автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.05, диссертация на тему:Разработка и исследование методов и эталонных электрометрических средств измерений малых постоянных токов в диапазоне 10 в -17 степени - 10 в -3 степени А

ВСЕРОССИЙСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ МЕТРОЛОГИИ им.Д.И.МЕНДЁЛЕЕВА

На правах рукописи

Для служебного пользования Экз.№

ПАВЛОВ Олег Михайлович

УДК 621.317.

РАЗРАБОТКА. И ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ И ЭТАЛОННЫХ ЭЛЕКТРОМЕТРИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ МАЛЫХ ПОСТОЯННЫХ ТОКОВ В ДИАПАЗОНЕ 10~17- 10~3 А

Специальности: 05.11.05 - Приборы и методы измерения электрических и магнитных величин 05.11.15 - Метрология и метрологическое обеспечение

Автореферат , . /£)

диссертации на соискание ученой степёт? ¿У^/ ^^

ских наук / /1 * ■—7

кандидата технических наук

Санкт-Петербург 1994

Еабапа внганЕеча во Всероссийском ордена Трудавога Красного- Знашяи научно-исследовазельеяом инстятуте метрология, имена ДЛ.Менделеева

Научные рукогодигади: доктор техгакеокшс наук, профессор

I £аждесзтенскаа~ х~ь.1 докЕор тшсшгаеских наук, са.Е.с-Слава ВЛ.

Офшдалыша оппонашы: доктор технических нарс, ст.н.с.

Кравяендо СЛ.

каздидаг технических наук, доцанв

Веддаая органязапия: Всероссийский: Егршондоолвдоттвдъпгш!

нестетуп приборостроения /г. Санкт-Петарбург/

Защити диссертации соатоанса 1394 г. а-/С часов

на засаданги спедаализиразаннота сяаата К (ИГ,03.01 при Всероссийском ордана рудового. Краснота Знаиеш научна-нсследовегедБ-сжся института. петрология ей. ДЛЛандшшева

С диссертацией. шэгно. ознакомиться: в библиотеке ' ВНАМ им. Д.к.Мзндвлагва

Авьорефораз. ддзадлпн 13341 г.

_ 3 -

ОБШ XAPJISTSPiiCTHKA ЕЛБОШ

Актуальпозть работы. Создание и датапэйлее совершенствование цвзвеигоготгопого обеспечения отраслей народного хозяйства страны я пре.'ляшзиксатге яаляется: паяной задачей, вошедшей в. основные на-празлеязя Государственного плана экономического и остального раз-пптк.1 на. период до 2C.Q5 года. В'соответствии а программой работ по совершенствованию эталонной базы страны в. области электрических псигрзязЗ озущдссвляэтся дальигйвгэ развитие системы эталонов и молодо!» лсрадетя расмерк «дзепед силы. постоянного электрического тока.

Исследования, проводкою и таких, областях науки 2 техникь, как ■^Д'пппя Флзяка, цадпцгна, вакууклая техника, техника ионизирующих пглучзтт.т.-, разработка пссех э.чзтгронкых приборов, тесно езязаны с земареанями налах поотояшшх токов в высокоскных целях до Ю^7 Ом.

. В каэдом нонкргтном.случае к средствам измерений /СИ/ налах постоянных тохсз предъявляется сагпге различные требования по чув-отзатсиъзостя,. точности, унивш. цельности и т.п., в зависимости от уолозпй а к&чзства проведения акспергмеата.

За последние: года з налей страна и за рубежом разработана: СИ з диапазоне. 10"®' А с повышенные матрологячеешми характерис-

тиками. 3 связи с этим особую актуальности приобретает разработка зталезшх СИ для обеспечения единства измерений в электрометрическом диапазоне на новом уровне,. Электрометрические СИ, согласно ГОСТ 23913-79 "Сседотла измерения электрометрические", предназначены для работ» а объектом. измерения с внутренним сопротивлением не кенеа X.ICLS Он и минимальным током сигнала на более " 1.10~э А.

Исследования принципов построения СИ малых постоянных токов и ах. анализ приведения работах Александрова B.C., Антоновой ДЛ., Илгковича A.M., Прянишникова В.Н., .роздестввнской Т.Б. и др.

Актуальность задача повышения метрологических характеристик эталонных СИ, решаемой, в работе, обусловлена постоянным повда-шаем

технически требований к методам и средствам измерений, используемым в промышленности, тохнике и практика научных исследований.

Цель рабохн заключается в создании исходных автоыатизнровая-шгх эталонных средств высшей точности дда измерения и всспронзведс-ния малых, постоянных токов в диапазоне Ю-17- 1СГ3 А, на основе которых осуществлялась бы передача размера единицы с&гщ тока ниЕсйтаа-щим в поверочной схема эталонным и рабочим олектрошгграчесша СЕ кал отечественного, так: и зарубежного производства.

