ETALOANE

Etaloane

1. Elemente generale, clasificari

Mijloacele de masurare destinate sa defineasca, sa realizeze, sa conserve sau sa reproduca unitatile de masura, in scopul de a servi ca referinta pentru alte mijloace de masurare, sunt numite etaloane.

Sistemul national de etaloane ale unitatilor de masura constituie baza stiintifica, tehnica si legala de referinta pentru asigurarea uniformitatii, exactitatii si legalitatii masurarilor efectuate pe teritoriul national, inclusiv in relatiile economice si tehnico-stiintifice cu alte tari. Sistemul cuprinde etaloanele nationale si etaloanele teritoriale, constituind un ansamblu coerent si ierarhizat in functie de nivelurile de exactitate si de criteriile teritoriale, conform unor proceduri specifice.

Necesitatile practice au determinat elaborarea de sisteme de etaloane corespunzatoare urmatoarelor functiuni:

- generarea principalelor unitati de masura, in conformitate cu definitiile lor, adica materializarea definitiilor prin experimente adecvate;

- conservarea unitatilor de masura, adica mentinerea lor constanta in timp, in toate laboratoarele de metrologie, pe plan national si international;

- corelarea diferitelor unitati de masura, derivarea altor unitati de masura, extinderea la multipli si submultipli si trecerea de la regim static la regim dinamic.

Etaloanele, in functie de performantele tehnice si metrologice, se clasifica in:

etaloane primare - prezinta cele mai inalte calitati metrologice, ale caror valori

sunt atribuite fara raportare la alte etaloane ale aceleiasi marimi ;

- etaloane secundare - valorile lor sunt atribuite prin comparatie cu etaloanele

primare ale acelorasi marimi.

Etaloanele, dupa destinatia lor la locul de utilizare, se clasifica in:

- etaloane de referinta - sunt etaloane de cea mai inalta calitate metrologica,

disponibile intr-un loc dat sau intr-o organizatie data de la care deriva masurarile

care sunt efectuate in acel loc;

- etaloane de lucru - sunt etaloane utilizate in mod curent pentru a etalona sau a

verifica masuri, aparate de masurat sau materiale de referinta.

Etaloanele, dupa locul de utilizare a acestora, se clasifica in:

- etaloane nationale - etaloane primare sau etaloane secundare, recunoscute prin

hotarare a Guvernului, care nu sunt aducatoare de venituri . Etaloanele nationale

trebuie sa fie trasabile la etaloanele internationale sau la alte etaloane recunoscute

pe plan mondial sau regional ;

- etaloane teritoriale- etaloane secundare sau etaloane de lucru, recunoscute de

Biroul Roman de Metrologie Legala ca referinta pentru conservarea si transmiterea

unitatilor de masura in anumite zone teritoriale ale Romaniei. Etaloanele

teritoriale trebuie sa fie trasabile la etaloanele nationale.

- etaloane ale agentilor economici si ale altor organizatii.

Problema perfectionarii etaloanelor existente si a elaborarii altora noi este mereu actuala. Exista numeroase institute de cercetare cu preocupari majore in aceasta directie. Contributii importante au adus laboratoarele urmatoarelor institutii: NBS (National Bureau of Standards, SUA), NPL (National Physiscal Laboratory, Anglia) si PTB (Physikalische-Technische Bundesanstalt, Germania).

2. Etaloane primare, de definitie

Etaloanele primare sunt cele care materializeaza practic, de regula printr-un experiment, definitia unei anumite unitati de masura. Initial, au fost construite sub forma unor prototipuri din materiale care sa asigure o cat mai buna stabilitate in timp. Dezvoltarea fizicii atomice a permis utilizarea unor fenomene microscopice, care conduc la valori ce pot fi determinate cu mare finete si foarte buna reproductibilitate.

Domeniul marimilor geometrice. Timp de sapte decenii, etalonul de definitie pentru unitatea de lungime a fost prototipul international al metrului. O prima schimbare care a revolutionat tehnologia de reproducere si transmitere a unitatii de lungime a constituit-o introducerea definitiei bazate pe radiatia portocalie a kriptonului 86 (tranzitia intre nivelurile 2p₁₀ si 5d₅). Aceasta definitie a condus la micsorarea cu doua ordine de marime a incertitudinii de reproducere a metrului.

Dupa numai 23 ani, la cea de-a XVII-a Conferinta Generala de Masuri si Greutati (1983), s-a adoptat o noua definitie a unitatii de lungime (Rezolutia 1): metrul este lungimea drumului parcurs de lumina in vid, in timpul de 1/199792458 secunde.

In prezent, etalonul primar este o instalatie complexa bazata pe un laser stabilizat, care transpune experimental definitia metrului cu ajutorul lungimii l a drumului parcurs, in vid, de o unda electromagnetica plana, in timpul t; aceasta lungime este obtinuta folosind relatia l = c t si valoarea vitezei luminii in vid c =299792458 m/s.

Domeniul masei. Etalonul de definitie pentru unitatea de masa este si astazi un prototip: un cilindru avand inaltimea si diametrul de aproximativ 39 mm, realizat din aliaj de platina cu 10% iridiu, pastrat in conditii speciale la sediul BIPM. Incertitudinea cu care se poate transmite unitatea de masa de la acest prototip este in jurul lui 210^-9.

Pentru intercompararea etaloanelor de masa, au fost utilizate la BIPM trei tipuri de balante: Bunge (abandonata in anul 1951), Rprecht (utilizata pana la mijlocul anilor '70) si NBS-2 (construita la National Bureau of Standards-SUA). Balanta NBS-2 permite efectuarea de intercomparatii cu incertitudini de ordinul 1mg (1s). Pe langa prototipul international al kilogramului, la BIPM se pastreaza sase etaloane martor si un numar de etaloane de lucru.

Domeniul timp. Etalonul de definitie actual pentru unitatea de timp este justificat de stabilitatea foarte buna (de ordinul 10^-14.10^-15) a frecventei radiatiei electromagnetice, care corespunde tranzitiei intre cele doua niveluri hiperfine ale starii fundamentale a atomului de cesiu 133.

Etalonul de definitie pentru secunda este realizat pe baza rezonatorului atomic cu cesiu (f = 9,192631770 GHz). Prin divizarea frecventei f, etalonul furnizeaza semnalul corespunzator secundei, cu ajutorul caruia se obtine scara de timp.

Etalonul atomic cu cesiu este un etalon primar, el nu are nevoie de calibrare in raport cu alte etaloane. Este realizat, atat in varianta de definitie, cat si in cea de conservare, pe baza rezonatorului cu cesiu 133.

Etalonul de definitie a fost construit sub forma unei instalatii stationare complexe, pe baza caruia s-a definit secunda timpului atomic (TA): "frecventa de rezonanta a tranzitiei atomului de cesiu 133, intre nivelurile hiperfine si pentru mF=0, neperturbat de campuri exterioare, este de 9,192631770 GHz". Aceasta definitie a fost adoptata in 1976 de catre cea de-a 13-a Conferinta Internationala de Masurari si Greutati de la Paris.

