Státní etalon magnetického toku

Název etalonu: Státní etalon magnetického toku

Kódové označení: ECM 260-1/01-011

Rok vyhlášení: 2001

Pracoviště: odd. 8017 ČMI LPM Praha

Garant: Ing. Michal Ulvr, Ph.D.

Počet zajišťovaných CMC řádků: 5

Magnetický tok patří mezi hlavní veličiny popisující magnetické pole. Magnetický tok Φ je plošný integrál magnetické indukce. Jednotkou magnetického toku je weber (Wb). Jeden weber se rovná jeden tesla krát jeden čtverečný metr. Vztah jednotky magnetického toku k jednotkám elektrických veličin je zřejmý z následující starší definice. Jeden weber je magnetický tok, který indukuje v závitu jej obepínajícím elektromotorické napětí jednoho voltu, zmenšuje-li se tento tok rovnoměrně tak, že za jednu sekundu zanikne.

Etalony magnetického toku spolu s etalony magnetické indukce a etalony magnetického momentu (celkové plochy závitů) tvoří vzájemně propojený celek metrologického zabezpečení měření veličin magnetického pole. Velmi zjednodušeně pro magnetický tok Φ (Wb) platí:

kde B je magnetická indukce (T) a S je konstanta magnetického momentu nebo plocha závitu (Wb×T^-1 nebo m²). Ze dvou z těchto veličin lze odvodit nebo navázat třetí zbývající. Jako etalony magnetického toku se nejčastěji využívají cívky s dvojím vinutím – vhodné etalony vzájemné indukčnosti, nejvíce s jmenovitou hodnotou 10 mWb×A^-1. Po delším více než desetiletém zkoumání byla řada zdánlivě kvalitních typů cívek (Sullivan, Tinsley, RFT), které jsme měli k dispozici, vyřazena a byly vybrány dvě cívky vlastní výroby a dvě cívky výroba Točelektropribor, všechny s odděleným primárním a sekundárním vinutím válcového tvaru. Soubor těchto čtyř cívek byl v roce 1980 vyhlášen československým státním etalonem.  Po průběžném sledování a výzkumu a novém vícenásobném mezinárodním navázání byl tento skupinový etalon schválen a vyhlášen českým státním etalonem v roce 2001. V roce 2004 byl ze státního etalonu vyškrtnut jeden z etalonů Točelektropribor a byl nahrazen dalším etalonem vlastní výroby z roku 1977, který má označení č. 7706. Také byla změněna (snížena na polovinu) a schválena nejistota státního etalonu. Tím byla také upravena hodnota státního etalonu. Etalony – členy státního skupinového etalonu jsou řadu let nejméně jednou do roka vzájemně porovnávány, přičemž udržujeme a uchováváme aritmetický střed jejich hodnot.

Hodnotou státního etalonu magnetického toku je aritmetický střed hodnot etalonů – členů tohoto skupinového etalonu:

                                      9,99080 mWb×A^-1  s nejistotou (k = 2) 0,0006 mWb×A^-1 

Současné hodnoty etalonů členů státního etalonu jsou podle měření na konci roku 2018 :

Etalony magnetického toku slouží mimo jiné i ke kalibracím webermetrů (fluxmetrů), které měří integračním způsobem impuls napětí odpovídající změně magnetického toku. Tyto přístroje slouží i při porovnáváních etalonů magnetického toku. Měří se rozdíl indukovaných impulsů v sekundárních vinutích při skokové změně proudu (vypnutí nebo zapnutí) v primárních vinutích. Tyto citlivé webermetry jsou důležitou součástí etalonážního zařízení pro státní etalon magnetického toku. Používáme dva mikrowebermetry F191 (závod Etalon, St. Petersburg) vybavené fotoelektrickými zesilovači, mikrowebermetr 702P (LDJ, USA) nebo digitální webermetr DFM-R (Eckel, Německo). Dalšími nutnými součástmi etalonážního zařízení jsou etalonové odpory (Guildline) spolu s voltmetry (HP 34401A, 3458A) a odporové dekády.

