научная статья по теме ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПЕРВИЧНЫЙ СПЕЦИАЛЬНЫЙ ЭТАЛОН ЕДИНИЦЫ СИЛЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА В ДИАПАЗОНЕ ЧАСТОТ 20-1·10 6 ГЦ ГЭТ 88-2014 Метрология

Текст научной статьи на тему «ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПЕРВИЧНЫЙ СПЕЦИАЛЬНЫЙ ЭТАЛОН ЕДИНИЦЫ СИЛЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА В ДИАПАЗОНЕ ЧАСТОТ 20-1·10 6 ГЦ ГЭТ 88-2014»

ГОСУДАРСТВЕННЫЕ ЭТАЛОНЫ

621.317.312

621.317.312

Государственный первичный специальный эталон единицы силы электрического тока в диапазоне

частот 20—1106 Гц ГЭТ 88—2014

Г. П. ТЕЛИТЧЕНКО, В. И. ШЕВЦОВ

Всероссийский научно-исследовательский институт метрологии им. Д. И. Менделеева,

С.-Петербург, Россия, e-mail: V.I.Schevtsov@vniim.ru

Рассмотрена структура и приведены основные метрологические характеристики Государственного первичного специального эталона единицы силы электрического тока в диапазоне частот 20—1106 Гц (ГЭТ 88—2014).

Ключевые слова: эталон, метрологические характеристики.

The structure of construction is examined and the basic metrological characteristics of the State primary special standard of electric current strength unit in the frequency range 20—1106 Hz (GET 88—2014) are presented. Key words: standard, metrological characteristics.

Измерение силы переменного электрического тока особенно важно в электроэнергетике, электротехнике, металлургии, химии, приборостроении, оборонной промышленности, медицине при производстве изделий и ведении технологических процессов. В настоящее время широко применяют токи различного диапазона частот и уровней при термообработке и сварке (производство качественных, прочных, износостойких деталей), индукционной плавке металлов, сушке древесины, фруктов, индукционном прогреве бетона, обессоливании и обезвоживании нефти, стерилизации в консервной промышленности и медицине, в электротерапии.

Парк находящихся в обращении средств измерений (СИ) переменного электрического тока составляет десятки миллионов экземпляров. Номенклатура этих СИ достаточно обширна: щитовые приборы, высокоточные цифровые амперметры, калибраторы, мультиметры. За последние годы отечественной промышленностью разработаны и серийно выпускаются многофункциональные калибраторы Н4-6, Н4-7, Н4-12, Н4-16, Н4-17. Прошли испытания для целей утверждения типа и разрешены к применению в Российской Федерации зарубежные СИ: многофункциональные калибраторы 5520А, 5720А, 5730А фирмы Fluke, многофункциональные калибраторы серии 2000 и 3000 фирмы Transmille, шунты переменного тока А40, А40А, А40В фирмы Fluke и ряд других. Единство измерений в данной области обеспечивается государственным первичным, вторичными и разрядными эталонами в соответствии с действующей государственной поверочной схемой [1].

Предыстория создания эталона. В период 1800—1880 гг. в тесной связи с развитием прикладной электротехники и, в частности, с телеграфией, гальванопластикой и техникой электрического освещения развивалась теория цепей постоянного тока. Начало применению и изучению переменных токов в России положил в 1876 г. П. Н. Яблочков. Как оказалось, переменный ток обеспечил равномерность сгорания углей в свече Яблочкова и позволил осуществить пи-

тание многих ламп от одного источника электрической энергии. Переменный ток получил всеобщее признание и широчайшее применение в электроэнергетике благодаря изобретениям русского инженера и ученого М. О. Доливо-Добро-вольского. Им была разработана трехфазная система, получившая повсеместное распространение. В 1889 г. он построил первый трехфазный двигатель, разработал все остальные звенья трехфазной цепи и в 1891 г осуществил передачу электрической энергии трехфазным током на расстояние 175 км.

Практически до середины XX в. энергетическое применение находили лишь токи промышленной (50—60 Гц) частоты. Переходу к токам более высоких частот препятствовало, в первую очередь, отсутствие экономичных методов генерирования и распределения токов повышенной частоты.

Точ ные измерения силы переменного тока с конца XIX в. и до 1940-х гг. основывались на применении электродинамических приборов непосредственной оценки. Во ВНИИМ под руководством профессора К. П. Широкова были проведены работы по исследованию погрешностей электродинамических приборов при переходе с постоянного тока, на котором их градуировали, к переменному. Погрешности таких приборов на частотах 40—60 Гц составляли 0,5—2 %. Дальнейшее развитие промышленности и появление таких областей, как радиоэлектроника, телевидение, приборостроение, освоение новых технологий в химии и металлургии, повышение частотного диапазона и точности измерений, привели к разработке метода сравнения силы переменного тока с силой постоянного тока с помощью компараторов. Наиболее перспективным по точности и широкому диапазону частот в качестве компаратора был признан термоэлектрический преобразователь (ТЭП). У истоков этих разработок стояли ученые ВНИИМ — К. П. Широков, Т. Б. Рождественская, А. Я. Безикович, Д. И. Зорин — и NBS (США) Г L. НегтасК

В результате исследований данного метода измерений в 1975 г. во ВНИИМ был создан первый Государственный специальный эталон единицы силы переменного тока в диапа-

зоне частот от 40 Гц до 100 кГц (ГЭТ 88—75), у которого диапазон силы тока составлял 10 мА — 10 А, неисключенная систематическая погрешность (НСП) — 3-10-5—2-10-4 отн. ед., оценка среднего квадратического отклонения (СКО) — 1-10-5—1-10-4 отн. ед.

