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用于精密电阻测量的低频电流比较器
摘要——已经实现了两种原型的电流比较器，用于在0.1Hz至1Hz范围内和在室温下的低频操作。实验测试包括频率相关灵敏度的确定和两个标称值为1kOmega;和100Omega;的标准电阻的比率测量。实现的电流比较器是无需液氦的精密电桥的主要比例标准，这将成为未来基于石墨烯的量子霍尔电阻标准的主要测量工具之一。
索引词——电阻测量，CCC，低频，测量不确定度，灵敏度，电流比较器。
- 绪论
电阻测量包括两个基本任务，即标准电阻与十进制标称值对量子霍尔电阻的校准，以及十进制标称电阻组合内的比较。采用包括电流比较器作为主精度比器件的测量电桥可以实现最高精度。
这种缩放设备最常见的（甚至商业化的）实现是低温电流比较器（CCC）和直流比较器（DCC）。具有作为磁场无效检测器的SQUID的CCC可以被认为是最精确的，即通过适当的设计，比率误差可以保持为可以忽略的程度。
然而，CCC的操作相当复杂，需要低温。与此不同的是，DCC是一个室温设备，更容易处理，但精度有限。两者的替代方案是低频电流比较器（LFCC）以约1 Hz频率的正弦信号工作，将易于处理，坚固耐用和室温操作与零件级别的精度相结合。
使用CCC或DCC的直流电阻测量可以在任意低的频率下进行，并且实际上以至Hz的频率的电流反转来执行。与这些仪器相反，LFCC无法测量直流电阻比，因此其应用需要校准，即确定ac-dc校正。
即便如此，这并不影响设备的整体性能，因为使用BIPM可移动设置的现场比较是基于多年以来CCC和LFCC的组合。更具体地说，由于校准的低频电流比较器比率的稳定性，LFCC是一个适当的滑动转换标准。
如今，由于基于石墨烯的电阻标准的前瞻性可用性，对如此稳健，便宜和易于操作的电阻校准装置的兴趣增加。两者的结合可以作为实际阻力测量的基础而不需要液氦。 在本文中，我们将介绍LFCC的初步研究，探索从1赫兹到0.1赫兹的频率范围。
- 低频电流比较器
在LFCC中，两个不同的绕组在同一个高渗透环形磁芯上缠绕：1）一定比例的绕组和2）检测绕组。 LFCC由静电和磁屏蔽（Cu箔和两个退火mu;金属罐）构成。
检测线圈表示并联LC电路的电感元件。 待比较的交流电流具有该电路共振的频率。这些幅度为或的电流将分别流过具有匝数或的比率绕组。然后将检测器的灵敏度定义为谐振电路中的交流电压与任何比率绕组中产生的输入信号之比。
对于我们的研究，我们已经建立了两个具有H阶检测线圈电感的LFCC。较低电感版本LFCC-A具有约2500匝的检测线圈和约2.5times;的相对磁导率的磁芯，而对于LFCC-B，较高电感版本，相应数目约为3000和1times;。
LC电路中的电容可以从28mu;F到700mu;F的五个值中选择。 当与LFCC-A或LFCC-B结合使用时，由此产生的谐振频率按设计在0.1 Hz至1.1 Hz的范围内。谐振检测器的使用意味着随着频率的降低灵敏度的降低以及LC电路品质因数的显着影响。
请注意，较早实现的LFCC概念不允许在低于1 Hz的频率下运行。但是，在约1 Hz及以下的几个频率下执行基于LFCC的电阻比较的可能性对于预期确定ac-dc校正非常有用。 对于LFCC-A或LFCC-B，绕组比例的匝数总数分别为400和2560。
- 实验结果
首先，我们确定了十个谐振频率（对于两个检测线圈电感和五个电容值）以及谐振峰值处的相应灵敏度。这已使用SRS 850锁定放大器完成。 0.4 nA的电流通过一个10MOmega;的电阻从该器件的输出偏置到LFCC-A或LFCC-B的100或512匝比绕组。
在连接到锁定输入端之前，使用超低噪声斩波放大器将检测线圈两端的交流电压预放大。结果总结在图1中。谐振频率覆盖从1.02 Hz（LFCC-A和28mu;F）到0.144 Hz（LFCC-B和700mu;F）的范围，因为质量因素我们发现值从25到12。
图1. LFCC原型的谐振频率依赖灵敏度。
下一步，将LFCC-A集成到BIPM的1 Hz电桥设置中，并将其用于比例为10：1的比较测试，并选择200和20匝的比例绕组。即使在相当临时的配置中，标称值为1kOmega;和100Omega;的电阻器没有适当的热稳定性，测量结果仍然优于中的1部分与使用PTB的CCC电桥获得的结果，如图2所示。
请注意，这些初步结果不包括单独确定的来自LFCC测量值的ac-dc校正值，即LFCC和CCC结果之间的差异是LFCC比率误差的测量值。
VI. 结论
制造并测试了两个电流比较器的原型，用于在0.1 Hz至1 Hz频率范围内工作 - 向较低频率的显着扩展 。通过使用最先进的高磁导率磁芯，比较器的灵敏度相当高。
如果软件和控制电子元件经过适当的修改，开发的LFCC可以取代商业桥梁中的CCC。 这将减少液氦的开支并简化电阻的校准。
Fig.
