СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЕМКОСТИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Группа изобретений относится к измерительной технике и метрологии, а именно к технике измерения электрической емкости при работе ее на постоянном электрическом токе, определяемой через заряд электрона.

Конденсатор - это устройство для накопления заряда и энергии электрического поля. Конструктивно это «бутерброд» из двух проводников и диэлектрика, которым может быть вакуум, газ, жидкость, органическое или неорганическое твердое тело. Первые отечественные конденсаторы (стеклянные банки с дробью, обклеенные фольгой) делали в 1752 г. М. Ломоносов и Г. Рихтер.

Единица измерения электрической емкости в Международной системе единиц (СИ), называется фарад. Единица названа в честь английского физика Майкла Фарадея.

В Международную систему единиц (СИ) фарад введен решением XI Генеральной конференцией по мерам и весам в 1960 году одновременно с принятием системы СИ в целом.

Фарад (Ф) - это емкость такого уединенного проводника, потенциал которого повышается на 1 вольт при сообщении ему заряда в 1 кулон.

Электроемкость конденсатора равна отношению заряда одной из пластин Q к напряжению между ними U:

В то же время известна формула определения силы постоянного тока

откуда

и, определяя ток через заряд электрона i=e·f, получим:

Из уровня техники средства измерения емкости на постоянном электрическом токе непосредственно в соответствии с этой формулой не известны.

Измерение емкости конденсаторов в ответственных случаях должно осуществляться в условиях (при их использовании для воспроизведения постоянного тока), близких к эксплуатационным. Таким образом, например, емкости дифференцирующих конденсаторов, применяемых в мерах для воспроизведения постоянного электрического тока, необходимо измерять на постоянном токе.

Известны способы измерения емкости конденсаторов. Наиболее распространенными являются мостовой, резонансный, замещения, биений, метод амперметра и вольтметра и т.д. Общим недостатком измерения емкости конденсаторов являются трудность измерения емкости на постоянном токе и высокая погрешность на низкой частоте измерения.

Известен способ измерения электрической емкости [Хромой Б.П., Моисеев Ю.Г. Электрорадиоизмерения. М.: Радио и связь, 1985, с. 203], основанный на измерении частоты сигнала генератора, в частотно-задающую цепь которого включена измеряемая емкость. При этом значение измеряемой емкости определяется как функция частоты сигнала на выходе генератора. Недостатками известного способа являются высокая погрешность измерения, связанная с нестабильностью частоты генератора и нелинейностью его характеристики, при этом чем ниже частота генератора, тем выше погрешность измерения, а также невозможность измерения емкости на постоянном токе.

Наиболее точным способом измерения емкости является мостовой способ (см. там же с. 199), который основан на включении измеряемой емкости в состав одного из плеч измерительного моста, питаемого переменным током с последующим определением емкости по величине напряжения в измерительной диагонали моста. Недостатками этого способа измерения также являются высокая погрешность измерения на низкой частоте, а также невозможность измерения емкости на постоянном токе. Так, например, высокоточный прецизионный мост переменного тока, АН 2700 А, на частоте 50 Гц при измерении емкости в диапазоне от 1×10^-15 Ф (1 фФ) до 1×10^-9 Ф (1 нФ), имеет погрешность ±(50-0,16) %, при измерении емкости 1×10^-12 Ф (1 пФ) погрешность измерения емкости ±0,6% [описание высокоточного моста АН 2700 A, Andeen-Hager ling, США].

Консультативный комитет по электричеству и магнетизму принял рекомендацию Е1 (2007) о предлагаемых изменениях Международной системы единиц СИ и, в частности, действующего определения ампера. Предложен пример определения ампера:

- «ампер - это электрический ток, эквивалентного потока, точно равный 1/(1,60217653×10^-19) элементарных зарядов в секунду (из этого следует, что данное определение фиксирует элементарный заряд как равный точно 1,60217653×10^-19 А с)» [RECOMMENDATION Е 1 (2007): Proposed changes to the International System of Units (Sl). The Consultative Committee for Electricity and Magnetism (CCEM), CCEM/2007-44].

