Сегодня мы с Вами попробуем применить тяжелое метрологическое вооружение, для повышения точности передачи “калибра”, с помощью прибора не обладающего высокой точностью, и посмотрим к чему это приведет.
Далеко не всегда есть возможность воспользоваться прецизионной измериловкой, а ту или иную задачу нужно выполнить. Здесь может помочь метод компарирования с замещением, который мы рассмотрим.
Благодаря развитой в РФ преступности, которая помимо типичного для этой страны “распиздяйства”, занимает лидирующие позиции в моем личном чарте “РФ Top 10”, так вот… благодаря ей я получил назад мои меры. Похититель связался со мной, назначил выкуп за мои меры, который был безоговорочно выплачен.
Теперь моя лаба пополнилась теми-самыми КМЕ-шками о которых я грежу уже довольно давно.
Но помимо этого я успел заполучить еще один набор КМЕ-11, состояние которого мне необходимо оценить перед тем как слать его на поверку. Никаких прецизионных измерителей способных измерить такие малые емкости у меня пока нет, зато у меня есть подающий надежды приборчик NJ100S, который конечно то еще г… но ничего лучше не нашлось пока-что.
Его характеристики не только “посредственные”, но и даже я-бы сказал что они вовсе не определены. Как можно таким прибором делать какой-то присижн? Когда у него практически отсутствуют какие-либо стабильные прецизионные элементы, на основе которых он мог-бы хранить калибровку. Ответ на этот вопрос очень прост: надо ему такой элемент добавить 
Издревле известен метод компарирования(сравнения) методом перестановки, в котором сравниваются две сущности, одна из которых полностью известна(определена) а вторая не известна. То есть, экстраполировав это на мою задачу – если поочередно к NJ100S подключать сначала эталонную меру, а потом неизвестную меру, то NJ100S будет в таком измерении выступать только как компаратор и многие ошибки такого измерения сами собой исчезнут. А вычисление неизвестного значения из известного производится по формуле которую я ранее упоминал.
Этот метод позволяет измерителю уйти от технически сложного поддержания высокой точности измерения абсолютных величин, к более простому относительному измерению, высокая точность которых технически куда-проще реализуема. Но надо помнить, что все значения, как эталонное, так и неизвестная величина должны быть близки друг к другу, чтобы ошибки масштаба, нелинейностей и т.п. нивелировались.
Попробуем!
Конечно-же мне пришлось найти листик бумажки и ручку, 
поскольку данные с моего NJ100S не передаются на ПК.
Так как на малых значениях емкости NJ100S довольно шумная хрень, то при каждом подключении к каждой мере, было снято 5 отсчетов с параметрами прибора Speed=slow, Average=255. После этого мера заменялась, и снималось еще 5 отсчетов. Для нивелирования дрейфа прибора, процесс повторялся 3 раза.
По результату обмера была составлена таблица.
- Зеленые клетки – эталонная мера.
- Желтые – сравниваемая.
- Cref(Cdut) зеленые значения – результат полученный при поверке меры, желтые значения – результат калькуляции исследуемой меры, тоесть тот самый что получается по формуле выше.
Можно видеть, что почти везде присутствует постоянное смещение всех значений “в плюс”, на 1-1.5 фемто-фарады, но оно при этом методе измерения абсолютно не играет роли, т.к. значения мер вычитаются и это смещение сводится в ноль.
По результатам калькуляции стандартной девиации(СКО), можно видеть, что она ни на одной мере не превысила значение в 0.1 фемто-фарады, это позволяет численно оценить разброс значений. Поскольку прибор работает только как компаратор, точностные характеристики таких измерений не ограничиваются точностью самого прибора, и в плотную приближаются к параметрам относительной стабильности прибора. А стабильность можно оценочно прикинуть мат. статистикой, по этому девиация как никогда важна при оценке проведенных измерений.
Если величину девиации перевести на относительные величины, то видно до какого предела точности этот метод работает. Конечно, это очень грубая оценка и на самом-то деле она не показывает действительную ошибку сравнения, но чисто эмпирически позволяет ощутить качество произведенного сравнения.
Ожидаемо, что на мерах 10 и 1 фемто-фарады измерения носят исключительно справочный характер, но я с уверенностью могу сказать, что 3 из 5 мер очень близки к своим номинальным значениям. А значит комплект мер скорее всего исправен, и смысл послать его на поверку есть.
Чтобы еще больше повысить достоверность измерения можно увеличить количество циклов перестановки. Тут был-бы полезен график девиации Аллана, для оценки того насколько это имеет смысл, но его построение без сопряжения с ПК почти нереально.
Есть и другой способ повышения достоверности – создание системы эталонов и ее усреднение. То есть если взять не один эталон, а несколько одинаковых, то получится групповой эталон. Если его действительные и измеренные значения усреднить, достоверность повысится. По этому самые пиздатые эталоны обычно “групповые” 3 и более штук.
При двух эталонах и пяти итерациях перестановки, турки кофе уже не достаточно. Надо заваривать целый чайник кофе… 
Сам файлик можно скачать тут.
В общем ничего сверхъестественного, обычная математика.
Я оцениваю точность такого компарирования как, лучше ±0.2fF. Что для китайской поделки за 100 баксов – наипиздатейший результат. То что эта точность сохраняется в всем диапазоне малых емкостей показывает и сравнение мер 10 пФ между собой.
Поскольку наверняка Ваш “моск” уже давно весь взорвался, перейдем к более приземленным вещам, а именно к хранению мер.
Так как заводские метало-пенопластовые ящики не обеспечивают КМЕ-шкам стойкость к ударам, да и уже прилично морально устарели, то для этих тяжелых(1.1 кг) метрологических боеприпасов был заказан кейс хранения-транспортировки товаров двойного назначения “Калибр 5025“.
Для которого в солид-ворксе был разработан специальный ложемент для КМЕ-11
Через месяц должен приехать, испытаю.
Резюме
Если точность компарирования в ±0.2fF сохранится при комбинации “групповой эталон”+”воздушно-сапфировый конденсатор”, то первые эксперименты по генерации сверх-малых токов должны взлететь!