Измерения электрических и магнитных величин

1.

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕНО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования
«Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения»
ВОЕННЫЙ УЧЕБНЫЙ ЦЕНТР
814-244
«Измерения электрических
и магнитных величин»
Военно-специальная подготовка
Раздел № 3. СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ
И МАГНИТНЫХ ВЕЛИЧИН И ИХ ПОВЕРКА

2.

Тема № 6. СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ
ВЕЛИЧИН
Групповое занятие №27:
Вопросы:
1.
2.
3.
4.

3.

4.

1
РМГ 29-13 п. 6.11
Мера физической величины - средство
измерений, предназначенное для воспроизведения
и (или) хранения физической величины одного или
нескольких заданных размеров, значения которых
выражены в установленных единицах и известны
с необходимой точностью.
Различают меры:
По кол-ву хранимых размеров ФВ
- однозначная мера;
- многозначная мера:
- набор мер,
- магазин мер.
Многозначные меры напряжения и тока
получили название калибраторов
По типу хранимых ФВ
- э.д.с.;
- емкости;
- индуктивности;
- напряжения;
- тока;
- сопротивления.

5.

1
Общие требования к мерам
электрических величин :
стабильность параметров меры во времени;
точность;
min значение остаточных (паразитных) параметров ;
зависимость значения меры от условий эксплуатации;
удобство применения ;
простота конструкции, малые размеры и масса

6.

7.

2
Государственным эталоном ЭДС является эталон на основе
эффекта Джозефсона. Точность 10-7 В.
Переход Джозефсона представляет собой два сверхпроводника, разделённых тонким слоем диэлектрика (свинец на
стекле, раздельный окислом). Если этот переход облучить
электромагнитной энергией с частотой f , то при совпадении этой
частоты с характерной для данного напряжения U частотой
кратной f0 (возникает резонанс), на контакте появится постоянное
напряжение U , которое будет ступенчатым образом изменяться в
зависимости от кратности n = f0 / f :
где n –номер ступени ВАХ перехода;
h –постоянная Планка; е – заряд электрона.
Мера напряжения содержит переходы Джозефсона, помещённые в
жидкий гелий при температуре (2..4) К и обеспечивает высокостабильное напряжение на уровне 4..5 мВ, которое затем с помощью специального высокоточного делителя напряжения (погрешность 3·10-8)
передаётся группе насыщенных термостатированных нормальных
элементов.

8.

2
Государственный эталон единиц ЭДС воспроизводит единицу
1В с СКО, не превышающим 5 *10-8 В.
В состав эталона Вольта , созданного НПО "ВНИИМ " им.
Менделеева, входят:
1. Мера напряжения, воспроизводящая вольт на основе эффекта
Джозефсона;
2. Группа термостатированных (до 0,001°С) насыщенных
нормальных элементов (НЭ);
3. Компаратор для сличения НЭ с мерой на основа эффекта
Джозефсона.
4. Компаратор для взаимных сличений НЭ и для передачи
размера единицы вторичного эталона.
В качестве вторичных эталонов мер напряжения в России
используются нормальные элементы (НЭ).
Мера э.д.с. - нормальный элемент (НЭ)

9.

2
Схема устройства насыщенного нормального элемента
Вестона с жидким (а) и без жидкого (б) электролита:
1 - отрицательный
электрод - амальгама
кадмия (10% Cd, 90% Hg);
2 - кристаллы CdSO4 и
H2O;
3 - электролит насыщенный водный
раствор CdSO4;
4 - положительный
электрод - ртуть (Hg);
5 - паста - деполяризатор
из кристаллов серной
закиси ртути Hg2SO4,
растёртой с Hg и
кристаллами CdSO4·и H2O;
6 - корковая пробка;
7 - синтетическая смола.
Выводы от электродов
изготовлены из платиновой
проволоки .

10.

В зависимости от концентрации
электролита различают меры э.д.с. (НЭ):
2
насыщенные
ненасыщенные
обладают лучшей
стабильностью
параметров и их
воспроизводимостью,
но они чувствительны
к тряске и
опрокидыванию
сравнительно малое
внутреннее сопротивление,
крайне малый температурный
коэффициент, которым иногда
можно пренебречь, меньшая
чувствительность к тряске и
вибрациям
используют в
качестве эталонных
мер э.д.с.
используют как источники
опорных э.д.с. в промышленных
и переносных электроизмерительных приборах

11.

2
Основные метрологические характеристики
нормальных элементов:
значение э.д.с. при нормальной температуре;
зависимость э.д.с. от температуры;
временная стабильность;
внутреннее сопротивление;
Внимание!
отсутствует понятие
номинального значения меры

12.

