Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Поверка средств измерений электрических величин. Учебное пособие
.pdf
91
э
f
— токовая погрешность эталонного трансформатора тока.
Рассмотренный метод применяется для поверки трансформаторов классов
точности 1 и ниже, так как сказывается непостоянство первичного тока и наличие субъективной погрешности при снятии показаний двух приборов.
Более совершенным является дифференциально-нулевой метод, реализованный в специальных установках для поверки измерительных трансформаторов, например, К535.
Суть метода заключается в компенсировании падения напряжения на активном резисторе R (рис. 3.13) при протекании по нему тока, равного разности
вторичных токов поверяемого трансформатора
п
I
и эталонного
э
I
.
Компенсирующее напряжение формируется с помощью двух трансформаторов Т и М, включенных в цепь с током
э
I
. Падение напряжения на рео-
хорде А совпадает по фазе с током
э
I
, а напряжение на реохорде B сдвинуто
по фазе на 90º по отношению тока
э
I
.
Рис. 3.13. Схема поверки трансформатора тока
дифференциально-нулевым методом
Отсчеты по реохордам А и В при отсутствии тока в нуль-индикаторе
(НИ) равны соответственно
( )
эп II
ff −
и
( )
эп
δδ
II
−
.
Из современных разработок аппаратур для поверки измерительных
трансформаторов тока и напряжения как в условиях лаборатории, так и на месте установки трансформаторов можно отметить разработку НПП Марс-Энерго
Энергомонитор 3.3.
Она позволяет поверять трансформаторы с классом точности 0,2 и ниже.
Для поверки необходимы лишь соответствующий эталонный трансформатор и нагрузочные сопротивления.
92
ГЛАВА 4. МЕРЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН
4.1. ОБЩИЕ ЗАМЕЧАНИЯ
Для осуществления процесса измерения необходимо физически воспроизвести и хранить единицы ФВ. В соответствии с РМГ-29-99 средство измерений, предназначенное для воспроизведения ФВ заданного размера, называется
мерой.
Различают однозначные меры, воспроизводящие ФВ одного размера;
многозначные меры, воспроизводящие несколько одноименных ФВ различного
размера; наборы мер, под которыми понимаются специально подобранные
комплекты мер, которые могут применяться как в отдельности, так и в различных сочетаниях. Набор мер, объединенных в одном корпусе, снабженный
переключателем, позволяющим включать меры в различных сочетаниях, называют магазином мер.
К мерам электрических величин предъявляются общие требования. Важнейшим из них является стабильность параметров меры во времени и высокая
точность подгонки действительного значения меры к номинальному значению.
Особенно важно обеспечить стабильность параметров меры. Погрешность подгонки параметров может быть определена при поверке или калибровке меры и в
дальнейшем учтена путем введения поправок. Погрешность же меры, вызванная нестабильностью меры, не поддается исключению и входит в окончательный результат измерения.
С мерами электрических величин поверителю приходится сталкиваться и
как с объектом поверки, и как с ЭСИ. Конструктивно рабочие и эталонные меры в большинстве случаев ничем не отличаются друг от друга. В практике измерений электрических величин наибольшее распространение получили меры
ЭДС, напряжения, тока, сопротивления, емкости и индуктивности.
4.2. МЕРЫ ЭДС И ИХ ПОВЕРКА
В качестве мер ЭДС применяются нормальные элементы (НЭ). Они представляют собой гальванический элемент, ЭДС которого известна с высокой
точностью и отличается большим постоянством во времени.
Существуют два вида НЭ: насыщенные и ненасыщенные. Первые обладают лучшей стабильностью параметров и их воспроизводимостью. Достоинство ненасыщенных НЭ — сравнительно малое внутреннее сопротивление,
93
крайне малый температурный коэффициент, которым иногда можно пренебречь, меньшая чувствительность к тряске и вибрациям.
Основные МХ НЭ: значение ЭДС при нормальной температуре, зависимость ЭДС от температуры, временная нестабильность и внутреннее сопротивление.
Характерным для НЭ является отсутствие понятия номинального значения меры. Это происходит вследствие того, что ЭДС НЭ при нормальных
условиях не равна «круглому» значению и может отличаться от экземпляра
к экземпляру.
ЭДС Еt НЭ зависит от температуры t и для насыщенных НЭ может быть
вычислена по формуле:
( ) ( ) ( )
3
8
2
87
20
20102010952010406 −+−−−−=
−−−
tttEE
t
,
где Е20 — ЭДС НЭ при 20 °С, В.
При поверке НЭ выполняются следующие операции: внешний осмотр,
определение действительного значения ЭДС НЭ и ее нестабильности; определение внутреннего сопротивления НЭ.
