работа по курсу «основы физических измерений» (стр. 3 из 4)

□ допустимая мощность нагрузки калибратора, выраженная в вольт-амперах, в ваттах или в омах, либо выходное сопротивление калибратора.

В качестве примера современного калибратора можно привести универсальный калибратор Н4-7, предназначенный для поверки, калибровки и исследований приборов и устройств как в составе автоматизированных установок, так и автономно. Калибратор Н4-7 воспроизводит:

- напряжение постоянного тока в диапазоне 0,1 мкВ — 200 В (с блоком усилителя напряжения — до 1000 В) с пределом допускаемой основной погрешности (0,001-0,002) % за 90 дней после калибровки;

- напряжение переменного тока синусоидальной формы в диапазоне 0,1 мкВ —20 В при частотах 0,1 Гц —1 МГц; до 100 В при частотах 0,1 Гц — 100 кГц; до
500 В при частотах 0,1 Гц — 20 кГц; до 700 В при частотах 0,1 — 10 кГц (диапазон 140-700 В воспроизводится с усилителем напряжения) с пределом до
пускаемой основной погрешности (0,005-0,25) % за 1 год и в зависимости от
поддиапазона и частоты;

- силу постоянного тока до 2 А (с блоком усиления силы тока — до 30 А) с пределом допускаемой основной погрешности (0,004-0,03) % за 1 год;

- силу переменного тока синусоидальной формы до 2 А при частотах 0,1 Гц — 10 кГц, а в комплекте с усилителем силы тока — до 20 А при частотах 0,1-5 кГц с пределом допускаемой основной погрешности (0,03-0,5) % за 1 год и в зависимости от поддиапазона и частоты;

- сопротивление постоянному току в диапазоне 10 Ом — 10 МОм с пределом допускаемой основной погрешности (0,002-0,02) % за 1 год.

Следует отметить, что помимо калибраторов напряжения и силы тока в практике электрических измерений используют калибраторы и других физических величин: импульсных напряжений, угла сдвига фаз и т. д.

Меры сопротивления, емкости, индуктивности

При выполнении электрических измерений существенную роль выполняют такие элементы, как резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности и взаимной индуктивности, входящие в состав измерительной цепи. Параметры этих элементов должны соответствовать заданным значениям, быть неизменными во времени и независимыми (в установленных пределах) от воздействия возмущающих факторов. В тех случаях, когда при выполнении измерений необходимо знать значение единицы физической величины с высокой точностью, резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности и взаимной индуктивности выполняются как меры, представляющие собой самостоятельные средства измерений.

Значение меры, полученное при поверке или калибровке, называется действительным значением меры. Указанное на мере значение величины, для воспроизведения которого разрабатывалась и изготавливалась мера и которому с допустимыми отклонениями должно быть равно действительное значение, является номинальным значением меры. Различают однозначные меры, имеющие одно номинальное значение, и многозначные меры, имеющие ряд номинальных значений. Несколько однозначных или многозначных мер, не объединенных конструктивно в единое изделие, но используемых совместно для решения конкретных метрологических задач, образуют наборы мер.

К мерам сопротивления, емкости и индуктивности предъявляются общие требования. Важнейшими из них являются стабильность параметров меры во времени и высокая точность подгонки действительного значения меры к номинальному. Меры должны иметь минимальное значение остаточных (паразитных) параметров, то есть минимальные индуктивность и емкость для мер электрического сопротивления, минимальные активное сопротивление и межвитковую емкость для мер индуктивности и т. д. Из других требований следует упомянуть малую зависимость значения меры от условий эксплуатации, возможность учета этого влияния; малую термоЭДС материала меры в паре с медью; удобство применения; техническую, конструктивную совместимость с другими средствами измерений. Кроме этих требований к мерам предъявляются иные специфические требования, зависящие от вида меры, условий применения, рода тока и т. п.

В области электрических измерений применяются однозначные меры электрического сопротивления (ОМЭС) и многозначные меры электрического сопротивления (ММЭС), предназначение для работы в цепях постоянного и переменного тока. В качестве ОМЭС для работы в цепях постоянного тока широкое распространение получили измерительные катушки электрического сопротивления, изготовленные из манганиновой проволоки или ленты. Манганин — сплав Сu (84 %), Ni (4 %) и Мn (12 %). Он обладает малым температурным коэффициентом сопротивления (а< 1 • 10"⁵ К"¹), большим удельным сопротивлением (0,45 • 10"⁶ Ом-м), малой термоЭДС при контакте с медью (менее 3 мкВ/К).

