Особенности градуировки образцовых амперметров

Так как эталонный (образцовый) прибор должен быть на 2 - 3 класса точнее градуируемого, для градуировки электроизмерительных приборов классов 0,1; 0,2 и 0,5 приходится использовать аппаратуру, имеющую класс точности не ниже 0,015 – 0,05, например компенсаторы постоянного тока, в которых применяются образцовые меры сопротивлений и э.д.с. – катушки сопротивлений и нормальные элементы. Принцип действия компенсатора постоянного тока виден из схемы, приведенной на рисунке 40.10:

Рисунок 40.10 - Принципиальная схема компенсатора

постоянного тока

Компенсатор является прибором наивысшего класса точности, поэтому к его эксплуатации предъявляются требования, строгое соблюдение которых обязательно. Компенсатор должен содержаться в отдельном помещении при температуре, указанной на его паспорте. Работу. На компенсаторе можно начинать не раньше, чем через сутки после его установки, для того чтобы все его элементы приняли одинаковую температуру.

Гальванометр и нормальный элемент должны быть надежно защищены от сотрясения. Источники питания должны отличаться высокой стабильностью. Регулировка тока в схеме должна быть плавной. На таком компенсаторе можно градуировать на постоянном токе приборы классов 0.2 и 0.5 с очень широким диапазоном пределов измерения: амперметры от 20 мкА до 50 А.

Упрощенная схема полуавтоматического компенсатора приведена на рисунке 40.11:

Рисунок 40.11 - Упрощенная схема полуавтоматического компенсатора

Он включает в себя как бы два компенсатора: декадный и автоматический, в состав которого входят фотоэлементы, резистор, микроамперметр, гальванометр и лампа. Батарея создает рабочий ток в цепи декадного компенсатора, к соответствующему зажиму которого подключено переключателем измеряемое сопротивление. К зажимам подается напряжение, основная часть которого компенсируется декадой, а остальная часть, возникшая, в частности, из-за погрешности градуируемого прибора, вызывает в цепи гальванометра ток, который отклоняет его зеркальце и изменяет направление светового луча между фотоэлементами. В результате изменения через резистор потечет ток, величина которого фиксируется по микроамперметру. Подвижная часть гальванометра перестанет отклоняться только тогда, когда падение напряжения на резисторе, вызванное этим током, уравновесит некомпенсированную часть напряжения на зажимах. Шкала прибора градуируется сразу в поправках к делениям шкалы.

Градуировку амперметров классов 1,0; 1,5; 2,5 производят с помощью одноименных приборов классов 0,2 и 0,5, по схеме показанной на рисунке 40.12:

Рисунок 40.12 - Схема градуировки амперметров

Градуировку приборов классов 0,1; 0,2 и 0,5 производят с помощью компенсатора постоянного тока, как на рисунке 40.13:

Рисунок 40.13 - Схема градуировки образцовых амперметров с помощью компенсатора

От компенсатора в цепь градуируемого прибора поступает ток, величина которого ограничивается образцовой катушкой сопротивления класса 0,01. регулятором плавно увеличивают ток в цепи прибора до тех пор, пока стрелка или световой указатель гальванометра не встанет на нуль. При токе, отмеченном в этот момент прибором, наносят на шкалу этого прибора отметку против конца стрелки. Таким же образом наносят остальные необходимые отметки.

Многопредельные приборы градуируют только на основном пределе измерения, который обладает наибольшей чувствительностью. После градуировки производиться проверка погрешности.

40. 20 Стабилизация показаний амперметра

В процессе изготовления прибора, сборки его узлов и деталей, при уравновешивании и других операциях в отдельных деталях и их соединениях могут возникнуть механические напряжения и всевозможные остаточные деформации. По мере эксплуатации приборов характер этих деформаций меняется, что вызывает изменение параметров прибора. Этому же способствует свойство магнитных сплавов менять с течением времени свою структуру. Поэтому приборы высоких классов точности после сборки необходимо стабилизировать, или подвергнуть искусственному старению нагревом. Для этого собранные приборы выдерживают в термостате при температуре 80 ºС в течение 4 часов, затем они поступают на регулировку, после которой приборы классов 1,0; 1,5; 2,5 передают на градуировку, а приборы классов 0,1; 0,2; 0,5 закрывают и ставят на стеллажи, где выдерживают при нормальных условиях в продолжении 1 - 3 месяцев. После этого проверяют показания прибора на конечной отметке шкалы. Если по сравнению с результатами предыдущей поверки показания изменились не более чем на половину основной погрешности, то приборы передают на градуировку. Отградуированные приборы закрывают и выдерживают ещё на 15 - 20 дней.

