Файл: Электрические измерения. Общий курс учебник.pdf

Решением уравнения (24) или исследованием его при помощи мате­ матической модели для решения уравнений можно определить время установления выходного сигнала и влияние на его величину отдель­ ных звеньев и их параметров. В гл. 3 рассмотрены характеристики переходного процесса для некоторых приборов. При исследовании средств измерений компенсационного преобразования (замкнутой структуры), например в соответствии со схемой рис. 7, необходимо аналогичным путем составить дифференциальное уравнение для вы­ ходного сигнала. Если цепь обратного преобразования обладает также инерционностью, то порядок дифференциального уравнения повышается и значения постоянных коэффициентов изменяются. Это означает, что характер переходного процесса от введения цепи обратного преобразования может существенно измениться. Оказы­ вается, что в некоторых случаях в замкнутых структурах могут воз­ никнуть длительные, незатухающие колебания, т. е. средство изме­ рения не будет устойчивым в работе и пользоваться им будет нельзя. Потеря устойчивости определяет границу максимального значения глубины обратной связи (величину /cß — см. формулу 19). Устойчи­ вость работы замкнутых структур (критерии устойчивости) рассмат­ риваются в теории автоматического регулирования, полностью приложимой к компенсационным средствам измерения.

4. Эталоны, образцовые и рабочие меры

Эталоны. Эталоном единицы физической величины называют средство измерений (или комплекс средств измерений), обеспечиваю­ щее воспроизведение и (или) хранение единицы с целью передачи ее размера нижестоящим по поверочной схеме средствам измерений. В зависимости от точности воспроизведения единицы измерений и на­ значения эталоны единиц разделяются на следующие: первичный эта­ лон — эталон, обеспечивающий воспроизведение единицы с наивыс­ шей в стране точностью, вторичный эталон — эталон, значение кото­ рого устанавливается по первичному эталону, государственный эта­ лон — первичный или специальный эталон, утвержденный для страны в качестве исходного, рабочий эталон — эталон, применяемый для

31

передачи размера единицы образцовым средствам измерений выс­ шей точности, и в отдельных случаях — наиболее точным рабочим средствам измерений.

Работы, связанные с осуществлением эталонов абсолютных единиц измере­ нии 1 , были начаты во Всесоюзном научио-псследовательоком институте метро­ логии (ВІШІІМ) им. Д . И. Менделеева еще в 1938 г. Практика показала, что наиболее удобным для храпения и передачи значении электрических единиц являются эталоны ома и вольта в виде групп катушек сопротивления и нормаль­

вными величинами. Известно, что единицы мощности и энергии могут быть оп­

чтобы расхождение между различными определениями этих единиц были не­ значительными. Д л я воспроизведения единиц мощности и энергии при электри­

Абсолютные измерения силы тока выполняются при помощи токо­ вых весов. Ампер есть сила неизменяющегося тока, который, про­ ходя по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконеч­ ной длины и ничтожно малого кругового сечения, расположенным на расстоянии і м один от другого в вакууме, вызывает между этими проводниками силу, равную 2-10"7 единиц с и л ы Международной системы на каждый метр длины.

токовыми.

Токовые весы, схематически показанные на рис. И , основаны на измерении силы электродинамического взаимодействия двух соединенных последовательно соленоидов К1 и К2, обтекаемых то­ ком. Для любой конфигурации взаимодействующих контуров, обте­ каемых токами Т1 и І2, сила взаимодействия F выражается формулой:

При / х = / 2 = / и при равновесии весов

где m — масса уравновешивающей гири; g — ускорение силы тяже­ сти; M — взаимная индуктивность соленоидов; х — текущая коор­ дината — перемещение соленоида К1.

Так как M зависит лишь от геометрической формы, размеров соле­ ноидов и их взаимного расположения, значение силы тока с помощью

1Абсолютные единицы измерений и абсолютные системы единиц — единицы

псистемы единиц измерений, основанные на единицах длины, массы и времени.

32

токовых весов определяется через основные единицы длины, массы и времени. Токовые весы, созданные во ВНИИМ им. Д. И. Менделеева, дают погрешность измерения, не превышающую 0,001 "о.

Получение такой точности обеспечивается рядом мероприятий. Например, температура всех частей весов поддерживается постоян­ ной и одинаковой. Этому способствует управление весами и наблюде­

приборов при СМ СССР комплекс измерительных средств, состоящий из токовых весов и аппаратуры для установления значения эта­ лона напряжения, утвержден в качестве Государственного первич­ ного эталона ампера.

Дальнейшее повышение точно­ сти токовых весов связано в ос­ новном с необходимостью повы­ шения точности изготовления со­ леноидов.