Основу формулировки данного определения составляют следующие факторы:

1) определение силы постоянного электрического тока как явления направленного движения электрических зарядов;

2) определение количественной характеристики этого явления - силы электрического тока - как величины, численно равной количеству заряда, протекающего через определенную поверхность в единицу времени;

3) дискретность заряда.

Благодаря развитию современных нанотехнологий появилась возможность измерять фарад путем счета электронов.

Для решения поставленной задачи во многих ведущих метрологических институтах проводятся работы по созданию криогенного эталона электрической емкости С_крио.

Известен способ измерения электрической емкости, который по выполняемой функции и совокупности существенных признаков является наиболее близким аналогом заявленного способа [Keller M. W., A. L Eichenberger, J. M. Martinis, N.М. Zimmerman, Science 285, 1706 (1999) ″Capacitance Standard based on Counting Electrons″].

Принцип криогенного эталона емкости со счетом электронов заключается в заряде конденсатора известным числом электронов и последующим измерением полученного напряжения на электродах конденсатора.

Эффекты одноэлектронного тунелирования проявляются в системах, которые содержат маленький металлический островок, слабо связанный (т.е. через туннельные переходы) с внешней цепью. Когда емкость островка C_Σ достаточно мала, присутствие избыточного электрона на островке может быть обнаружено. Этот эффект наиболее очевиден, когда заряжающая энергия е²/2·С_Σ является доминирующей энергией в системе: она должна превышать энергию электронов, связанных с приложенным напряжением, e-V, и их тепловую энергию, k·Т. На практике это требует применения металлических структур с характеристическими размерами менее 100 нанометра, работающих при температурах менее 50 милликельвин (менее - 223°С).

Посредством емкостного вентиля (затвора), связанного с островком, можно управлять зарядом островка. Наиболее известная структура - это одноэлектронный транзистор (SET), который имеет два туннельных перехода и одну емкость затвора [IEEE Trans. IM vol.52, N2, pp.584-587, 2003].

Известный способ измерения электрической емкости осуществляется устройством, которое содержит эталонный криогенный вакуумный конденсатор, воспроизводящий емкость С_крио, электронный насос, SET электрометр, находящиеся при криогенной температуре, измеритель напряжения, находящийся при комнатной температуре.

Известный способ измерения электрической емкости криогенного вакуумного конденсатора С_крио осуществляется устройством, которое содержит цепь заряда измеряемого конденсатора, состоящую из электронного насоса, в виде последовательно соединенных: истока, «n» туннельных переходов, «n-1» островков, расположенных между ними, стока, поддерживаемые подложкой, измеряемого конденсатора и источника напряжения смещения V_c. Положительный полюс источника напряжения смещения связан с измеряемым конденсатором С_крио, а отрицательный - с истоком. Фиксированные электроды затворов расположены в непосредственной близости от указанных квантовых островков, образуя емкостную связь между каждым электродом затвора и каждым островком. Каждый электрод затвора через фазосдвигающую цепочку связан с одним из полюсов генератора частоты, другой полюс генератора частоты соединен с общей точкой истока и с отрицательным полюсом источника напряжения смещения V_c. Контроль процесса зарядки конденсатора осуществляется SET электрометром одним концом, подключенным к ″низкопотенциальному″ электроду конденсатора С_крио, а другой конец подключен через обратную связь электрометра (нуль - детектора) к ″высокопотенциальному″ электроду, подавая на него компенсационное напряжение. Затем, сохраняя заряд неизменным, измерителем напряжения, подключенным к обкладкам конденсатора С_крио, измеряется напряжение между обкладками С_крио. При этом емкость определяется по формуле:

Где: е - заряд электрона;

N - количество электронов которыми зарядили криогенный конденсатор;

U - напряжение между обкладками криогенного конденсатора.