Etalonul de conservare este realizat ca aparat portabil si serveste ca etalon primar (national) de frecventa si timp in aproape toate tarile lumii.

a) b) c)

Fig.1.3. Relativ la starile cuantice ale atomului de cesiu.

Ca schema generala, etalonul cu cesiu este un oscilator cu cuart sincronizat pe rezonatorul cu cesiu. Realizarea acestui rezonator cu cesiu se bazeaza pe urmatoarele considerente. Starea fundamentala a atomului de cesiu 133 se caracterizeaza prin doua stari degenerate si (Fig.1.3.a) dupa cele doua orientari posibile ale spinului (moment magnetic) electronului de valenta si cel al nucleului: pe nivelul spinii sunt paraleli , iar pe nivelul , antiparaleli . Trecand atomii de cesiu printr-un camp magnetic static (H) cele doua stari fundamentale si se divid in subniveluri (efect Zeeman) numite si niveluri hiperfine: nivelul superior () se divide in 9 niveluri hiperfine, notate cu numerele cuantice , (Fig.1.3.b), iar nivelul in 7 niveluri (Fig.1.3.c). Se observa ca energia W pentru subnivelul mF=0 ramane constanta la cresterea campului magnetic H, ceea ce arata ca tranzitia hiperfina dintre nivelurile este cea mai stabila. Numai aceasta tranzitie, cu este utilizata la realizarea etaloanelor de frecventa.

Schema de principiu a unui rezonator atomic cu cesiu este prezentata in Fig.1.4.a.

Cesiul 133 este incalzit la temperatura de 80ºC intr-un cuptor miniatura (CM), incalzire din care rezulta un jet de atomi neutri de cesiu (J) in starea cuantica sau . Atomii respectivi trec prin intrefierul unui prim magnet de "sortare", suferind o despicare Zeeman si o filtrare Stern-Gerlach (numai atomii in stare cuantica sunt lasati sa treaca spre cavitatea rezonanta (CR), ceilalti fiind deviati de la aceasta traiectorie).

Fig.1.4. Schema de principiu a unui rezonator atomic cu cesiu.

Neuniformitatea campului magnetic este obtinuta printr-o forma particulara a pieselor polare ale magnetului (Fig.1.4.b). In interiorul CR exista un camp electromagnetic cu frecventa si faza egale cu ale radiatiei v si care este intretinut cu ajutorul unui semnal de injectie, numit si semnal de pompaj (SP), furnizat de catre un sintetizator (SE), comandat de semnalul extras de detector (D). Campul electromagnetic provoaca bascularea atomilor din starea in starea ("inversarea populatiilor"), basculare ce se face cu o anumita probabilitate (adica nu toti atomii sunt basculati); la iesirea din CR jetul de atomi basculati si nebasculati este trecut din nou prin intrefierul unui magnet cu camp neuniform (NS) unde este separat in doua: atomii basculati sunt deviati in sus si trimisi la un detector (D), iar cei nebasculati sunt deviati in jos si impiedicati sa patrunda in D.

Daca numarul atomilor basculati este mai mare decat al celor ramasi nebasculati, procesul de oscilatie pe frecventa v se amorseaza si se autointretine. Lungimea L conditioneaza direct stabilitatea frecventei de rezonanta v; cu cat L este mai mare cu atat stabilitatea este mai buna. Pentru o stabilitate de este necesar ca L>40 cm, ceea ce revine la o lungime fizica a cavitatii de aproximativ 25 cm, limita acceptabila pentru un aparat portabil.

Pentru limitarea pierderilor de camp electromagnetic cavitatea rezonanta CR este introdusa intr-un ecran magnetic de buna calitate E₁, iar intreg ansamblul rezonatorului este introdus intr-un tub de sticla vidat si protejat mecanic cu un cilindru metalic E₂ care serveste in acelasi timp si ca ecran electromagnetic general. Acest ansamblu constituie rezonatorul de cesiu si care poarta denumirea de tub cu fascicul de cesiu (Cesium Beam Tube). La etaloanele portabile tubul este realizat sub forma unei piese detasabile. De exemplu, tubul 004 High Performance Beam Tube al firmei Hewlett-Packard (Fig.1.5.c), cea mai mare producatoare de etaloane de frecventa are durata de viata de 3-5 ani.

Dupa cum s-a precizat, un etalon atomic de frecventa consta dintr-un oscilator cu cuart () sincronizat pe frecventa v a unui rezonator sau maser atomic, cu ajutorul unei scheme electronice de urmarire tip PLL.

La etalonul cu cesiu, schema electronica trebuie sa asigure atat sincronizare f₀ cu v cat si etalonarea semnalului de excitatie necesar intretinerii oscilatiilor rezonatorului. Deoarece semnalul de iesire din detector este un curent electric si nu o frecventa, schema electronica rezulta sensibil mai complicata decat in cazul altor etaloane .

Detectorul de particule (D) cuprinde 3 sectiuni (Fig.1.5.a): un detector cu fir cald (DFC), ce ionizeaza atomii care il lovesc, un spectograf de masa (SM) care accelereaza ionii rezultati si ii trimite la multiplicatorul electronic (ME). Curentul I_D de la iesirea multiplicatorului trece printr-un punct de extrem (Fig.1.5.b) in momentul in care frecventa , a semnalului de excitatie devine egala cu frecventa naturala v a rezonatorului cu cesiu RC. Deoarece intensitatea curentului este mica (I_D≈0,1μA), se amplifica semnalul cu un amplificator A aflat in exteriorul rezonatorului.

Fig.1.5. Schema de principiu pentru un etalon portabil cu cesiu.

O schema electronica utilizata la etaloanele portabile cu cesiu este prezentata in Fig.1.5.c. Pentru reducerea zgomotului (ce apare in special in zona DFC) semnalul de excitatie este modulat (n frecventa cu o frecventa joasa , modulatie ce se transmite si lui . Trecand pe (dupa amplificare), prin detectorul sensibil la faza DSF si apoi prin filtrul trece jos FTJ (pentru eliminarea componentelor de inalta frecventa) se obtine un semnal I_DS de forma celui din Fig.1.5.c. Cu acest semnal se controleaza frecventa oscilatorului cu cuart, care se comporta ca un oscilator controlat in tensiune. Daca, de exemplu, are tendinta sa scada (tendinta ce se transmite si lui ), creste pozitiv (la ), ceea ce provoaca o crestere a lui pana cand devine riguros egala cu v. In cazul cand frecventa creste, fenomenele se petrec invers. Daca sistemul de urmarire este suficient de sensibil, stabilitatea frecventei devine practic egala cu cea a lui v.

Stabilitatea frecventei in timp este de ordinul 10^-11 si este hotarata de stabilitatea rezonatorului de cesiu si de sistemul PLL.

Un exemplu de realizare este etalonul de laborator HP, model 5061A, cu performantele: exactitatea de baza , frecventa de iesire , durata de viata a tubului 3 ani, consum 40W.

