автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.01, диссертация на тему:Широкодиапазонные электростатические и электродинамические компараторы переменного тока для измерений электроэнергетических величин

На правах рукописи

НЕФЕДЬЕВ Алексей Иванович

ШИРОКОДИАПАЗОННЫЕ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЕ КОМПАРАТОРЫ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЙ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

Специальность 05.11.01 - Приборы и методы измерения (электрические и магнитные величины)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

14 коя 2013

ПЕНЗА 2013

005538030

005538030

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Волгоградский государственный технический университет».

Научный консультант - доктор технических наук, профессор,

ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет» Чураков Петр Павлович

Официальные оппоненты: Данилов Александр Александрович,

доктор технических наук, профессор, ФБУ «Пензенский центр стандартизации, метрологии и сертификации», заместитель директора; Гречишников Владимир Михайлович, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Самарский государственный аэрокосмический университет им. академика С. П. Королёва (национальный исследовательский университет)», заведующий кафедрой «Электротехника»; Мелентьев Владимир Сергеевич, доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Самарский государственный технический университет», заведующий кафедрой «Информационно-измерительная техника»

Ведущая организация — ФГУП «Научно-исследовательский институт электронно-механических приборов», г. Пенза.

Защита диссертации состоится 25 декабря 2013 г., в 14 часов, на заседании диссертационного совета Д 212.186.02 в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет» по адресу: 440026, г. Пенза, ул. Красная, 40.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет».

Автореферат разослан 22 ноября 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета --- Светлов Анатолий Вильевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Развитие энергетики и других отраслей промышленности в современных рыночных условиях, а также повышение точности и достоверности измерения электроэнергетических величин приводят к необходимости совершенствования метрологической базы в области измерения действующего значения переменного напряжения, тока и активной мощности. Также актуальной проблемой в настоящее время является разработка децентрализованной системы воспроизведения и передачи размеров единиц на основе более активного использования автономных средств поверки и независимой (автономной) поверки без применения сторонних эталонных средств измерений (СИ).

Во всех ведущих метрологических центрах мира, таких как МБТ (США), N118 (Канада), ШМГС (Япония), ИМЬ (Австралия), ФГУП «ВНИИМ им. Д. И. Менделеева» (Россия), ЫРЬ (Великобритания), ЬЫЕ (Франция) и др., воспроизведение и передача размера единицы переменного напряжения в диапазоне до 1000 В в настоящее время осуществляются с помощью термоэлектрических преобразователей. В России используются государственные специальные эталоны переменного напряжения ГЭТ 27 и ГЭТ 89, погрешности которых определены расчетно-экспериментальным методом и подтверждены на основе международных сличений.

Для снижения погрешности эталонных преобразователей напряжения необходимо уменьшить количество последовательных передач размера единицы напряжения, что позволит уменьшить погрешность в диапазоне высоких напряжений. Это можно реализовать, например, с помощью электростатических компараторов напряжения. Определение погрешности компариро-вания методом независимой поверки может быть произведено только у электромеханических компараторов одновременного сравнения, имеющих два измерительных преобразователя (ИП) одной системы, например, электростатических или электродинамических.

В настоящее время производится большое количество точных цифровых электронных приборов, которые могут обеспечить высокую точность измерений. Однако наряду с достоинствами подобных приборов - высокой точностью, многофункциональностью, они имеют существенный недостаток - обеспечение высокой точности таких средств измерений связано с централизованной системой воспроизведения постоянных и переменных напряжений и токов, т.е. эти приборы не обладают свойством независимой поверки.

Повышение точности измерения напряжения, тока и мощности в цепях переменного тока может быть обеспечено в результате использования электромеханических компараторов одновременного сравнения (электростатических и электродинамических), ИП которых имеют высокую стабильность характеристик.

Качественно новым объектом с позиций классической метрологии является поколение средств измерений со встроенными средствами калибровки и независимой (автономной) поверки, где реализуется возможность автономного поддержания единства измерений в процессе эксплуатации. Централизованная система воспроизведения электрических величин, в том числе на переменном токе, принятая в настоящее время, стала и технически, и экономически нецелесообразной. При децентрализованной системе воспроизведения электрических величин поверочные схемы будут иметь меньше ступеней от эталонных до рабочих средств измерений, что обусловлено способностью средств измерений к автономному поддержанию единства измерений в процессе эксплуатации за счет независимой (автономной) поверки. Это важно в современных рыночных условиях, особенно в рамках такой огромной страны, как Российская Федерация.

Теоретические основы проведенных исследований базируются на трудах российских ученых: В. О. Арутюнова, Э. М. Бромберга, М. С. Векслера, Е. Д. Колтика, К. Л. Куликовского, П. В. Новицкого, П. П. Орнатского, Т. Б. Рождественской и др. Среди зарубежных ученых следует отметить V. Bego, T. Yamazaki, F. L. Hermach, E. S. Williams, G. Schuster и др.

Таким образом, одной из важнейших задач, связанных с повышением точности измерения напряжения, тока и мощности на переменном токе, является создание новых конструкций автономно поверяемых эталонных компараторов одновременного сравнения в диапазоне напряжений до 1000 В в диапазоне частот до 100 кГц на основе электростатических преобразователей (ЭСП) и в диапазоне частот до 20 кГц на основе электродинамических преобразователей (ЭДП), погрешности которых могут быть определены расчетно-экспериментальным методом.

Объект исследования - автономно поверяемые электростатические компараторы напряжения и электродинамические компараторы напряжения, тока и мощности одновременного сравнения повышенной точности.

Предмет исследования - методы построения и повышения точности электростатических компараторов напряжения и электродинамических компараторов напряжения, тока и мощности, а также узлы и устройства, реализующие данные методы.

Целью диссертационной работы является исследование и разработка новых широкодиапазонных автономно поверяемых электростатических и электродинамических компараторов, обеспечивающих измерение действующего значения напряжения, тока и мощности с повышенной точностью.

Задачи, решаемые в работе:

1. Разработка математических моделей, математическое моделирование и исследование поведения подвижной части компаратора при воздействии механических помех па корпус и опорную поверхность.

2. Разработка и исследование метода построения и создание автономно поверяемого электростатического компаратора напряжения одновременного сравнения повышенной точности.

3. Разработка и исследование метода построения и создание автономно поверяемого электродинамического компаратора напряжения, тока и мощности одновременного сравнения повышенной точности.

4. Разработка методов и средств метрологического обеспечения и проведение метрологического анализа электростатических и электродинамических компараторов.

5. Практическая реализация и внедрение электростатических и электродинамических компараторов.

Методы исследований. Теоретическая и экспериментальная часть работы выполнена на основе методов теории электрических и магнитных цепей, теории погрешностей, математической статистики, системного анализа и синтеза, дифференциального и интегрального исчисления, математического и физического моделирования, а также путем экспериментального исследования разработанных компараторов. Расчеты и математическое моделирование проводились с применением пакета МАТЬАВ и системы моделирования многотельной динамики ФРУНД. В работе также использован опыт разработки и изготовления средств измерений при выполнении научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ в Пензенском государственном университете и Волгоградском государственном техническом университете.

Научная новизна:

1. Предложены математические модели компараторов одновременного сравнения, позволяющие теоретически исследовать работу подвижной части компаратора и провести математическое моделирование поведения подвижной части при воздействии механических помех на корпус и опорную поверхность компаратора.

2. Предложен, разработан и исследован новый метод построения автономно поверяемого электростатического компаратора напряжения одновременного сравнения, заключающийся в построении подвижной части в виде обеспечивающей высокую чувствительность длинной балки по типу весов, друх фотоэлектрических преобразователей и жидкостного успокоителя, совмещающих функции преобразования угла поворота подвижной части в электрический сигнал и снижения влияния механических помех.

3. Предложен, разработан и исследован новый метод построения автономно поверяемого электродинамического компаратора напряжения, тока и мощности одновременного сравнения, заключающийся в построении подвижной части в виде обеспечивающей высокую чувствительность длинной балки по типу весов, двух фотоэлектрических преобразователей и жидкостного успокоителя, совмещающих функции преобразования угла поворота подвижной части в электрический сигнал и снижения влияния механиче-

ских помех за счет дифференциального включения фотоэлектрических преобразователей и применения жидкостного успокоителя.

4. На основе теоретического анализа и поэлементного экспериментального исследования разработан расчетно-экспериментальный метод анализа погрешностей электростатического компаратора напряжения и электродинамического компаратора напряжения, тока и мощности. Предложены способы устранения или снижения составляющих погрешности компарирова-ния, что дало возможность проведения независимой (автономной) поверки.

5. Для снижения частотной погрешности добавочных резисторов и шунтов разработан метод для экспериментального исследования погрешности с применением термоэлектрических и электродинамических преобразователей, предназначенных для расширения предела измерения напряжения, тока и мощности электродинамического компаратора одновременного сравнения.