ную форму соленоидов, то при расчетах учитываются поправки на конечность сечения провода, неравномерность шага обмотки и др. Государственный пер­ вичный эталон единицы индуктивности (утвержден в 1970 г.) представляет со­ бой комплекс средств измерений, в состав которого входят четыре катушки ин­ дуктивности и мост переменного тока, работающий на частоте 1000 Гц. Мост предназначен для сличения эталонных катушек и для передачи размера единицы рабочим эталонам. Среднее значение индуктивности катушек эталона, определяю­ щее размер единицы, равно 0,0211570 Г. Средняя квадратическая погрешность воспроизведения генри во В Н И И М имеет порядок 1 • 10~6. Средняя квадратиче­ ская погрешность передачи размера единицы составляет 5-10~в . Основными трудностями повышения точности эталона генри являются: сложность создания соленоидов, удовлетворяющих высоким требованиям к их геометрическим раз­ мерам, влияние ряда факторов, не поддающихся точному расчету (поверхност­ ный эффект, влияние внешних электромагнитных полей и др.). Все это привело к развитию метрологических работ, связанных с переходом от применения в ка­ честве первичного эталона группового эталона единицы индуктивности к эта­ лону единицы емкости, основанному на расчетном конденсаторе.

расчетного конденсатора, дающей возможность измерения длины со значительно большей точностью, чем измерения геометрических размеров соленоида, вос­ производящего генри.

Определение размера единицы сопротивлении принципиально может осу­ ществляться на основе известных связей между сопротивлением и индуктивно­ стью (или взаимной индуктивностью) или между сопротивлением п емкостью, практически осуществляемых при помощи различных мостовых и компенсацион­ ных цепей.

Воспроизведение п хранение ома осуществляется с помощью государствен­ ного эталона ома, утвержденного в 1970 г. Этот эталон состоит из 10 гермети­

Наличие методов определения единиц силы тока и электрического сопро­ тивления позволили определить и значение хранимого во ВІІИИМ Государст­ венного эталона вольта (утвержден в 1970 г.). Государственный эталон вольта состоит из 20 насыщенных нормальных элементов и аппаратуры, предназначен­ ной для взаимных сличений э. д. с. нормальных элементов и для передачи раз­ мера единицы рабочим эталонам. Среднее значение э. д. с. группы нормальных элементов эталона, определяющее размер единицы, равно 1,018640 В. Воспроиз­ ведение размера единицы э. д. с. осуществляется со средней квадратической погрешностью порядка 1 - Ю 4 5 . Хранение и передача размера единицы осуществ­

Образцовые и рабочие меры. Образцовыми мерами являются меры, служащие для поверки по ним других средств измерений и утвержден­ ные в качестве образцовых. Образцовой мерой э. д. с. является нор­ мальный элемент. Его э. д. с. отличается от 1 В, но точно известна (см. описание Государственного эталона вольта). Последнее достига­ ется подбором составных частей элемента из строго определенных по химическому составу веществ, точной их дозировкой и строго однообразной конструкцией. Этим при правильном использовании

элемента, и элементы с раствором сернокислого кадмия, не насыщен­ ным при температурах выше -|-40 С.

Устойчивость элемента с ненасыщенным раствором значительно ниже устойчивости нормального элемента с насыщенным раствором, так как от действия электрического тока изменяется концентрация его электролита, а следовательно, и э. д. с. Преимущество элемента с ненасыщенным раствором заключается в меньшем внутреннем со­ противлении (порядка 300 Ом) и очень малом температурном коэф­ фициенте, который при изменении температуры в пределах от 10 до 40° С не превышает 15 мкВ на 1 °С; температурный коэффициент элемента с насыщенным раствором приблизительно в четыре раза больше. Изменение э. д. с. нормального элемента с насыщенным рас­ твором в зависимости от колебаний окружающей температуры можно

34

где Е, — з. д. с. нормального элемента к вольтах щш температуре

Взависимости от точности определения э. д. с. и ее стабильности нормальные элементы подразделяются на классы.

При применении нормальных элементов следует соблюдать ряд предосторожностей: нормальные элементы нельзя трясти и опрокиды­ вать, они должны быть защищены от солнечных лучей, от действия силь­ ных источников света и тепла.

Хранить их необходимо при воз­ можно более постоянной темпера­ туре.

Впрактике измерений, а также

схеме.

К материалу, из которого изготовляются обмотки, предъявля­ ются следующие требования:

1) возможно большее удельное сопротивление; 2) наименьший температурный коэффициент и термо-э. д. с.

впаре с другими металлами (в особенности с медыо);

3)устойчивость металла провода против окисления.

Этим требованиям лучше всего удовлетворяет манганин. Образцовые катушки сопротивления от 0,01 до 0,0001 Ом изго­

товляются из манганиновой ленты или из пластин, а 0,0001 Ом — из широких и сравнительно тонких лент (для лучшего охлаждения); сопротивления выше 0,01 Ом делаются из проволоки.

На рис. 12 показано устройство образцовой катушки сопротивле­ ния. На металлическом или фарфоровом каркасе 4 наматывается об­ мотка 3 из манганиновой проволоки, концы которой припаиваются к зажимам 1 и 2. Каркас катушки крепится к корпусу с отверстиями для лучшего охлаждения обмотки. В некоторых конструкциях кор-