图2.使用LFCC-A以1Hz运行的BIPM交流电桥电子器件和PTB的直流CCC电桥进行一系列1kOmega;至100Omega;比率测量的结果。 在这两种情况下都施加了0.17V的电压。误差线代表标准的A型不确定度。
致谢
这项工作部分在欧洲计量研究计划（EMRP）支持的联合研究项目“GraphOhm”中完成。 EMRP由EMRP参与国在EURAMET和欧盟内共同资助。
1 Omega;-10 kOmega; 高精度可移动设置来校准多功能电子仪器
理论
在国家计量研究所（INRIM）开发了一个温度控制的1Omega;-10kOmega;标准电阻器可移动设置，用于校准和调整多功能电子仪器。
这两个标准分别由两个10Omega;和100kOmega;并联电阻网络插入温控铝盒中。 实现的新颖之处在于其内部连接器的1Omega;的油插入降低了热电动势（emfs）效应。
设置标准的短期和中期稳定性在订单上产生，并且在某些情况下优于其他顶级1Omega;和10kOmega;商业标准。 关闭设置温度控制的传输效果不会导致两种标准的明显测量偏差。
标准的不确定性符合DMM和MFC制造商要求校准和调整这些仪器的要求。 调整多功能校准器的测试给出了令人满意的结果。
关键词：标准电阻，多功能校准器（MFC），数字万用表（DMM），电阻测量，测量稳定性，功率和温度系数，测量不确定度。
- 介绍
几十年来，国家计量机构（NMI）[1-5]已经感受到需要开发，维护，比较和使用可追溯性的高精度1Omega;和10kOmega;电阻标准。作为数字万用表（DMM）和多功能校准器（MFC）的高精度多功能电子仪器，特别适用于五种低频电量（直流和交流电压，直流和交流电流和直流电阻），广泛用作校准电气实验室的标准 可以通过称为“伪像校准”的过程进行校准，该过程需要几个参考标准，其中1Omega;和10kOmega;电阻标准。
这个过程允许这些仪器自我分配新的值到他们的内部参考。[6-9]。 仅运输少量的DMM和MFC校准标准，而不是使用越来越多的精密仪器或标准来提高可追溯性传输的准确性，可靠性和便利性。为此，在国家计量研究院（INRIM），开发了一个温度可控的1Omega;和10kOmega;标准电阻器，用于校准和调整数字万用表和MFC。 这种设置也可以作为本地标准，以避免高精度一级电阻标准[2]或特制[10]常需要的热封装。
此外，设置标准可以像[5]或[11]（其他值）以及国际ILC的[12]那样用作国际比较（ILC）的旅行标准。 涉及到两个主要电阻值的实际设置是为了追溯到DMM和MFC的可追溯性，这是对INRIM开发的热调节标准电阻的首次尝试的改进和升级，结果令人鼓舞[13]。
与顶级1Omega;和10kOmega;商用电阻器相比，结构细节，稳定性测试，温度和功率系数，传输效果和MFC调节测试，评估2用途1不确定度作为当地实验室标准，以及用于电气设备校准 给出设置1Omega;-10kOmega;标准。
1.1建立标准网络
该设置包括使用Vishay VHA 512型电阻器的两个电阻网络，其容差为plusmn;0.001％，温度系数（TCR）小于2times;10-6 /℃，长期稳定性为5times;10-6 /年。对于1Omega;标准电阻器，十个匹配的10Omega;电阻器与它们的引线和锰铜带并联连接，由于其较低的TCR而选择代替铜。 10kOmega;标准是由10个100kOmega;匹配和并联电阻组成的。 对于1Omega;网络，其并联采用锰铜带进行。
1.2建立温度调节装置箱
他将两个电阻网插入铝盒内。 将1Omega;电阻网放置在装有矿物油的箱子内的圆柱形空间中以增强电阻器盒温度交换。新颖之处在于将该电阻网与其内部连接器一起置于油中以保持其中的温度均匀性以减少热电动势。 将网络连接到用导热树脂固定的盒盖上的四个接线柱外部连接器，以使接头之间的温度均匀。
将电阻网放入盒子外环的十个孔中。 盒子底部机械连接到珀耳帖元件（热电冷却，TEC），并连接到盒子外部的散热器。 将盒子放在装满聚苯乙烯泡沫的金属盒中。将盒子放在装满聚苯乙烯泡沫的金属盒中。 TEC由比例 - 积分 - 微分（PID）控制器提供，另一种情况则由微控制器和电源供电。
1.3温度控制系统