Практическое значение. Результаты проведенных научных исследований послужили основой для разработки электростатических и электродинамических компараторов одновременного сравнения и обеспечили возможность снижения погрешности электростатических компараторов до 0,001—0,005 % в диапазоне измеряемых напряжений 100-1000 В и частот 20-Ю5 Гц, а также уменьшение погрешности электродинамических компараторов при измерении напряжения, тока и мощности до 0,005-0,03 % в диапазоне напряжений 1-1000 В, токов 0,005-10 А и диапазоне частот 20-20-10 Гц. Полученные результаты позволяют эффективно решать как конкретные задачи совершенствования и создания эталонных компараторов одновременного сравнения, так и проблемы создания новых измерительных систем. Разработанные методы построения СИ положены в основу создания автономно поверяемых эталонных СИ постоянного и действующего значения переменного напряжения.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Математические модели электромеханических компараторов напряжения, позволяющие решать задачи анализа и расчета параметров движения подвижной части.

2. Методы построения и структуры электростатических и электродинамических компараторов напряжения, тока и мощности одновременного сравнения повышенной точности, позволяющие обеспечить независимую поверку.

3. Расчетно-экспериментальный метод анализа погрешностей электростатического компаратора напряжения одновременного сравнения для проведения независимой (автономной) поверки.

4. Расчетно-экспериментальный метод анализа погрешностей электродинамического компаратора напряжения, тока и мощности одновременного сравнения для проведения независимой (автономной) поверки.

5. Метод и устройство независимой поверки коаксиальных добавочных резисторов для расширения предела измерений электродинамического ком-пгратора напряжения, тока и мощности одновременного сравнения.

Реализация и внедрение результатов работы. В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований были разработаны и внедрены:

1. Опытный образец электростатического компаратора напряжения одновременного сравнения «ЭКН-1», разработанный и внедренный в ООО НПФ «ИНТ» (г. Заречный Пензенской обл.), используется в качестве рабочего эталона переменного напряжения и децентрализованного воспроизведения напряжения.

2. Комплект термоэлектрических преобразователей напряжения до 1000 В, разработанных с использованием электростатического компаратора «ЭКН-1», внедрен в метрологическую практику в ФГУП «ПО "Старт" им. М. В. Проценко» (г. Заречный Пензенской обл.). Разработанные термоэлектрические преобразователи были исследованы и аттестованы ФГУП «ВНИИМ им. Д. И. Менделеева» (г. Санкт-Петербург) по эталонным преобразователям в качестве ОСИ 1 -го разряда.

3. Электростатический компаратор напряжений «ЭКН-1» внедрен в ООО «Электромеханика-Атом» (г. Пенза), где использовался для поверки калибраторов постоянного напряжения П320.

4. В ФГУ «Пензенский центр стандартизации, метрологии и сертификации» (г. Пенза) электростатический компаратор «ЭКН-1» использовался для предварительного сличения эталонных термоэлектрических преобразователей напряжения в диапазоне 100-500 В перед поверкой в органах Госстандарта РФ и после ремонта термоэлектрических преобразователей.

5. Разработанная методика поверки электродинамического компаратора напряжения, тока и мощности внедрена в филиале ФБУ «Центр лабораторного анализа и технических измерений» (ЮФО - ЦЛАТИ) по Волгоградской области (г. Волгоград).

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были представлены на следующих научно-технических конференциях: IV Международной паучно-технической конференции «Точность технологических и транспортных систем «ТТ и ТС-98» (Пенза, 1998); Международной научно-технической конференции «Методы, средства и технологии получения и обработки измерительной информации (Измерения-2002, 2004, 2006)» (Пенза, 2002, 2004, 2006); IV Международной научно-технической конференции «Метрологическое обеспечение измерительных систем» (Пенза, 2007); Международном форуме по проблемам науки, техники и образования «III тысячелетие - новый мир» (Москва, 2007, 2008, 2009); 11-й Международной конференции «Актуальные проблемы современной науки» (Самара, 2010); VII Международной научной конференции «Актуальные во-

просы современной техники и технологии» (Липецк, 2012); Международной научно-практической конференции «Теория и практика актуальных исследований» (Краснодар, 2012).

Разработанный автором электростатический компаратор постоянного и переменного напряжений «ЭКН-1» был отмечен медалью «Лауреат ВВЦ» (Москва, Всероссийский выставочный центр, 1995).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 44 научные работы, в том числе одно авторское свидетельство и 9 патентов РФ на изобретение, один патент РФ на полезную модель. Основные научные результаты диссертации опубликованы в 15 статьях в журналах, рекомендуемых ВАК для опубликования научных результатов диссертаций на соискание ученой степени доктора наук.

Личный вклад. Диссертационная работа является обобщением исследований автора с 1988 по 2013 г. по проблемам создания точных электростатических и электродинамических компараторов постоянного и переменного напряжения, тока и мощности, обеспечивающих неисключенную систематическую погрешность 0,001-0,03 %.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка из 200 наименований и приложений. Общий объем работы - 350 страниц, включая 110 рисунков, 26 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении проведен краткий анализ предмета исследования; обоснована актуальность диссертационной работы; определены цель и решаемые задачи; указаны научная новизна и практическая ценность полученных результатов; сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе рассмотрены основные направления развития электростатических и электродинамических компараторов одновременного сравнения, измерительных преобразователей и схем включения.

Выполнены аналитический обзор и анализ практических реализаций известных электромеханических компараторов высокой точности одновременного и разновременного сравнения, проведена их классификация. Рассмотрены достоинства и недостатки известных практических реализаций электростатических и электродинамических ИП действующего значения напряжения и тока. Установлено, что преимуществом компараторов одновременного сравнения является возможность оценки погрешности компари-рования расчетно-экспериментальным методом на основе теоретического анализа и поэлементного экспериментального исследования.

Проведено исследование ИП с точки зрения поиска перспективных путей повышения точности, и предложены основные направления совершенствования и способы снижения погрешностей электростатических и электродинамических компараторов.

Сформулированы направления создания электростатических компараторов в диапазоне напряжений до 1000 В и частот до 105 Гц и электродинамических компараторов в диапазоне напряжений до 1000 В и частот до 2-10 Гц, позволяющих повысить их чувствительность и помехоустойчивость. Показано, что с этой точки зрения наиболее перспективным направлением является создание электростатического компаратора но типу вольт-весов с обеспечением идентичности ЭСП путем изменения их емкости и исключением погрешности от асимметрии с применением метода противопоставления. Выявлено, что наиболее перспективным направлением совершенствования электродинамического компаратора является построение его также по типу вольт-весов с обеспечением идентичности ЭДП путем изменения положения подвижного витка катушки. Для повышения чувствительности и помехоустойчивости электромеханических (электростатических и электродинамических) компараторов была обоснована необходимость разработки нового типа подвески подвижной части.

Основной областью применения электромеханических компараторов напряжения, тока и мощности является поверка электроизмерительных приборов, а также измерение действующего значения переменного напряжения, тока или активной мощности с высокой точностью.

Наличие высокоточных компараторов напряжения, тока и мощности с независимой (автономной) поверкой позволит реализовать децентрализованную систему воспроизведения и передачи размера единиц, обеспечивающую автономное, т.е. без использования сторонних эталонных средств переменного тока, поддержание единства измерений в процессе эксплуатации СИ.

Во второй главе предложены математические модели и проведено математическое моделирование поведения подвижной части электростатического компаратора напряжения (ЭКН) при воздействии механических помех. Разработана методика анализа работы ЭКН, позволяющая проанализировать функционирование подвижной части (рис. 1) и формально построить систему уравнений для ЭКН в целом. Результатом проведенного анализа ЭКН является разделение его на множество компонентов АГ = {&р} и разделение алгоритма функционирования ЭКН на алгоритм функционирования отдельных компонентов и алгоритм взаимодействия компонентов между собой. Для анализа функционирования ЭКН был разработан метод формального описаьия подвижной части в виде композиции графов, каждый из которых задает один из компонентов, составляющих подвижную часть: Ъ - балка подвижной части 1; в - флажки фотоэлектрического преобразователя; г" - левая 1-я растяжка; г" - левая 2-я растяжка; г" - левая 3-я растяжка; г4л - левая 4-я растяжка; г" - правая 1-я растяжка; г" - правая

2-я растяжка; г3п - правая 3-я растяжка; г" - правая 4-я растяжка; с" - правый ЭСП; с" - левый ЭСП.

Рис. 1. Система подвески подвижной части ЭКН

Функционирование подвижной части ЭКН определяется последова-телыю-параллелыюй работой всех его компонентов в виде последовательности смены состояний и одновременным рассмотрением работы всех компонентов. Таким образом, граф С(У; X; Н) является композицией графов:

г

С = С1ЕС2Е...ЕСрЕ...ЕСг = Н<7р.

Р=1

Применительно к рассматриваемой задаче были получены все допустимые состояния процесса уравновешивания подвижной части ЭКН, каждое из которых представляет композицию значений состояний компонентов системы.

Проведен анализ поведения подвижной части ЭКН для определения оптимального времени успокоения после воздействия помех. Предложена математическая модель системы, расчетная схема которой включает в себя модель балки с ЭСП, модели растяжек, корпуса и стола, на котором расположен ЭКН. Разработанная модель описывает поведение системы при воздействии на корпус устройства и на стол внешних сил в различных направлениях, что может быть вызвано, например, вибрациями корпуса здания. Корпус компаратора соединен с неподвижным основанием (столом) с помощью амортизаторов, передающих усилия в трех направлениях. Уравнение движения подвижной части ЭКН в общем виде:

МХ + Р(Х) = Ее(1), где М-диагональная матрица вида М= сПа§(»г|, т\, т\,./,,, ./„!, т2, т2, т2, 3x1, -Л г, Лг, »1), т3, тя3, ./,з, коэффициентами которой являются

массы т и главные центральные моменты инерции У тел относительно глав-

ных центральных осей; X = (Хь Х2, ..., Х„) - вектор обобщенных координат (и = 18); Р(Х) - вектор сил упругих элементов; возмущающие силы;

I — время.

