方面的内容将在第21章“计量学中的统计学工具”中介绍。
通常使用线性回归的方法,来预计在未来某一时间732B输出电压的数值,见图7—13。
图7-13表明,对于一个典型的标准来说,其回归线Vx穿过它的输出的变化范围,我们可以很方便地把该输出分为高频噪声和低频噪声。低频噪声的周期可能有几天,如图中即为10天。由于低频噪声的影响,进行线性回归时可能会对固态参考电压标准的输出不确定度估计不足。
1992年1月在测量科学大会上发表的文章“确定DC参考标准技术指标的新方法”中,介绍了一种方法(本文的重印本可以从福禄克公司得到)。这种方法使用7周期移动平均来估计由低频噪声和高频噪声所引起的不确定度。采用这种方法,通过线性回归得到的预计的输出不确定度为:
式中:
Utot——总不确定度;
S1——回归线的标准偏差;
t1——对n-2个自由度的学生统计分布t值;
t2——对(n/7)-2个自由度的学生统计分布t值
sra——移动平均回归线的标准偏差;
n——采样数目;
x——预计不确定度的时间;
x——所有采样的x的平均时间;
xi——第i个x的值(其中i=1到n)。
小结
和典型的饱和标准电池组相比,固态参考标准具有很多优点。这种装置的实用性使得它已经在电学标准实验室里成了标准电池组的流行的代替物,并且期待它最终取代标准电池组,作为人们选择的直流电压参考标准。由于上述的各种理由,在全世界的很多实验室里,732系列固态标准已经成为主电压标准。人们反映最多的是这种参考标准的牢固性。如果像随意乱用732A或732B那样来对待标准电池的话,标准电池可能需要几个月的时间才能恢复,或者可能永久性的损坏了。
现在已经设计了自动化的系统,并编写了相应的软件,可以以10 V的电平来保存和传播本地的伏特单位。很多公司使用4个或者更多的固态参考标准,配合多通道扫描器、数字多用表和控制器,来进行参考标准之间的比较以及向工作标准传递伏特单位。
图7-14是福禄克公司的10 V工作电压标准的照片。
图7- 15是它的方框图。图中表明了最近用732B代替照片中的732A的情况。
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