Поверка амперметров методом непосредственного сличения с образцовым аналоговым прибором прямого действия.

Схемы поверки амперметров и вольтметров методом непосредственного сличения на постоянном и переменном токе представлены на рисунке 40.14:

Рисунок 40.14 - Схемы поверки сличения вольтметров (а,в,д)

и амперметров (б,г,е)

Основные из них используются при наличии образцовых приборов ОП с пределами измерений, близкими к пределам измерений поверяемых приборов ПП. Применение схем, содержащих масштабные преобразователи МП в цепи Оп: измерительные трансформаторы, шунты или добавочные резисторы, менее желательно, однако широкого круга рабочих приборов. По тем же причинам иногда приходиться использовать схемы, приведенные на рисунке, в которых действительное значение измеряемой величины определяют методом косвенных измерений. Амперметр поверяется с помощью первичного преобразователя тока в напряжение- резистора и образцового милливольтметра, а милливольтметр поверяется с помощью образцового амперметра и резистора. Здесь и далее под масштабным преобразованием понимается изменение значения измеряемой величины без изменения ее размерности, например уменьшение напряжения, или тока, текущего через амперметр, шунтом. Под первичным преобразованием понимается преобразование тока в напряжение или преобразование напряжения в ток при использование вольтметра с добавочным резистором. В этом случае коэффициент преобразования К имеет размерность вольт на ампер или ампер на вольт.

При любой из показанных на рисунке схем необходимо выбрать образцовый прибор, источники напряжения и тока, масштабные или первичные преобразователи, а также обеспечить необходимые параметры линий связи между источниками ОП и ПП.

Выбор образцового прибора по точности. Выбор эталонного (образцового) прибора прежде всего определяется необходимые соотношением пределов допускаемой основной погрешности образцовых СИ и поверяемого прибора, которое должно быть согласно ГОСТ 8.497 - 83 не более 1:5. Допускается соотношением 1:3 при поверке амперметров и вольтметров классов точности 0,5 и более точных и 1:4 при поверке приборов классов точности 1,0 и менее точных, при этом вариация показаний образцового прибора не должна превышать половины его предела допускаемой основной погрешности.

Пределы измерений образцового и поверяемого приборов желательно иметь одинаковые. Могут использоваться образцовые приборы с большим пределом измерений, чем у поверяемых, но в этом случае они должны иметь более высокий класс точности. Класс точности образцового прибора, когда он применяется без отдельных масштабных преобразователей, можно рассчитать по формуле:

, (40.14)

где К₀ и К_п - класс точности образцового и поверяемого приборов соответственно;

а - требуемое соотношение между погрешностями образцового и поверяемого приборов;

Х_N0 и X_NП – нормирующее значение образцового и поверяемого приборов соответственно.

Широко распространенной ошибкой, приводящей к неверному выбору образцового прибора, является отождествление соотношения пределов допускаемой погрешности и отношения чисел, обозначающих классы точности. Если диапазон измерений образцового прибора будет больше, чем у поверяемого, например 0 - 150 в при том же классе точности, то его предел допускаемой абсолютной погрешности будут отличаться менее чем в четыре раза. Такой прибор в качестве эталонного (образцового) применять нельзя.

Для обеспечения поверки только на постоянном токе всех видов амперметров необходим комплект образцовых амперметров, имеющих примерно 50 диапазонов измерений. Такие же комплекты необходимы для поверки амперметров на переменном токе и для поверки амперметров на постоянном и переменном токе.

Существенному сокращению парка ОП в поверочных службах способствует применение многодиапазонных ОП, предназначенных для измерений напряжения и тока,- ампервольтметров, а также приборов, аттестованных в качестве образцовых на постоянном и переменном токе.

Выбор системы эталонного (образцового) прибора.

Выбор системы ОП определяется системой ПП и параметрами источников напряжения в тока. Напряжение или ток на выходе источников постоянного тока всегда содержит переменную составляющую, вызванную недостаточной фильтрацией в сетевых выпрямителях (область частот 50—250 Гц), промышленными и радиопомехами (10 — 10 Гц) и собственными шумами источников в широком спектре частот от долей герц до сотен килогерц. Мгновенное значение напряжения на выходе источников

(40.15)

Где U₀ - постоянная составляющая напряжения; и - мгновенное значение переменной составляющей. Если действующее значение переменной составляющей U пренебрежимо мало по сравнению с U₀, что имеет место, например, при использовании аккумуляторных источников с низкоомными цепями регулирования напряжения или тока, то показания приборов любой системы будут одинаковы и выбор системы ОП эталонных приборов значения не имеет.
При значительной переменной составляющей напряжения показания магнитоэлектрических приборов, а также электронных приборов на их основе равны U₀, поскольку они не зависят от U, а показания электродинамических, ферродинамических, электромагнитных, электростатических и других приборов, измеряющих действующее значение электрических сигналов, будут

(40.16)

Очевидно, неравенство U₀ ≠ U вызовет методическую погрешность поверки « », если один из приборов — магнитоэлектрической системы, а другой — одной из систем «действующего значения». Именно этим объясняется требование не применять магнитоэлектрические ОП для поверки приборов других систем и не при менять приборы других систем для поверки магнитоэлектрических приборов. Указанные ограничения требуют существенного увеличения парка образцовых приборов в метрологических службах, поэтому представляет интерес оценка допустимого уровня переменной составляющей, при котором погрешностью « » можно пренебречь и использовать любые комбинации систем образцовых и поверяемых приборов. Погрешность от неодинаковости показаний поверяемого и образцового приборов вследствие влияния переменной составляющей

(40.17)

будем читать пренебрежимо малой, если она удовлетворяет условию

(40.18)

где а — коэффициент, меньший единицы.
Разлагая выражение в степенной ряд и пренебрегая степенями разложения выше первой, получим

(40.19)

где К = U/U₀*100 - коэффициент переменной составляющей, %.

При поверке большинства аналоговых прибор достаточно иметь а = 0,05, при этом методическая погрешность б будет а 20 раз меньше предела допускаемой приведенной погрешности поверяемого прибора. Дляэтого случая коэффициент переменной составляющей в зависимости от класса точности поверяемого прибора будет разный.

Для практического определения К достаточно измерить U на выходе источника с помощью электронного милливольтметра переменного тока, например типа В3 - 33 или аналогичного, или с помощью осциллографа и U₀ - любым вольтметром постоянного тока. При поверке приборов на переменном токе выбор системы образцового прибора определяется диапазоном частот и коэффициентом формы К_ф кривых тока и напряжения. В области частот до 500 Гц при выборе ОП предпочтение следует отдать электродинамическим приборам класса точности 0,1; 0,2 как наиболее точным (д 5054, д 5055, д 5017, д 5014, д 505). При поверке киловольтметров на постоянном и переменном токе, а также вольтметров в широком диапазоне частот целесообразно использовать образцовые электростростатические вольтметры, например типа С 502. Эти приборы наряду с высокой точностью обладают крайне малым потреблением и малой частотной погрешностью за счет отсутствия масштабных преобразователей. Электронные

ОП используются преимущественно при поверке на повышенных частотах (103—105 Гц) или при поверке милливольтметров и миллиамперметров переменного тока.

В зависимости от выбранной системы образцового прибора существенное влияние на результат поверки может оказать искажение формы кривых напряжения и тока. Приборы переменного тока можно разделить на приборы с измерительными преобразователями действующего значения, у которых отклонение указателя, а пропорционально действующему значению напряжения или тока (а = SU),и приборы с измерительными преобразователями среднего значения (приборы выпрямительной системы) средневыпрямленное значение напряжения. Шкалы этих приборов градуируются в действующих значениях напряжения, при этом шкалы выпрямительных приборов градуируются с учетом коэффициента формы К_ф= 1.11, выражающего отношение действующего значения напряжения к среднему для сигнала синусоидальной формы. Если форма кривой напряжения или тока отличается от синусоидальной (К_ф =1.11), показания приборов действующего значения остаются практически неизменными, в то время как показания приборов среднего значения изменяются. При поверке приборов на переменном токе желательно выбиратьтакой образцовый прибор, который реагирует на изменение формы кривой одинаково с поверяемым. Такой выбор не всегда возможен из-за отсутствия выпрямительных приборов высокой точности. Достаточно трудно без специальной аппаратуры определить и значение. На практике производят измерение коэффициента нелинейных искажений на выходе источников напряжения и тока с помощью измерителей нелинейных искажений (приборы С 64, С 67)

(40.20)

Таким образом, при поверке выпрямительных приборов с помощью ОП действующего значения необходимо измерить К и при выборе соотношения точностей ОП и ПП учесть методическую погрешность поверки

(40.21)

Источники напряжения (ИН) и тока (ИТ.).

Требования к ИН и ИТ., ограничивающие допустимые значения переменной составляющей и коэффициента нелинейных искажений, сформулированы в предыдущем разделе. Не менее важными являются требования к допустимой кратковременной нестабильности выходных сигналов и плавности их регулирования. Недостаточные стабильность и плавность регулирования напряжения и тока являются основной причиной случайной погрешности при поверке приборов методом сличения. Будем понимать под допустимой кратковременной нестабильностью источника допустимое относительное изменение его выходного сигнала за время Т, необходимое для поверки прибора на одной числовой отметке. Это время зависит от характера используемой аппаратуры, условий работы квалификации оператора и т.д. Поэтому обычно нормируется изменение выходного сигнала за 3 - 10 минут, которое не должно превышать 0.1 предела допускаемой относительной погрешности поверяемого прибора. Под плавностью регулирования понимается возможность установки на выходе источника напряжения или тока с приведенным отклонением от заданного значения, не превышающим (в процентах)

(40.22)

Необходимая плавность регулирования определяется как

(40.23)

Простейший из источников используется редко в связи с трудностями эксплуатации аккумуляторов и большой их стоимостью. Главное его достоинство — низкий уровень пульсаций, Маломощный источник такого вида может эффективно использоваться при поверке электронных микровольтметров и микроамперметров, где нежелательна связь между цепями прибора и источника по общей питающей сети. В качестве регуляторов, в зависимости от мощности выходного сигнала, используются рычажные реостаты, проволочные реостаты или резисторы переменные общего назначения. Источник, показанный на рисунке 40.15, 6, является наиболее распространенным из средств поверки приборов классов точности 1,0 и более грубых.

Рисунок 40.15 - Структурные схемы источников напряжения и тока

Источник в своем составе содержит:

- регулятор сетевого напряжения обычно в виде регулируемого трансформатора, к выходу которого подключаются Г I П в ОП переменного тока;

- диодный двухполупериодный выпрямитель и сглаживающий ЕС фильтр, к выходу которого подключаются ПП в ОП постоянного тока.
Стабильность значения выходного сигнала такого источника определяется стабильностью напряжения сети в месте его эксплуатации и фактически не нормируется. Иногда, например в установке У300, напряжение, подаваемое на Р, предварительно стабилизируется феррорезонансным стабилизатором, который уменьшает нестабильность примерно в 10 раз, но существенно увеличивает искажение кривых тока и напряжения. Необходимая плавность регулирования и ряд диапазонов регулирования обеспечиваются трансформаторными делителями напряжения и выходными трансформаторами напряжения и тока с коммутируемыми коэффициентами передачи — рисунке 40.16. Регулятор состоят из двухщеточного автотрансформатора Тр1 идополнительного трансформатора Тр2 скоэффициентом трансформации 0,1—0,05, называемого вольтодобавочным. Выходное напряжение регулятора (0—250 В) определяется суммой напряжения У, снимаемого со щетки Щ, грубого регулирования, и У, снимаемого со вторичной обмотки Тр2. Приращение напряжения У при перемещении щетки Щ, плавного регулирования в 10—20 раз меньше, чем приращение (1 при таком же перемещении ГЦ1. Регулятор обеспечивает плавность регулирования 0,05 – 0,1 % .

Рисунок 40.16 - Схемы регуляторов источников напряжения и тока

Требования к линиям связи

Основным требованием, предъявляемым к линиям связи при поверке, является обеспечение разных значений измеряемой величины на входах ОП и ПП, иначе говоря, отсутствие потерь в линиях связи. Аналоговые приборы, как поверяемые, так в эталонные (образцовые), обладают значительным собственным потреблением. Сопротивление проводов линий, утечки в линиях, емкости и индуктивности на переменном токе могут вызвать методические погрешности поверок, которые не должны превышать 0,05 К. Общие рекомендации по расчету и устранению этих погрешностей дать трудно. Для примера рассмотрим два варианта схемы поверки вольтметров на рисунке 40.17.

Рисунок 40.17 - Влияние параметров линий связи на погрешность поверки

Разность между показанием поверяемого Х и образцового Х приборов дает значение абсолютной основной погрешности б):

(40.24)

Вариацию показаний можно рассчитать как абсолютное значение разности между показаниями образцового прибора, соответствующими одной и той же отметке шкалы поверяемого прибора, полученными при возрастания и убывании измеряемой величины:

(40.25)

Или как абсолютное значение разности погрешностей, полученных при тех же условиях:

(40.26)

При ведомственной поверке приборов класса 1.0 и менее точных процесс можно упростить, если все расчеты вести в делениях шкалы образцового прибора. Для этого пред поверкой выражают предел допускаемой основной погрешности поверяемого прибора в делениях шкалы образцового прибора:

(40.27)