Составление уравнения математической модели, линеаризация этого уравнения и решение задачи на собственные значения проводились с помощью системы моделирования многотелышй динамики ФРУНД, где уравнение движения формируется автоматически. Были построены матрицы жесткости и масс линеаризованной математической модели. Размерность модели составляет 18 степеней свободы, по 6 степеней свободы па каждое тело (подвижная часть, корпус, стол).

Выявлено шесть форм колебаний подвижной части устройства: вращение вокруг оси у подвижной части; вращение в горизонтальной плоскости вокруг оси г; вращение относительно оси х и смещение вдоль оси у; смещение вдоль оси г; смещение вдоль оси .г; смещение вдоль оси у с поворотом вокруг оси х. Для балки подвижной части ЭКН математическая модель колебаний представлена шестью независимыми дифференциальными уравнениями (в нормальных координатах):

х+схх + ю2хх =/х(1),

У + СуУ + <£>2уУ = /У{1),

"у+Сиуйу+а2иуиу=/иу(0,

и2 + си2Щ + а1и7=/112{1),

"х+сихйх+(а1хих=/их(1),

где со - собственная частота колебаний; с - коэффициент вязкого сопротивления; и - угол поворота относительно координат х, у, г; /(/) - приведенное возмущение по координатам х, у, г.

Характер вертикальных колебаний подвижной части ЭКН (рис. 2) после воздействия помехи, полученный в результате расчета в системе моделирования многотельной динамики ФРУНД, имеет затухающий характер, что совпадает с результатами эксперимента.

Визуально в ходе эксперимента переходной процесс при ударных воздействиях различной интенсивности составлял 1-3 с. Характер движения и расчетная частота вертикальных колебаний балки хорошо согласуются с результатами эксперимента.

Результаты исследования поведения подвижной части ЭКН показали, что для обеспечения наименьшей амплитуды колебаний подвижной части при пространственных ударных возмущениях различной интенсивности необходимо создать максимально возможную жесткость основания ЭКН и невысокую жесткость опор стола, на котором расположен ЭКН. При соблю-

дении этих условий обеспечивается максимальное демпфирование подвижной части, что особенно важно для высокочувствительных электроизмерительных приборов.

tlcl

Рис. 2. График движения подвижной части ЭКН

В третьей главе предложен и обоснован метод построения ЭКН, заключающийся в следующем:

- подвижная часть ЭКН представляет собой горизонтальную балку (коромысло) по типу весов, расположенную параллельно основанию, на краях которой находятся подвижные электроды двух идентичных ЭСП, неподвижные электроды которых установлены на основании ЭКН;

- подвеска подвижной части ЭКН представляет собой четыре растяжки с каждой стороны балки, расположенные попарно в накрест лежащих плоскостях под острым углом друг к другу и обеспечивающие совмещение функций крепления и предотвращения поперечных колебаний подвижной части;

- ЭСП состоит из подвижного и неподвижного электродов в виде многокамерного цилиндрического конденсатора и плоского конденсатора для регулирования идентичности, одним из электродов которого является центральная часть подвижного электрода, а второй электрод находится в центре неподвижного электрода с возможностью плавного перемещения для изменения емкости между подвижным и неподвижным электродами при регулирования идентичности ЭСП;

- фотоэлектрический преобразователь угла отклонения подвижной части в электрический сигнал (ФЭП), обеспечивающий совмещение функций преобразования угла поворота подвижной части в электрический сигнал и снижения влияния механических помех, состоит из двух флажков, находящихся на концах балки, напротив каждого из которых расположены источник света с конденсором и дифференциальный фоторезистор;

- жидкостный успокоитель крутильных колебаний подвижной части, обеспечивающий снижение влияния механических помех на работу ЭКН.

ЭКН представляет собой горизонтально расположенную балку с укрепленными по краям подвижными электродами ЭСП и флажками ФЭП. Неподвижные электроды ЭСП закреплены на основании компаратора. Балка компаратора, закрепленная с помощью системы растяжек, представляет собой устройство сравнения (УС) двух напряжений. На один ЭСП может быть подано постоянное напряжение, а на второй ЭСП - переменное или постоянное. Равенство двух напряжений определяется по нулевому показанию нулевого индикатора (НИ).

Структурная схема ЭКН приведена на рис. 3.

Исходное положение балки ЭКН - горизонтальное; в начальный момент времени, перед измерением, балка ЭКН находится в положении равновесия (а = 0), и напряжение, подводимое к НИ, равно нулю (£/1Ш = 0). При неравенстве напряжений, приложенных к электродам ЭСП, происходит отклонение балки от горизонтального положения, что регистрируется двумя ФЭП, выходные сигналы которых ФЭП складываются для достижения наибольшей чувствительности. Суммарный сигнал с выхода двух ФЭП (гУфэп1 + + ^фэгй), пропорциональный отклонению балки от горизонтального положения, подается на НИ.

Рис. 3. Структурная схема ЭКН

В момент равенства напряжений £/_ и 1/0 балка компаратора также находится в положении равновесия (а = 0, £/„„= 0). Уравнение измерения:

и=Ц()Кхп2Кфзп2,

где £/_ - измеряемое (компарируемое) переменное напряжение; АГэсп1 - коэффициент передачи ЭСП1; А^,,, - коэффициент передачи ФЭП1; £/„ - ком-парирующее постоянное напряжение; Кхи2 - коэффициент передачи ЭСП2; Кф31а — коэффициент передачи ФЭП2.

Для ускорения процесса измерения был разработан ЭКН (рис. 4), в состав которого входил блок автокомпенсатора (АК), представляющий собой управляемый источник постоянного напряжения и включенный последовательно с выходом калибратора постоянного напряжения П320.

Рис. 4. Структурная схема ЭКН с автокомпенсатором

В момент равенства напряжений {/_ и и0 напряжение, подводимое к НИ, тоже равно нулю (£/„„= 0). Уравнение измерения и = Уо + Кжит)^-хи2К^и2

Схематическое изображение разработанного ЭКН (вид сбоку в разрезе) приведено на рис. 5, где Э11, Э21 -экраны ЭСП, находящиеся под высоким потенциалом; Э12, Э22 - экраны ЭСП, находящиеся под низким потенциалом; И1, И2 - изоляторы; Б - балка подвижной части; ПЭ1, ПЭ2 - подвижные электроды; НЭ1, НЭ2 - неподвижные электроды ЭСП; 1—8 - растяжки; Л1, Л2 - источники света; К1, К2 - конденсоры; ФР1, ФР2 - фоторезисторы.

ФЭП1 ФЭП2

1 1 Рис. 5. Схематическое изображение ЭКН

Для повышения устойчивости к механическим помехам был разработан жидкостный успокоитель колебаний подвижной части, который состоит из полых валиков, закрепленных на горизонтальных растяжках и помещенных в резервуары с вязкой жидкостью. В результате проведенного эксперимента установлено, что время колебаний подвижной части с жидкостным успокоителем уменьшилось в три раза и составило 2 с после воздействия импульсной механической помехи.

Для повышения точности измерения мощности в широком диапазоне частот был разработан новый метод построения электростатического компаратора мощности (ЭКМ). ЭКМ представляет собой горизонтально расположенную балку с укрепленными по краям подвижными электродами двух сдвоенных ЭСП и флажками ФЭП. Неподвижные электроды ЭСП закреплены на основании компаратора. Балка компаратора, закрепленная с помощью системы растяжек, представляет собой устройство сравнения двух мощностей. На один сдвоенный ЭСП подается мощность постоянного тока, а на второй сдвоенный ЭСП - мощность переменного или постоянного тока.

Структурная схема ЭКМ приведена па рис. 6. В начальный момент времени перед измерением балка компаратора находится в горизонтальном положении - положении равновесия (а = 0), и напряжение, подводимое к НИ, равно нулю ({/„„ = 0).

Рис. 6. Структурная схема ЭКМ

При неравенстве мощностей, приложенных к электродам электростатических преобразователей мощности (ЭСПМ), происходит отклонение балки от горизонтального положения, что регистрируется двумя ФЭП аналогично ЭКН. Сигналы с выхода двух ФЭП, пропорциональные отклонению балки от нулевого положения, складываются (1/фЭП1 + £/фзп2) и подаются на НИ. В момент равенства мощностей Р- и Р0 балка компаратора также находится в положении равновесия (а = 0, (Уни = 0):

где Р - - измеряемая (компарируемая) мощность переменного тока; АГэспм1 -коэффициент передачи ЭСПМ1; Кус - коэффициент передачи устройства сравнения; АГфэп1 - коэффициент передачи фотопреобразователя ФЭП1; Р0 -компарирующая мощность постоянного тока; Кэспм2 - коэффициент передачи ЭСПМ2; А'фпп2 - коэффициент передачи фотопреобразователя ФЭП2; К,т — коэффициент передачи нулевого индикатора.

