Лекции для студентов

Лекции по метрологии. Часть 5: Эталоны, образцовые и рабочие меры

Меры электрических величин

Эталоны, которые воспроизводят единицу измерения, называют мерами. По назначению меры делят на образцовые и рабочие. Меры, утвержденные в качестве образцо­вых, предназначаются для поверки и градуировки рабочих средств измерений. Рабочие меры служат для измерений.

По точности воспроизведения физической величины образцо­вые меры бывают 1, 2 и 3-го разрядов, причем наименьшая по­грешность воспроизведения у меры 1-го разряда. По допускаемой погрешности воспроизведения значения физической величины рабочие меры относят к различным классам точности.

По наименованию воспроизводимой единицы меры делятся на меры э.д.с. или электрического напряжения; меры электрического сопротивления; меры электрической емкости; меры индуктивности и взаимной индуктивности; меры магнитной индукции; меры магнитного потока. По количеству воспроизводимых размеров величины меры делят на однозначные и многозначные и наборы мер. Од­нозначные меры воспроизводят одно значение физиче­ской величины. Многозначные меры воспроизводят (плавно или дискретно) ряд значений одной и той же физической величины. Широкое применение имеют мага­зины сопротивлений, емкости и индуктивности, обеспечивающие ряд дискретных значений.

        Меры э.д.с. и электрического напряжения. В качестве образцовой меры э.д.с. используют нормальные элементы (НЭ). НЭ представляют собой специальный источник химической энергии, состоящий из стабильного обратимого гальванического элемента с точно известной э.д.с.  Обратимость гальванического элемента заключается в том, что при его разряде химическая реакция протекает в одном направлении, а при заряде, т.е. при восстановлении, в обратном. Выпускают нормальные элементы двух типов — насыщенные и ненасыщенные, в зависимости от того, насыщенный или ненасыщенный водный раствор сернокислого кадмия используется в них в качестве электролита. Отличаются они своими характеристиками.

-

Значения э.д.с. насыщенного НЭ при 20 ⁰С лежат в диапазоне  Е₂₀ = 1,018540 — 1,018730 В. Согласно ГОСТ 1954-82 насыщенные НЭ могут иметь один из следующих классов точности: 0,0002; 0,0005; 0,001; 0,002; 0,005. Эти значения соответствуют наибольшим допускаемым изменениям э.д.с. за 1 год — на 2, 5, 10, 20, и 50 мкВ. Наибольший ток, который можно пропускать через насыщенный НЭ, определяется временным режимом работы и зависит от класса точности элемента. Согласно ГОСТ 1954-82 наибольший допустимый ток лежит в диапазоне от 0,002 до 1 мкА. Если температура НЭ отличается от 20 ⁰С, то изменение э.д.с. следует учитывать по формуле

E_t = E₂₀ — 40,6×10^-6(t-20) — 0,95×10^-6(t-20)² +0,01×10^-6(t-20)³ ,

где E_t – э.д.с, В, при температуре t,⁰C; Е₂₀ — э.д.с., В, при температуре 20 ⁰С, указанная в паспорте НЭ. Внутреннее сопротивление насыщенных НЭ составляет 500 — 2000 Ом.

Ненасыщенные НЭ отличаются от насыщенных тем, что у них применяется ненасыщенный раствор сульфата кадмия, который не содержит кристаллов CdS0₄×8/3Н₂О при температуре выше 4 ⁰С. Воспроизводимость и стабильность значения э.д.с. ненасыщенных НЭ ниже, чем насыщенных.  

Конструкция ненасыщенных нормальных элементов аналогична конструкции насыщенных. Ненасыщенные НЭ выпускаются с классами точности 0,002; 0,005; 0,01 и 0,02. Это соответствует допустимым изменениям э.д.с. на 20, 50, 100 и 200 мкВ в год. Э.д.с. ненасыщенных НЭ лежит в диапазоне Е = 1,018800 — 1,019600 В и незначительно зависит от температуры (не более 0,0002 % на 1 К). Внутреннее сопротивление 300 — 600 Ом. Вследствие пониженных требований к точности воспроизведения значения э.д.с. ненасыщенных нормальных элементов максимальный ток их больше, чем у насыщенных, и составляет 100 мкА. При работе с НЭ следует оберегать их от тряски, опрокидывания, перегрева и воздействия сильного света. Эти требования менее жестки для ненасыщенных НЭ, поэтому они нашли широкое применение  в переносных средствах измерения.

В последнее время для получения весьма точного постоян­ного напряжения с погрешностью 5×10^-8 используют открытый в 1962 г. эффект Джозефсона. Элемент Джозефсона состоит из двух сверхпроводников, соединенных друг с другом посредством тонкого слоя несверхпроводящего материала. При протекании через сверхпроводники постоянного тока в контактной зоне эле­мента Джозефсона устанавливается напряжение (эффект по­стоянного тока Джозефсона). Если на этот постоянный ток нало­жить переменный ток высокой частоты, то возникает эффект переменного тока Джозефсона. Переменный ток влияет таким образом, что вольт-амперная характеристика у элемента имеет ступенчатую форму. Напряжение каждой ступени

DU =  h×f / 2e.