Stabilitatea si reproductibilitatea exceptionala a etaloanelor atomice de timp, precum si posibilitatea compararii lor cu o exactitate foarte buna au condus la faptul ca unitatea de timp este cunoscuta practic cu exactitatea cea mai mare dintre unitatile tuturor marimilor fizice, incertitudinea fiind de ordinul

Domeniul presiunii. Etalonul primar este un grup de manometre cu piston si greutati, la care presiunea rezulta din raportul dintre greutatea unor etaloane de masa si aria efectiva a ansamblului piston-cilindru. Incertitudinea etalonului primar este in intervalul (0,5.1,5) 10^-5.

Domeniul fortei. Etalonul primar este o instalatie in care forta de valoare cunoscuta este greutatea unor etaloane de masa. Instalatia numita masina cu incarcare directa, poate asigura o incertitudine de pana la 110^-5.

Domeniul marimilor electrice. Etalonul primar cel mai important este balanta de curent - Fig.1.6, care reproduce unitatea de masura a intensitatii curentului electric pe baza definitiei sale, in functie de forta produsa intre conductoarele invecinate. Pentru ca valoarea practica a amperului sa corespunda definitiei sale este necesar ca printr-un experiment fizic, amperul sa fie determinat in functie de m, kg, s si m

Fig.1.6. Balanta de curent (reprezentare simplificata).

Functionarea se bazeaza pe forta electrodinamica F ce apare asupra bobinei mobile cand un curent electric I parcurge atat bobina fixa, cat si pe cea mobila (Fig.1.6). La echilibrul balantei, forta care actioneaza asupra bobinei este egala cu greutatea de pe platan:

respectiv (1.5)

Determinarea prezinta dificultati deosebite: incertitudinea de determinare a dimensiunilor bobinelor (10^-6), campul magnetic de valoare scazuta, balanta suporta greutatea mare a bobinelor, influenta curentilor de aer etc. Incertitudinea de determinare a amperului cu aceasta instalatie este de ordinul (1.10)10^-6.

Pentru reproducerea celorlalte unitati de masura electrice este necesar inca un experiment in care sa intervina concomitent marimi electrice si marimi mecanice. In principiu, legatura cea mai directa intre unitatile electrice si cele mecanice rezulta din considerente energetice: egalitatea puterii mecanice cu puterea electrica echivalenta. Un asemenea experiment nu asigura insa exactitatea ridicata. De aceea, s-a preferat ca al doilea etalon primar electric condensatorul calculabil in cruce Thomson-Lampard - Fig.1.7, a carui capacitate poate fi determinata in functie de o lungime, cu o incertitudine mai mica decat 110^-7.

a) b)

Fig.1.7. Condensatorul calculabil Thomson-Lampard:

a) dispunerea generala a electrozilor; b) dispunerea electrozilor cilindrici.

In Fig.1.7.a, se prezinta aranjamentul celor patru electrozi ce constituie acest condensator, iar calculul se bazeaza pe relatia din electrostatica care indica legatura intre capacitatile si:

(1.6)

fiind permitivitatea vidului.

In constructiile existente, cei patru electrozi sunt de forma unor cilindri circulari (Fig.1.7.b) dispusi cat mai simetric posibil . Cu o exactitate de , valoarea medie a lui si ( capacitatea partiala pe unitatea de lungime) este:

(1.7)

Prin modificarea distantei la cilindrul central, se obtin valori de ordinul zecimilor de pF.

Prin intermediul unor comparatii succesive, folosind o punte cu transformator, doua condensatoare (C₁ si C₂) cu capacitatea nominala de cativa nF sunt etalonate in functie de condensatorul calculabil. Aceste doua condensatoare se introduc apoi intr-o punte impreuna cu doua rezistoare R₁ si R₂. La echilibrul puntii se obtin valorile acestor rezistoare in functie de C₁ si C₂. Apoi, rezistenta electrica astfel obtinuta (exprimata functie de valoarea condensatorului calculabil) este folosita pentru etalonarea unei rezistente de 1 W. Valoarea acestei rezistente se exprima, in cele din urma, in functie de lungimea condensatorului calculabil si de viteza luminii in vid (deoarece e =1/c²m

Numeroase cercetari recente au ca obiect introducerea si perfectionarea unor noi experimente.

Determinarea absoluta a voltului se realizeaza, in prezent, cu balanta de tensiune sau cu electrometrul cu lichid. Balanta de tensiune este similara ca principiu cu balanta de curent, insa foloseste, in locul fortei electrodinamice, forta electrostatica dintre armaturile unui condensator.

Fig.1.8. Balanta de tensiune.

In Fig.1.8 se prezinta balanta de tensiune elaborata in anul 1989. Pornind de la variatia energiilor din sistem:

variatia energiei potentiale:

variatia energiei electrice:

rezulta relatia de determinare a tensiunii electrice U:

(1.8)

Se observa ca tensiunea electrica U rezulta din masurarea fortei mecanice F_m = mg si masurarea separata a factorului legat de geometria condensatorului.

Determinarea absoluta a ohmului utilizeaza o instalatie complexa, bazata pe un condensator calculabil. Incertitudinea celor mai bune determinari realizate pe aceasta cale coboara sub 10^-7.

Tot etaloane primare pot fi considerate etalonul de tensiune cu efect Josephson si etalonul de rezistenta cu efect Hall cuantic. Incertitudinea acestor etaloane se apropie de 110^-8.. Ele pot sa conserve cu mare exactitate voltul si ohmul, dar fara a putea corela aceste unitati cu unitatile de masura mecanice.

Etaloanele bazate pe efectul Josephson au aparut dupa anul 1962. La baza functionarii lor sta efectul Josephson, care se manifesta in cazul a doua supraconductoare cuplate slab (separate printr-un dielectric imperfect) si racite sub temperatura lor de tranzitie.

Dispozitivul format din doua pelicule supraconductoare separate printr-o pelicula dielectrica foarte subtire ( 1 nm) se numeste jonctiune Josephson. Racita la temperatura heliului lichid (4,2 K), jonctiunea Josephson are o comportare neliniara foarte complexa.

Daca unei astfel de jonctiuni i se aplica tensiunea U, curentul prin jonctiune oscileaza cu frecventa f data de relatia:

(1.9)

unde e este sarcina electronului, iar h este constanta lui Planck.

Daca jonctiunea este iradiata cu microunde avand frecventa f, atunci se manifesta efectul invers, tensiunea la bornele jonctiunii avand expresia:

(1.10)

unde n este un numar intreg ce depinde de intensitatea curentului continuu care strabate jonctiunea. In caracteristica curent-tensiune a jonctiunii Josephson (Fig.1.9), la anumite valori ale curentului, apar salturi de tensiune, a caror valoare este aceeasi, egala cu hf/2e.

   

Fig.1.9.Caracteristica I-U. Fig.1.10. Cip cu jonctiuni Josephson inseriate.

Datorita reproductibilitatii si stabilitatii oferite de efectul Josephson ( 10^-8), Comitetul Consultativ pentru Electricitate (CCE) a recomandat laboratoarelor nationale de metrologie sa-si bazeze pe acest efect propria reprezentare a voltului. In anul 1990, a intrat in vigoare valoarea pentru constanta Josephson:

(1.11)

cu ajutorul careia incertitudinea concordantei cu voltul SI este de 0,4 ppm.

