книги / Электрические измерения электрических и неэлектрических величин

Пределы допускаемой дополнительной погрешности средства изме­ рений можно выражать в форме, отличной от формы выражения пре­ делов допускаемой основной погрешности. Их можно устанавливать в виде:

постоянного значения для всей области значений влияющей величи­ ны или постоянных значений для интервалов области;

отношения предела допускаемой дополнительной погрешности, соответствующего регламентированному интервалу значений влияющей величины, к ширине этого интервала;

предельной функции влияния как зависимости предела допускае­ мой дополнительной погрешности от влияющих величин;

функциональной зависимости пределов допускаемых отклонений от номинальной функции влияния.

Обычно пределы допускаемой дополнительной погрешности уста­ навливают в виде дольного или кратного значения предела допускае­ мой основной погрешности.

Пределы допускаемой вариации выходного сигнала устанавливают в виде дольного или краткого значения предела допускаемой основной погрешности.

Пределы допускаемой нестабильности, как правило, устанавли­ вают в виде доли предела допускаемой основной погрешности.

Пределы допускаемых погрешностей должны быть выражены не более чем. двумя значащими цифрами, причем погрешность округления при вычислении пределов должна быть не более 5 %.

Обозначение классов точности в технической документации и на средствах измерений несколько различно. Примеры обозначения клас­ сов точности средств измерений по ГОСТ 8.401—80 приведены в табл. 5.1.

5.2. Эталоны единиц физических величин

Классификация эталонов. Все средства измерений в соответствии с их метрологическими функциями подразделяются на рабочие и об­ разцовые средства измерений и на эталоны.. Место эталонов среди средств измерений видно из схемы передачи размеров единиц физических ве­ личин, показанной на рис. 5.1.

Эталоны единиц физических величин классифицируют по ряду признаков. Соответственно делению физических величин данной систе­ мы различают эталоны основных и производных единиц, а по точ­ ности воспроизведения единиц и подчиненности — первичные (исход­ ные) и вторичные (подчиненные).

Первичные эталоны воспроизводят и (или) хранят единицы и пере­ дают их размеры с наивысшей точностью, достижимой в данной области измерений. Разновидностью первичных эталонов являются специаль­ ные эталоны, предназначенные для воспроизведения единиц в усло­ виях, в которых прямая передача размера от первичного эталона с тре­ буемой точностью технически неосуществима (высокие и сверхвысокие частоты; малые и большие энергии, давления или температуры, особые состояния веществ и т. п.). Первичные и специальные эталоны явля-

вающего хранение, воспроизведение и передачу размеров единиц вторичным эталонам.

Одиночный эталон представляет собой одну меру, один измеритель­ ный прибор или измерительную установку, а групповой эталон (для повышения надежности) состоит из однотипных мер или измерительных устройств и воспроизводит размер единицы в виде среднего арифме­ тического результатов воспроизведения каждым из элементов этой совокупности. Элементы из состава группового эталона могут быть использованы как одиночные рабочие эталоны.

Эталонным набором называется набор мер или измерительных приборов, позволяющих хранить или воспроизводить размер единицы физической величины либо измерять ее в некотором диапазоне значений.

Групповые эталоны и эталонные наборы могут быть постоянного либо переменного (с периодической заменой элементов) состава.

Эталоны данной страны называют национальными, а эталоны, от­ носящиеся к некоторой группе стран,— международными. Для обеспече­ ния единства измерений в международном масштабе государственные эталоны отдельных стран периодически сличают между собой и с меж­ дународными эталонами, находящимися в Международном бюро мер и весов (МБМВ) в Париже.

Сведения о государственных первичных эталонах основных единиц СИ. Государственные первичные эталоны основных единиц СИ — мет­ ра (ГОСТ 8.020—75), килограмма (ГОСТ 8.021—78), секунды (ГОСТ 8.129—77), ампера (ГОСТ 8.022—75), кельвина (ГОСТ 8.079—79, ГОСТ 8.080—80), канделы (ГОСТ 8.023—74) — представляют собой комплексы средств измерений, предназначенные для воспроизведения, хранения и передачи вторичным эталонам размеров единиц в соответ-

ствии с их определениями, приведенными выше в п. 1.2. Эталона мо­ ля нет.