Руководителем работ по созданию ГЭТ 88—75, а затем его ученым хранителем была О. П. Галахова. В связи с возрастающими требованиями промышленности по повышению точности и расширению частотного диапазона в 1988 г. был создан эталон второго поколения — Государственный специальный эталон единицы силы переменного тока в диапазоне частот 20-1 106 Гц (ГЭТ 88—88), диапазон силы тока составлял 1 мА — 20 А, НСП — 1-10-5-3-10-4 отн. ед., оценка СКО — 5-10-6-1-10-4 отн. ед. Руководителем работ по созданию эталона, а затем его ученым хранителем вновь была назначена О. П. Галахова.

Совершенствование ГЭТ 88—88 было осуществлено в период 2012—2014 гг. в соответствии с договором между ВНИИМ и Росстандартом в рамках темы «Совершенствование Государственного первичного специального эталона единицы силы электрического тока в диапазоне частот 20-1-106 Гц ГЭТ 88—88». По результатам проведенных научно-исследовательских работ был создан Государственный первичный специальный эталон единицы силы переменного тока в диапазоне частот 20-1 106 Гц ГЭТ88—2014, который утвержден в установленном порядке [2]. Структурная схема эталона приведена на рис. 1.

На частотах свыше 100 кГц единицу воспроизводит Государственный первичный специальный эталон единицы силы тока высокой частоты ГЭТ 56—74 (организация-хранитель эталона — ВНИИФТРИ), а при силе тока свыше 100 А — Государственный первичный эталон единиц коэффициента и угла масштабного преобразования синусоидального

Рис. 1. Обобщенная структура ГЭТ 88—2014: 1 — программируемый высокостабильный источник постоянного и переменного напряжений в диапазоне частот 20—1106 Гц; 2 — преобразователь «напряжение — ток» в диапазоне частот 1 кГц — 1 МГц; 3 — усилитель тока типа 8100 в диапазоне частот от постоянного тока до 100 кГц; 4, 5 — эталонное и поверяемое СИ, соответственно; 6 — двухканальный нановольтметр; 7 — персональный компьютер; 8 — меры электрического сопротивления

тока ГЭТ 152—2011 (организация-хранитель эталона — УНИИМ).

Структура построения и принцип действия. В основу работы эталона положен метод разновременного сравнения среднего квадратического значения (СКЗ) силы переменного тока со значением силы постоянного тока. В качестве средства сравнения применен термоэлектрический компаратор, работающий при силе тока до 20 А, и шунт переменного тока при силе тока до 100 А. При подаче на вход термоэлектрического компаратора постоянного тока /=, термоЭДС Е= на его выходе описывается выражением

Е= = к/2,

где к — коэффициент, учитывающий характеристики нагревателя термопары термоэлектрического компаратора.

При подаче на вход термоэлектрического компаратора переменного тока термоЭДС Е~ на его выходе пропорциональна СКЗ силы переменного тока /_ [3]:

Е~ = к-1 |\^ = к/2,

где Т~ — период изменения переменного тока; i — мгновенное значение силы тока.

Если Е~ = Е=, то СКЗ /~ равно значению силы постоянного тока /=. Таким образом происходит сравнение /_ и /=. Погрешность компарирования переменного тока /_ с постоянным током /= описывается выражением

Тк = (/_ - /=)//=.

При этом /= с погрешностью измеряют эталонными СИ, получающими единицу постоянного напряжения от ГЭТ 13—01 и единицу электрического сопротивления от ГЭТ 14—2014. Погрешность измерения СКЗ /_ определяют как

У- = Тк + 7=-

При подаче на вход шунта постоянного тока напряжение на его выходе имеет значение и=, в случае подачи переменного тока — и~. Если и==и_, то СКЗ /~ равно /=.

В состав термоэлектрического компаратора входят два набора эталонных ТЭП силы электрического тока с номинальными значениями: 1; 3; 5; 30; 50; 100 мА и 0,3; 0,5; 1; 2,5; 5; 10; 20 А. В каждый набор входит группа преобразователей с равнономинальными значениями. Групповая структура ТЭП обеспечивает повышение точности передачи единицы силы переменного тока от государственного первичного эталона соподчиненным СИ и позволяет путем взаимных сличений преобразователей внутри группы и со смежными значениями силы тока оценить погрешность эталона и контролировать их стабильность во времени.

Наборы ТЭП первой группы содержат по два термопреобразователя различной конструкции: вакуумные одноэлементные и воздушные многоэлементные на указанные значения силы тока. Наборы ТЭП второй группы — по три термопреобразователя различной конструкции: воздушные одноэлементные и многоэлементные. Причем ТЭП из послед-

него набора уникальны по своей конструкции и технологии изготовления. Они были разработаны и изготовлены во ВНИИМ. Эти ТЭП имеют различную форму поперечного сечения нагревателя и являются преобразователями прямого включения, т. е. через нагреватель течет ток силой 0,3—20 А. Нагреватели ТЭП выполнены из специальных материалов (терминал, манганин, сплавы на основе нихрома), имеющих высокую временную стабильность электрического сопротивления, а также малый температурный коэффициент сопротивления.

Высокостабильный источник постоянного и переменного напряжений в диапазоне частот до 1 МГц является задающим генератором, выходное напряжение которого преобразуется соответствующим уст

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком