Поверка и калибровка омметров. Учебное пособие

Принцип действия электронных омметров для измерения сопротивлений до 10 МОм при небольших (до нескольких вольт) напряжениях основан на использовании операционных усилителей с отрицательной обратной связью. На рис. 5 изображена схема такого омметра для измерения сопротивлений преимущественно до 1 МОм.

Рис. 5. Схема электронного омметра с операционным усилителем для измерения сопротивлений до 1 МОм

ИОН – источник опорного напряжения E0; A1 – операционный усилитель (усилитель постоянного тока); R1 – добавочное сопротивление; RX – измеряемое сопротивление; ОУ – отсчетное устройство.

Если операционный усилитель A1 – идеальный (бесконечно большой коэффициент усиления, бесконечно большое входное сопротивление, выходное сопротивление равно ноль), напряжение, попадающее на вход отсчетного устройства ОУ, равно:

Из (10) следует, что напряжение линейно зависит от измеряемого сопротивления. Считается, что современные усилители, выполненные на микросхемах, по своим свойствам близки к идеальным.

В качестве отсчетного устройства ОУ в электронных омметрах используются или магнитоэлектрический вольтметр с пределом измерения от 1 до 5В, или аналого-цифровой преобразователь

11

(цифровое отсчетное устройство). На рис. 6 изображена схема подобного омметра для измерения сопротивлений более 1 МОм и, как правило, до 10 МОм.

Рис. 6. Схема электронного омметра с операционным усилителем для измерения сопротивлений до 10 МОм.

Напряжение, попадающее на вход отсчетного устройства ОУ,

Показания такого электронного омметра обратно пропорциональны измеряемому сопротивлению RX, шкала такого прибора имеет существенную нелинейность.

Электронные мегомметры для измерения сопротивления при высоких напряжениях (500, 1000 в и выше) выполняются по схеме, показанной на рис. 7.

Рис. 7. Омметр для измерения сопротивления при высоком напряжении (сопротивление изоляции)

12

–предела допускаемой основной погрешности,

–предела допускаемой вариации,

–максимального значения напряжения на разомкнутых входных зажимах омметра.

В соответствии с [5] предел допускаемых значений погрешности

омметров должен нормироваться указанием класса точности. С нашей точки зрения, здесь допущена терминологическая неточность – класс точности не является метрологической характеристикой ни по [1], ни по [3]. Класс точности (КТ) – обобщенная характеристика. Также КТ называют классификацией по приведенной погрешности. Необходимо отметить, что в метрологии приведенная погрешность не используется в качестве характеристики погрешности измерений. КТ позволяет судить о том, в каких пределах находится погрешность, но не является непосредственным показателем точности измерений, так как погрешность зависит и от метода, и от условий измерений и т.д. Приборы класса точности 0,05; 0,1; 0,2; 0,5 применяются для точных лабораторных измерений, и называются прецизионными. В технике применяются приборы классов 1,0; 1,5: 2,5 и 4,0 – технические. КТ прибора указывается на шкале. Если на шкале такого обозначения нет, то данный прибор внеклассный, т.е. его приведенная погрешность превышает 4 %.

Для омметров нормируется предел допускаемой основной приведенной погрешности, выражаемый формулой:

где Д0P – предел допускаемой основной абсолютной погрешности в Ом; RN – нормирующее значение сопротивления.

Абсолютная погрешность средства измерений – погрешность, выраженная в единицах измеряемой физической величины; в расчетах её принято обозначать греческой буквой ∆. В соответствии с [8] под абсолютной погрешностью ∆ любого средства измерений (прибора или преобразователя), понимают разность между прямыми функциями преобразования устройства – между номинальной функцией Y = FN(X) и фактической Y = F(X), определяемой экспериментально.

14

Под прямой функцией преобразования понимается зависимость показания устройства от значения измеряемой величины:

Значение предела допускаемой основной приведенной погрешности используется для обозначения класса точности (КТ) омметров.

У омметров нормирующее значение сопротивления RN должно указываться в нормативной документации на прибор [3], [5].

Для омметров с существенно нелинейной шкалой приведенную погрешность выражают в процентах от длины шкалы:

погрешности, выраженный в единицах длины шкалы; LN нормирующее значение длина шкалы прибора (мм).

При поверке омметра показания поверяемого прибора

ипоказания рабочего эталона получают в единицах сопротивления

ив этих же единицах рассчитывают значение абсолютной

погрешности омметра R. Для того, чтобы переходить от R к L и обратно, используется особая метрологическая характеристика – чувствительность S омметра, которая не нормируется в документации на приборы. По определению чувствительность S омметра равна производной длины шкалы по приращению измеряемого сопротивления:

У приборов, построенных по схемам рис. 1, 2, 6, 7, шкалы существенно нелинейные, а отклонение стрелки обратно пропорционально значению измеряемого сопротивления:

15

где RAV – показание омметра, соответствующее середине длины шкалы LN; R – текущее показание омметра.

Уприборов, построенных по схеме, представленной на рис. 5, шкала линейная, нормирование в процентах от длины шкалы для них не применяется.

Улогометрических приборов, представленных на рис. 3 и рис. 4, функция F (см. формулы (8), (9)) может быть нелинейной, поэтому формула (17) для этих приборов НЕПРИМЕНИМА. Значение чувствительности этих приборов следует определить экспериментально, отдельно для каждой проверяемой отметки шкалы.