Задачи исследований. Достиженна поставленной цела овязгшо с необходимостью ьзпенпя следующих задач:

- ынализ методов и структур построения электрометрических СИ. ., ¿1 воспроизведенпостоянных токов в диапазоне Ю-^- ЮГ®- А;

- разработка и исследования етаж>шш; пар, обесвачдвавдпх воспроизведение' постоянного тока в диапазоне Ю-^- ДГ® А с необходимой точностью;

- разработка методов и средств аттестация мер маши: постояннее токоь в указанном диапазона;

- разработка сиатеыы передаче размера едчящн о тршЗуаыаЗ на практика точностью;

- вксперлменх^ьныа исследование: разработанных эталонных СИ.

Научна ~ новизна. Научная нсалзна полученных результатов эшию-

шатсл в.том, что:

- разработана резистивная. мера тока в диапазоне 1СГ® А; прадлохен и риалп",ован х^.'од /получены необходямаа аналитичзскиа выражения/ предельного уменьшения погрешности передачи размера единицы от рсзистивноД меры при аттестацчн элеягроыетряческах измерителей тока /ЗИ1/ любого типа;

- разработана мера то^ш на основе использования пьезоэффента кварца в диапазоне 1СГ16- 1С"12 А, в которой реализован нсзый метод создания линейно изменяоцегося давления;

- разработана чатырёхЕлектродная ионизационная мера тока о дауия диафрагмами, обеспечивающая более широкий диапазон воспроизведения тока и болеа высокую его стабильность по сравнению с другими мэрами тока этого типа;

- разработан ыатод и новая структурная схеыа "самоповеряеыой" рвзястивыа-ёыкоотной мары, тока, обеспечивающие наивысшую точность

тп _п

аоопроизвадення тока в диапазона 10 10"° А;

- получены аналитические вырадания, позволяющие провести оценку погрешности разработанных эталонных СИ а учётом всех влияющих факторов для различных методов воспроазвидения малых постоянных токов;

- разработал метод и предложена новая структурная схема построения автоматизированной установки в диапазона Ю"3 А;

- получены. необходимые аналитические выражения, позволяющие проваати оценку погрешности при компенсационном метода измерения таза в диапазоне Ю-17- Ю-3 Д.;

- разработан метод и предложена новая структурная схема построения автоматизированного эталонного комплекса аппаратуры для воспроизведения постоянного тока а диапазоне 10-1е- 10"® А.

Практическая ценность заключается в той, что:

- разработан, исследован и утвврвдён в качестве государственного первичного эталона единиць' силы постоянного электрического тока в диапазоне 10"*^- А автоматизированный комплекс аппаратуры, построенный на основа использования методов электрометрии;

- разработана государственная поверочная схема для СЯ постоян-

тс

ных токов в диапазоне 10 - 30 А, в которой применены методы исследований и аттестации СИ постоянного электрического тока. Результаты исследований использованы при аттестации эталонных электрометрических СИ постоянного тока 1-го и 2-го разрядов, которыми оснащены многие метрологические центры РФ и стран СНГ; '

- в результата £кспершенталь:шх исследований и в связи с

введением в действие ГОСТ 8.022-91 разработанным поверочным установкам типов УМШГ-4, ЖИ-5 и маре тока на аанове использования пьазоэфпекта кварца тила ШШТ присвоен- 1-й разряд; ионизационным мэрам тока ШПТ-К-ХЛ-Ю и ЫМШ-Г-2Д-15-20 присвоен 2-й разряд.

Результаты работ, выполненных при непосредственном участии автора, внедрены на трёх, предприятиях, что подтверждается соответствующими актами о внедрении. Согласно, антам состоявшихся внедрений годовой экономический эффект /в ценах 1991 г./ составляет 693 т.р.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались, обсуждались к были одобрены на:

- 5-й научно- технической конференции по электрометрии, г. Ленинград,, 1976 г.;

- заседаниях Комитета по электрсме^риа НТО приборостроения им.акад.С.И.Вавилова, г.Ленинград, 197Э и 1983 гг.;

- Международном симпозиуме ACIA IMEK0, г.Будапешт, 197Э г.;- Научно-техническом совещании "Вопросы динамики элвктрометри-

чоской аппаратуры", г.Тарту, 1982 г.;- Всесоюзном научно-техническом семинаре "Теоретические проблема. электрометрии", г.Тарту, 1935 г.;

- Республиканском научно-техническом семинаре "Автоматизация электрометрических измерений", г.Тарту, 1988 г.;

- 2-м Международном симпозиуме по электромагнитной метрологии, 15ЕМ, г.Пекин, 19ЭЗ г.

Публикации По теме диссертационной работ опубликовано 19 печатных работ, включая два государственных, стандарта и пять авторских свидетельств на изобретения.

Обьём и структура диссертации. Работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, сыюка литературы и прилогетий. Общий обьсм диссертация 241 стр., в том числе 138 стр. машинописного текста, 5и рис. нг 45 стр., 17 таблиц на II стр. 3-1 стр. приложений.