Primele etaloane bazate pe efectul Josephson furnizau tensiuni mici, de ordinul milivoltilor. Actualmente, se realizeaza ansambluri de jonctiuni Josephson inseriate (mii sau chiar zeci de mii), care permit obtinerea unor tensiuni de 1V si de 10V (Fig.1.10).

Firma Hewlett-Packard a realizat un ansamblu cu 18992 jonctiuni inseriate, care asigura 150000 trepte de tensiune in intervalul -12V.+12V, cu care se pot etalona multimetre cu eroarea de neliniaritate de 0,1 ppm pe domeniul de 10 V.

Determinarea absoluta a ohmului este o operatie complicata si costisitoare. De aceea, majoritatea laboratoarelor nationale de metrologie folosesc ca etalon pentru rezistenta electrica un grup de rezistoare de 1 W mentinute intr-o baie de ulei termostatata.

Cu toate precautiile in alegerea materialelor si a tehnologiilor de fabricatie, valoarea rezistentei electrice prezinta o deriva in timp. Acesta este unul din motivele pentru care se recomanda utilizarea efectului Hall cuantic.

a) b)

Fig.1.11. Efect Hall: a) aparitia; b) variatia in trepte a rezistentei Hall R_H.

Efectul Hall consta in aparitia unei tensiuni electrice intr-un conductor plat, atunci cand acesta este parcurs de curentul I si este situat intr-un camp magnetic de inductie B, perpendicular pe conductor (Fig.1.11.a). Tensiunea Hall U_H care apare este proportionala cu intensitatea curentului si cu inductia magnetica:

(1.12)

Raportul dintre tensiunea Hall si intensitatea curentului se numeste rezistenta Hall si se noteaza cu R_H. La temperaturi foarte joase (cativa Kelvini) si in campuri magnetice foarte intense (5-15 T), rezistenta Hall nu mai variaza direct proportional cu inductia magnetica, ci prezinta niste platouri (Fig.1.11.b). Valorile acestor platouri corespund submultiplilor marimii h/e²:

(1.13)

Constanta R_K = 25812,807 W (constanta von Klitzing) permite obtinerea valorii ohmului cu o concordanta cu ohmul SI in limitele

Domeniul marimilor magnetice. Ca etaloane primare pentru marimi magnetice se folosesc generatoare etalon de camp magnetic si etaloane de camp magnetic cu rezonanta magnetica nucleara.

Domeniul marimilor termice. Etalonul primar il constituie instalatiile de reproducere a punctelor fixe ale SIPT (Scara Internationala Practica de Temperatura), cuprinzand puncte triple (puncte in care o substanta coexista in faza solida, lichida si gazoasa), puncte de firbare si puncte de solidificare ale unor substante pure. Exactitatea cea mai ridicata o asigura punctul triplu al apei, care defineste temperatura de 0,01ºC (incertitudine de circa 0,0001ºC)

Domeniul marimilor optice. Etalonul primar reproduce experimental definitia unitatii de masura a intensitatii luminoase, a candelei. El consta dintr-o sursa de radiatie monocromatica, de o anumita frecventa, a carei intensitate este determinata prin metode de radiometrie energetica. Compararea cu alte surse se face folosind curbe de ponderare ale intensitatii luminoase in functie de lungimea de unda, tinand seama de caracteristica spectrala a ochiului omenesc.

3. Etaloane secundare

Etaloanele secundare sunt obtinute prin intermediul unor obiecte sau fenomene caracterizate printr-un parametru fizic foarte stabil in timp si fata de influentele exterioare. Ele furnizeaza unitatea de masura respectiva insa necesita a fi calibrate in raport cu etaloanele de definitie.

Sub forma sa cea mai simpla, etalonul secundar este un obiect sau un sistem tehnic care are o anumita proprietate stabila in timp. Pe langa etaloanele bazate pe proprietati macroscopice, se folosesc si etaloane bazate pe constante microfizice. Acestea, pe langa o stabilitate superioara in timp si in raport cu factorii de mediu, se bucura si de proprietatea de reproductibilitate, in sensul ca un astfel de etalon are aceeasi valoare a parametrului caracteristic in orice loc si in orice moment, deci el nu trebuie etalonat prin comparatie cu un alt etalon.

Domeniul marimilor geometrice. Etaloanele secundare cu exactitatea cea mai ridicata sunt diferite instalatii etalon interferometrice, care folosesc radiatii de anumite lungimi de unda. Sunt folosite etaloane cu radiatii necoerente (emise de lampi cu kripton, lampi cu heliu) si cu radiatii coerente (laseri) -Tabelul 1.4.

Lampile utilizate in etaloanele interferometrice de lungime emit radiatii de lungimi de unda cunoscute, caracteristice pentru fiecare element. Laserii trebuie sa aiba frecventa stabilizata , printr-un mijloc exterior de stabilizare; avantajul laserilor este o rezolutie cu doua pana la trei ordine de marime superioara.

Masurile etalon de lungime se impart in doua clase mari: masuri cu repere si masuri terminale. Masurile cu repere sunt caracterizate prin valoarea cunoscuta a distantei dintre doua repere, de obicei linii trasate transversal. Masurile terminale sunt caracterizate prin valoarea cunoscuta a distantei dintre doua suprafete, numite suprafete de masurare. Cele mai uzuale masuri terminale sunt calele plan-paralele, cu suprafetele de masurare paralele intre ele (fetele opuse ale unui paralelipiped).

Tabelul 1.4. Radiatii ale laserelor prin absorbtie saturata

Pentru unghiul plan, cele mai obisnuite etaloane sunt poligoanele (prisme drepte, cu baza de forma unui poligon regulat) si calele unghiulare.

Domeniul masa. Etaloanele secundare de masa sunt greutati din metal, de la 1 mg pana la 1000 kg, de diferite constructii si ordine de exactitate.

Domeniul marimilor termice. Etaloanele secundare cele mai obisnuite subt termorezistenta de platina (pentru intervalul 13 K.+630ºC) si termocuplul Pt-RhPt (pentru intervalul +630ºC.1064,43ºC). Se folosesc de asemenea apaarte speciale pentru temperaturi foarte joase (sub 13 K) si foarte inalte.

Domeniul timp. Etaloane secundare de timp (care servesc concomitent si ca etaloane de frecventa) sunt alte tipuri de etaloane atomice, ca maserul cu hidrogen si etalonul cu rubidiu, ambele bazate pe frecvente proprii ale unor fenomene microfizice, precum si etalonul cu cuart, care foloseste oscilatia de frecventa foarte stabila a unui cristal de cuart piezoelectric.

Semnalul de iesire la aceste dispozitive de referinta este, de regula, o tensiune sinusoidala de 1V, iar perioada semnalului este un submultiplu intreg al secundei, pentru a putea servi si ca etalon de timp. Frecventele de iesire sunt 5 MHz sau 10MHz.