Сложность комплексов средств измерений, с помощью которых реализованы первичные эталоны основных единиц, а также точность воспроизведения ими размеров единиц далеко неодинаковы у разных эталонов. Простейшим является э т а л о н к и л о г р а м м а , со­ стоящий из национального прототипа килограмма № 12 (гиря из пла­ тино-иридиевого сплава, выполненная в виде цилиндра диаметром и высотой 39 мм) и эталонных равноплечих весов на 1 кг с дистанцион­ ным управлением, служащих для передачи размера единицы массы

стоты — герца, а также шкал времени. Он обеспечивает воспроизве­ дение единиц с относительным средним квадратическим отклонением

результата измерений, не превышающим 1 Ю-13 при неисключенной относительной систематической погрешности, не превышающей 1 X

X 10"“12. Наименее точен эталон канделы, обеспечивающий воспроиз­ ведение ее размера с относительным средним квадратическим откло­

нением результата измерений, не превышающим 2 10-3 при неисклю­ ченной относительной систематической погрешности, не превышающей

6 10-3 .

Государственный первичный э т а л о н (ГОСТ 8.022—75), пред­ назначенный для воспроизведения, хранения и передачи размера еди­ ницы силы постоянного электрического тока — а м п е р а — рабочим средствам измерений с помощью образцовых средств измерений, за­

став которого входят: токовые весы, состоящие из электродинамичес­ кой системы (последовательно соединенные неподвижный и подвижный соленоиды точно известных геометрических размеров, обтекаемые по­ стоянным током 1,018646 А) и весов с дистанционным управлением (для уравновешивания силы взаимодействия между соленоидами силой тяжести гирь); мера электрического сопротивления, применяемая при передаче размера единицы (эталон сравнений).

Эталон обеспечивает воспроизведение размера ампера с относитель­ ным средним квадратическим отклонением результата измерений, не

превышающим 4 10_6 при относительной неисключенной системати­

ческой погрешности, не превышающей 8 1СГ6.

Сведения о государственных первичных эталонах некоторых произ­ водных электрических величин. Ограничимся рассмотрением госу­ дарственных первичных эталонов, представляющих собой комплексы средств измерений, предназначенные для воспроизведения, хранения и передачи размеров вольта, ома, генри и фарада.

ния между разделенными тонким слоем диэлектрика двумя сверхпро-

водниками в высокочастотном электромагнитном поле); группа насы­ щенных нормальных элементов; компаратор для сличения нормальных элементов с мерой напряжения на основе эффекта Джозефсона; компа­ ратор (компенсатор постоянного тока) для сличения нормальных эле­ ментов. Эталон обеспечивает воспроизведение размера вольта с относи­ тельным средним квадратическим отклонением результата измерения,

не превышающим 5 10-8 при относительной неисключенной система­

тической погрешности, не превышающей 1 10_б.

В состав э т а л о н а о м а (ГОСТ 8.028—75) входят: группа из 10 манганиновых катушек электрического сопротивления с номи­ нальным значением 1 Оми мостовая измерительная установка. Эталон обеспечивает воспроизведение размера ома с относительным средним квадратическим отклонением результата измерений, не превышающим

1 10~7 при относительной неисключенной систематической погреш­

па из четырех катушек индуктивности, значение индуктивности которых определяют расчетным путем по их геометрическим размерам и магнит­ ной постоянной; мостовая измерительная установка. Эталон обеспечива­ ет воспроизведение размера генри с относительным средним отклонени­

X КП5.

В состав э т а л о н а ф а р а д а (ГОСТ 8.019—75) входят: расчет­ ный конденсатор, в котором изменение емкости, определяющее размер единицы, осуществляется путем электрической коммутации и механи­ ческого перемещения электродов и определяется расчетным путем по геометрическим размерам электродов, скорости света и магнитной по­ стоянной; интерферометр, применяемый для определения геометри­ ческих размеров электродов; мостовая измерительная установка. Эта­ лон обеспечивает воспроизведение размера фарада с относительным средним квадратическим отклонением результата измерений, не пре­

вышающим 7 10-7 при относительной неисключенной систематиче­ ской погрешности, не превышающей 13 10-7.

5.3. Метрологический надзор и Государственная система обеспечения единства измерений

Основные положения метрологического надзора. Система метрологи­ ческого надзора включает в себя комплекс правил, положений и тре­ бований технического, экономического и правового характера, опре­ деляющих организацию и порядок проведения работ по поверке средств измерений, метрологической ревизии и метрологической экспертизе.

Поверка средств измерений проводится для установления их при­ годности к применению по назначению. Предусмотрены первичная, периодическая, внеочередная и инспекционная поверки.

Первичная поверка средств измерений проводится при их выпуске в обращение из производства и ремонта. Периодической поверке под-

лежат средства измерений, находящиеся в эксплуатации и хранении; межповерочные интервалы устанавливаются с расчетом обеспечения ис­ правности средств измерений на период между поверками. Внеочередная поверка проводится: при повреждении доверительного клейма, плом­ бы и утрате документов о периодической поверке; при вводе в эксплуа­ тацию средств измерений, поступающих по импорту; когда истекла половина гарантийного срока на средства измерений, служащие комп­ лектующими изделиями, а также во всех случаях, когда необходимо удостовериться в исправности средств измерений. Инспекционная по­ верка проводится при метрологической ревизии.