Список литературы содержит 84 наименования на 9 стр.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ

1. Новые принципы и структуры построения электрометрически:: СИ, позволившие создать комплекс аппаратуры автоматизированного государственного первичного эталона единицы силы постоянного электрического тона в диапазоне Ю •<- 10 А.

2. Новые методы и схемы исключения действия влияющих факторов, позволяема снизить ограничения по точности электрометрических СИ, мер и компараторов постоянного тона.

3. Основные соотношения для оценивания погрешностей воспроизведения и передачи размера единицы-силы постоянного электрического тока на основе использования методов электрометрии.

4. Результаты экспериментальных исследований разработанных алектрсматрнческих СИ, мер и компараторов постоянного тона.

ОСНОВНОЕ. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулирована цель работы и основные направления провод тки исследований, научная новизна и практическая ценность, представлены основные положения, выносимые на защиту.

Первач глава посвящена обзору и сравнительному анализу существующих и разрабатываемых электрометрических методов и аппарат;,при,

используя которые можно осуществить измерения малых постоянных то-Т7 Ч

ков в диапазоне 10~- 10 Л с высокой точностью. Проведены систематизация и обобщение методов построения мер малых постоянных токов в указанном диапазоне и рассмотрены методы и средства их аттестации, используемые в метрологической практика.

В результата проведённого анализа выявлены: - необходимость создания электрометрических эталонных СИ /оС1'У в диапазонах Ю~17-Ю"15 А и 10~10- Ю-3 А, так как в этих диапазонах проводилась поэлементная аттестация СЛ;

— необходимость повышения точности электрометрических ЭСИ в диапазона 1(Г15- ПГ10 А в связи о реализованным в промышленности увеличением точности рабочих СИ.

На основании сформулированных технических н метрологических требовании к рабочим и эталонным злактрометрпвским СИ ошш постоянного елвнтрическогв тока, о учётом прогноза их развития, сделано заключение о тем, что известные методы измерения не позволяют в полном объёме решить поставленную задачу.

Показано, что при создании эталонных средотв воспроизведения малых постоянных токов в зависимости от диапазона наиболее перспея-тивкш'и являются меры, ггоотроанныа на следующих принаигах действия: резистивпне, пьезоэлектрически«, ионизационные и резистивно-ёшсоот- -нке.

Наиболее перспективным при создании устройств для измерения токов в диапазона 1(Г*7- Ю-3 А является ислолвзоаанш компенсационного метода измерений.

Кроме того, существенным моментом является необходимость автоматизации процесса измерения /воспроизведения/, позволяющей облегчить статготЕческую обработку результатов измерения и снизить случайную погрешность , а такхз повысить производительность и обличить труд оператора. В связи с этим наиболее целесообразной явлает-ся когллбктная аттестация СИ, осуществляемая по мэрам tore.

Вторая глава посвящена разработке и теоретическому анализу методов воспроизведения с&ш тока в диапазона Ю-3 А.

Показано, что для всех мер тока, построенных на различных принципах а выполненных по различным схемам, при использования их по прямому назначению в качестве эталонных СИ, целесообразно иметь плавна регулируемое значение выходного тока.

На основе структурного анализа выбранных методов воспроизведения силы постоянного тока проведала разработка мер тока, построен-

ных на четырёх различных независимых, методах.

Раздел 2.2 посвящен разработке резистивной меры тока и дан теоретический анализ её погрешностей. Разработанная резистивная мера тока состоит из высокосяабильнога источника напряжения с че-тырёздекадныы делителем напряжения, служащим для регулировки выходного тока меры, резисторов, поддиапазонов, и операционного усилители /ОУ/. Показана, что при использовании ОУ на выходе' мзрн тока её • погрешность в диапазона ИГ12- 1С"3 А составляет 4ЛСГ4. Расширение диапазона воспроизведения тока в сторону меяьшх значений ограничено отсутствием стабильных высокоомных резисторов /более Юэ Ом/.

При создании резистивной меры тока предложен и реализован метод предельного уменьшения погрешности передачи размера единицы тока от резистивной моры при аттестации ЭИТ любого' типа. Проведенный анализ типовых характеристик ЭИТ показал возможность автоматического учёта, погрешности от падения напряжения на входе ЭИТ. При поверке ЭИТ о любым значением падения тпрядения на входе можно ввести поправку на значение выходного тона меры автоматически по показанию поверяемого ЭЙ1 /падения напряжения на входе ЭИТ, укапанные в техническом списании, являются максимальными при отклонении указатата на вся шкалу/.

Пря1^эиТ< 0,01действительное значение выходного тока мери с учётом компенсации ошибки, вызванной падением напряжения на входа ЭИТ:

1&ЫХ.М = п (Уцыкн ' цце:--показатель степени, установленный переключателем поддиапазона тока; - номинальное значение сопротивления резистора диапазона. Ом;

^ыулГ значеШ1Э напряжения на выходе меры тока, измеренной цифровым вольтметром, В;

- 10-

падение напряжения на входе ЭКГ, В.