Так как отношение h/e двух постоянных ( h — постоянная Планка, е -элементарный заряд) также постоянно, то опреде­ление напряжения сводится к измерению частоты f. Как из­вестно, частота может быть измерена с очень высокой точ­ностью. При частоте 10 ГГц напряжение ступени DU равно примерно 20 мкВ. Это напряжение в противоположность э.д.с. нормального элемента не зависит от внешних факторов, таких как температура, сотрясения, вибрации, электрические нагрузки, старение и т. д. Правда, из-за больших технических сложностей, возникающих при изготовлении установки с элементом Джозеф­сона, он применяется только при очень высоких требованиях к точности.

В качестве рабочего образцового напряжения в последнее время широко применяют стабилизированные источники со ста­билитронами.

        Меры электрического сопротивления. Мерами электрического сопротивления называют образцо­вые резисторы, если они для этой цели сконструированы, изго­товлены и прошли государственную поверку. Все другие рези­сторы называют измерительными. Они могут быть иногда использованы также в качестве образцовых резисторов более низкого порядка, если имеют соответствующее свидетельство о государственной поверке. Предполагается при этом, что они удовлетворяют минимальным требованиям к точности и ста­бильности.

Образцовые резисторы изготавливают из манганина. Манганин пред­ставляет собой сплав из 84 % меди, 12 % марганца и 4 % ни­келя. Он имеет большое удельное электрическое сопротивление, очень малый температурный коэффициент — порядка 1×10^-5 К^-1 и малую термо-э.д.с. в паре с медью. Для резисторов сопротивлением от 10^-4 до 10^-2 Ом применяют листовой манганин, от 10^-1 до 10² — манганиновую проволоку, намотанную бифилярно, а для 10³— 10⁵ Ом — намотанную по Шаперону (рис. 5.2).

Образцовые резисторы могут иметь класс точности от 0,0005 до 0,1 при номинальном сопротивлении от 10^-5 до 10¹⁰ Ом.

На рис. 5.3 показан внешний вид образцового резистора. На металлический или фарфоровый каркас 1 наматывается обмотка 2 из манганиновой проволоки, концы которой припаиваются к зажимам 3 и 4. Каркас катушки крепится к корпусу с отверстиями для лучшего охлаждения обмотки. В некоторых конструкциях каркас заполняется трансформаторным маслом, что повышает влагостойкость изоляции и улучшает условия теплоотдачи обмотки.

Катушки снабжаются четырьмя зажимами, два из которых называются токовыми (зажимы 4) и предназначены для включения образцовой катушки в цепь тока, два других называются потенциальными (зажимы 3). Потенциальные зажимы предназначены для измерения падения напряжения на сопротивлении катушки. Образцовые резисторы из манганина могут быть нагружены в воздухе до 1 Вт, а в масляной ванне -  до 4 Вт.

При работе в цепях переменного тока может существенную (и нежелательную) роль играть реактивность резистора, обусловленная её индуктивностью L₀ и собственной емкостью C₀ . При этом полное сопротивление образцового резистора приближенно дается формулой

Z = R + jw(L₀  - R²C₀).

Отношение t = (L₀  - R²C₀)/R характеризует степень реактивности резистора. Величина t называется постоянной времени. Её значение обычно лежит в пределах 10^-8 — 10^-5 с. Чтобы уменьшить t, применяют специальные виды намотки (см. рис. 5.2).

Магазины сопротивлений являются образцовыми мерами с пе­ременным значением сопротивлений. Применяемые в магазинах катушки сопротивлений обычно имеют простую бифилярную намот­ку. В магазинах сопротивлений, изготовляемых для измерений с повышенной  точностью в цепях переменного тока, для уменьше­ния постоянной времени катушек применяют более сложные намот­ки. Во многих случаях магазины сопротивлений используются в качестве реостатов или потенциометров для регулирования тока или напряжения в маломощных электрических цепях. В зависимости от способа переключения сопротивлений магази­ны делятся на штепсельные и рычажные. Штепсельные имеют на­бор катушек сопротивлений, соединенных последовательно (рис.5.4).

Каждая катушка подсоединяется к латунным пластинам, которые можно соединять между собой с помощью штепселей  — конических стерж­ней, вставляемых в специаль-ные гнезда, и тем самым закорачи-вать катушки. При полностью вставленных штепселях все катушки со­противлений будут закорочены и сопротивление магазина будет мини-мальным, наоборот, если все гнезда будут свободны от штеп­селей, сопротивление магазина будет максимальным.

Рычажные магазины сопротивлений состоят из нескольких декад (рис. 5.5).

 

Рычажные магазины сопротивлений состоят из нескольких де­кад (рис.5.5).

 

        Концы однотипных катушек сопротивлений для каждой дека­ды подсоединяются к контактам, по которым скользят щетки, же­стко скрепленные с рычагами. Суммарное сопротивление магазина отсчитывается по положению рычагов в каждой декаде.