Уравнение измерения мощности имеет следующий вид:

р _ г> ^эспм2^фэп2

- м)-•

К К

'_] С П Ч1 (¡1)111

Использование предложенного ЭКМ обеспечит повышение точности измерения мощности в широком диапазоне частот (20-Ю5 Гц) и позволит реализовать децентрализованную систему воспроизведения и передачи размера единицы электрической мощности на переменном токе.

Поскольку комплектная поверка ЭКН как единого целого невозможна ввиду отсутствия СИ, обладающих существенно меньшей погрешностью в диапазоне напряжений 100-1000 В и частот 20-105 Гц, наиболее удобным методом для определения погрешности ЭКН без использования эталонных СИ является расчетно-экспериментальный метод, в котором составляющие погрешности компарирования ЭКН, определенные расчетным путем, рассматриваются как неисключенные систематические погрешности, что обусловлено отсутствием данных о виде распределения составляющих погрешности компарирования. Также расчетно-экспериментальный метод отличается сравнительной простотой и возможностью проведения поверки в широком диапазоне частот. При анализе работы ЭКН были выявлены основные источники систематических и случайных погрешностей.

На рис. 7 представлена метрологическая модель ЭКН, в которой учтены данные погрешности.

Рис. 7. Метрологическая модель ЭКН

На рисунке обозначены:

— систематические погрешности: 0ась ©ас2 ~ погрешность асимметрии ЭСП1 и ЭСП2 соответственно; ©/і, 0/2 - частотная погрешность ЭСП1 и ЭСП2 соответственно; 0ті, ©„чг - погрешность от порога чувствительности ЭСП1 и ЭСП2 соответственно, 0ПЧНИ — погрешность от порога чувствительности НИ;

- случайные погрешности: і|/„хі, *|/,|х2 - погрешность от неидентичности характеристик ЭСП1 и ЭСП2 соответственно; \увпчЬ \|/В1|.,2 - погреш-

ность, вызванная влиянием вибраций подвижной части; %„„!, 1|/эып2 - погрешность ЭСП1 и ЭСП2 соответственно, вызванная влиянием внешних электрических и магнитных полей; 1|/те„П1, ЧЛсмП2 - погрешность ЭСП1 и ЭСП2 соответственно, вызванная влиянием нестабильности температуры окружающей среды; увлЬ ц/вл2 - погрешность ЭСП1 и ЭСП2 соответственно, вызванная влиянием влажности окружающей среды; \|/пр1, \|/пр2- погрешность ЭСП1 и ЭСП2 соответственно, обусловленная наличием соединительных проводов; ч/д„1, \[/дн2 - погрешность от дрейфа нуля ЭСП1 и ЭСП2 соответственно; ц/фкн - погрешность, вызванная влиянием формы кривой измеряемого напряжения; \|/пн - погрешность, вызванная влиянием переменной составляющей в выходном постоянном напряжении источника на показания ЭКН; увп1, увп2 - погрешность от вариации показаний ЭСП1 и ЭСП2 соответственно; \|/д„фэ„ь Уднфэп2 - погрешность от дрейфа нуля ФЭП1 и ФЭП2 соответственно; Е! и £2 - схематически показывают операции воздействия составляющих погрешности.

В соответствии с приведенной метрологической моделью ЭКН выходное напряжение НИ, при условии представления погрешностей в относительных единицах, будет равно:

ини = [(Щ0ас1 + 0Г1 + ч/дн1 + уфкн + утемп1 + 1|/эмп1 + \|упр1 + ^„д, + у^,) АГЭСП, х

х кускф3п1кни+ (©пч, + \|/ВП1 + ^впч1ЖусагФэ„,А:ни+\|1днфэп]А:фЭп1А:Н1,) -

- (£/0(вас2 + ©/2 + удн2 + упн + утемп2 + уэмп2 + ^ + ^ + У^К^Кус * хАГфэп2ЛГни + (0пч2 + увп2 + увпч2ЖусКфэп2 К„и + У|/Дн фзП 2Лфэп2Кни)] + ©пч ники„.

Соответственно, погрешность компарирования с помощью ЭКН будет пропорциональна выходному напряжению НИ при равенстве компарируе-мого и компарирующего напряжений:

^ ^ни £/„. НОМ-

Для экспериментального исследования ЭКН был применен расчетно-экепериментальный метод определения погрешностей компарирования, который сводился к поэлементному экспериментальному определению составляющих погрешностей компарирования и суммированию указанных погрешностей статистически в предположении равномерного распределения слагаемых в поле допуска. В процессе экспериментального исследования ЭКН определялись следующие систематические и случайные погрешности: погрешность от асимметрии 0а, частотная погрешность ©у, погрешность 0ПЧ от порога чувствительности ЭКН, погрешность ^ от неидентичности характеристик ЭСП, погрешность ц/дн от дрейфа нуля (нестабильности) ЭКН, погрешность \|/вп от вариации показаний ЭКН.

Зависимость погрешности ЭКН от частоты представлена на рис. 8 (на частоте 105 Гц погрешность округлена в большую сторону до 0,0002 %). Зависимость погрешности ЭКН, обусловленной порогом чувствительности, приведена на рис. 9.

0ПЧ(%)

Рис. 9. Погрешность, обусловленная порогом чувствительности

Границы составляющих погрешностей ЭКН с указанием методов их снижения или исключения приведены в табл. 1.

Считая рассмотренные составляющие погрешности ЭКН некоррелированными и равновероятными, оценим погрешность компарирования (5К) при напряжениях 100, 500 и 1000 В, вносимую ЭКН (при доверительной вероятности 0,99 и равномерном законе распределения):

§к(100В) = 1.4 +®}+ 0^(100 в)+ЧЛ2,х+Ч'д,. + ¥вп = 0,00265 %;

5К(500 в) = 14 + ©} + ©¿.(зоо В) + ч/,21Х + V))2Д + ц>1, = 0,0009 %;

5к(.ооов) =Ь4 ^/©а + ©/ + ©¿,(1000 в> + V,* + + ^вп = 0,0009 %.

Анализ погрешностей ЭКН показал, что наибольшую погрешность вносит дрейф нуля. Поэтому совершенствование ЭКН должно быть направлено, прежде всего, на снижение этой погрешности.

Погрешность измерения постоянного напряжения при компарировании с учетом погрешностей, вносимых источником питания, обусловлена:

1) погрешностью ©к компаратора напряжения РЗООЗ;

2) погрешностью 0,п нормального элемента 1 -го разряда;

3) погрешностью 0Д коэффициента деления делителя напряжения Р3027-2;

4) нестабильностью \|/ни калибратора постоянного напряжения П320.

Таблица 1

Составляющие погрешности компарирования ЭКН_

№ п/п Источник погрешности Обозначение Граница погрешности, % Метод определения, снижения или исключения погрешности

1 Асимметрия ЭСП 0а 0,0002 Исключена путем измерений при двух полярностях постоянного напряжения (принята равной погрешности от порога чувствительности ЭКН)

2 Изменение частоты ©7 0,00007 Определена в соответствии с выражением ©¿ = (///о)2-ЮО (%)

3 Порог чувствительности 0ПЧ(1ОООВ) 0[тч(5ООВ> 0пч (100В) 0,0002 0,0002 0,0025 Определена экспериментально

4 Дрейф нуля Ч*ДЯ 0,0008 Определена экспериментально

5 Вариация показаний Увп 0,0002 Принята равной погрешности от порога чувствительности ЭКН

6 Неидентичность характеристик ЭСП Унх 0,0002 Принята равной погрешности от порога чувствительности ЭКН

Поскольку для компаратора напряжения и нормального элемента по техническим данным известны лишь погрешности в виде допускаемых пределов без разделения на систематическую и случайную составляющие, то можно принять, что погрешности 0К и 0НЗ в поле допуска распределены равномерно. Погрешность 0Д делителя напряжения Р3027-2 и погрешность \|/ип нестабильности калибратора постоянного напряжения П320 в поле допуска также распределены равномерно. Границы погрешностей, вносимые средствами измерений и калибратором постоянного напряжения, приведены в табл. 2.

При доверительной вероятности 0,99 погрешность 50 измерения постоянного напряжения равна:

50=1,ф2к+®1+&2а + Ч>1 = = у]о, 00052 + 0, ООО 152 + 0,00052 + 0,00022 = 0,0012 %.

Таблица 2

Погрешности компарироваиия, вносимые средствами измереиий и источником постоянного напряжения_

№ п/п Источник погрешности Обозначение Граница погрешности, %

1 Погрешность компаратора напряжений Р3003 ®к 0,0005

2 Погрешность нормального элемента 1-го разряда ©,,з 0,00015

3 Погрешность делителя напряжения Р3027-2 ©д 0,0005

4 Погрешность измерения, вносимая нестабильностью калибратора постоянного напряжения П320 Уші 0,0002

С целью экспериментального подтверждения идентичности характеристик ЭСП на постоянном и переменном напряжениях было проведено экспериментальное определение погрешности ЭКН вторым независимым методом - методом противопоставления.

Схема соединений СИ при экспериментальном исследовании ЭКН представлена на рис. 10. Была проведена серия измерений на частотах 100, 1000, 104, 5-Ю4 и 105 Гц. По полученным экспериментальным данным был произведен расчет среднего арифметического.