В этом случае при поверке ЭИГ любого типа в диапазоне Ю-3 А границы наисключённой систематической погрешности результата воспроизведения тока

ь0,000 где: - наибольшее значение тока поддиапазона, А;

Гм - воспроизводимое значение тока, А.

Для получения большей точности значения воспроизводимого тога« а также ири^^О.ии^ „ можно воспользоваться уравнением

•Гдых-м = л (п- ' ~ "Щх

х'де: действительное значение сопротивления резистора

поддиапазова, Оы. С применением этого уравнения полноотьг исключается погрешность Меры тока, вызванная влиянием падения напряжения на входе ЭКТ. При атом показано, что при поверке ЭИГ в диапазоне НГ^-КГ® А с ати-тают резистора поддиапазона о погрешностью, не превышаюцвС 0,00]$» границы неясклпчённой систематической погрешности результата воагфЬ-* изведениа тока .Д » £ В>,0)5+о,оьоЦ1х, Таким обрезом, введение выишуказанных попрало:; позволяет снизить ограничения по точности при передаче значения оилы постоянного тогсй поверяемому ЗИП. При использовании разработанной ре&истнвной мера т.ока совместно с ЭВМ, вышеуказанные поправки учатьшавтея автоматя-чесвл путём ввода а программу ссотватствушзх параметров поэеряегго-

г0 зи1.

Раздел 2.3 посвящен разработке меры тока, выполненной на основе использования пьезоэффеи.та кварца и анализу источников, её пагрбЛ ностей.

Выходной ток меры определяется по формуле: где: К=</л-е(

— коэффициент, учитывавши."! пьезоэлектрическую

- п -

постоянную кварца и геометрические размера пластины; ^ ¡¿Ь ~ линейное изменение во времени сжимающего /растягивающею/ усилия.

Прадедеяный анализ погрешностей таких мер тока, разработап-кнх. ранеа, показал, что асяовнши источниками погрешностей явлл-втса:

- нестабильность и нелинейность изменения усилия Л ^ в течение времени &"(: из-еа динамики перемещающихся масс, и наличия

м икронеровнас тлй;

- влияние паразитных токов, генерируемых диэлектриками;

- влияние вокоа значки из-за несовершенства изоляции;

- нлияниа флюктуацай паразитного иояизационнога тока. Предлагай новый метод создания линейно изменяющегося давления, защшцённый авторским свидетельством. на изобретение, который позволил уменьшить погрешность воспроизведения тока на порядок и расширить диапазон воспроизводи:шх токов на два порядка за счёт применения гидравлического способа изменения усилия на пластинку кварца и исключения погрешностей от токов утечни и паразитных токоз диэлектриков за счёт непосредственного подклхнеяия к электродам кварца.

Анализ источников погр.ешностай разработанной меры тока показал, что суммарная погрешность воспроизведения тока в диапазоне ИГ16- 10'12 А. не превышает 2,5.ИГ2- 1.Г0"3.

Раздел 2,4 посвящен разработке ионизационных мер с плавней регулировкой выходного тока. За основу была принята конструкция меры, представляющая собой пласнопараллелыш2 конденсатор с электродами в виде дисков, на одном из которых расположен радиоактивный изотоп радия - плутоний 239, имеющий наиболее однородный по своим энергиям Спектр частиц и большой период полураспада. Диафрагма выполнена также а взде диска с круглым отверстием в центра

Совершенствование ионизационной меры тока с одной диафрагмой привело к созданию герметизированной меры тока с двумя диафрагмами. Регулирование выходного тока в мере производится изменением конфигурации электрического поля внутри меру путём изменения напряжений, прикладываемых к электродам меры. Анализ подученных экспериментально вольт-амперных характеристик при различных комбинациях напряжений на электродах'показывает, что выходной ток меры может быть изменён более чем на 3 порядка.В пределах одной волм-амперной характеристики могно получить плавное изменение выходного тока, изменяя напряжение на одной из диафрагм или на входном електрода, без высоких требований к его стабилизации.

Преимуществам:! четнрёхзлеатродных мер тока являются более широкий диапазон воспроизводимого тока в аочетавии с более высокой его стабильностью.

Разработанные варианты ионизационных иер тока аналогичны электростатическим линзам с диафрагмами,.имеющими круглые отверстия в центре. Чтобы определить, наким образом рассеивающее или собирающее действие линзы, влияет на значения выходного тона, необходимо знать распределение потенциала вдоль оси системы. Уравнение, позволяющее определить траекторию параксиальной частицы ^(г) в произволвноЛ точке аксиально-сиыметричпаго поля кчеет вид:

¿Г _ ^ /¿Г. ?г ,

¿г ' 'Ш ' АЛТ/ДТ ' *г>

¿г щ 'л'». \ 4гг

где: ч^ - потенциал на сои системы;

а и 2. - координата входа частица в поле и текущая координата;

СН~ - потенциал электрода, испускающего частицы.