2
Общая характеристика нормальных элементов
Тип
Действительное
Класс
значение э.д.с.
точнос
при температуре
ти
20 0С, В
Наиб.
допуск.
ток в
течение
1 мин.,
мкА
Температура
применения, 0С
Насыщенн
ый
0,001
0,002
0,005
1,01859-1,01863
1,01856-1,01866
1,01850-1,01870
1
20 0,5
20 2,0
10…40
Ненасыщен
ный
0,02
1,0186-1,0194
10
5…55
Допуст.
изменение
э.д.с., мкВ
За 1
год
За 3
дня
10
20
50
5
10
30
200
70
Внутреннее сопротивление насыщенных Н.Э. – 1000 Ом,
ненасыщенных - 600 Ом.

13.

2
Э.д.с. Et насыщенного нормального элемента:
Ненасыщенный элемент характеризуется средним
температурным коэффициентом:
Et1 Et 2
t1 t2
,
Значение не превышает 5 мкВ/С в
диапазоне 10 – 40 0С и 10 мкВ/С в
диапазонах 5 – 10 0С и 40 – 50 0С.
Et1 , Et2 - значения эдс при температурах, соответствующих
верхней и нижней границам диапазона рабочих условий применения.

14.

2
Технические характеристики отдельных
элементов
Элемент
нормальный
насыщенный Х482
0,001
от1,018540
до1,018730
±10
1000
Нормальный
элемент
насыщенный Х480
Класс точности
Значение ЭДС при
температуре 20 °С, В
Отклонение ЭДС за год, мкВ,
не более
Сопротивление электрическое
внутреннее, Ом
0,005
1,018540…
1,018730
±50
1000

15.

2
Элемент
нормальный
ненасыщенный
Х4810
0,01
от 1,019000
до 1,019600
от 1,018800
до 1,019600
± 100 мкВ
1500 Ом
1000 Ом
Нормальный
элемент
ненасыщенный
МЭ4700
Класс точности
Значение ЭДС при
температуре 20 °С, В
Значение ЭДС при
эксплуатации при t = 20 ºС
Отклонение ЭДС за год, мкВ,
не более
Внутреннее R постоянному
току при выпуске из
производства, не более
Увеличение внутреннего
сопротивления НЭ в течение
всего срока службы, не более
0,01
от 1,019000 до
1,019600
от 1,018800 до
1,019600
± 100 мкВ
1000 Ом
1000 Ом

16.

2
Достоинством ненасыщенных нормальных элементов
является:
- Меньшая зависимость ЭДС от температуры (0,0002% на
1°С).
- Номинальное значение ЭДС известно с большой
точностью (1,01859 – 1,01946 В). В необходимых случаях
вводятся температурные поправки и можно учесть значение
ЭДС с точностью до 0,00001 В.
Недостатками нормальных элементов, являются
недопустимость больших разрядных токов (10 – 100 мкА) и
ограниченный срок службы (три года для ненасыщенных и
восемь лет для насыщенных).

17.

18.

3
Государственный первичный эталон единицы электрического
сопротивления основан на эффекте Холла.
Если структуру металл-окисел-полупроводник (МОП) охладить
до температуры 1,4 К и поместить в сильное магнитное поле с
индикацией 7,5 Тл, то на выходе МОП-структуры, называемой
холловским контактом, электрическое сопротивление будет
изменяться ступенчатым образом:
rx = h/(ne2) .
С 1990 г. введена новая единица сопротивления — 1 клитцинг,
определяемая как холловское сопротивление на четвертой
ступеньке: h/(4е2) = 6453,20159 Ом.
Государственный первичный эталон единицы
электрического сопротивления 1 Ом включает в себя:
1) установку для воспроизведения единицы на основе квантового
сопротивления Холла;
2) 10-ть манганиновых катушек электрического сопротивления с
номинальным значением 1 Ом, помещенных в герметических объёмах,
заполненных сжатым воздухом;
3) измерительный мост .

19.

3
В качестве мер электрического сопротивления
применяются:
- измерительные катушки электрического
сопротивления (однозначные меры электрического
сопротивления) – ОМЭС ;
- измерительные магазины сопротивления
(многозначные меры электрического сопротивления) ММЭС.
Диапазон номинальных сопротивлений серийно
выпускаемых мер находится в пределах от 10-4 до 1015 Ом.
Большое распространение получили измерительные
катушки, изготовленные из манганиновой проволоки или
ленты, намотанной на каркас из изоляционного материала.

20.