Поступающие на поверку НЭ должны иметь свидетельство о предыдущей
поверке. Это нужно для того, чтобы определить годовую нестабильность НЭ.
Клеймо должно быть сохранно, корпус и зажимы не должны иметь механических повреждений.
Для измерения ЭДС НЭ применяют метод сличения поверяемого и эталонного НЭ в дифференциальной схеме при помощи компаратора (рис. 4.1),
предварительно выдержав в покое несколько суток и не менее суток непосредственно в термостате.
Поскольку годовая нестабильность ЭДС может быть как положительной,
так и отрицательной, значение ЭДС поверяемого НЭ определяют по формуле
пэп
ЕЕЕ +=
, где
п
Е
— значение, отсчитанное с потенциометра.
Рис. 4.1. Метод сличения поверяемого и
эталонного НЭ в дифференциальной схеме
при помощи компаратора
94
Класс точности НЭ означает годовую нестабильность ЭДС относительно
действительного значения.
Годовую нестабильность НЭ определяют как разность ЭДС, полученных
в результате данной и предыдущей поверок.
Внутреннее сопротивление поверяемого НЭ определяют расчетным путем. Для этого к поверяемому НЭ подключают нагрузочный резистор с сопротивлением 108–109 Ом. Значение сопротивления должно быть известно с погрешностью, не превышающей 2 %. Измеряют напряжение на нагрузочном резисторе с помощью ППТ. Внутренне сопротивление НЭ рассчитывают
по формуле:
нвн
R
U
UE
R
−
=
,
где Е — ЭДС поверяемого НЭ;
Rн — сопротивление нагрузочного резистора;
U
— показание потенциометра.
вн
R
должно быть не более 1 000 Ом.
4.3. КАЛИБРАТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ И ТОКА
Калибраторами напряжения (КН) и тока (КТ) называются устройства,
на выходе которых воспроизводится несколько значений напряжения или тока
с заданной точностью и дискретностью. Калибраторы являются наиболее перспективными ЭСИ напряжения, тока и мощности, позволяющими создать высокопроизводительные автоматизированные средства поверки с широким использованием ЭВМ и микропроцессоров.
Основные технические характеристики калибраторов определяются требованиями, предъявляемыми к ним как к ЭСИ, используемым при поверке
наиболее точных цифровых и аналоговых вольтметров и амперметров. К числу
таких характеристик для калибраторов постоянного напряжения и тока относятся: диапазоны воспроизводимых напряжений и токов; дискретность воспроизведения напряжения и тока; пределы допускаемых основных и дополнительных погрешностей; кратковременная и долговременная стабильность выходного напряжения (тока); уровень пульсаций и шумов; допустимый ток
95
нагрузки для калибратора напряжения и допустимое выходное напряжение
для калибратора тока.
Для калибраторов переменного тока, кроме указанных выше характеристик, нормируются: диапазоны и поддиапазоны частот, погрешности установки частоты, основная погрешность для различных поддиапазонов частот,
коэффициент нелинейных искажений выходного тока или напряжения.
Существует две разновидности калибраторов: универсальные и специализированные.
Универсальные калибраторы (П320, П321) могут работать как в ручном,
так и в автоматическом (программируемом) режимах. Они позволяют получить
на выходе с дискретностью 10
-5
–10
-6
любые значения тока или напряжения. Так,
калибратор напряжения П320 позволяет получить напряжение в диапазоне
от 10-5 до 1 000 В с погрешностью от ±10 мкВ до ±55 мВ.
Допустимое значение тока в нагрузке от 15 мА до 200 мА.
Калибратор тока П321 выдает калиброванные токи в диапазоне от
9
10
−
до 10 А с погрешностью от ±0,01 мкА до ±10 мкА.
Специализированные калибраторы позволяют получать на выходе значения токов или напряжений, соответствующих числовым отметкам шкал поверяемых приборов.
Калибраторы с ручным управлением имеют устройства совмещения указателя с отметкой на шкале поверяемого прибора.
Шкала этого устройства градуируется в процентах, делениях шкалы, допускаемых абсолютных погрешностях поверяемого прибора.
Важным для калибраторов параметром является допустимая нагрузка выходных цепей, при превышении которой возрастает погрешность калибратора.
Калибраторы обычно оснащены системой защиты от перегрузки, отключающей выход калибратора, если нагрузка превышает допустимую. Большинство калибраторов, разработанных для поверки электронных вольтметров,
по нагрузочной способности непригодны для поверки электромеханических
приборов прямого действия. Из серийно выпускаемых калибраторов постоянного тока для поверки электромеханических вольтметров и амперметров могут
быть использованы калибраторы П320, П321 и установка У358 на их основе.