Анализ экспериментальных данных показал, что правый и левый ЭСП сохраняют идентичность при переходе с переменного напряжения при частотах 100, 1000, 104, 5-Ю4, 105 Гц на постоянное напряжение в пределах погрешности от порога чувствительности ЭКН, составляющей 0,0025 % при напряжении 100 В, 0,001 % при напряжении 200 В, 0,0005 % при напряжении 300 В и 0,0002 % при напряжении 400-1000 В.

Подтверждение идентичности характеристик ЭСП методом противопоставления на постоянном и переменном напряжениях производилось при напряжениях 100, 200, 300, 500 и 1000 В на частотах 100, 1000, 104, 5-Ю4, 105 Гц. Идентичность ЭСП на постоянном и переменном напряжениях подтверждена с погрешностью 0,0001-0,0003 %.

і___

Рис. 10. Экспериментальное исследование ЭКН методом противопоставления

Результаты отдельных наблюдений находятся в пределах погрешности ЭКН, составляющей 0,001-0,005 %. Разброс результатов наблюдений объясняется нестабильностью источников (калибраторов) постоянного и переменного напряжений.

С целью исключения погрешности от асимметрии электростатического ЭСП уравновешивание ЭКН производили при двух полярностях постоянного напряжения с вычислением среднего арифметического из двух измерений. При измерении переменного напряжения методом противопоставления с применением ЭКН погрешность, %, равна:

где {У_а — переменное напряжение, приложенное к левому ЭСП; (I- в -переменное напряжение, приложенное к правому ЭСП; С/ол - значение постоянного напряжения, приложенное к левому ЭСП, иов - значение постоянного напряжения, приложенное к правому ЭСП; £/0ср - среднее значение постоянного напряжения в группе измерений.

Компарирование переменного напряжения с применением метода противопоставления обеспечивает возможность исключения методическим путем погрешности от асимметрии ЭСП и снижает погрешности, обусловленные нестабильностью элементов ЭКН и источников постоянного и переменного напряжений за время измерения.

Таким образом, решена конкретная задача создания ЭКН постоянного и переменного напряжения одновременного сравнения в диапазоне напряжений 100-1000 В и частот 20-Ю5 Гц с порогом чувствительности 0,0002— 0,0015 % и погрешностью 0,001-0,005 %.

В четвертой главе предложен и обоснован метод построения ЭДК напряжения, тока и мощности.

Структурная схема ЭДК аналогична структурной схеме ЭКН, отличающейся применением ЭДП вместо ЭСП. Был разработан ЭДП в виде плоских катушек, имеющих малую реактивность.

Уравнение измерения имеет следующий вид:

где /_ — компарируемый переменный ток; ЛГЭДПі — коэффициент передачи ЭДП1; АГфэп1 - коэффициент передачи ФЭП1; /0- компарирующий постоянный ток; Кэдп2 - коэффициент передачи ЭДП2; АГфзп2 - коэффициент передачи ФЭП2.

Конструктивная схема однофазного ЭДК приведена на рис. 11, где Б -балка; ЭДП1, ЭДП2 - электродинамические преобразователи; ФЭП1, ФЭП2 —

/.. = Л

^здп2^фзп2 ^здпі^фзпі

К,

фотоэлектрические преобразователи; НК, ПК - неподвижные и подвижные катушки ЭДП; ФР1, ФР2 - фоторезисторы; К1, К2 - конденсоры; Л1, Л2 -источники света; У — успокоители; ДУ — дифференциальный усилитель; 1-8 - растяжки.

Для повышения точности измерения мощности в трехфазных цепях переменного тока был разработан трехфазный электродинамический компаратор мощности (ЭДКМ), представляющий собой три параллельных горизонтально расположенных балки с укрепленными по краям каждой из них двумя подвижными электродами ЭДП, а также флажками ФЭП. Структурная схема трехфазного ЭДКМ приведена на рис. 12.

На структурной схеме использованы следующие обозначения: Р, А — мощность переменного тока фазы А; Р~в - мощность переменного тока фазы В; Р-с - мощность переменного тока фазы С; Р0 — мощность постоянного тока; ЭДП1-ЭДП6 - электродинамические преобразователи; УС - устройство сравнения (три балки компаратора, установленные параллельно); а -угол отклонения балки компаратора от начального (нулевого) положения;

ФЭП 1 и ФЭП2 - фотоэлектрические преобразователи, регистрирующие положение балок компаратора; НИ - пулевой индикатор.

Рис. 12. Струюурная схема трехфазного ЭДКМ

В момент равенства мощностей Р_ и Р0 балки компаратора находятся в положении равновесия (а = 0), и напряжение, подводимое к НИ, также равно нулю ({/„„ = 0).

Уравнение измерения трехфазного ЭДКМ имеет следующий вид:

= ^о(^эдп4 + ^эдп5 + ^эдпбЖус^фэп2^пи' где Р,А, Р^в, Р-с — компарируемая мощность трехфазного переменного тока; Кх„л-Кжи(, - коэффициенты передачи ЭДП1-ЭДП6; АГус - коэффициент передачи устройства сравнения; ЛГфЭП1 - коэффициент передачи ФЭП1; Рй -компарируемая мощность постоянного тока; ЛГфэп2 - коэффициент передачи ФЭП2; К„„ - коэффициент передачи НИ.

Поскольку при проведении измерений характеристики всех ЭДП идентичны, а шунты и добавочные резисторы ЭДКМ выполнены коаксиальными, т.е. их сопротивления в широких пределах не зависят от частоты, то показания ЭДКМ мощности на постоянном и переменном токе будут идентичными.

Метрологическая модель однофазного ЭДК, в которой учтены систематические и случайные погрешности, приведена на рис. 13.

При выходном напряжении НИ (£/„„ = 0) будет выполняться следующее условие:

/-(©асі + 0/1 + Удні + ч^фин"*" Ч^темпі + Узмлі + Vnpl + Ч/вл1+ Унхі) ^здпі^ус*

хАГфЗПІАГни+ (0ПЧІ + ¥в..І + УвпчіЖус^фзп1^ни + Уднфзпі^фзпі^ни + 0пнн„^н„ =

= Л)(0ас2 + 012 + Удн2 + Улн + Утемп2 + Уэмп2 + Vnp2 + Уш.2+ УюйЖадйА'ус* хАГфзп2АГни+ (©пч2+ tyan2 + Увігіг) КусКф^,2 КІт + Ч^дн фэп 2^фэп2^Чш ®пч ни^-ни*

темпі -

4Vn, - ЭДП1

4^1 —> Кздпт

_^

—s ЭДП2 КэДП2

VBn2-ü

—>

е„,

^впч2 -

ФЭП1

КфЭП1

ФЭП2

КфЭП2

Рис. 13. Метрологическая модель ЭДК

Границы составляющих рассмотренных выше погрешностей с указанием методов их снижения или исключения приведены в табл. 3.

Таблица 3

№ п/п Источник погрешности Обозначение Граница погрешности, % Метод определения, снижения или исключения погрешности

1 Порог чувствительности ©пч 0,002 Определена экспериментально

2 Изменение частоты ©/(100 Гц) ©7(1000 Гц) 0/10000 Гц) ©Я20000Ги) 0,002 0,007 0,016 0,028 Определена расчетным путем

3 Вихревые токи ©ЭТ 0,002 Не обнаружена. Принята равной погрешности от порога чувствительности

4 Неидентичность характеристик ЭДК Vax 0,002 Принята равной погрешности от порога чувствительности

5 Дрейф нуля 4>лн 0,0008 Определена экспериментально

6 Вариация показаний 0,002 Принята равной погрешности от порога чувствительности

Считая рассмотренные составляющие погрешности некоррелированными и равновероятными, оценим погрешность компарирования (¿>к) на частотах 100, 1 ООО, 10 ООО и 20 ООО Гц, вносимую ЭДК (при доверительной вероятности 0,99):

°к(100Гц) ^к(ЮООГц) = г +©/(1000Гц)

/(100 Гц) + ©пч + V™ + vi, + Van = 0,00454 % ;

+ ©m + ч4 + Vi, + Vbh = 0,0081 %;

к(10 кГц)

5,

= 1.4^

©

• ^/(10 кГц)

= 0,0165%;

= 1,4^ + ©*

jK(20KTu) =Ь'»-у/»='вт-г1=//(20кГц)-г^пч T Vhx -f-T Vb„ =0,028%.

Анализ погрешностей ЭДК показал, что наибольший вклад в погрешность компарирования вносит частотная погрешность. Поэтому совершенствование ЭДК должно быть направлено прежде всего на снижение этой погрешности.

Для реализации метода независимой поверки были разработаны методика для независимой поверки добавочных резисторов с тройными экранами и устройство (рис. 14), содержащее эталонные преобразователи тока ЭП1 и ЭП2, источник переменного напряжения ИПН, коаксиальный добавочный резистор, компенсаторы напряжения КН1 и КН2 и обеспечивающее погрешность не более 0,001 %.

Для подтверждения результатов независимой поверки ЭДК было проведено экспериментальное исследование погрешности компарирования, которое производилось путем сличения его показаний с показаниями ЭКН в диапазоне напряжений 300-1000 В и диапазоне частот 100—20 000 Гц.

Г"

Рис. 14. Устройство для поверки коаксиальных добавочных резисторов

Погрешность компарирования, %, рассчитывалась по формуле

. С/__- t/n

у0ср

100,

Оср

С _ д —и н

где (У, ср = —-н— среднее значение переменного напряжения по показаниям калибратора 745А; и0ср = ^0А - среднее значение постоянного напряжения по показаниям калибратора П320.