Метрологическая ревизия средств измерений проводится на пред­ приятиях, осуществляющих изготовление, ремонт, эксплуатацию, хранение и продажу средств измерений. Цель ревизии — совершенст­ вование парка средств измерений и повышение эффективности метро­ логического обеспечения производства. Во время ревизии контроли­ руют: наличие и правильность технической документации на средства измерений и на контрольно-измерительные операции; технический уровень и правильность эксплуатации средств измерений; качество средств измерений, выпускаемых в обращение из производства и ре­ монта или находящихся на хранении, и т. п. На основании результа­ тов метрологической ревизии проводившие ее органы метрологической службы вносят соответствующие предложения, направленные на устра­ нение обнаруженных недостатков и нарушений, с целью совершенство­ вания метрологического обеспечения. При выявлении фактов при­ менения непригодных средств измерений, приведших к причинению материального ущерба предприятиям или отдельным гражданам, про­ токол с указанием конкретных нарушений и виновных лиц направля­ ется в следственные органы.

Метрологическая экспертиза проводится при возникновении спор­ ных вопросов по метрологическим свойствам, методам и средствам поверки, исправности средств измерений и пригодности их к приме­ нению.

Основные правила поверки средств измерений сводятся к следую­ щему. Все средства измерений подлежат обязательной государственной или ведомственной поверке. Исключение составляют индикаторы, предназначенные для наблюдений за изменением физических величин без оценки их значений с нормированной точностью, а также учебные средства измерений. На них наносятся обозначения «И» (индикатор) и «У» (учебный).

Поверку средств измерений могут проводить только органы метро­ логической службы, имеющие соответствующее разрешение. Такое раз­ решение выдается им, если они имеют условия, необходимые для обес­ печения надлежащего качества поверки,— средства, кадры, норма­ тивные документы, помещения. К проведению поверки средств измере­ ний допускаются лица, прошедшие специальное обучение и сдавшие экзамены в учебных заведениях Госстандарта. Государственную повер­ ку могут выполнять только лица, имеющие квалификацию государст­ венного поверителя.

Основные операции поверки средств измерений сводятся к опреде­ лению их погрешностей с помощью образцовых средств измерений.

Перечень характеристик и признаков, контролируемых при поверке, регламентируется нормативно-техническими документами на средства измерениЗ, в частности техническими условиями.

Результаты поверки оформляются протоколом, в котором указыва­ ются: формальные данные (название, тип, завод-изготовитель, год вы­ пуска, номер) и номинальные характеристики средства измерений; данные об условиях проведения поверки (температура, давление, влаж­ ность); результаты измерений при поверке; выводы о пригодности или непригодности поверяемого средства измерений к применению его по назначению. Средства измерений, не удовлетворяющие требованиям технических условий хотя бы по одному из признаков, подлежащих контролю при поверке, признаются непригодными к применению.

Службы и органы метрологического надзора. Метрологический надзор осуществляется единой метрологической службой страны, ру­ ководимой Государственным комитетом СССР по стандартам (Госстан­ дартом) и состоящей из государственной метрологической службы Госстандарта и ведомственных метрологических служб министерств и ведомств.

государственной метрологической службы, которым является Всесоюз­ ный научно-исследовательский институт метрологической службы (ВНИИМС); главные центры и центры государственных эталонов — научно-исследовательские метрологические институты и их филиалы; главный центр стандартных образцов веществ и материалов; Всесоюз­ ный научно-исследовательский центр государственной службы стандарт­ ных справочных данных (ВНИЦ ГСССД); органы государственной метрологической службы в союзных республиках, возглавляемые республиканскими управлениями Госстандарта и имеющие в своем составе республиканские центры стандартизации и метрологии (РЦСМ) или республиканские лаборатории государственного надзора за стан­ дартами и измерительной техникой (РЛГН); зональные и межобласт­ ные центры стандартизации и метрологии (ЦСМ); межобластные, авто­ номных республик, краевые, областные и межрайонные лаборатории государственного надзора за стандартами и измерительной техникой (ЛГН).

(подразделение), на который возлагается руководство метрологической службой министерства (ведомства); головная организация метроло­ гической службы, определяемая министерством (ведомством) по согла­ сованию с Госстандартом из числа ведущих научно-исследовательских, проектно-технологических или проектно-конструкторских организа­ ций; базовые организации метрологической службы, определяемые министерством (ведомством) по согласованию с Госстандартом из числа научно-исследовательских институтов, проектно-конструкторских и проектно-технологических организаций или ведущих предприятий, осуществляющие научно-техническое и организационно-методическое руководство работами по метрологическому обеспечению прикреплен­ ных к ним предприятий (организаций) либо групп продукции или видов

деятельности и руководимые в таком же плане головной организацией метрологической службы; метрологические службы предприятий или организаций, т. е. отделы главных метрологов, другие подразделения или лица, на которые возложена организация работ по метрологиче­ скому обеспечению предприятия (организации).