Предварительный бюджет неопределенностей для криогенного эталона емкости составляет порядка 2·10^-6 [″Electron counting capacitance standard experiment with an improved five-junction single-electron R-pump″ В Camarota, H Scherer, M W Keller, S V Lotkhov, G-D Willenberg, and F J Ahlers, 2011]. Недостатком данного способа измерения емкости является то, что при измерении емкости количество электронов, которыми заряжают криогенный конденсатор, определяется косвенным методом путем приложения к затвору электронного насоса напряжения определенной частоты, а также то, что измерение напряжения между обкладками криогенного конденсатора происходит в статике, в условиях, отличных от эксплуатации конденсатора (при его использовании для воспроизведения постоянного тока). Недостатком также является необходимость применения высоких технологий для создания структур, работающих в условиях сверхнизких температур, и специального оборудования для обеспечения этих условий (на уровне единиц Кельвина). Кроме того, необходимо обеспечить снижение частотной зависимости криогенного эталона емкости и уменьшение его потерь [Keller M. W., A. L. Eichenberger, J. M. Martinis, N. М. Zimmerman, Science 285, 1706 (1999) ″Capacitance Standard based on Counting Electrons″].

Для обеспечения измерения емкости, находящейся при комнатной температуре, необходим еще криогенный мост переменного тока, эталонный конденсатор и мост переменного тока, находящиеся при комнатной температуре. При этом воспроизводимое значение емкости конденсатора с помощью криогенного моста переменного тока, находящегося при низкой температуре, передается эталонному конденсатору С_э, находящемуся при комнатной температуре (который затем может быть использован в качестве основы для калибровки), с последующим измерением емкости испытуемого конденсатора С_х мостом переменного тока, находящимся при комнатной температуре, что в конечном счете приводит к снижению точности измерения.

Из уровня техники средства измерения электрической емкости в соответствии с формулой (5) не известны.

Устройства для измерения емкости на постоянном электрическом токе, аналогичные по технической сущности и выполняемой функции, в уровне техники заявителем не обнаружены.

Задачей, на решение которой направлена заявляемая группа изобретений, является повышение точности измерения емкости и расширение диапазона измерения емкости в сторону меньших значений, обеспечение возможности создания устройства для измерения емкости в условиях ее эксплуатации (при воспроизведении постоянного электрического тока).

Технический результат, полученный при заявленной группе изобретений, заключается в обеспечении возможности измерения промежутка времени, за который напряжение между электродами достигнет определенной величины, и непосредственной регистрации заряда каждого электрона в цепи измеряемой емкости при воспроизведении ею постоянного тока.

Указанный технический результат достигается при осуществлении заявленной группы разнообъектных изобретений, которые образуют единый творческий замысел и представляют собой способ измерения емкости (при протекании по конденсатору постоянного электрического тока) и устройство для его осуществления.

Указанный технический результат при осуществлении заявленной группы изобретений достигается тем, что в заявляемом способе измерения емкости емкость конденсатора определяется по времени Δt, за которое изменяется напряжение на величину ΔU, заряду электрона е и количеству электронов f, в соответствии с формулой:

Где: е - элементарный заряд электрона, точно равный 1,60217653×10^-19 Кл;

f - измеряемая частота (число) электронов на выходе измерителя тока;

Δt - время, за которое изменяется напряжение на величину ΔU.

при этом

где: U₂ и U₁ - выходное напряжение двух уровневой меры напряжения. При этом как частный случай одно из напряжений может быть равно нулю или по величине такое же, но только другого знака (±U₁).

Указанный технический результат при осуществлении заявленной группы изобретений достигается тем, что в заявляемом устройстве для измерения емкости конденсатора в отличие от известного способа воспроизводят постоянный электрический ток с помощью цепи, выполненной в виде измеряемого конденсатора С_х и генератора линейно изменяющегося напряжения, причем одна обкладка измеряемого конденсатора C_x соединена с выходом генератора линейно изменяющегося напряжения и с двухуровневым компаратором напряжений, другая обкладка конденсатора соединена с измерителем тока, третий зажим конденсатора соединен с общей шиной. При этом выход счетчика числа проходящих по цепи электронов, входящий в состав измерителя тока, подключен к персональному компьютеру. Двухуровневая мера напряжения подключена к двухуровневому компаратору напряжений, выход которого соединен с измерителем времени, а выход измерителя времени подключен к персональному компьютеру. С общим проводом соединены: генератор линейно изменяющегося напряжения, измеритель тока со счетчиком числа электронов, двухуровневый компаратор напряжений, измеритель времени, двухуровневая мера напряжения и персональный компьютер.