Etaloanele de frecventa au la baza un oscilator de inalta stabilitate (cuart sau atomic) si pot da o singura frecventa, etaloane propriu-zise, mai multe frecvente fixe, etaloane in trepte (Fig.1.12) sau o frecventa reglabila intr-o banda larga, sintetizoare de frecventa.

Fig.1.12. Etalon de frecventa in trepte.

Etaloane de frecventa cu cuart sunt folosite ca etaloane de lucru, avand exactitatea de 10^-7 - 10^-9. Au la baza un oscilator cu cuart termostatat, oscilatorul fiind, de regula, un oscilator Pierce, la care stabilitatea oscilatiilor este asigurata de catre un rezonator electromecanic cu cuart.

Cuartul este realizat sub forma unei placute P, rotunda sau patrata si prevazuta cu electrozi de argint EA pe ambele fete (Fig.1.13.a). Frecventa de rezonanta este dependenta de grosimea g a placutei precum si de unghiul de taiere al acesteia in raport cu axul optic al cristalului primar.

Schema electrica a unui rezonator de cuart este prezentata in Fig.1.13.b. In scopul stabilizarii capacitatii paralele C_p si a atenuarii perturbatiilor mecanice si electrice, placuta de cuart se introduce intr-o montura metalica (Fig.1.13.c) s-au intr-un tub cu vid (Fig.1.13.d).

a) b) c) d)

Fig.1.13. Rezonator cu cuart.

In Fig.1.14.a se prezinta o schema de oscilator cu cuart. Stabilitatea frecventei acestui oscilator este in jur de 10^-4, insuficienta pentru un etalon de frecventa; poate fi crescuta la 10^-8 prin termostatare.

a)    b)

Fig.1.14. a) Schema de principiu a oscilatorului cu cuart;
b) dependenta instabilitatii frecventei de temperatura.

O schema de termostat pentru oscilatoare cu cuart este prezentata in
(Fig.1.15). Oscilatorul sau numai rezonatorul cu cuart este introdus intr-o cutie paralelipipedica sau cilindrica C din aluminiu sau alama, peste care este infasurat un fir incalzitor F alimentat de la un traductor de temperatura, prin intermediul a doua amplificatoare: A₁ (amplificator de eroare) si A₂ (amplificator de putere). Daca temperatura cutiei C scade sau creste fata de o valoare impusa, tensiunea de dezechilibru comanda, prin intermediul lui A₁ si A₂, cresterea sau respectiv scaderea curentului din firul incalzitor F pana cand temperatura revine la valoarea prescrisa ( de exemplu, 70˚C).

Fig.1.15. Schema unui termostat pentru oscilatorul cu cuart.

Radiocomunicatiile prin satelit precum si telecomenzile spatiale necesita frecvente cu stabilitate de , cerinta pe care nu o pot satisface etaloanele cu cuart care, dupa cum s-a aratat anterior, au stabilitate mai slaba ca .

a) b)

Fig.1.16. a) Stari energetice atomice; Fig.1.17. Evolutia in timp a exactitatii
b) banda de rezonanta. etaloanelor atomice.

Cercetari insistente efectuate prin anii 50 au aratat ca, o stabilitate a frecventei sensibil mai buna decat la rezonatorul cu cuart exista la un fenomen legat de structura interna a materiei si anume la radiatiile de frecventa ce insotesc trecerea electronilor de valenta de pe un nivel de energie la altul (Fig.1.16.a), trecere ce satisface relatia:

(1.14)

in care reprezinta variatia de energie necesara saltului respectiv iar h este constanta lui Plank. Cum este o constata a substantei respective la nivel microscopic rezulta ca si este o constanta si foarte stabila.

In stare fundamentala, neexcitata, electronul se gaseste pe orbita cu energie minima. In urma unei excitatii cauzata de o energie exterioara (temperatura, camp electric), electronul sare pe un nivel superior. Cand excitatia inceteaza, electronul revine pe orbita initiala, iar surplusul de energie il emite sub forma unei oscilatii electromagnetice de frecventa . Daca excitatia exterioara este un camp electromagnetic de frecventa , procesul de salt si revenire devine permanent, adica se obtine o emisie stimulata, iar energia emisa poate fi canalizata la intretinerea campului electromagnetic excitator, obtinandu-se astfel un oscilator atomic. Schimbul de energie intre campul electromagnetic si radiatia atomica are loc intr-o cavitate rezonanta a carei frecventa de rezonanta trebuie sa fie riguros egala cu , situatie in care se mai numeste si frecventa de rezonanta atomica.

Pentru utilizarea practica a rezonantei atomice este necesar ca radiatia emisa sa indeplineasca doua conditii de baza:

- Spectrul de frecventa sa fie cat mai pur, adica banda rezonantei , (Fig.1.16.b) sa fie cat mai ingusta.

- Frecventa ν sa fie in domeniul frecventelor radio uzuale (maxim
10-20GHz). Aceasta conditie o indeplinesc unele metale alcaline: cesiul , rubidiu , precum si hidrogenul .

Din exemplele prezentate rezulta ca oscilatoarele atomice au frecvente inalte si nu prea "rotunde". In scopul translarii frecventei de baza ν la o valoare rotunda uzuala (de regula 5 MHz), precum si al amplificarii semnalului de iesire la o valoare suficienta (1V), oscilatoarele atomice se asociaza intotdeauna cu o schema electronica corespunzatoare. Cel mai adesea, aceasta schema consta dintr-un oscilator cu cuart termostatat, care este sincronizat pe frecventa oscilatorului atomic ν cu ajutorul unui bucle PLL.

Valoarea frecventei etalon de iesire f₀ se alege astfel incat perioada semnalului respectiv sa fie un submultiplu intreg al secundei, pentru ca etalonul de frecventa sa poata fi utilizat si ca etalon de timp, deci un ceas atomic.

Oscilatoarele atomice pot fi de tip rezonator sau de tip MASER (Microwave Amplification by Stimulated Emision of Radiation). pentru etaloanele de frecventa, in prezent, se utilizeaza mai mult cele de tip rezonator. Primul oscilator atomic utilizabil (1948-50) a fost maserul cu amoniac care nu s-a impus deoarece avea stabilitatea similara cu cea a cuartului. Au urmat apoi (1950-1960) rezonatorii cu cesiu si rubidiu precum si maserul cu hidrogen (10^-13).

Evolutia exactitatii etaloanelor de frecventa este sintetizata in Fig.1.17. Se remarca un salt brusc intre anii 1955-1960, perioada in care s-au elaborat si s-au pus la punct etaloanele de frecventa bazate pe oscilatoare atomice.

Etalonul de frecventa cu rubidiu are o buna stabilitate in timp, este mai robust, mai usor de aliniat si are volum mai redus decat etalonul cu cesiu, insa nu poate fi utilizat decat ca etalon secundar (trebuie calibrat in raport cu etalonul cu cesiu).

