Калибратор сверх-малых токов (заряд на страже фарады)

Возвращаясь к концепту калибратора сверх-малых токов, вспоминаем, что для точной генерации тока необходимо максимально точно настроить электрометрическую емкость, т.к. от нее прямо зависит генерируемый ток.

Первоначально я думал, что мне придется покупать LCR-метр или мост для переноса единицы емкости с эталона на самодельную емкость, но потом в ходе очередного 4 часового пиздабольства на отвлеченные темы проведения консилиума мы с bsw_m вспомнили, что к примеру в В7-45 для переноса единицы емкости с калибратора на ДРК-6 применяется метод переноса зарядом.

Где ЕК1-6 и В1-12 используется как генератор фиксированного заряда.

И вот мы с вами знакомимся еще и с формулой С=q/U ,а так-же ее вариациями.

Метод в сути своей прост, мы изменяем напряжение на емкости дифференциатора D(10 пФ) ,от 0В до 1В, чем создаем заряд в 10 пико-кулон, а В7-45 принимает этот заряд и калибрует им свой встроенный конденсатор 10.5пФ на ДРК. Этот-же метод применяется и в многих других случаях, к примеру при калибровки емкостей в датчиках влажности.

В общем ничего нового, но попробуем оценить факторы влияющие на ошибку. Если составить эквивалентную схему установки измерения емкости по средством заряда получаем следующее.

Тут мы видим 3 основных блока:

  • Источник тестового напряжения Keithley 2450.
  • Меру емкости КМЕ-101 номиналом 10пФ.
  • Электрометр Keysight B2985A в режиме кулонометра.

С права от эталонной емкости у нас находится низкоимпедансная область, поскольку выходной импеданс 2450  очень маленький. Какие либо негативные факторы в этой области отсутствуют. Свеже-калиброванный 2450 может очень точно выдавать любое нужное напряжение от -210В до +210В с током до 100мА. Единственные негативные факторы которые там могут в теории возникнуть, это уменьшение скорости нарастания из-за паразитных емкостей меры Cpar2 и кабеля Cpar3. Вклад ошибки в этой области в измерение пренебрежимо мал.

Слева все намного интереснее, там высокоимпедансная область, с высокой чувствительностью к малым токам. Там в полный рост встают эффекты электрохимической, трибоэлектрической генерации тока в мере Ipar1 и в кабеле Ipar2, а так-же эффекты утечек Rleak, и подобные электрометрические приколы. Но чем хорош метод переноса единицы зарядом, а тем, что он очень слабо зависит от всех этих паразитных факторов. Потому-что заряд генерируется настолько быстро, насколько это позволяет время нарастания напряжения в низко-импедансной области, а это еденицы милисекунд в самом наихудшем случае.

Работу экспериментальной установки можно посмотреть тут:

Как видно, паразитные эффекты генерации  тока постоянно добавляют заряд в измерительную емкость электрометра Cmeas, из за чего показания постоянно растут. Но при нажатии кнопки активации выхода у 2450, на одной обкладке меры емкости КМЕ-101 10пФ напряжение мгновенно изменяется с 0 до 100В, чем генерируется заряд ровно 10пф*100В=1 нано-кулон который суммируется с зарядом накопленным в измерительной емкости Cmeas. При выключении выхода 2450 напряжение так-же изменяется, с 100В до 0В но уже при этом генерируется заряд соответственно -1 нано-кулон, который вычитается из накопленного заряда в емкости Cmeas.

Посредством методов статистики возможно предсказать усредненный паразитный ток заряда емкости Cmeas, и вычесть его из результатов измерения несложным вычислением:

Получившиеся значения измерения меня довольно сильно удивили, с превого-же эксперемета показав измеренную емкость 10пФ “в нулях” аж до тысячных долей процента. Естественно это может быть не более чем случайное стечение обстоятельств, и позже я могу узнать что и мера и мой электрометр уебаны в равной степени, и оба уплыли в одном и том-же направлении за свою жизнь. Посмотрим!!! меры с метрологией у меня уже куплены, ожидаю из поставки.

Есть еще один фактор влияющий на точность переноса по средством заряда, это паразитные емкости меры Cpar1 и кабеля Cpar4, которые в момент прихода заряда неизбежно образуют емкостной делитель Cpar1+Cpar4+Cmeas, в котором распределяется весь поступивший заряд. Это происходит по тому, что электрометричекский усилитель не идеален, и он не способен мгновенно управлять емкостью Cmeas, а так-же потому, что и сам электрометр содержит множество паразитных емкостей у каждого элемента своей схемы. Да конечно технология Guarding должна минимизировать их влияние, но ничто не идеально, и электрометру требуется некоторое время чтобы “перекачать” весь измеряемый заряд из паразитных емкостей в измерительную Cmeas. В моем случае этот сеттлинг занимает около 3.24 секунд. Но это пока еще в принципе не большое время, и простые методы мат статистики все-еще позволяют отменить большую долю ошибки вносимую Ipar1+Ipar2+Rleak. По этому в В7-45 емкость переносчик D ставят прямо на вход электрометра, чтобы минимизировать паразитные емкости и как результат минимизировать сеттлинг.

Я надеюсь, что я действительно получил высокую точность измерения емкости этим методом, но даже если это не правда, в моем арсенале остался еще один секретный боеприпас: компарирование емкостей методом зарядов crazy Поясню, если не меняя измерительной установки, менять только лишь емкость с эталонной на самодельную, то по разнице показаний, самодельную емкость можно вывести “в нули” с эталонной, с точностью намного большей чем метод измерения зарядами. Поскольку большинство проблематики измерительного тракта будет равно в обоих случаях.

Ну а пока вот вам на закуску фотки не метрологичной меры КМЕ-101 10 пФ.

Заметили, что специализированный LCR-метр ручник ее измеряет хуже???  laugh laugh laugh

Теперь запасаемся попкорном и ждем еще 3 чемодана мер емкости, в том числе с метрологией!!! popcorm

Добавить комментарий