3
Манганин - сплав из 84 меди, 12 марганца и 4
никеля, с удельным сопротивлением: 0,45 10 6 Ом м
Температурный коэффициент сопротивления манганина
невелик:
5
1
1 10 К
Термо э.д.с. манганина с медью составляет: 1,5…3 мкВ/К.
В последние годы разработаны измерительные резисторы
на базе печатной технологии. Печатные резисторы делают
из фольги различных резистивных сплавов.
Чтобы свести к минимуму остаточные
индуктивность и емкость меры в цепях
переменного тока применяют бифилярную
намотку провода.
Бифилярным способом намотки
называется такой способ, когда намотка
ведется одновременно двумя проводами.
Концы этих проводов спаиваются вместе.

21.

Класс точности
- измерительных резисторов (катушек сопротивлений):
0,0005; 0,001; 0,002; 0,005; 0,01; 0,02; 0,05.
- магазины резисторов по точности делятся на классы:
0,01; 0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0.
Эталонные катушки и магазины резисторов должны
иметь возможно меньшие собственные индуктивность и
ёмкость.

22.

3
ОМЭС
характеризуется следующими параметрами:
1
Номинальное сопротивление либо чаще используют
действительное значение сопротивления, которое:
2
Rt Rном R20 t 20 t 20
2
Стабильность ОМЭС – отклонение R от
действительного (для КТ 0.01 и выше)
3
Класс точности - отклонение R действительного от
номинального (для КТ 0.02 и ниже)
4
Номинальная и максимальная мощность (тока,
напряжения)
5
Остаточные индуктивность и ёмкость

23.

Общий вид
однозначных мер
электрического
сопротивления
Технич.
характеристики
Р4013
Р4023
Р4033
Р4030-M1
Номинальное
сопротивление, Ом
106
107
108
109
Класс точности
0.005
Напряжение на мере, В
- номинальное
220
0.005
0.005
0.01
550
550
1000
- максимальное
700
1500
1500
2000
Темпер. коэф.
сопротивления,
1x10-5
1.5x10-5
1.5x10-5
2x10-5
Габаритные
размеры, мм
115x125x260
115x125x260
115x125x290
диам.120x180

24.

Общий вид
однозначных мер
электрического
сопротивления
Технич.
характеристики
Р4015
Р4016
Р4017
Р4018
Номин.
сопротивление, Ом
105
106
107
108
Класс точности
0.005
0.005
0.005
0.05
Номинальное
напряжение, В
-
100
100
100
Номинальная
мощность, Вт
0,05
-
-
-
Предел. значения
постоянной
времени при 1 кГц,с
1x10-7
1x10-6
1x10-5
1x10-4

25.

3
ММЭС - магазины сопротивлений
характеризуется следующими параметрами:
1 Класс точности: c/d или с
2 Предел допускаемой основной погрешности
магазина: b d R / R 1 или с
доп
доп
max
где Rmax - наибольшее значение сопротивления ММЭС, Ом;
R - номинальное значение включенного сопротивления, Ом.
Среднее значение начального сопротивления
3
Rнач: Rнач ma , где m – число декад магазина; а – к-т из табл.
Постоянная с (класс
точности)
0,0005-0,01
0,02
0,05
0,1
0,2-5
Коэффициент а:
0,002
0,003
0,005
0,006
0,01

26.

Общий вид
многозначных мер
электрического
сопротивления
Технич.
характеристики
Р40105
Р40106
Р40107
Р40108
Класс точности
0.02
0.02
0.02
0,02
Количество декад
2
2
2
4
Ном. значения
сопротивления
ступеней меры, Oм
106; 105
107; 106
107;108
105;106;
107;108
Пред. знач. мощн.
расс. на 1 ступень
декады “x105” Ом,
Вт
0.05
-
-
0.05
Габаритные
размеры, мм
215x130x275
215x130x275
320x130x275
320x130x275

27.

3
Пример ММЭС: Магазин сопротивлений Р4831
Р4831 предназначен для работы в цепях
постоянного тока в качестве ММЭС
Вид магазина сопротивлений Р4831:

28.

3
1
Класс точности магазина: 0,02 / 2 10-6
2
Диапазон показаний – от начального до 111111,10
Ом ступенями через 0,01 Ом
3
Предел допускаемого отклонения действит.
значения сопротивления от номинального:
Основные
технические
характеристики:
6 RK
0,02 2 10
1 %
Rном
4
Среднее значение начального сопротивления RН
5
Вариация начального сопротивления ΔRН
6
Электрическое сопротивление изоляции RИЗ
7
Габаритные размеры магазина 370х220х140 мм
8
Вес магазина – не более 5 кг.

29.