Анализ экспериментальных данных показал, что ЭДП сохраняют идентичность при переходе с переменного напряжения на постоянное с погрешностью не более 0,002 % на частотах до 1000 Гц и погрешностью 0,0060,01 % на частоте 20 000 Гц по результатам исследования с помощью ЭКН.

Таким образом, решена конкретная задача создания ЭДК постоянного и переменного напряжений, тока и мощности в диапазоне напряжений до 1000 В, токов до 10 А в диапазоне частот 20-2 104 Гц с погрешностью 0,005-0,03 %.

В пятой главе приведена практическая реализация ЭКН и ЭДК напряжения, тока и мощности одновременного сравнения.

Для реализации разработанного метода построения автором создан ЭКН одновременного сравнения на напряжения 100-1000 В с погрешностью 0,001-0,005 %, предназначенный для работы в диапазоне частот 20-Ю5 Гц. На рис. 15 представлен внешний вид практической реализации ЭКН одновременного сравнения «ЭКН-1», включающий измерительное устройство и автокомпенсатор.

Рис. 15. Электростатический компаратор напряжений «ЭКН-1»

Разработанный ЭКН был применен для повышения точности высоковольтных термоэлектрических преобразователей напряжения (ПНТЭ), состоящих из термопреобразователей ТВБ-3 и двух разработанных добавочных экранированных резисторов коаксиальной конструкции на напряжение 500 и 1000 В при токе 5 мА. Для снижения частотной погрешности высоковольтных ПНТЭ была разработана методика, по которой измерялся ток на входе и выходе добавочного резистора.

При равенстве этих токов частотная погрешность добавочного резистора равна нулю. Изменением положения внутренних экранов добавочных резисторов была достигнута частотная погрешность гермоэлектрическо-

го преобразователя напряжения, равная 0,004 % (с добавочным резистором № 1) и -0,002 % (с добавочным резистором № 2).

Создание ЭКН позволяет включить его в локальную поверочную схему и использовать в качестве исходного средства измерения переменного напряжения в диапазоне 100-1000 В в диапазоне частот 20-Ю5 Гц с погрешностью 0,001-0,005 % для передачи размера единицы переменного напряжения средствам измерений низшей точности в электроизмерительных лабораториях промышленных предприятий и лабораториях региональных центров Росстандарта РФ.

Для реализации разработанного метода построения создан ЭДК напряжений, тока и мощности одновременного сравнения на напряжения 100-1000 В с погрешностью 0,005—0,03 %, предназначенный для работы в диапазоне частот 20—2-Ю4 Гц. Внешний вид измерительного устройства разработанного ЭДК приведен на рис. 16. Для расширения пределов измерения напряжения, тока и мощности с помощью ЭДК были разработаны масштабные преобразователи - добавочные резисторы и шунты коаксиальной конструкции в экранированных корпусах.

Создание ЭДК напряжения, тока и мощности позволяет включить его в локальную поверочную схему и использовать в качестве исходного средства измерения переменного напряжения, тока и мощности в диапазоне до 1000 В при частоте 20-2-Ю4 Гц с погрешностью 0,005-0,03 % для передачи размера единицы переменного напряжения, тока и мощности средствам измерений низшей точности в электроизмерительных лабораториях промышленных предприятий и лабораториях региональных центров Росстандарта РФ.

Внешний вид добавочных резисторов и шунтов представлен на рис. 17. Перспективной областью применения однофазного ЭДКМ является поверка ваттметров-счетчиков электрической энергии ЦЭ6802.

:. 17. Добавочные резисторы и шунты

Разработана методика определения погрешности эталонных трехфазных ваттметров-счетчиков электрической энергии ЦЭ6802 с применением однофазного ЭДК, проведено экспериментальное исследование ваттметра-счетчика ЦЭ6802. Па рис. 18 показан внешний вид установки для работы с ЭКН и ЭДК.

Рис. 18. Установка для работы с ЭКН и ЭДК

В приложениях приведены протоколы исследования электростатического компаратора «ЭКН-1» методом противопоставления, акты внедрения и методика определения погрешности элекгронных ваттметров-счетчиков ЦЭ6802 с применением однофазного ЭДК.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Проведен анализ существующих средств измерений переменного напряжения до 1000 В при частотах 20-105 Гц на основе электростатических преобразователей. Выявлены факторы, ограничивающие точность измерения напряжения, тока и мощности. Определены пути совершенствования и создания новых электромеханических автономно поверяемых компараторов с улучшенными техническими характеристиками для решения поставленных задач.

2. Предложен и разработан новый метод построения электростатического компаратора постоянного и переменного напряжений до 1000 В, заключающийся в том, что:

- подвижная часть электростатического компаратора напряжений в виде горизонтальной балки (коромысла) по типу весов, по краям которой укреплены многокамерные коаксиальные электроды двух электростатиче-

ских преобразователей, снабженных дополнительными плоскопараллельными электродами, обеспечивающие идентичность параметров электростатических преобразователей;

— подвеска подвижной части, выполненная в виде четырех растяжек, расположенных попарно в накрест лежащих плоскостях под острым углом друг к другу, обеспечивающая совмещение функций крепления, предотвращения колебаний подвижной части электростатического компаратора напряжений и получение высокой чувствительности;

— преобразователь угла отклоне71ия подвижной части в электрический сигнал, выполненный по типу фотоусилителей в виде двух флажков, укрепленных по концам балки, напротив каждого из которых расположены источник освещения с конденсором и фоторезистор, обеспечивающий совмещение функций преобразователя угла поворота подвижной части в электрический сигнал, снижение влияния механических помех и высокую чувствительность преобразователя угла отклонения подвижной части в электрический сигнал;

— жидкостный успокоитель колебаний подвижной части, выполненный в виде валиков, закрепленных на растяжках и помещенных в резервуары с вязкой жидкостью, обеспечивает уменьшение времени успокоения подвижной части ЭКН в три раза, до 2 с.

3. Предложен, разработан и реализован практически новый метод построения электростатического компаратора мощности в диапазоне напряжений 100-1000 В и частот 20-105Гц, имеющего подвеску подвижной части и преобразователь угла отклонения подвижной части в электрический сигнал аналогично ЭКН, подвижную часть в виде горизонтальной балки, по краям которой укреплены подвижные сдвоенные цилиндрические электроды двух сдвоенных электростатических преобразователей мощности в виде многокамерных цилиндрических конденсаторов, и позволяющего проводить измерения активной мощности в диапазоне токов от 20 мА до 100А.

4. Разработаны математическая модель и метод формального описания процесса функционирования электромеханического компаратора в виде композиции графов, каждый из которых задает один из компонентов, составляющих рассматриваемый компаратор. Функционирование подвески подвижной части компаратора рассматривается в виде параллельной работы всех ее частей, что дало возможность на основе математической модели подробно проанализировать работу электромеханического компаратора.

5. Предложена математическая модель поведения подвижной части электромеханического компаратора при воздействии механических помех на его опорную поверхность. Выявлено шесть форм линейных и угловых колебаний подвижной части компаратора, определены их частоты и степени влияния на поведение подвижной части, проведено математическое модели-

рование с помощью системы моделирования многотельной динамики ФРУНД.

6. Результаты исследования поведения подвижной части компаратора показали, что для обеспечения наименьшей амплитуды колебаний подвижной части при пространственных ударных возмущениях различной интенсивности необходимо обеспечить максимально возможную жесткость основания прибора и невысокую жесткость опор стола, на котором расположен компаратор, и при этих условиях обеспечивается максимальная чувствительность подвижной части.

7. Расчетно-экспериментальным методом на основе теоретического анализа и поэлементного экспериментального исследования определена погрешность компарирования электростатического компаратора напряжений. Найдены методы и технические решения, обеспечивающие устранение или снижение погрешности компарирования до пренебрежимо малых значений. Показано, что погрешность компарирования электростатического компаратора напряжений при напряжении 100 В не превышает 0,005 %, а при напряжении 1000 В не превышает 0,001 %.

8. Предложен новый метод построения электродинамических компараторов напряжения (тока, мощности), заключающийся в построении подвижной части компаратора в виде горизонтальной балки но типу весов, по краям которой укреплены подвижные электроды двух электродинамических преобразователей, снабженные дополнительными подвижными электродами для обеспечения их идентичности, а неподвижные электроды закреплены на основании компаратора. Разработаны новые электродинамические преобразователи с малой реактивностью для расширения частотного диапазона до 2-104 Гц.

9. Предложен новый метод построения трехфазного электродинамического компаратора мощности, заключающийся в построении подвижной части компаратора в виде трех параллельных горизонтальных балок по типу весов, по краям которых укреплены подвижные электроды электродинамических преобразователей, снабженные дополнительными подвижными электродами для обеспечения их идентичности, а неподвижные электроды закреплены на основании компаратора.

10. Разработана и успешно применена методика независимой поверки добавочных резисторов и шунтов коаксиальной конструкции с применением термоэлектрических преобразователей и электродинамических преобразователей компаратора. Разработаны добавочные коаксиальные резисторы с тремя частотокомпенсирующими экранами, обеспечивающие минимизацию частотной погрешности.

11. Разработана и успешно применена методика определения погрешности электродинамического компаратора напряжений с помощью электростатического компаратора напряжений.