Ca schema, etalonul cu rubidiu este un oscilator cu cuart sincronizat pe un rezonator cu celula cu rubidiu 87 gazos. Acest rezonator functioneaza cu doua frecvente de rezonanta: frecventa υ₀, in spectrul optic, pe care se realizeaza excitarea atomilor de rubidiu (principiul pompajului optic) si frecventa GHz in spectrul RF. Din cea de-a doua tranzitie se extrage, cu ajutorul unei cavitati rezonante, semnalul util necesar sincronizarii oscilatorului cu cuart.

Performantele tipice ale unui etalon cu rubidiu sunt: exactitate mai buna ca 10^-11, tensiune de iesire sinusoidala 1V/5 MHz, consum propriu 40W. Datorita acestor calitati precum si a volumului redus, etaloanele de frecventa cu rubidiu se folosesc ca aparate portabile precum si ca etaloane pe laboratoare mobile (statii orbitale, sonde spatiale etc.), in statii de urmarire a satelitilor, in comunicatii si in radioastronomie.

Un exemplu de etalon cu rubidiu il constituie etalonul Hewlett Packard model 5065A, cu performantele: exactitatea de baza 10^-11, stabilitate 610^-12, masa 15,5 kg. consum 40W.

Etalonul de frecventa cu hidrogen are la baza un maser cu hidrogen, care ofera o buna stabilitate (510^-13) si reproductibilitate (510^-13). Sensibilitatea este mai buna decat la etalonul cu cesiu, insa constructia este mult mai voluminoasa, mai complicata si mai scumpa; de aceea se utilizeaza foarte rar si numai ca etalon stationar de laborator.

In Tabelul 1.5 sunt prezentate cateva elemente de comparatie intre etaloanele atomice.

Tabelul 1.5

Deoarece frecventa reprezinta un numar de evenimente identice ce se produc in unitatea de timp, rezulta ca orice etalon de frecventa este in acelasi timp si un etalon de timp.

Timpul universal (TU) are la baza secunda anului tropic 1900, definita drept 1/86400 din ziua solara medie a carei masura a fost evaluata pe baza unor observatii astronomice de lunga durata (luni de zile). Eroarea de fidelitate a acestor masurari de definitie nu a putut fi coborata sub 10^-8. Ca etaloane s-au folosit pendulele observatoarelor si apoi ceasurile cu cuart. Timpul universal (TU) sub denumirea de larga circulatie GMT (Greenwich Mean Time) are ca referinta meridianul care trece prin localitatea Greenwich (Anglia).

Aparitia primelor ceasuri atomice (1955) a aratat ca rotatia pamantului in jurul axei sale (care sta la baza definitiei TU) are fluctuatii ce nu permit definirea secundei TU cu o precizie mai buna decat 10^-7.

Timpul Efemeridelor (TE) are ca referinta secunda definita pe baza rotatiei pamantului in jurul soarelui: fractiunea 1/31556925,9747 din anul tropic 1900, definitie care a fost adoptata in octombrie 1956.

Timpul atomic (TA) are la baza secunda definita pe baza etalonului atomic cu cesiu 133, definitie ce a fost adoptata de catre cea de-a 13-a Conferinta Internationala de Masuri si Greutati in 1976. Adoptarea TA (stabilit cu o exactitate mai buna ca ) a simplificat mult lucrurile in domeniul definirii secundei, in sensul ca rotatia pamantului nu mai este considerata ca o miscare etalon, ci ca o miscare ce trebuie masurata. Din asemenea masurari a rezultat ca exista un decalaj intre TU si TA de aproximativ 1sec./an.

Cum viata, navigatia si astronautica, sunt tributare rotatiei pamantului, s-a elaborat inca o scara de timp.

Timpul universal coordonat (TUC) reprezinta o combinatie intre TU si TA in sensul ca are stabilitatea TA si este adus in concordanta cu TU cu ajutorul unor corectii stabilite prin conventii internationale. Astfel, s-a considerat ca in ianuarie 1972 decalajul intre TA si TU este zero si dupa aceea s-a prevazut o corectie de 0,9sec./an, corectie ce permite ca TUC sa urmareasca continuu TA. Aceasta corectie se face in salturi: 1 secunda la 1,11 ani. In intervalul dintre corectii eroarea de justete a secundei TUC este cel mult .

Etaloanele de timp sunt ceasuri electronice sincronizate pe un oscilator cu cuart sau, cel mai adesea, pe un oscilator atomic (cesiu, rubidiu). Aceste ceasuri functioneaza, de regula, in TA si sunt aliniate la TUC printr-o corectie de o secunda efectuata la un interval prescris de catre constructor (aproximativ 1 an).

Stabilitatea (fidelitatea) acestor ceasuri este practic egala cu cea a oscilatorului (10^-8 pentru cuart, 10^-11 pentru rubidiu si 10^-12 pentru cesiu). Ele se utilizeaza la instalatiile ce transmit ora exacta, in aplicatiile stiintifice si ca etaloane mobile de timp.

Domeniul presiune. Ca etaloane secundare se folosesc manometre cu piston si greutati, balante hidrostatice, manometre cu element elastic, precum si alte etaloane in domeniul presiunilor joase (vacuum)

Domeniul forta. Ca etaloane secundare se folosesc dinamometre etalon.

Domeniul marimilor electrice. Ca exemple de etaloane secundare pentru domeniul electric se pot aminti: etaloanele normale (Weston) pentru tensiunea electrica, rezistoarele etalon pentru rezistenta electrica, condensatoarele etalon pentru capacitatea electrica, inductoare etalon pentru inductivitate. Se folosesc de asemenea etaloane electronice de tensiune, diferite tipuri de voltmetre, ampermetre, wattmetre si contoare electrice etalon, diverse tipuri de impedantmetre etalon.

Etaloane pentru tensiune electrica. Ca etaloane de tensiune se folosesc elementele normale (Weston) si etaloanele cu diode Zener. Sunt etaloane de conservare si au o exactitate de 0,001-0,05%. Se utilizeaza mult, atat in metrologia de laborator cat si in instrumentatia industriala. Exista si etaloane bazate pe efectul Josephson, insa acestea sunt inca scumpe (lucreaza la temperaturi criogenice: 2-5K) .

Elementul Weston (normal) este un element galvanic ce produce o tensiune electromotoare, de aproximativ 1,018V, foarte stabila in timp in conditii corecte de exploatare. T.e.m. poate fi dozata foarte precis pe baza componentilor chimici. Sunt de exactitate ridicata (pana la 0,001%) insa sunt fragile, dau tensiune fractionara (in jur de 1,01865V) si nu pot debita curenti peste 1-10μA. Exista doua tipuri de elemente Weston: saturat si nesaturat.

a) Elementul Weston saturat este realizat intr-un vas mic de sticla in forma de H (Fig.1.18). Electrozii de contact din platina sunt plasati la extremitatile inferioare ale vasului. Anodul (+) este din mercur si are deasupra un strat depolarizant (pasta din sulfat mercuros), iar catodul (-) este din amalgam de cadmiu. Ca electrolit se foloseste o solutie saturata din sulfat de cadmiu SO₄Cd saturatia fiind asigurata de un exces de cristale de SO₄Cd. Intregul vas este montat intr-o cutie protectoare, metalica sau din plastic.