Из уравнения следует, что траектория частиц зависит от знака второй производной потенциала • Так> если то ~

у.еньаается, част;ша движется по направлению к оси, пересекая сило-ьие линии поля /случай собирающей личзы/, п выходной ток при этом увеличивается; если увеличивается /случай рассеивая-

щей линз«/ и выходной ток уыенылается.

При наличии двух диафрагм получаем иммерсионный электронна!' объектив а изменяющимся а широких пределах фокусным расстоянием, чва определяет болея широкий диапазон воспроизводимых токон. Кроме того, наличие второй диафрагмы способствует уменьшению флюктуаппй воспроизводимого мерой тока.

Проведенный анализ источников погреишостеЛ ионизацчоинсй' четы-рёхэлэктроднсй мери тока показал, что суммарная погрешность воспроизведения тока в диапазоне Ю-*3- КГ*0 А не превышает 3.I0-3.

В раздела 2.5 дано теоретическое обоснование разработанной ре-зистявно-гмностяоа самопоаеряемой меры с пифровым отсчйтом воспро-изводдаого тока, построенной на основе предложенной повой структурной схемы, которая защищена авторским свидетельством на изобретений,. Новая структурная схема мари позволяет осуществлять измерение воспроизводимого тола в реальном масштабе ярсмени при передаче размера единицы нижестоящим по поверочной схеме СИ, что, как показал анализ источников погрешностей, снияает погрешность воспроизведй-яил тока в зависимости от диапазона от 2 до 10 раз за счёт устранения или уменьшения ряда составляющих погрешностей.

В основу мера положен метод получения выходного тока, использующий устройство линейно изменяющегося напряжения /УЛШ/ и блок дглйерчнцируиих конденсаторов. Яри этой выходной ток меры определяется соотношением Z^^ , где Г^- ёмкость одногс из конденсаторов блока; ¿V/Ji = Const _ изменение ро временя напряжения Устройства. При условия, что At и ' в каждом цикле рс'ботн меры постоянны, = . т.с, воспроизводимый мерей ток пропорци-

¿налзк назряженш',, г.стпрое образуется us выходе устройства линейно ¡•пмш п. чгссл тпцсгтш в конце цикла, й процессе госпроизведения тек а осуществляется озтс-м-тсям многократное измерение величины й?Г , а, слйдоъ.1Тг.лз чо, огг<^>лйсгся "impute гыхадччго токл.

Приведены описание процесса измерения воспроизводимого тока и • рринципа действия всей меры в'целом. Поеденный анализ источников погрешностей выявил, что' основными из них при токах, меньших Ю-"^ А, являются: токи утечки на выходе' меры; паразитные токи, возникавшие в применённых диэлектриках;, флюктуации паразитного ионизационного тока, Для ум&ньтения 'вышеперечисленных погрешностей был разработан выходной блсаг специальной- конструкции, выходной разъём которого выполнен на одном лейкосапфвроврм изоляторе с малым воздушным объёмом и с парафиновым покрытием внутренних частей блока. В результате

предложенных конструктивных решений удалось снизить погрешность вост я

цроиаагадшпга тока до уровня 1,4Л0~А- 3.10 .

- Отдельно проанализированы источники погрешности устройства ли-¡мФпо изменяющегося напряжения. Получаны необходимые аналитические вырааения, позволяющие оценить суммарную погрешность от нелинейное-

9 с

тя УДИН, которая, как показали расчёты, составляет 7.10 . Выявлена ,„Жйк*е дополнительная динамическая погрешность измерения напряжения которая на превышает 1,2.Ю"3.

¿ыведена аналитическое выражение погрешностей с учётом воздействия внешних факторов и погрешностей применяемых СИ.

При равновероятном распределении составляющих погрешности транши нелсключённой систематической погрешности /11СП/ результата воспроизведения тока в диапазоне М^-Ю"9 А при доверительной вероятности с^ = 0,99 не превышает 1,4.Ю-1- 2Л0-3.

Глава 3 посвящена теоретическому анализу и разработке методов и средств аттестации мер малых токов и точного измерения постоянных токов в диапазоне Ю-*'- Ю"*3 А.

В разделе ЗЛ проведан анализ предельных возможностей компенсационного метода измерения & указавном диапазоне. Сделан ьыаод о том; что для реализации высокой чувствительности схемы необходима в качестве нулевого индикатора применять приборы, обладающие боль-

пшм входным сопротивлением и наибольшей возможной чувствительностью по напряжению.