12. Проведены экспериментальные исследования электродинамического компаратора напряжения, которые показали, что погрешность компари-рования не превышает 0,005 % на частоте 100 Гц и не превышает 0,028 % на частоте 20-103 Гц. Проанализированы составляющие погрешности электродинамического компаратора, и проведена оценка погрешности компари-ровакия на различных частотах. Анализ полученных данных показал, что наибольший вклад в погрешность компарирования на низких частотах вносит погрешность от порога чувствительности, а на высоких частотах - частотная погрешность.

13. Разработанные автономно поверяемые электростатический компаратор напряжений и электродинамический компаратор напряжения, тока и мощности используются в локальных поверочных схемах промышленных предприятий в качестве эталонного средства измерений для передачи размера единицы переменного напряжения средствам измерений низшей точности в ряде электроизмерительных лабораторий. Внедрена методика метрологической аттестации ваттметров-счетчикив ЦЭ6802 с применением однофазного электродинамического компаратора при выпуске из производства, после ремонта и в эксплуатации.

14. Практическая реализация разработанных методов и технических решений и практическая ценность работы подтверждены актами внедрения и использования полученных результатов. Оригинальность разработок подтверждена патентами.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Публикации в журналах, рекомендованных ВАК

1.Нефедьев, А. И. Электростатический компаратор напряжения / А. И. Нефедьев // Новые промышленные технологии. — 1998. - Вып. 2-3. -С. 59-66.

2.Нефедьев, А. И. Новый метод создания точных электростатических компараторов постоянного и переменного напряжений до 1000 В и частот до 100 кГц / А. И. Нефедьев, С. А. Кравченко // Измерительная техника. — 2000.-№4.-С. 63-67.

3. Нефедьев, А. И. Новый метод построения электродинамических компараторов напряжения, тока и мощности / А. И. Нефедьев // Измерительная техника. - 2007. -№ 3. - С. 58-60.

4. Нефедьев, А. И. Электродинамический трехфазный компаратор мощности / А. И. Нефедьев // Новые промышленные технологии. - 2009. - № 4. — С. 29-31.

5. Нефедьев, А. И. Электростатический компаратор мощности / А. И. Нефедьев // Новые промышленные технологии. - 2009. - № 4. - С. 31-33.

6. Нефедьев, А. И. Электростатический компаратор напряжения / А. И. Нефедьев // Измерительная техника. - 2009. - № 6. - С. 51-55.

7.Нефедьев, Л. И. Метод и средство независимой поверки коаксиальных резисторов термоэлектрических компариругощих преобразователей напряжения / А. И. Нефедьев // Новые промышленные технологии. - 2009. — №5.-С. 45-47.

8.Нефедьев, А. И. Модернизация электродинамического компаратора напряжения, тока и мощности / А. И. Нефедьев // Новые промышленные технологии. - 2009. - № 5. - С. 47-48.

9. Нефедьев, А. И. Основы построения электростатических компараторов постоянного и переменного напряжений / А. И. Нефедьев // Новые промышленные технологии. - 2009. -№ 1. - С. 36-39.

10. Нефедьев, А. И. Системный подход в метрологии / А. И. Нефедьев // Новые промышленные технологии. — 2009. - № 1.-С. 17—18.

11. Нефедьев, А. И. Принципы построения термоэлектрических ком-парирующих преобразователей напряжения с независимой поверкой /

A. И. Нефедьев //Метрология. - 2010. -№ 3. - С. 16-27.

12. Нефедьев, А. И. Методы повышения точности электростатических компараторов напряжения / А. И. Нефедьев // Новые промышленные технологии. - 2011. - № 4. - С. 33-34.

13. Нефедьев, А. И. Принципы построения электромеханических компараторов одновременного и разновременного сравнения / А. И. Нефедьев // Новые промышленные технологии. — 2011. — № 4. - С. 35-36.

14. Горобцов, А. С. Выбор и оптимизация параметров подвески подвижной части электроизмерительных приборов / А. С. Горобцов, А. И. Нефедьев // Приборы. - 2013. - № 6. - С. 32-38.

15. Нефедьев, А. И. Математическая модель подвески подвижной части электроизмерительного прибора [Электронный ресурс] / А. И. Нефедьев,

B. С. Поляков, С. В. Поляков // Инженерный Вестник Дона. - 2013. - № 3. -1ЖЬ: http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n3y2013/1788 (доступ свободный).

Авторские свидетельства и патенты

16. А. с. 1668997 СССР, МПК в 12 В 13/00. Устройство для крепления подвижной части электроизмерительных приборов / И. А. Нефедьев, А. И. Нефедьев ; опубл. 07.08.1991, Бюл. № 29.

17. Пат. 2076328 Российская Федерация, МПК в 01 Я 17/08. Электростатический компаратор напряжения / Нефедьев А. И. ; опубл. 27.03.1997, Бюл. № 9.

18. Пат. 2302010 Российская Федерация, МПК в 01 Я 17/08. Электродинамический компаратор напряжения, тока и мощности / Нефедьев А. И. ; опубл. 27.06.2007, Бюл. № 18.

19. Пат. 2307362 Российская Федерация, МПК О 01 Я 17/08, 1/14. Электростатический компаратор напряжения / Нефедьев А. И. ; опубл. 27.09.2007, Бюл. № 27.

20. Пат. 2351938 Российская Федерация, МПК G 01 R 17/08. Электродинамический компаратор напряжения, тока и мощности / Нефедьев А. И. ; опубл. 10.04.2009, Бюл. № 10.

21. Пат. 2361224 Российская Федерация, МПК G 01 R 17/08. Электродинамический трехфазный компаратор мощности / Нефедьев А. И. ; опубл. 10.07.2009, Бюл. № 19.

22. Пат. 2350970 Российская Федерация, МПК G 01 R 17/08. Электростатический компаратор мощности / Нефедьев А. И. ; опубл. 27.03.2009, Бюл. № 9.

23. Пат. 2350969 Российская Федерация, МПК G 01 R 17/08. Электростатический компаратор напряжения / Нефедьев А. И. ; опубл. 27.03.2009, Бюл. № 9.

24. П.м. 105511 Российская Федерация, МПК G 12 В 13/00. Устройство для крепления подвижной части электроизмерительных приборов / Нефедьев А. И.; опубл. 10.06.2011, Бюл. № 16.

25. Пат. 2408893 Российская Федерация, МПК G 01 R 35/00. Устройство для поверки термоэлектрических компарирующих преобразователей напряжения / Нефедьев А. И.; опубл. 10.01.2011, Бюл. № 1.

26. Пат. 2414716 Российская Федерация, МПК G 01 R 17/08. Электродинамический компаратор напряжения, тока и мощности / Нефедьев А. И. ; опубл. 20.03.2011, Бюл. № 8.

Публикации в других изданиях

27. Nefed'ev, A. I. New principle for exact DC/AC electrostatic comparators / A. I. Nefed'ev, S. A. Kravchenko // Measurement Techniques. - 2000. - Vol. 43, №4.-P. 368-373.

28. Nefed'ev, A. I. A new method of constructing electrodynamic voltage, current, and power comparators / A. I. Nefed'ev // Measurement Techniques. -2007. - Vol. 50, № 3. - P. 325-328.

29. Nefed'ev, A. I. An electrostatic voltage comparator / A. I. Nefed'ev // Measurement Techniques. - 2009. - Vol. 52, № 6. - P. 650-655.

Материалы научно-технических конференций

30. Нефедьев, А. И. Новый принцип построения электростатического компаратора напряжения / А. И. Нефедьев // Точность технологических и транспортных систем : сб. ст. IV Междунар. науч.-техн. конф. (г. Пенза, 4-5 июня 1998 г.). - Пенза, 1998. - Ч. 2. - С. 154-156.

31. Нефедьев, А. И. Система эталонов переменного напряжения / А. И. Нефедьев // Методы, средства и технологии получения и обработки измерительной информации (Измерения-2002) : материалы Междунар. на-уч.-техп. конф. (г. Пенза, 22-24 октября 2002 г.). - Пенза, 2002. - С. 27-28.

32. Нефедьев, А. И. Электростатический компаратор напряжения до 1000 В / А. И. Нефедьев // Методы, средства и технологии получения и об-

работки измерительной информации (Измерения-2004) : материалы Меж-дунар. науч.-техн. конф. (г. Пенза, 16-17 ноября 2004 г.). - Пенза, 2004. -С. 42—43.

33. Нефедьев, А. И. Электромеханические компараторы для измерения напряжения, тока и мощности в цепях переменного тока / А. И. Нефедьев // Методы, средства и технологии получения и обработки измерительной информации (Измерения—2006) : материалы Междунар. науч.-техн. конф. (г. Пенза, 19-21 октября 2006 г.). - Пенза, 2006. - С. 51-52.

34. Нефедьев, А. И. Системные принципы построения электромеханических компараторов напряжения, тока и мощности / А. И. Нефедьев // Метрологическое обеспечение измерительных систем : сб. докл. IV Междунар. науч.-техн. конф. (г. Пенза, 2-5 октября 2007 г.). - Пенза, 2007. - С. 208-211.

35. Нефедьев, А. И. Электростатический компаратор постоянного и переменного напряжений / А. И. Нефедьев // Тр. Междунар. форума по проблемам науки, техники и образования (г. Москва, 4—7 декабря 2007 г.). — М.,

2007.-Т. 2.-С.,66.