Parametrii de calitate: tensiunea nominala 1,0185-1,0187V la 20˚C, exactitate 0,001-0,005%, instabilitatea in timp 1-2 μV/an, durata de viata 10-15 ani, rezistenta interioara 200-600Ω. Principalul neajuns il reprezinta dependenta relativ importanta de temperatura (≈40μV/ºC). Variatia t.e.m cu temperatura pentru aceste elemente normale saturate, in jurul temperaturii de +20 C, este data de relatia:

Etaloanele de cea mai mare exactitate se pastreaza in incinte termostatate, in care temperatura nu variaza cu mai mult de 10 mK.

Se pot folosi si ca etaloane de referinta, dar alaturate pentru a forma un grup (de obicei 5 elemente). Acest grup este caracterizat prin eroarea medie patratica s (incertitudine de nivel 1s) si prin variatia anuala n a t.e.m. Spre exemplu, etalonul national al Romaniei este un grup de elemente normale termostatate cu s = 10^-7 si n = 10^-6/an.

b) Etalonul Weston nesaturat are constructia identica cu a elementului saturat insa lipsesc cristalele de SO₄Cd. Este mai simplu, mai ieftin, mai portabil, mai putin dependent de temperatura, insa are o exactitate mai redusa (0,01-0,05%), o rezistenta interioara mai mare , o instabilitate mult mai mare in timp (100μV/an) si o durata de viata mai scurta (5-8 ani). Este larg utilizat ca etalon de lucru si ca referinta in unele voltmetre numerice.

Fig.1.18. Element Weston.    Fig.1.19. Etalon cu dioda Zener.

Elementele normale se folosesc ca etaloane pentru tensiune electrica din anul 1893 si constituie un exemplu de longevitate metrologica, alaturi de prototipul international al kilogramului.

Etaloanele de tensiune cu diode Zener (Fig.1.19), fata de etaloanele normale, sunt mai robuste, portabile, pot debita curenti mai mari si pot da mai multe tensiuni. Blocul care asigura tensiunea etalon este realizat cu un stabilizator Zener cu doua (sau mai multe) etaje, cel final fiind o dioda termocompensata (maxim 5 10-6/K).

Aceste etaloane pot genera numai tensiuni fixe: 1,018V (530W) sau 10V (900W). In laboratoarele de metrologie si in aparatura de mare performanta, se utilizeaza etaloane ce pot furniza tensiuni intr-o gama mai larga, cu exactitati apropiate de cea a referintei incorporate. Un exemplu de etalon cu diode Zener il constituie modelul 732A al firmei FLUKE, caracterizat prin:

-tensiuni de iesire: 10V; 1V; 1,018V;

-stabilitate de 0,5 10^-6/luna, 10^-6/an;

Etaloanele de t.e.m. prezentate au dezavantajul ca nu pot da decat tensiuni fixe.

Etaloanele de t.e.m. reglabile, numite si standarde de t.e.m, pot furniza tensiuni calibrate (etalon) intr-o gama larga (mV - sute de V), cu o exactitate apropiata de cea a referintei ce le piloteaza (0,001-0,01%). Astfel de dispozitive sunt foarte utile in metrologia de laborator, in etalonarea si verificarea referintelor de tensiune si a voltmetrelor de precizie. Dupa valoare tensiunii de iesire se pot deosebi etaloane de t.e.m redusa si etaloane de t.e.m. ridicata.

a) Etaloanele de t.e.m. redusa au schema de principiu de tipul prezentat in Fig.1.20, unde E reprezinta referinta termostatata (Weston sau Zener), iar DT1 si DT2 sunt divizoare de tensiune de inalta exactitate. Cu DT1 se prescriu tensiunile nominale de iesire iar cu DT2 se regleaza tensiunea de iesire reglaj cu o rezolutie de .

   

Fig.1.20. Etalon de t.e.m. redusa. Fig.1.21. Etalonul HP-735A.

De exemplu, etalonul de t.e.m. Hewlett Packard, model 735A (Fig.1.21), se bazeaza pe o referinta Zener termostatata si dispune de 4 tensiuni etalon, selectabile prin K₁:

o tensiune reglabila (rezolutie 1μV) numita tensiunea ;

o tensiune de utilizata la verificarea etaloanelor Weston saturate;

o tensiune de utilizabila la verificarea etaloanelor Weston nesaturate;

o tensiune fixa de 1V utilizabila la masurari potentiometrice.

Etalonul DV Reference Standard, tip 732A, produs de firma Fluke, are la baza o referinta Zener de inalta stabilitate si a fost elaborat pentru a inlocui etalonul Weston saturat la masurari de inalta exactitate pe teren. Dintre performante: tensiuni fixe 10V, 1V si 1,018V, exactitate 0,002%, stabilitate 1,510^-6/ luna (1210^-6 /an), coeficient de temperatura 10^-6 /ºC, rezistente de iesire: 5mΩ la iesirea de 10V si 1kΩ la iesirile de 1V si 1,018V.

b) Etaloane de t.e.m. ridicata se bazeaza pe principiul comparatorului diferential de tensiune, asociat cu un convertor c.c.-c.c drept sursa de tensiune ridicata. Schema de principiu este prezentata in Fig.1.22.a. Amplificatorul diferential AD si amplificatorul de putere AP formeaza un bloc cu amplificarea totala A foarte mare, care alimenteaza convertorul ridicator de tensiune CT, convertor ce produce la iesire tensiunea calibrata:

sau

Tinand cont ca nKA>>1 se obtine ecuatia de functionare:

(1.16)

a) b)

Fig.1.22. Etalon de t.e.m. ridicata: a) schema de principiu; b) panou frontal.

Un exemplu de etalon pentru tensiune ridicata il reprezinta cel produs de firma Cohu Electronics (SUA)- Fig.1.22.b, prevazut cu 3 intervale: 10V, 100V, 1000V si 7 decade de reglare (rezolutie 10^-7 din interval) pentru .

Etaloane pentru rezistenta electrica. Rezistoarele etalon de valori mici si mijlocii (pana la zeci de kΩ) se construiesc in varianta cu 4 borne, iar cele de valori mari (peste 1-10 MΩ) se construiesc in varianta cu 3 borne pentru a evita efectul de suntare provocat de suportul electroizolant.

Rezistoare cu 4 borne (Fig.1.23), se realizeaza dintr-un fir (1) sau banda de manganina care se infasoara pe un suport electroizolant (2), intreg ansamblul fiind introdus intr-o cutie metalica (3). Peretii cutiei sunt prevazuti cu orificii (4) pentru evacuarea caldurii, iar pe capacul bornelor (5) exista un orificiu (6) pentru introducerea termometrului. Aceasta forma constructiva se refera la etaloanele de lucru. La etaloanele primare si secundare lipsesc orificiile (4) si cutia (3) este umpluta cu ulei electroizolant, in scopul de a elimina influenta umiditatii ambiante, iar bornele b_i si b_u sunt scoase in afara capacului (5).