Государственная система обеспечения единства измерений (ГСИ). Под Государственной системой обеспечения единства измерений подра­ зумевается комплекс нормативно-технических,документов (НТД), рег­ ламентирующих общие правила и нормы метрологического обеспечения, относящиеся к единицам физических величин и их эталонам, к метро­ логической терминологии, нормированию метрологических характери­ стик средств измерений, к их поверке, аттестации и проведению госу­ дарственных испытаний, к стандартизации и аттестации методик вы­ полнения измерений и др.

Перечисленные вопросы такого общего и организационно-методи­ ческого характера регламентируются базовыми стандартами ГСИ. На­ ряду с базовыми в составе ГСИ имеются стандарты, регламентирующие более конкретные вопросы. К ним, например, относятся стандарты на эталоны единиц отдельных физических величин и поверочные схемы; на нормальные условия выполнения измерений; на методы и средства поверки средств измерений отдельных физических величин. В состав ГСИ входят также другие НТД, выпускаемые Госстандартом и направленные на обеспечение единства и требуемой точности изме­ рений: инструкции, методические указания, правила, положения, методики и т. п.

ГСИ служит основой для разработки.отраслевых стандартов, стан­ дартов предприятий, а также других НТД, направленных на обеспе­ чение единства и требуемой точности измерений.

Часть вторая

ИЗМЕРЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

Г л а в а 6. МЕРЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

6.1. Меры электродвижущей силы и напряжения

Мерой э. д. с. постоянного тока является н о р м а л ь н ы й э л е 1- мте н т (НЭ) — обратимый гальванический элемент с точно известной э. д. с. Высокая точность воспроизведения э. д. с. обеспечивается прин­ ципом построения НЭ (рис. 6.1). Электролитом элемента служит вод­ ный раствор сульфата кадмия 3, положительным электродом — ртуть 5 и сульфат закиси ртути 4, отрицательным — амальгама кадмия (раствор кадмия в ртути) 1 в двухфазном состоянии (твердом и жидком),

авыводы электродов изготовлены из платиновой проволоки.

Взависимости от состояния электролита НЭ могут быть насыщен­ ными и ненасыщенными. Во всем диапазоне рабочих температур в элек­ тролите насыщенных элементов (рис. 6.1, а), кристаллы сульфата кад­ мия 2 находятся в избытке, а в ненасыщенных (рис. 6.1,6) — электро­ лит ненасыщен и над амальгамой кадмия и сульфата ртути установлены защитные пробковые или пластмассовые кольца 2, облаченные в шелковую ткань. НЭ с жидким электролитом выпускаются в виде Н- образных, а с пастоподобным — в виде циллиндрических баллонов из стекла. Для защиты от механических повреждений баллон помещен в тепловыравнивающий пластмассовый либо металлический корпус. Основные характеристики НЭ нормированы ГОСТ 1954—75 (СТ СЭВ 594—77) «Меры электродвижущей силы рабочие. Элементы нормаль­ ные. Общие технические условия».

Зависимость э. д. с. насыщенных НЭ от температуры воспроизво­ дится достаточно точно в соответствии с выражением

Е{ = Е го — [40,6 (I — 20) + 0,95 (* — 20)2 — 0,01 {I — 20)3] 10“ 6,

где Е г и Е2о— э. д. с. соответственно при температуре ^ и 20 °С. Отклонение действительного значения э. д. с. от рассчитанного по

этой формуле, отнесенное к значению разности (I — 20°), не должно превышать 2 мкВ на 1 К в диапазоне температур от 20 до 40 °С и 3 мкВ на 1 К в диапазоне от 10 до 20 °С.

Как следует из приведенной формулы, температурная нестабиль­ ность насыщенного НЭ составляет примерно 40 мкВ на 1 К. Средний же температурный коэффициент ненасыщенных НЭ несколько мень­ ший и не превышает 5 мкВ на 1 К в диапазоне температур от 10 до 40 °С и 10 мкВ на 1 К — в диапазоне от 5 до 10 и от 40 до 50 °С.

По приведенной зависимости определяется поправка к э. д. с. насыщенного НЭ, заданной в его свидетельстве для температуры 20 °С.

НЭ с активным термостатированием исключают необходимость учета температурной поправки э. д. с. Эти элементы состоят из регуля-