96
4.4. МЕРЫ СОПРОТИВЛЕНИЯ
В качестве мер электрического сопротивления применяют измерительные
катушки электрического сопротивления (однозначные меры электрического сопротивления — ОМЭС) и наборы мер — измерительные магазины сопротивления (многозначные меры электрического сопротивления — ММЭС). Диапазон номинальных сопротивлений серийно выпускаемых мер находится
в пределах от 10-4 до 1015 Ом.
Большое распространение получили измерительные катушки, изготовленные из манганиновой проволоки или ленты, намотанной на каркас из изоляционного материала.
В последние годы разработаны измерительные резисторы на базе печатной технологии. Печатные резисторы делают из фольги различных резистивных сплавов. Фольга подвергается термической и химической обработке,
в результате чего устраняются внутренние механические напряжения, стабилизируется удельное электрическое сопротивление, уменьшается зависимость сопротивления от температуры. Полученные таким образом резисторы не нуждаются в длительном процессе старения.
Старение — технологический прием стабилизации параметров резисторов, выполненных из манганина. Механические воздействия на манганин (изгибание, подпиливание, пайка и т.п.) вызывают в нем структурные изменения,
влияющие на стабильность сопротивления. Изменение сопротивления
во времени приводит к возникновению погрешности. Резисторы из манганина и
приборы, содержащие такие резисторы, подвергают искусственному старению — циклическому нагреву при температуре 120–130 ºС в течение 48 часов
с последующим полным остыванием между циклами.
Обычно достаточно трех-четырех циклов. Окончательная стабилизация
достигается при длительном естественном старении.
Высокое удельное сопротивление фольги позволяет создавать резисторы
малых размеров, что, в свою очередь, влечет уменьшение реактивной составляющей.
Меры сопротивления, предназначающиеся для работы при больших токах, снабжаются устройством масляного охлаждения.
При создании мер, предназначенных для работы в цепях переменного тока, применяют различные способы, позволяющие свести к минимуму остаточные индуктивность и емкость меры (бифилярная намотка, использование
97
в качестве каркаса тонкой пластины, секционированная намотка со специальным включением секции и т. п.).
Для таких мер с сопротивлением от 10 до
7
10
Ом постоянная времени (τ)
должна быть соответственно не более (1–8000)
8
10
−
с.
Однозначные меры (катушки электрического сопротивления) характеризуются следующими параметрами:
• номинальное сопротивление — значение, указанное на мере или при-
писанное ей. Номинальное значение меры должно выражаться числом 10n, где
n — целое вещественное число. При работе с ОМЭС обычно пользуются
не номинальным значением меры, а ее действительным значением, определен-
ным при поверке и указываемым в паспорте или свидетельстве о поверке;
• стабильность ОМЭС, которая характеризует изменение ее сопроти-
вления за один год, выраженное в процентах номинального значения. Это изменение не должно превышать для ОМЭС класса точности 0,01 и выше значения, численно равного классу точности. Для менее точных катушек оно не нормируется;
• допустимая нагрузка ОМЭС характеризуется значениями номиналь-
ной и максимальной мощности (тока, напряжения). Первое из них определяет
наибольшее значение приложенной мощности, при котором гарантируется указанный класс точности. При отклонении значения мощности от номи-нального
до любого, не превышающего максимального, допускается появле-ние дополнительной погрешности, которая не должна превышать значения, численно
равного классу точности.
Действительное значение сопротивления ОМЭС Rt (в омах) при изменении температуры окружающей среды в пределах рабочих температур определяется по формуле:
( ) ( )
2
ном20
20β20α −+−+= ttRRR
t
,
где R20 — действительное значение сопротивления ОМЭС при температуре
20 °С, Ом;
и — коэффициенты, определяемые для каждой ОМЭС экспериментально; допустимые значения и нормируются стандартом.
Класс точности ОМЭС понятие не однозначное. Если на ОМЭС обозначен ГОСТ 23737-90, то число, обозначающее класс точности (0,01 и выше),
98
означает стабильность, а класс точности 0,02 и ниже — допускаемое отклонение действительного сопротивления от номинального.
Для ОМЭС, выпущенных по ранее действующим стандартам, класс точности численно равен допускаемому отклонению действительного сопротивления от номинального независимо от точности меры.
Многозначные меры (магазины сопротивления ММЭС), по конструкции
переключающих устройств, делятся на МСШ (магазин сопротивления штепсельный), МСЗ (магазин сопротивления зажимной), МСР (магазин сопротивления рычажный). Резисторы магазина сопротивления сгруппированы в декады (переключающее устройство имеет 10 значений). Число декад (1–7) и значение сопротивления одного деления низшей и высшей декад определяет максимальную величину сопротивления магазина и её дискретность. С помощью таких мер можно получить сопротивления в диапазоне от 0,01 до 1010 Ом.