Магазины сопротивлений выпускаются следующих классов точ­ности: 0,01; 0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5 и 1,0. При работе ток (мощность рассеяния) не должен превышать допустимого значения, указанно­го на маркировке. Магазины сопротивлений, предназначенные для использования на высоких частотах (сотни килогерц и выше), из­готовляют из непроволочных резисторов. Точность таких магазинов не лучше класса 1,0.

        Меры индуктивности и взаимной индук­тивности. Меры индуктивности и взаимной индуктивно­сти выполняют в виде образцовых катушек и магазинов. Образ­цовая катушка состоит из изолированного провода, намотанного на плоский каркас из мрамора, фарфора или пластмассы (рис. 5.6).

       

Для уменьшения активного сопротивления и влияния поверхност­ного эффекта используется провод, состоя-щий из большого числа тонких  изолированных жил, называемый «литцендрат». Для улучшения изоляции витков и повышения стабильности индуктивности обмотку пропитывают пара-фином. Витки жестко скрепля­ются между собой и каркасом.

Катушки взаимной индуктивности состоят из двух индуктивно связанных образцовых катушек (рис. 5.6 б) и могут быть исполь­зованы как двухполюсник или четырехполюсник. Катушки индук­тивности изготовляют на значения от 0,0001 до 10 Гн, а катушки взаимной индуктивности  — на значения от 0,001 до 0,1 Гн. Классы точности таких катушек 0,01; 0,02; 0,05; 0,1; 0,5; 1.

Меры индуктивности применяются для измерения в цепях пе­ременного тока. Каждая катушка, кроме собственной индуктивно­сти L₀, имеет межвитковую емкость С₀ и некоторое омическое со­противление R. Значения С₀ и R в мерах индуктивности стремятся получить минимальными.

Катушки индуктивности характеризуются добротностью Q = w×L₀/R, причем, чем выше добротность, тем качественней катушка.

 Мерами переменных и взаимных индуктивностей служат мага­зины индуктивностей и вариометры. Магазины индуктивностей представляют собой набор катушек индуктивностей, расположен­ных в одном корпусе с переключающими устройствами. Чтобы при различных значениях индуктивностей не изменялось активное со­противление цепи, предусмотрены катушки сопротивления, заме­щающие активное сопротивление R выключаемых катушек индук­тивности.

Вариометры изготовляют из двух индуктивно связанных кату­шек. Меняя плавно взаимное расположение этих катушек, можно изменять коэффициент взаимной индуктивности. Катушки варио­метра можно соединять последовательно или параллельно, что позволяет менять общую индуктивность вариометра в зависимости от угла поворота одной катушки относительно другой. Угол пово­рота отсчитывается по шкале, а значения индуктивности и взаим­ной индуктивности определяют по градуировочным таблицам.

        Меры электрической емкости. Меры электрической емкости изготовляют в виде образцовых измерительных конденсаторов постоянной емкости, ма­газинов емкостей и конденсаторов переменной емкости. В образцовых конденсаторах постоянной емкости диэлектриком является воздух или слюда. Такие «воздушные» и «слюдяные» конденсато­ры имеют большое сопротивление изоляции и малые потери в ди­электрике; их емкость не зависит от частоты и формы приложен­ного напряжения, а зависимость от температуры — минимальна. Особо высокая точность воспроизведения емкости обеспечивается конденсаторами с воздушным диэлектриком, однако из-за больших габаритов они выпускаются до емкости 0,01 мкФ. Конструкция об­разцовых конденсаторов определяется рабочим напряжением: при низких напряжениях пластины плоскопараллельные, при высоких — цилиндрические. Погрешность емкости образцовых воздушных конденсаторов находится в пределах ± (0,03—0,05) %.

Конденсаторы со слюдяным диэлектриком позволяют получить большие значения емкости при меньших размерах и пото­му широко применяются как образцовые и рабочие меры, а также в магазинах емкостей. Слюдяные конденсаторы  выпускаются  с  но­минальным  значением  емкости  от  0,01  до 1 мкФ; диэлектрические потери и температурный коэффициент емкости у них в несколько раз больше, чем у воздушных.

В магазинах емкостей необходимое значение емкости подбирается с помощью переключающих устройств штепсельного (рис. 5.7 а) или рычажного (рис. 5.7 б) типа. В последнее время образцовые конденсаторы малой емкости — от 1 до 5×10³ пФ — изготовляют с воздушно-кварцевым   или   воздушно-полистироловым диэлектриком, а большой емкости — до 10⁸ пФ — со стирофлексным.

В качестве образцовых конденсаторов переменной емкости применяются исключительно   воздушные   конденсаторы   с   высококачествен­ной изоляцией ротора от статора и совершенным отсчетным устройством. Максимальная емкость таких  конденсаторов  не  пре­вышает 0,01 мкФ,  потери в диэлектрике

tgd = 10^-4, погрешность ус­тановки емкости составляет (0,05—0,1) %, температурный коэффи­циент емкости не превышает 0,003 % на 1°С.