Раздел 3J2 посвящен разработке я созданию автоматизированных установок высшей точности для поверки и аттестации ЭИТ. Показано, что для того чтобы охватить широкий диапазон измеряемых токов, в установке необходимо применить, как минимум, дно мери. тока. Из разработанных мер тока для совместного применения наиболее иодх&дят резпстивныа и резистинно-емкостныв меры тока. Получены аналитические выражения, связывающие погрешность сравнения с параметрами схе-

мн я значениями выходных токов. ,

то —Я

При компенсации постоянного тока в диапазоне 10 10 А на эталонном сопротивлении R9 резистивной меры тока реличина измеряемого тока 1ис определяется выражением:

ç>s Lx eMV p., 1 где: l£JH- напряжение источника задающего напряжения;

- сопротивления эталонной меры;

- сопрст;шлениа изоляции разъёгл для подключения компаратора;

J?K - входное сопротивление компаратора;

""к » àPfK г blfоу ~ суммарное падение напряжения /вследствие нечувствительности кошаратора /д7& /'.и погресностл цлента передачи операционного усилителя /ь'1^ /;■

Vrs - падение напряжения на эталонном сопротиасении R3 . В полученном выраяешы зсе члены в квадратных скобках, кроме первого, являются составляющими погрешности измерения тока.

Исходя из полученного выражения, определена общая погрешность компарированил тока к& эталонном резисторе . В диапазоне токоз Ю-10- Ю-2 А она не превышает 3.10"1- I.I0"4.

Яр/ комлексзп:::» постоянного тока в диелазоно Ю-17- Ю-10 д. пя эталонной ё:.з;ост1! Сэ роягатшго-ёмкостной меры гока величина измеряемого тока lVK спрзлглл(;тся аясдтездм гыр.'.уенаем:

; ■ ■= с, + & - ^ - Л + Б5 '

1ис - «-э + ^ Рс»

где: Сэ - ёмкости эталонного конденсатора;

0. - изменение во времени напряжения УЖИ;

- порог чувствительности компаратора;

- входное сопротивление компаратора;

- сопротивление.изоляции конденсатора сэ ;

и - коэффициенты пропорциональности, определённые окспе-

—5

рименталыю, порядок которых составляет 1.10 В/с; At - время измерения. В полученном выражении все члены, кроме первого, представляют погрешность измерения тока, возникающую из-аа наличия ненулевого порога чувствительности компаратора, токов утечки и паразитных токов изоляторов.

Из полученного выражения определена суммарная погрешность коы-пгриравания тока, которая в диапазоне токов А не пре-

. вышаат 2.10-1-2.10"3..

Принедеш принцип действия и структурные схемы установок УШГЕ-4 и УМПТ-5. Структурная схема установок в режиме компарирова-

ния тока защищена авторским свидетельством на изобретение.

—™ —Т7

Показано, «то погрешность установки УМПТ-4 в диапазоне 10 —

Ю"3 А в режиме воспроизведения тока не превышает 1,4.10"*- ЗЛО-4, в режиме измерения - 2.10-*- ЗЛО-1*.

Погрешность установки УМПТ-5 с учётом эксплуатационного запаса в диапазоне М-^ А в режиме воспроизведения тока составляет

1.10-2- 1ЛСГ3, в режиме измерения - 1,2.10^- 1Л0"3.

Раздел 3.3 посвящен разработке, теоретическому анализу и исследованию погрешностей автоматизированного комплекса аппаратуры государственного первичного эталона единицы силы, постоянного алектри-

тс г

ческого тока в диапазоне ¿0~А — 1С-" А и методам передачи размера единицы тока нижестоящи пи поверочной схзме СИ.

Приведен принцип действия эталона. Показано, что воспроизп-днмый эталоном тоет определяется выражением: = A 1Г. Сэ.п

еда ; ь-V - линейно измеюшцееся напряжение блока УЛШ; С9 - ёмкость эталонного конденсатора; п - коэффициент деления выходного напряжения УЛШ; &fc - время воспроизведения тока. Поскольку на уровне I В воспроизвести напряжение мозно на порядок точнее, чем измерить, в эталоне была применена новая структурная схема, которая загущена ввторскиы свидетельством на гзобретение, использующая мвру напряжения.

Алгоритм работн эталона в решага воспроизведения тока заключается а многократной измерении величины At ,а, следовательно, и опре-. делзния воспроизводимого эталонен тока з соответствии с вышеуказанном соотношением. При условии, что ЫГ точно задано, а Сэ - стабиль-пая л постоянная для каздого поддиапазона ёмкость, значение воспроизводимого эталоном тона определяется вцраяением: ¡А . где К -^'П-Л"-Cor»st ; tV - значение меры напряжения.

Отмечено, что в электрометрическом диапазоне одним из самих существенных Дикторов, влияэдкх на погрешности воспролзведения тока, является так называемый чпаразитний"тск, который обусловлен тятожест-зоя претил. Особенно этот фактор сказывается при токах менее А.

Схемное решение разработанной структурной схема эгальна позволило исключить вляянпе "паразитного" тока ва воспроизводимый эталоном ток.