На основании зависимости (14) переход от выражения абсолютной погрешности в Ом к ее выражению в мм и обратно выполняется по формуле:

При поверке омметров необходимо знать пределы допускаемых значений основной погрешности в абсолютной форме 0P.

При указании нормирующего значения RN сопротивления в Ом:

где K — обозначение класса точности.

16

При указании нормирующего значения RN в Ом как разности верхнего и нижнего пределов диапазона измерения RN = (RВ - RH):

Вариация показаний омметра по физической сущности представляет собой сумму погрешностей, обусловленных зоной нечувствительности и гистерезисом показаний. Погрешность, обусловленная наличием зоны нечувствительности, представляет собой случайную величину, распределенную в пределах зоны нечувствительности по закону равной плотности. Погрешность гистерезиса не случайна, она обусловлена магнитными свойствами материала, из которого выполнена магнитная система измерительного механизма, от направления изменения измеряемой величины и предыстории изменений измеряемой величины за все время работы прибора! Максимальное значение погрешности от гистерезиса можно

межгосударственный стандарт [5] вариацию показаний рассматривает как составную часть основной погрешности и не выделяет как самостоятельную метрологическую характеристику. Это требование противоречит не только основополагающему документу [1], но и международной практике (например, [9]). Оно исключает необходимость контроля качества материала, из которого изготовляется магнитопровод прибора, что неизбежно приводит (из-за стремления производителя снизить себестоимость производства) к ухудшению качества и метрологической надежности приборов.

17

Поскольку [6] предусматривает (что безусловно правильно) операцию по проверке вариации показаний, покажем ее проявление

спомощью рис. 8, на котором показана градуировочная

характеристика измерительного преобразователя в соответствии с требованиями [1].

Рис. 8. Градуировочная характеристика

На рис. 8 обозначено:

1 – номинальная прямая функция преобразования;– значения силы выходного тока, полученные при изменении

силы входного тока в сторону увеличения; * – значения силы выходного тока, полученные при изменении

силы входного тока в сторону уменьшения; 2 – максимальное по модулю значение погрешности;

3 – средняя градуировочная характеристика при увеличении силы входного тока;

4 – средняя градуировочная характеристика при уменьшении силы входного тока;

5 – средняя градуировочная характеристика;

18

6 – максимальное по модулю значение систематической погрешности;

7 – максимальное значение вариации;

8 – максимальное значение repeatability (однозначного перевода термина нет, приближенно) – размах случайной погрешности, например погрешность, обусловленная наличием порога нечувствительности);

9 – линия terminal based line (соответствующего русского термина нет) – прямая линия, соединяющая начало и конец кривой, средней градуировочной характеристики. От нее в России принято отсчитывать нелинейность;

10 – максимальная нелинейность (terminal based linearity).

Вариацию показаний омметра определяют для каждой числовой отметки шкалы одного из его диапазонов. С этой целью указатель омметра плавно подводят к поверяемой отметке R сначала с одной стороны, потом с другой, изменяя сопротивление эталонного магазина. Записывают полученные значения сопротивления магазина Rд1 и Rд2, которые принимают за действительные значения.

Вычисляют погрешности R и вариацию показаний b в абсолютной форме по формулам:

R1 = R – Rд1; R2 = R – Rд2; b = Rд1 – Rд2 .

Затем вычисляют вариацию показаний в форме нормирования:

в приведённой форме для магнитоэлектрического омметра по формулам:

1 = 100·SR R1/Lш; 2 = 100·SR R2/Lш; b = 1 – 2 ;

в приведённой форме для электронных омметров с линейной шкалой по формулам:

1 = 100 R1 (Rв – Rн), 2 = 100 R2 (Rв – Rн), b = 1 – 2 ;

в относительной форме для электронных омметров с нелинейной шкалой по формулам:

1 = 100 R1 R, 2 = 100 R2 R, b = 1 – 2 .

19

На остальных диапазонах омметра вариацию показаний определяют на двух отметках, одна из которых отметка

смаксимальной погрешностью, другая – с минимальной

погрешностью. При поверке магнитоэлектрических омметров и электронных омметров с нелинейной шкалой эти отметки следует выбирать среди погрешностей, вычисленных в приведённой форме соответственно. Выбор поверяемых отметок среди абсолютных погрешностей неминуемо приведёт к ошибочным результатам. При поверке электронных омметров с линейной шкалой эти отметки можно выбирать среди погрешностей, вычисленных как в приведённой форме, так и в абсолютной.

Последняя из рассматриваемых нами метрологических характеристик – напряжение на измерительных зажимах омметров при разомкнутой цепи – относится по [1] к группе характеристик, описывающих влияние измерительного устройства на объект измерения. Оно не должно отличаться от номинального значения более чем на 10 %. Указание этой характеристики обязательно для омметров, в которых для создания рабочего напряжения используются встроенные электромеханические или электронные генераторы высокого напряжения.

5. Методика поверки и калибровки омметров

Поверка омметров выполняется в соответствии с требованиями ГОСТ 8. 409–81 [6]. К дате написания данного пособия нет каких-либо нормативных документов по методике калибровки омметров, поэтому при калибровке рекомендуется ориентироваться на методы, предусмотренные указанным стандартом на поверку.

5.1. Операции поверки

Стандарт [6] устанавливает при периодической поверке омметров следующие операции:

1.Внешний осмотр.

2.Опробование.

20