В устройстве для осуществления способа измерения емкости конденсатора при воспроизведении им постоянного электрического тока (чертеж), измеряемый конденсатор 1 подключен по трехзажимной схеме. Одна из обкладок измеряемого конденсатора 1 соединена с выходом генератора линейно изменяющегося напряжения 2 и с двухуровневым компаратором напряжений 3. Другая обкладка конденсатора 1 соединена с входом измерителя тока 4, выход счетчика числа проходящих по цепи электронов 5, входящий в состав измерителя тока 4, подключен к персональному компьютеру 6. Двухуровневая мера напряжения 7 подключена к двухуровневому компаратору напряжений 3, выход которого соединен со входом измерителя времени 8, а выход измерителя времени 8 подключен к персональному компьютеру 6. С общим проводом соединены: третий зажим измеряемого конденсатора 1, генератор линейно изменяющегося напряжения 2, измеритель тока 4 со счетчиком числа электронов 5, двухуровневый компаратор напряжений 3, измеритель времени 8, двухуровневая мера напряжения 7 и персональный компьютер 6.

Заявляемый способ измерения емкости на постоянном электрическом токе осуществляется устройством следующим образом.

При включении генератора линейно изменяющегося напряжения 2 напряжение на его выходе линейно возрастает (убывает) и конденсатор 1 начнет заряжаться постоянным электрическим током. В момент равенства выходного напряжения генератора 2 и напряжения U₁ двухуровневой меры напряжения 7, двухуровневый компаратор 3 запускает измеритель времени 8. Когда выходное напряжение генератора 2 сравняется с напряжением U₂ двухуровневой меры 7, двухуровневый компаратор 3 останавливает измеритель времени 8. Сила тока i_B, воспроизводимая измеряемым конденсатором С_х 1 и генератором линейно изменяющегося напряжения 2, измеряется измерителем тока 4 путем счета электронов счетчиком числа электронов 5.

Значение емкости измеряемого конденсатора определяется временем Δt за которое разность напряжения между электродами конденсатора достигнет определенного уровня ΔU=U₂-U₁. которое в свою очередь определяется величиной заряда, т.е. количеством электронов (при этом фиксируется каждый электрон), проходящих по цепи заряда конденсатора, за время Δt Эти значения подаются на персональный компьютер и им обрабатываются по формуле (7).

Результирующая погрешность измерения емкости в диапазоне от 1×10^-18 Ф (1 аФ) до 1×10^-9 Ф (1 нФ) при протекании постоянного тока в измерительной цепи не превышает ±(50-0,05) %. Погрешность измерения емкости 1×10^-15 Ф (1 фФ) и 1×10^-12 Ф (1 пФ) не более ±10% и 0,1% соответственно.

Таким образом, предлагаемый способ измерения электрической емкости в сравнении с базовым способом-прототипом и другими известными способами-аналогами обладает следующими преимуществами:

- диапазон измерения емкости расширяется на три порядка с 1×10^-15 Ф (1 фФ) до 1×10^-18Ф(1 аФ).

- погрешность измерения емкости на постоянном токе уменьшается более чем в 5 раз.

В опытном образце были использованы:

- генератор линейно изменяющегося напряжения 2 (мера линейно изменяющегося напряжения калибратора тока НК1-4);

- двухуровневый компаратор напряжений 3 - типа К554СА;

- измеритель тока 4 со счетчиком числа электронов 5- (см. патент RU 2478974);

- персональный компьютер 6 - системные требования: процессор Intel Pentium 4 CPU 2,4 ГГц, ОЗУ 1,0 ГБ, HDD 250 ГБ, видеокарта ATI Radeon 9550. ОС «Windows XP, Win 7.»;

- двухуровневая мера напряжения 7, - Fluke 732 В, калибратор Н4-12;

- измеритель времени 8, - частотомер 43-47.

Таким образом, видно, что приведенные выше сведения подтверждают возможность осуществления заявляемого изобретения, достижения указанного технического результата и решения поставленной задачи.