Показано. что роботу эталона а режиме когдпярировячил еожно рлзоить на два этапа. Торный этан - выбор крутизны выходного напряжения УгУЛ. Пр.ч этом проясходггт автоматическое уравновеиишдяиа коп-пемсирукжего тока, оОрлзугщгося на выгоде дя^рентшрузздго конденсатора, с кзм1ряе,1г< токи: ;к;течн;^л «¡inma путём их .¡рллпош'д ка

кооператоре. Второй этап заключается в определении значения каыпан-сируйщаго тока.

Приведены конструктивные особенности .- эталона. Показана, чтс применение высококачественных изоляторов, из лейкосапфира я эквипотенциальной защиты позволила получить сопротивление изоляции основ-

те

ного узла выходного блока более чем 10 Ом.

Приведены, результаты экспериментального исследования погрешностей эталона. Проведенный ан&тгаз источников погрешностей при воспроизведении силы, тока показал, что неисключёпная систематическая погрешность Ai СП/ эталона при доверительной вероятности 0,99 пе превышает: Й5.10-3 - в диапазоне Ю-16 А; 5.Ю-3 -- в диапазоне Ю"15 А; Г.Л.ПГ3 - в диапазоне Ю-14 A; 5.IQ-4 - в диапазоне IÛ"IQ-I0~S А.

Разработано программное обеспечение средств вычислительной тех-

«

ники, служащее для автоматизированной системы управления, сбора и обработки информации комплекса аппаратуры эталона.

Разработана и утверждена поверочная схема для СИ силы постоянного тока в диапазоне 10~*е— 30 А, которая устанавливает назначение государствшшога первичного эталона, комшгеко основных Cil, входящих в его состав, основные метрологические характеристики эталона и порядок передачи размера единицы силы постоянного электрического тока от первичного эталона рабочим СИ с указанием погрешностей и основных методов поверки. В поверочной схеме предусмотрены два разряда эталонных СИ.

Проведено сравнение разработанных эталонных СИ с зарубежными аналогами. Отмечено, что разработанный эталон имеет более высокие метрологические характеристики по сравнению с эталонным источником .тока в НИСТ США, применяемым для аттестации электрометров.

' В Главе 4 приведены результаты экспериментальных исследований

разработанных СИ и погрешностей передачи размера единицы ЭСИ.

В разделе 4.1 приводятся результаты исстедованш! гооударстлен-ного первичного эталона единицы силы постоянного электрического тока в диапазоне IO"16- Ю-9 А. Процесс воспроизведения силы токи на всех поддиапазонах включает 60 серий измерений по 10 измерений в к&здой серия. Метрологические характеристики эталона, полученные в результате экспериментальных исследования, подтверждала результаты теоретического анализа.

Разработаны методы и проведен расчёт погрешности передачи раз-мзра единицы эталонным СИ.

В раздала 4.2 й 4.3 приведены результаты экспериментальных исследований установок УМПТ-4 и УШГГ-5 в двух режимах: при воспроизведении тока и цра его измерении. На основании полученных результатов указанным установкам присвоен 1-й разряд по ГОСТ 8.022-91.

В раздела 4.4 приведены результаты экспериментального исследования меры тока на основе использования пьезозффекта кварца типа ПИЯ. Наблюдения за мерой вались в течение 8 лет. По результатам наблюдений годовая нестабильность меры в диапазоне Ю-16- Ю-12 А не превышает 3.I0"2- I.IC3. В соответствии с ГОСТ 8.C22-9I мере тока присвоен 1-й разряд.

3 разделе 4.5 приводятся результата экспериментальных исследований ионизационных регулируемых мер тока типа :;ЖГ-К-1Л-4С; и МУЛТ-Г~2Д-15-20. Годовая нестабильность выходного тока мер за последние 6 лет не превысила 6.I0"3. В состьстстрии с ГОСТ 8.02291 иснязагшонным; . г/ерам тока присвоен 2-й разряд. Достовчрност«. получскиг? данных, подтверждается сравнеш:см результатов пое>троизшд«н1:я '¿она мерями, постро£тч;;гл vn 4-х различиях примп::пал; дейстгия.

\ -

Опновные результата работы

1. Проведен сравнительный анализ точных электрометрических методов измерения и воспроизведения силы постоянного тока, на основе которого разработаны критерии сравнения, позволившие обосновать построение мер и компараторов постоянного тока высшей точности на основе применения методов электрометрии.

2. Разработан метод и получены аналитические выражения, позволяющие уменьшить погрешность передачи размера единицы от резистивной меры тока ЗИТ любого типа до уровня 1,5.10"^ в диапазоне токов 1(Г12- Ю-3 А.

3. Получены аналитические выражения, доведённые до расчётных формул, позволившие установить связь между значениями паршегров влшшцих величин и составляющими погрешности меры тока, что позволило теоретически оценить погрешность резистивно-смкостной меры тока во всём диапазоне значений.

4. Разработаны методы снижения погрешностей, свяяанных с воздей • ствием "паразитных" токор, токов утечки, от "наброса" заряда при

коммутации высокоомных цепей, от контактной разности потенциалов и дрейфа УIII.

5. На основе предложенных методов разработаны новые структуры мер тока, защищенные авторскими свидетельствами на изобретение, которые позволили снизить ограничения по точности при воспроизведении силы постоянного тока.

6. Выявлены, исследованы теоретически /получены аналитические выражения/ и экспериментально погрешности мер и компараторов постоянного тока, обусловленные автоматизацией процесса передачи размера единицы силы тока.

7. Разработаны методы, обеспечивающие наивысшую точность воспроизведения и передачи единицы силы постоянного тока, которые защищены авторскими свидетельствами на изобретения. На их основе по-

отроен государственный первичный эталон.

8. Теоретические и экспериментальные, исследования созданных эталонных мер и компараторов тока позволили получить расчётно-зпспериментальныз данные по источникам погрешности воспроизвсде-

VI? о

ния и передачи силы тока в диапазоне 10 А - 10 А. Установлено,

О

что нестабильность выходного тока эталона составляет 5.10 — 3.10 .

Новизна технических решений подтверждается пятью анорскимп свидетельствами на изобретение^

Созданные эталонные СИ внедрены и используются по прямому назначению, что подтверждается прилагаемыми актами внедрения, согласно которым суммарный годовой экономический эффект / в ценах IS9I п./ от внедрения эталонного комплекса ГЭТ 4-91 / в диапазоне КГ16- Ю"9 А/, составляет 693 т..руб.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Павлов 0..М. Акалпз источников погрешностой автоматической "самоповеряем&й" меры малых постоянных токов о цифровым отсчётом воспроизводимого тока /а диапазона Ю-®- Ю-16 Л/. Исследования в области электрических измерений. Сборнйс научных трудов НПО "ШИШ emJUI.Менделеева", I9S0, с.60-69.

2. Павлов 0 J1. Мора тока в диапазоне Ю-12- I0"'1 А и анализ её погрешности при поверке электрометрических измерителей. Исследования в области электрических измерение. Сборник научных трудов ЫШ.1, 1985, с.19-34.

3. A.C. 575577 СССР Устройство для воспроизведения постоянных токов / О.МЛавлов, ДЛ JUjtokobs, Л.ВЛороткова, Л «Л »Степанова, опубл. в IUI., 1977, 37, с.128.

4. A.C. 9CIS23 CCvP Устройство для воспроизведения постоянных токоа / СЛЛаплов, Д./i.Антонова, .И.В.Хороткоза, J1 .Л.Степанова, опубл. з Б.И., 19Г2, .'S 4, с.181.

5. A.C. 1689865 СССР Устройство для воспроизведения я измерения цостояиншс электрических токов /О .Ы .Павлов, Д.И»Антонова, И.Б.Короткова, Д.М.Степанова. Опубл. в Б Л., 1991, В 41, с.КО.

£. Антонова Д.И., Галахова'О.П., йэлтлк Е.Д., Павлов O.U., Степанова ЛЛ. Современное состояние электрометрии, проблеш ее развития и метрологическое обеспечение. Исследования в области электрических измерений. Сборник научных трудов НПО "ВНИИ ¡¡л. Д.И.Менделеева", 1990, с.3-9.

7.. ГОСТ 8.022-91 Государственный первичный эталон и государственная поверочная схека для средств измерений сила постоянного

ТА

электрического тока в диапазоне I.IQ - 30 А./авторы: Галахова О.П., Катков A.C., Павлов О.М., Степанова ЕМ./ Ком итет стандарт iir загни и метрологии СССР, Москва, 1991, 8 о.

В.. Автонова ДЛ., Павлов GJJ'., Роадеотвенская Т.]]., Степанова Л.Д5. Ко/лплалс средств измерений высшей точности для воспроизведения и измерения малых постоянных, токов Ю-®- А. Сборник научных трудов, ШО "ВШШ им. Д.И.Менделеева", 1934, с.6-10.

9. Катков A.C., Павлов Ü.M., Галахова О.П., Колткк Е.Д. Первичный эталон ампера. ВНИИМ, 2-й Международный симпозиум по электромагнитной метрологии, материалы симпозиума, проведенного в-Пекине, Китай, 1993, с.47-48. '

10. Антонова Д.И., Павлов О.М., Реждебтвенекая Т.Е., Степанова Д.М. Методы и средства измерения малых постоянных токов /10"^ -Ю"1е А/ и их метрологическое обеспечение. М..Машиностроение, IS83, 48 с.

11. A.C. 580602 СССР Устройство для по.ручения постоянного тока на базе пьезоэффекта / Павлов О.М., Степанов Е.И., Эфрос Д.М., Антонова Д.И.. Спубл. в Б.И,, 1977. Ji 42, с.144.

12. A.C. 614724 СССР Устройство для воспроизведения постоянных токов. /Павлов О.М., Антонова Д.И. Опубл. Б.И.,1978, Ji25,c.2I6.