箱子的温度控制基于带有负温度系数温度传感器（NTC）的商用低噪声PID控制器。 该系统可以独立运行或以电脑控制模式运行。 在独立模式下，控制器检查箱体和环境温度，电池状态和显示屏。控制标准参数的程序和微控制器的固件分别用Visual Basic和C语言编写。
1.4温度控制的高效性
图4显示了温度控制器设置在23°C时盒子的2小时温度稳定性。 由于温度设定点变化而导致瞬变后，稳定性优于5 mK。该系统需要约30分钟将温度在23℃左右的温度范围内改变约3度，以在（23plusmn;0.5）℃的热调节实验室中达到所需的稳定性。
- 实验结果
2.1 1Omega;标准
1Omega;标准的时间漂移如图5所示。它表现出非常高的短时稳定性，并且对电位连接之间的温度变化和热不稳定性不敏感。 这些测量是通过包含高精度电流比较器桥的测量方法进行的[15]。
在NMIs广泛使用的油浴中，与高性能1Omega;标准电阻器的水平相同，2h扩展（测量标准偏差）为4times;10-8。 1Omega;电阻网的温度依赖性从22°C至24°C进行评估，改变箱温设定点，导致约3times;10-6 /°C。
此外，在图6中可以看出，在单个测量电流下，典型校准时间内设置1Omega;标准的超高稳定性。 在稳定性为1.3times;10-8之后，其测量在50mA处扩展，而在相同条件下两个油浴和一个空气顶层商业标准1Omega;电阻的涂抹分别为1.5times;10-8,2.1times;10-7和2.1times;10-8。该测试进一步证实了将1Omega;标准网在油内部插入热调节箱以及其内部电位连接的好处。 这样可以在校准减少时间内达到令人满意的稳定性。
2.2 10kOmega; 标准
10kOmega;显示2h类似的测量分布（5times;10-8），并且在22℃至24℃的温度范围内，网的温度依赖性为0.6times;10-6 /℃，尽管在盒的外环中。
2.3设置标准和顶级商用1Omega;和10kOmega;电阻标准之间的周稳定性比较
还对设置标准和主要顶级商用1Omega;和10kOmega;电阻标准的周稳定性进行了比较。 这个时间段可以被认为是从NMI校准到校准客户实验室电子仪器的中期。最佳稳定性是通过一个商业空气标准获得的，其在一周内的最大值偏差为2.4x10-8，而商业油浴和设置标准分别显示7.8x10-8和4.3x10-8的最大值偏差。空气，机油和设置标准分别为1.2times;10-8,6.8times;10-8和2.5times;10-8。
图9显示了10kOmega;标准的比较。 最佳稳定性是通过设置标准获得的，其在一周内的最大值偏差为2.1x10-8，而其他两个商业标准分别显示4.3x10-8和2.9x10-8的最大值偏差。 对于设置和两个商业标准，七天价值的价差分别为0.7x10-8,1.8x10-8和0.9x10-8。
2.4 1Omega;和10kOmega;标准的中期稳定性和功率系数
图10显示了自安装程序组装后约六个月的两个标准的中期稳定性。1Omega;显示增加的1.0times;10-6的漂移，而10kOmega;的标准显示6.7times;10-8的漂移，因为形成其网络的电阻器在设置结构确保其更好的稳定性之前存储了几年。这与高精度商用10kOmega;电阻[16]的顺序相同，并且优于其他[17]。 1Omega;将被仔细监测，以验证其值是否会达到更好的稳定性，但现在它的性能已达到该系列的数量级[17]。
使用相同的测量系统对这两个标准的功率系数进行评估，测量它们与高稳定性标准电阻的比较[15]。 结果报告在表1中。
2.5温度系数设定在23°C时的温度系数。
为了评估设置标准的温度系数，温度控制设定在23℃和电校准实验室的典型温度条件下（23plusmn;1）℃，标准物在稳定后在（22,23 和24）°C在一个可设定的温度实验室。 这些温度系数报告在表2中。1Omega;标准的TCR不完全令人满意，这可能是由于其网络中10Omega;电阻元件的TCR所致。
2.6传输效果
运输效果被评估为运输设备关闭其温度控制器，模拟属于外部实验室的标准案例作为认可的校准案例。该设备可以通过汽车，面包车，飞机运输，并在不受控制的温度条件下保持几个小时或几天，直到达到外部实验室超出其温度控制的电池容量。对于我们的测试，该装置在适当的包
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