"1"
R1
12 Бл1
"10"
11
12
Бл2
R1
12
"9"
"10"
11
"9"
10
"10"
11
10
R2
"8"
Кл3
13
B1 1
"0"
"1"
2
"8"
R10
"8"
Кл2
13
B1 1
"0"
"1"
2
9
"9"
R2
"3"
9
R10
"2"
"x100"
9
"1"
2
"0"
B1 1
13
Кл1
Бл3
R2
R1
R9
Э1
"4"
"x10"
Бл4
"10"
12
12
11
"9"
"9"
10
Бл5
R2
R1
12
"10"
11
"9"
10
"8"
10
"8"
Кл6
Бл6
R1
R10
R2
13
"0"
"1"
2
"8"
"1"
2
"0"
13
B1 1
Кл5
Э2
9
R9
"6"
"x0.1"
9
R10
R2
"10"
11
R1
"5"
"x1"
9
13
"0"
"1"
2
Кл4
"7"
Бл7
R2
12
"1"
2
"0"
B1 1
13
Кл8 "9"
Кл9
R10
R2
R1
Бл8
"10"
11
"9"
12
"10"
11
"9"
R1
R9
Э3
"8"
10
"8"
9
"1"
2
"0"
B1 1
13
Кл7
9
10
"8"
"x0.001"
X 5 X 6 X 7 RН
"x0.01"
R0 X1 X 2 X 3 X 4
"x1000"
Схема
электрическая
принципиальная
магазина
сопротивлений
Р4831:
RO X 1 X 2 X 3 X 4 X 5 X 6 X 7 RН ,
Отсчет включенного
сопротивления
RO в омах производят
по формуле:
"x10000"
3

30.

31.

4
Государственный первичный эталон единицы ёмкости
представляет собой тороидальный конденсатор вакуумируемый
VTCC-06, построенный по теории Томпсона-Лэмпарда.
Конденсатор состоит из 4-х стальных цилиндров диаметром 50
мм и длиной 500 мм, оси которых расположены параллельно в
углах квадрата. Между ними расположен экранный стержень, ось
которого находится в центре квадрата. Выходной ёмкостью
является ёмкость между диагональными стержнями.
Эталон воспроизводит единицу электрической емкости 0,5 пФ.
В состав государственного первичного эталона единицы
ёмкости входит так же высокочастотный компаратор ёмкости
мостового типа для передачи единицы ёмкости в диапазоне
номинальных значений от 10-3 пФ до 1 мкФ на частоте 1 кГц.
В качестве мер используются воздушные и слюдяные
конденсаторы.
Конденсатор должен обладать малыми диэлектрическими
потерями и большим сопротивлением изоляции.

32.

Меры ёмкости
4
Конденсаторы выполняются плоскими или цилиндрическими, с
воздушным или твердым диэлектриком. Вид диэлектрика зависит от
номинального значения емкости:
- воздушный диэлектрик – ёмкость до 1000 пФ (1 нФ);
- слюдяной диэлектрик – ёмкость свыше 1 нФ;
- диэлектрик из полимерной пленки - ёмкость свыше 1 мкФ.
Требования:
минимальная зависимость емкости от температуры,
времени и частоты;
Большой tg :
высокое сопротивление изоляции;
высокая электрическая прочность изоляции

33.

4
Диэлектрическими потерями называют энергию,
рассеиваемую в электроизоляционном материале под
воздействием на него электрического поля.
Способность диэлектрика рассеивать энергию в
электрическом поле характеризуют углом диэлектрических
потерь, а также тангенсом угла диэлектрических потерь.
U - напряжение на
диэлектрике;
I - полный ток через
диэлектрик;
Ia, Ic - соответственно
активная и емкостная
составляющие полного тока;
- угол фазного сдвига между U и I;
δ - угол между полным I и его емкостной составляющей.
Отношение Ia к Ic (для параллельной схемы), либо Uа к Uс (для
последовательной схемы) называется тангенсом угла
диэлектрических потерь и выражается в процентах.

34.

Для измерения ёмкости конденсаторов с малыми потерями
uC
uc
uR
U
uR
IR = Iс = I=const
uR + uC = u
tgδ =UR/UC= IR / (I/( C));
tgδ = ωRC
I = I С = IR
IС опережает u,
IR совпадает с u
Для измерения ёмкости конденсаторов с большими потерями
Ic
I
IR
IR + IC = I
IC
IR
UR= UС = const
u = uС = uR
tgδ = 1/ωRC
IС опережает u,
IR совпадает с u

35.