Druhou možností návaznosti etalonů magnetického toku je návaznost na etalony elektrické impedance při nízkém kmitočtu. Cívkové etalony magnetického toku jsou identické s etalony vzájemné indukčnosti M (jednotka Henry, H), které jsou určeny pro periodicky proměnný elektrický proud.  Jejich hodnoty se neliší v rámci zde uváděných nejistot a námi používaných typů etalonů pro kmitočty do zhruba 30 Hz. Pro vyšší kmitočty se uplatňují parazitní kapacity a rozdíly v hodnotách s kmitočtem vzrůstají. Prostřednictvím speciálních můstků může být navazována vzájemná indukčnost na etalony elektrické kapacity a odporu resp. elektrického napětí, které jsou dnes ve svých realizacích kvantovými jevy mezi elektrickými veličinami nejpřesnější. Tato návaznost (kalibrace našeho etalonu) byla uskutečněna při kmitočtu 20 Hz v únoru 1996 v NPL v Teddingtonu u Londýna a opakována v květnu 1998. Udaná nejistota 0,0015 mH (což odpovídá 0,0015 mWb×A^-1 ) byla větší než u našich jiných možností a tak jsme tuto cestu prozatím opustili.

V roce 2019 byla vypracována analýza možnosti zajištění návaznosti jednotlivých členů etalonu magnetického toku na primární etalony elektrických veličin. Byla realizována metoda měření vzájemné indukčnosti z napětí indukovaného na sekundárním vinutí etalonu při proudu procházející primárním vinutím měřeného na etalonu odporu při nízké frekvenci (16 Hz nebo 32 Hz), který je zapojen do série s primárním vinutím etalonu toku. Pro měření sekundárního napětí a primárního proudu byly použity dva multimetry 3458A. Pro zvýšení přesnosti měření napětí při uvedených frekvencí byl v daném softwaru navíc aplikován Swerleinův algoritmus. Při použití dané metody a vybavení je možné dosáhnout rozšířené nejistoty 182 ppm (při použití SW bez Swerleinova algoritmu) popř. rozšířené nejistoty 50 ppm (při použití SW se Swerleinovým algoritmem). Rozdíly od DC hodnoty zjištěné interním porovnáním byly 25 ppm (bez Swerleinova algoritmu) resp. 109 ppm (se Swerleinovým algoritmem). Bylo tak prokázáno, že testovaná metoda je vhodná pro kalibrace členů státního etalonu magnetického toku.

Měřením magnetického toku a porovnáváním etalonů magnetického toku se naše pracoviště zabývá od roku 1964. Do 1990 byl etalon porovnáván s etalonem VNIIM v St. Petersburgu, to byl absolutní etalon tzv. Campbellovy cívky, kde hodnota magnetického toku resp. konstanta etalonu byla vypočtena na základě velmi přesného a komplikovaného měření rozměrů. Poslední porovnání s tímto etalonem bylo v roce 1988. V roce 1996 a 1998 byl etalon navazován v NPL v Londýně. V roce 2001 začal na návrh ČMI Euromet Project No. 597- přeznačen EUROMET.EM.M-S1 „Intercomparison of magnetic flux by means of coil tranfer standard“. Pilotní laboratoří bylo ČMI a zúčastnili se kromě ČMI: NPL (Teddington), PTB (Braunschweig), IEN (Torino) a VNIIM (St. Petersburg). Úloha skončila úspěšně v roce 2003. Jako transfer etalon sloužil jeden z etalonů – členů státního etalonu označený č. 7704. Kromě klíčového porovnání magnetické indukce (2001), předchozího porovnání magnetické indukce (1998), tohoto porovnávání magnetického toku (2003) a dvoustranného porovnání s VNIIM, Rusko (2017-2018) žádné celoevropské nebo celosvětové porovnávání magnetických veličin neproběhlo.