Важным параметром магазина сопротивления является начальное сопротивление, соответствующее нулевым позициям всех переключателей. Это,
по существу, сумма контактных сопротивлений зажимов, переключателей и сопротивление внутренних соединительных линий.
Начальное сопротивление
0
R
(в омах) для магазинов с сопротивлением
105 и менее определяется по формуле
maR =
0
, где m — число декад магазина;
a — коэффициент, зависящий от класса точности моста (0,001–0,01).
Так, для моста МСР-60М, класса точности 0,02 с шестью декадами и ценой единицы ступени низшей декады, равной 0,01 Ом:
0
6 0,003 0,018 ОмR ma= = =
.
Вариация начального сопротивления не должна превышать значения
0
0,1R
.
Начальное сопротивление суммируется с выставленным на магазине сопротивлением.
Класс точности ММЭС обозначается в виде отношения двух чисел c/d
или одним числом с.
Для ММЭС, изготовленных по ГОСТ 23737-90, предельное значение основной относительной погрешности магазина в процентах от номинального
значения включенного сопротивления определяется по формуле:
−+= 1δ
max
доп
R
R
dс
%, (4.1)
99
где c и d — числа, составляющие обозначения класса;
R
max
— наибольшее значение сопротивления ММЭС, Ом;
R — номинальное значение включенного сопротивления, Ом.
Для ММЭС, изготовленных по ранее действующим стандартам, предельное значение δ
доп
= ± с, либо определяется по формуле:
+=
R
m
dс
доп
δ
(4.2)
в соответствии с табл. 4.1.
Таблица 4.1
Класс точности
m
δ
доп
%
0,01–0,05
1, 2, 3, > 3
± с по форм. (4.2),
где d=0,02
0,1
1, 2, > 2
± с по форм. (4.2),
где d=0,04
0,2–1
1, 2, > 2
± с по форм. (4.2),
где d=0,1
4.5. ПОВЕРКА МАГАЗИНОВ СОПРОТИВЛЕНИЙ
При поверке магазинов сопротивления выполняют следующие операции:
внешний осмотр; определение среднего значения начального сопротивления и
его вариации; определение действительных значений сопротивлений магазина;
определение сопротивления изоляции (только при поверке магазинов с сопротивлением одной ступени высшей декады 104 Ом и более).
Методы поверки и эталонные средства измерений определены государственной поверочной схемой для средств измерений электрического сопротивления. Эталонные средства измерений должны позволять измерять действительные значения сопротивлений, установленные на поверяемом магазине,
с погрешностью, не превосходящей 1/3 предела основной допускаемой погрешности поверяемого магазина. Целесообразно применять эталонные меры и компаратор такой точности, чтобы их суммарная погрешность не превышала 1/5
предела допускаемой погрешности поверяемого магазина. Это позволит
при поверке не учитывать поправки к показаниям эталонных средств измерений.
100
При выборе эталонных средств измерений следует иметь в виду, что многодекадные магазины сопротивления имеют разный предел допускаемой основной погрешности при разных значениях установленных сопротивлений.
При внешнем осмотре магазинов сопротивлений обращают внимание
на наличие заводских пломб (отсутствие пломб — лишний повод усомниться
в точности магазина), на надежность зажимов.
Декадные переключатели должны иметь плавное переключение с четкой
фиксацией позиций, штыревые переключатели должны обеспечивать надежное
соединение панелей (конусная поверхность штыря и гнезда должна иметь чистую, хорошо притёртую поверхность).
Перед измерением начального сопротивления все переключатели декад
проворачивают от упора до упора 4–5 раз, а штыри поворачивают вправо-влево
с легким нажимом, обеспечивая тем самым надежный контакт в гнездах.
Начальное сопротивление обычно лежит в пределах от 0,01 до 0,1 Ом, поэтому пригоден любой метод измерения сопротивления такой величины.
Измерения проводят четыре раза, притирая каждый раз переключатели, и
значение начального сопротивления рассчитывают по формуле:
4
4
1
0
0
=
=
k
k
R
R
.
Вариация начального сопротивления ΔR0 определяется как разность между максимальным и минимальным из измеренных значений начального сопротивления. Ни R0, ни ΔR0 не должны превышать предельных значений.
Измерение действительных значений сопротивлений магазина выполняется двумя способами: комплектно и поэлементно. Комплектный способ предполагает подекадное измерение сопротивлений нарастающим итогом. При этом
переключатели декад, не участвующих в измерениях, устанавливаются в нулевые или наименьшие позиции.
Измерение выполняется с помощью мостов, потенциометров или компараторов сопротивления.
Если измерение выполняется с помощью двойного моста, потенциометра
или компаратора, то номинальное значение эталонного резистора выбирается
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]