Referitor la realizarea rezistentelor cu patru borne trebuie precizate mai multe aspecte. Orice rezistor etalon trebuie conectat intr-un circuit de masura, iar aceasta conectare aduce cu sine si rezistente parazite: doua rezistente de contact (de ordinul zecilor de μΩ) si rezistentele firelor de conexiune , care pot altera sensibil valoarea nominala a etalonului mai ales in zona valorilor mici. Pentru evitarea acestui dezavantaj rezistoarele etalon se fac in executie cuadripolara, forma ce permite separarea functiei de alimentare de functia de masurare. Doua borne de curent b_i servesc la alimentarea rezistorului si doua borne de tensiune b_u servesc pentru obtinerea caderii de tensiune (Fig.1.24.b).

Fig.1.23. Rezistor etalon cu patru borne.    Fig.1.24. Schema de principiu pentru

rezistor etalon cuadripolar.

In felul acesta, rezistentele bornelor de curent (contact A + banda aA, Fig.1.24.a) raman in afara punctelor de sudura a si b ce definesc pe , iar efectul rezistentelor bornelor de tensiune , (contact + fire) poate deveni neglijabil daca rezistenta de intrare R_i a aparatului cu care se masoara tensiunea este mult mai mare decat , adica daca curentii prin sunt neglijabil de mici .

Rezistoarele etalon se construiesc in 14 valori nominale cu succesiune decadica . Cele sub 1 Ω se construiesc din banda, cele pana la 10⁶ Ω sunt realizate din fir rezistiv. In toate cazurile puterea disipata nu trebuie sa depaseasca 1W. Exactitatea rezistoarelor etalon este 0,001-0,005% pentru cele primare si secundare si 0,01-0,05% pentru etaloanele de lucru; aceasta precizie este valabila numai in c.c. si in conditii de referinta.

Fig.1.25. Rezistor etalon cu trei borne.

Rezistoarele cu 3 borne. La valori mari ale lui influenta lui devine complet neglijabila, insa incepe a se resimti influenta curentilor de fuga I_r prin izolatia dintre bornele rezistorului (Fig.1.25.a), care se traduce printr-un efect de suntare a lui (Fig.1.25.b). Pentru evitarea acestei suntari se introduce rezistorul respectiv intr-un cilindru metalic (Fig.1.25.c) numit ecran de garda (EG). In felul acesta curentii de fuga sunt interceptati de catre EG si dirijati spre sursa de alimentare, prin borna G.

Cutiile de rezistente, foarte utile in tehnica de laborator, se construiesc pe principiul decadelor comutabile prin manete - Fig.1.26. Rezistoarele decadelor sunt realizate din manganina, la cutiile de exactitate ridicata, sau cu pelicula metalica, la cele de exactitate mai mica. Clasele de exactitate sunt 0,05 (mai rar 0,01); 0,1; 0,2; 0,5; 1.

Fig.1.26. Cutie cu rezistente etalon in decade.

Etaloane pentru capacitate electrica. Condensatoarele etalon se construiesc sub forma de condensatoare cu dielectric aer sau mica . Cele cu mica se construiesc la valori nominale de si exactitatii 0,05-0,5%, iar cele cu aer - intre 10pF si 10nF, la exactitati de 0,01-0,5%.

Cele mai raspandite etaloane de capacitate sunt cele cu aer. Armaturile se construiesc din aluminiu si, de regula, in varianta condensatorului plan paralel, cu placi circulare rigide montate pe o structura mecanica solida (aluminiu), pentru a asigura o buna stabilitate mecanica.

a) b) c)

Fig.1.27. Condensatoare etalon.

Pentru asigurarea stabilitatii capacitatii C fata de vecinatatile metalice (Fig.1.27.a) condensatoarele etalon se ecraneaza, iar ecranul E se prevede cu o borna speciala (Fig.1.27.b), adica aceste condensatoare sunt de tipul cu trei borne. Daca ecranul se leaga la borna 2 capacitatea nominala va fi (Fig.1.27.c), iar daca se leaga la borna 1 va fi . In documentatia tehnica a condensatorului se mentioneaza toate cele trei valori: .

Condensatoarele variabile cu aer au o constructie similara cu a celor de tip radio cu deosebire ca sunt ecranate, iar placutele de la rotor si stator sunt mai rigide si mai ingrijit finisate; de asemenea, izolatia este de cea mai buna calitate (cuart, kalit sau teflon). La aceste condensatoare capacitatea poate fi variata cu aproximativ un ordin de marime (de exemplu, 5-50pF) iar constanta indexului pe scara gradata variaza intre 0,1pF/div si 20pF/div. Pentru citirea exacta a zecimilor de diviziune indexul scarii este prevazut cu un vernier.

Cutiile de condensatoare se construiesc pe principiul decadelor cu maneta, ca si la cutiile de rezistente, cu deosebirea ca, aici, elementele componente ale decadelor se leaga in paralel si nu in serie. Se utilizeaza 3 (sau mai multe) decade formate din condensatoare cu dielectric solid de buna calitate (mica, polistiren, mylar) la care se adauga, la cutiile de exactitate ridicata, cate un condensator variabil cu aer. Astfel de cutii se construiesc pentru capacitati nominale de 1-10pF, iar clasa lor de exactitate nu este mai buna de 0,2-1%.

Etaloane pentru inductivitate. Un etalon de inductivitate proprie L se realizeaza sub forma de bobine plane (Fig.1.28.a), din conductor de cupru dispus pe carcase electroizolante cu o buna stabilitate mecanica (ceramica, sticlotextolit). Pentru micsorarea influentei vecinatatilor feromagnetice bobinele etalon, de regula, se ecraneaza. Valori nominale: 0,1mH10mH; clasa de exactitate 0,01-0,5%.

a) b)

Fig.1.28. Etalon de inductivitate.

Etalonul de inductivitate mutuala M se construieste in mod asemanator cu etaloanele de inductivitate proprie, cu deosebirea ca pe aceeasi carcasa se fac doua infasurari distincte strans cuplate magnetic si bine izolate electric intre ele (Fig.1.28.b). Se construiesc pentru valori nominale: 1mH-1H, la exactitati 0,1-1%.

Cutiile de inductante se construiesc cu bobine in decade comutabile prin manete. Valori nominale 0,1-1H, exactitati 0,2-1%. Pentru reglaj fin in cutie se incorporeaza si un variometru (Fig.1.29.a). Acesta poate fi deconectat de la cutie si folosit independent atat ca L variabil cat si ca M variabil. Caracteristicile si ale unui asemenea dispozitiv sunt prezentate in Fig.1.29.b.

a) b)

Fig.1.29. a) Variometru ; b) variatia inductivitatii.

Domeniul marimilor magnetice. Ca etaloane secundare pentru acest domeniu se folosesc uzual etaloanele de flux magnetic.

Domeniul marimilor optice. Ca etaloane secundare se utilizeaza lampi cu incandescenta, alimentate cu un curent continuu de intensitate specificata, care furnizeaza fie o intensitate luminoasa cunoscuta, fie un flux luminos cunoscut.