4
Меры ёмкости
характеризуются следующими параметрами:
Номинальные значения емкости: от 0,001 пФ до 0,01 Ф;
Предел допускаемой основной погрешности магазина:
C1
К 1 0,8m
C
К - класс точности;
m- число декад магазина;
C1 - номинальное значение емкости одной
ступени низшей декады, пФ;
C - емкость, установленная на магазине
Допускаемая погрешность конденсатора
переменной емкости:
C max
К
,
C
Максимально допустимое значение начальной ёмкости
для многозначных мер

36.

4
Воздушные конденсаторы выполняются с плоскими или
цилиндрическими электродами, они имеют ёмкость менее 0,001
мкФ и практически не обладают диэлектрическими потерями, но
обладают большими размерами.
Слюдяные конденсаторы состоят из ряда металлических
пластин, изолированных слюдяными прокладками. Чётные
пластины соединены с одним, а нечётные с другим зажимом
конденсатора. Тангенс угла потерь слюдяных конденсаторов
порядка 10-4, погрешность их составляет ±(0,01…0,5)%.

37.

Основные характеристики мер ёмкости
Тип
меры
Номинальное
значение
емкости, пФ
Диапазон
частоты, Гц
Р533
50; (1;2;3;4)
10n, где n=2;3
40 1 10
Р534/1
Р534/2
Р534/3
15
20-60
25-150
40 1 104
Р5092
Р5093
Р5094
0-16
0-160
0-510
40 1 105
4
Предел допускаемой
основной
погрешности, %
0,05 10 / С ,
где С-емкость, пФ
0,05
0,2
0,5
0,05
0,2
0,5
Начальная
емкость,
пФ
Доп.
значение
тангенса
угла
потерь
-
1 10 4
15 0,05
4
20 0,2 1 10
2 0,5
-
1 10 4

38.

4
Государственный первичный эталон единицы индуктивности
состоит из комплекса в который входят:
1) группа из 4 торроидальных катушек индуктивности;
2) эталонный индуктивно-ёмкостный мост;
3) мера сопротивления АСRS-1 (сменное плечо моста) 1 кОм;
4) мера сопротивления АСRS-10(сменное плечо моста) 10 кОм;
5) мера емкости LBCS-10 (присоединяемое устройство) 10 нФ;
6) - многозначной меры емкости ИДЕ-1 и др. СИ.
Эталон воспроизводит единицу индуктивности равную 10 мГн
или 100 мГн на частоте 1 кГц. СКО и погрешность
воспроизведения эталона индуктивности не превышает 10-6 Гн.
Меры взаимной индуктивности выполняются аналогично
катушкам индуктивности, но имеют две обмотки.
Совокупные измерения: Измерение значения взаимоиндуктивности М
между двумя катушками с индуктивностями L1 и L2:
L0l=Ll+L2 + 2М
L02=Ll+L2 - 2М
M=(L01-L02)/4

39.

4
Меры индуктивности:
Катушки
Магазины
индуктивности
индуктивности
Требования:
стабильность параметров;
минимальное активное сопротивление;
независимость индуктивности от значения протекающего
тока;
малая зависимость индуктивности от частоты тока и от
температуры окружающей среды.

40.

4
Эталонные катушки индуктивности изготовляют на
следующие номинальные значения индуктивности:
0,0001; 0,001; 0,01; 0,1; 1 Гн.
Эталонная катушка с переменной индуктивностью - вариометр
состоит из двух частей - неподвижной и подвижной, могущей
поворачиваться на угол около 180 . Индуктивность вариометра
зависит от положения подвижной части.
Магазин индуктивностей состоит из набора катушек, а иногда,
кроме того, и из вариометра.
Погрешность этого магазина индуктивностей равна:
±(0,3…0,5)%.

41.

Диапазон номинальных значение
индуктивности
от 0,01 мкГн до 1 Гн
Меры индуктивности
характеризуются следующими
параметрами:
1
Добротность Q
Q L / R.
(R и L включены последовательно)
2
Постоянная времени
L / R.

42.

Основные характеристики мер
индуктивности
Тип меры
Назначение
Р596/1
Р596/25
Катушки
индуктивности
образцовые
Р594
Магазин
индуктивности высокочастотный
Номинальные
значения
индуктивнос-ти,
Гн
Диапазон частот,
Гц
Погрешность
аттестации меры, %
1 10 6 1
80 1 105
0,02 1/ L
-при 0,5; 5; 10 кГц;
0,05 2 / L
-при 0,08;
0,2 2 / L
-50; 100 кГц, где
- L – значение
-индуктивности, мкГн
1 10 7 1,111 10 3
1 10 4 1 106
1 0,4 / L ,
- где L – включенная
индуктивность, мГн