ОМЭС, выполненные на базе катушек электрического сопротивления, имеют резистивный элемент в виде каркаса с обмоткой из манганиновой проволоки. Каркас крепится к корпусу, который снабжен четырьмя зажимами. Два зажима являются токовыми и предназначены для включения ОМЭС в цепь тока, два других называются потенциальными и предназначены для измерения падения напряжения на резистивном элементе (рис. 6.5).

Точки а и б являются точками разветвления, которые посредством соединительных проводников соединены с токовыми (I_1, I₂) и потенциальными (U_1, U₂) зажимами. Для таких ОМЭС действительное и номинальное значения сопротивления определяется по отношению к точкам а и б.

Ток нагрузки, пропускаемый через ОМЭС, не может превышать некоторый установленный предел в целях ограничения разогрева резистивного элемента. Допустимую нагрузку принято характеризовать значениями номинальной и максимальной мощности. Зная значение номинальной мощности и номинальное значение сопротивления ОМЭС, можно определить допустимую силу электрического тока, пропускаемого через ОМЭС при ее поверке или калибровке. При отклонении значения мощности от номинального до любого, не превышающего максимального, допускается появление дополнительной погрешности, которая не должна превышать значение, численно равное классу точности.

Действительное значение сопротивления ОМЭС R_t (в омах) при изменении температуры окружающей среды в пределах рабочих температур определяется по формуле

R_t = R_t0[1+a(t-t₀)+ b(t-t₀)^2], (6.1)

где R_t0 — действительное значение сопротивления ОМЭС при температуре поверки (калибровки), Ом; t₀ — температура, при которой выполнялась поверка (калибровка), °С; а и b — коэффициенты, определяемые для каждой ОМЭС экспериментально.

Помимо активного сопротивления ОМЭС имеют остаточные индуктивность и емкость, влияющие на результат измерения. Особенно сильным это влияние оказывается при использовании ОМЭС в цепях переменного тока. При повышенных частотах эти реактивные параметры могут привести к значительным погрешностям. В первом приближении эквивалентную схему ОМЭС можно представитьставить как это показано на рис. 6.6.

Степень безреактивности ОМЭС принято характеризовать постоянной времени

t=(L/R)-CR,

где L и С — соответственно остаточная индуктивность и шунтирующая емкость как сосредоточенные параметры; R — сопротивление постоянному току. Чем меньше постоянная времени, тем лучше ОМЭС. Для уменьшения постоянной времени применяют специальные виды намотки. Индуктивность уменьшается когда намотка бифилярная. При бифилярной намотке проводник складывается вдвое, обе стороны получившейся петли плотно прижимаются друг к другу, и такой сдвоенный провод наматывается на каркас. В результате токи, проходящие по двум соседним проводникам, направлены встречно и их суммарное магнитное поле значительно уменьшается. С другой стороны, бифилярная обмотка, состоящая из большого числа витков, обладает значительной собственной распределенной емкостью. Для уменьшения емкости бифилярной обмотки ее разделяют на ряд секций. Благодаря последовательному соединению емкостей отдельных секций общая емкость обмотки снижается.

Наборы различных резистивных элементов, смонтированных в одном корпусе, образуют магазины сопротивлений, выполняющие роль ММЭС. Специальные переключатели позволяют набирать из имеющихся в магазине резистивных элементов различные значения сопротивления. В зависимости от конструкция переключающего устройства различают ММЭС с рычажными и штепсельными переключателями. Резистивные элементы ММЭС группируются в декады. Каждая полная декада имеет десять резистивных элементов одинакового номинального значения. Номинальные значения резистивных элементов в декадах сокращенного типа находятся в отношении 1 : 2 : 3 : 4.

Применяя ММЭС, следует учитывать, что их начальное сопротивление (при установке всех переключателей в нулевые положения) отлично от нуля и должно прибавляться к значению сопротивления, устанавливаемого с помощью переключателей.

В качестве мер емкости используются конденсаторы постоянной или переменной емкости и магазины емкости. К ним предъявляются следующие основные требования: минимальная зависимость значения емкости от времени, температуры и частоты; малые потери в диэлектрике, характеризуемые тангенсом угла потерь; высокое сопротивление изоляции и достаточно высокая электрическая прочность изоляции.

Довольно хорошо этим требованиям соответствуют воздушные конденсаторы, выпускаемые в качестве мер постоянной и переменной емкости. Однако вследствие низкой диэлектрической проницаемости воздуха воздушные конденсаторы имеют большие габариты даже при малом значении емкости. Поэтому конденсаторы с воздушным диэлектриком выпускаются с номинальными значениями емкости от 1 до 10³ пФ. В конденсаторах с номинальными значениями емкости свыше 10^4 пФ применяется слюдяной диэлектрик, а при емкости свыше 10⁶ пФ — диэлектрик из полимерных пленок.