36. Нефедьев, А. И. Применение системного подхода к совершенствованию средств измерений / А. И. Нефедьев // Тр. Междунар. форума по проблемам науки, техники и образования (г. Москва, 2-5 декабря 2008 г.). — М.,

2008.-С. 19-20.

37. Нефедьев, А. И. Метод независимой поверки добавочных резисторов термоэлектрических компарирующих преобразователей напряжения / А. И. Нефедьев // Тр. Междунар. форума по проблемам науки, техники и образования (г. Москва, 3—4 декабря 2009 г.). - М., 2009. - Т. 2. - С. 38-39.

38. Нефедьев, А. И. Методы измерения мощности и энергии / А. И. Нефедьев, Д. И. Нефедьев // Информационно-измерительная техника : межвуз. сб. науч. тр. -Пенза, 2009. -Вып. 34. - С. 206-215.

39. Нефедьев, А. И. Применение электростатического компаратора в децентрализованной системе измерения переменного напряжения / А. И. Нефедьев // Ученые Волгограда - развитию города : сб. ст. - Волгоград, 2009. - С. 36-37.

40. Нефедьев, А. И. Электродинамический компаратор напряжения, тока и мощности / А. И. Нефедьев // Ученые Волгограда - развитию города : сб. ст. - Волгоград, 2009. - С. 34-35.

41. Нефедьев, А. И. Электродинамический компаратор напряжения, тока и мощности / А. И. Нефедьев // Новые промышленные технологии. -

2009.-№ 1.-С. 39-42.

42. Нефедьев, А. И. Направления разработки новых принципов построения электромеханических компараторов / А. И. Нефедьев // Методы, средства и технологии получения и обработки измерительной информации : тр. Междунар. науч.-техн. конф. «Шляндинские чтения - 2010» (г.Пенза,

20-22 октября 2010 г.): к 60-летию кафедры «Информационно-измерительная техника (ИИТ)». - Пенза, 2010. - С. 84-85.

43. Нефедьев, Л. И. Проектирование средств измерений с применением системного подхода / Л. И. Нефедьев // Актуальные проблемы современной пауки : тр. 11-й Междунар. конф. (г. Самара, 16-18 ноября 2010 г.). Естественные науки. Ч. 20. Приборостроение. Радиотехника и связь. - Самара, 2010.-С. 5-9.

44. Нефедьев, Л. И. Устройство крепления подвижной части электроизмерительных приборов / А. И. Нефедьев // Теория и практика актуальных исследований : материалы Междунар. науч.-практ. конф. (г. Краснодар, 17 апреля 2012 г.): сб. науч. ст. - Краснодар, 2012. - С. 237-240.

ШИРОКОДИЛПЛЗОННЫЕ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЕ КОМПАРАТОРЫ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЙ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

Специальность 05.11.01 - Приборы и методы измерения (электрические и магнитные величины)

Редактор Н. А. Сиделышкова Технический редактор М. Б. Жучкова Компьютерная верстка М. Б. Жучковой

Распоряжение № 21/2013 от 19.09.2013.

Подписано в печать 20.09.13. Формат 60х84'/і6. Усл. псч. л. 2,09. Тираж 100. Заказ № 008082.

Издательство ПГУ. 440026, Пенза, Красная, 40. Тел./факс: (8412) 56-47-33; e-mail:iic@pnzgu.ru

Научное издание

Нефедьев Алексей Иванович

ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

НЕФЕДЬЕВ АЛЕКСЕЙ ИВАНОВИЧ

ШИРОКОДИАПАЗОННЫЕ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЕ КОМПАРАТОРЫ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЙ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

Специальность 05.11.01 - Приборы и методы измерения

(электрические и магнитные величины)

На правах рукописи

Диссертация

на соискание ученой степени

доктора технических наук

Научный консультант д.т.н., профессор Чураков П.П.

Пенза 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

Принятые сокращения.........................................................................................7

Основные обозначения........................................................................................8

Введение....................................................................................9

Глава 1. Анализ современного состояния и принципы

построения электромеханических компараторов..............................20

1.1 Устройство и области применения электромеханических компараторов...................................................................................20

1.2 Электростатические компараторы постоянного и переменного напряжения одновременного и разновременного сравнения..................27

1.3 Электродинамические компараторы одновременного и разновременного сравнения.......................................................................36

1.4 Измерение мощности при помощи электромеханических ваттметров.....................................................................................................47

1.4.1 Измерение мощности при помощи электростатических ваттметров.....................................................................................................49

1.4.2 Измерение мощности при помощи электродинамических ваттметров.....................................................................................................52

1.5 Погрешности измерений при помощи компараторов.............................54

1.6 Направления совершенствования и способы снижения погрешностей электромеханических компараторов.................................60

1.7 Децентрализованная система повышения точности измерения переменного напряжения (тока, мощности) на основе электромеханического компаратора...........................................................63

ВЫВОДЫ к Главе 1.................................................................................66

Глава 2. Анализ поведения и математическое моделирование подвижной части компаратора....................................................................67

2.1. Выделение компонентов подвижной части ЭКН.................................67

2.2. Анализ функционирования подвижной части ЭКН..........................71

2.3. Синтез формального описания функционирования

подвижной части ЭКН................................................................................. 80

2.4 Моделирование подвижной части ЭКН блоками параллельно функционирующих компонентов.....................................................86

2.5 Математическое моделирование поведения подвижной

системы ЭКН при воздействии помех..........................................................95

Выводы к Главе 2.................................................................................... 117

Глава 3. Методы и средства повышения точности

электростатического компаратора................................................ 118

3.1. Вводные замечания......................................................................... 118

3.2. Метод построения и разработка структурной схемы ЭКН................119

3.3. Разработка ЭКН одновременного сравнения.....................................124

3.4. Исследование порога чувствительности ЭКН................................139

3.5. Разработка жидкостного успокоителя колебаний подвижной

части....................................................................................141

3.6. Повышение точности ЭКН введением компенсатора противодействующего момента растяжек.................................................143

3.7. Разработка и исследование электростатического

компаратора мощности..............................................................................145

3.7.1 Разработка структурной схемы ЭКМ..................................................145

3.7.2 Практическая реализация электростатического компаратора мощности................................................................................................. 147

3.8. Анализ погрешностей и требования к метрологическому обеспечению ЭКН.....................................................................................152

3.8.1 Метод расчета погрешности ЭКН.........................................................153

3.8.2 Анализ и определение путей уменьшения погрешностей ЭКН.........157

3.8.2.1 Анализ систематических составляющих погрешности...................158

3.8.2.2 Анализ случайных составляющих погрешности..............................165

3.9. Расчетно-экспериментальный метод определения

погрешностей компарирования...............................................................169

3.10. Анализ погрешностей компарирования, вносимых

средствами измерений и источником постоянного напряжения..........177

3.11. Анализ погрешностей компарирования, вносимых источником переменного напряжения.........................................................................178

3.12. Экспериментальное определение погрешности ЭКН

методом противопоставления..................................................................179

3.13. Повышение точности компарирования ЭКН на основе инструментальной избыточности...........................................................181

3.14 Обработка результатов измерений.........................................................185

Выводы к Главе 3..............................................................................................191

Глава 4. Методы и средства повышения точности

электродинамического компаратора..............................................193

4.1. Вводные замечания...................................................................................193

4.2 Метод построения и разработка структурной схемы ЭДК................... 194

4.3 Принцип действия и конструкция ЭДК одновременного

сравнения...................................................................................................197

4.4 Усовершенствование конструкции ЭДП.................................................203

4.5 Анализ чувствительности ЭДК................................................................206

4.6 Трехфазный электродинамический компаратор мощности..................209

4.6.1 Разработка структурной схемы ЭДКМ.................................................209

4.6.2 Конструкция трехфазного ЭДКМ.........................................................212

4.7. Методы и средства метрологического обеспечения ЭДК....................215

4.7.1 Метод расчета погрешности ЭДК.........................................................216

4.7.2 Анализ и методы снижения погрешности

компарирования ЭДК................................................................................220

4.8 Расчетно-экспериментальный метод определения

погрешностей компарирования...............................................................228

4.9 Метод и устройство независимой проверки коаксиальных добавочных резисторов...........................................................................233

4.10 Устройство для независимой проверки коаксиальных добавочных резисторов на основе ЭДК.................................................239

4.11 Экспериментальное определение погрешности компарирования ЭДК методом противопоставления............................241

4.12 Методика определения погрешности ЭДК при помощи ЭКН..........244

4.13 Обработка результатов измерений........................................................247

Выводы к Главе 4............................................................................................250

Глава 5. Практическая реализация и конструктивные особенности электростатического и электродинамического компараторов................................................................................................252

5.1 Разработка конструкции ЭКН................................................................252

5.2 Конструкция измерительного устройства ЭКН...................................253

5.3 Разработка конструкции автокомпенсатора........................................260

5.4 Структурная схема автокомпенсатора..................................................260

5.5 Применение ЭКН для повышения точности высоковольтных термоэлектрических преобразователей напряжения.............................263

5.6 Перспективы применения и внедрение ЭКН.........................................265

5.7 Разработка конструкции электродинамического компаратора напряжения, тока и мощности..................................................................268

5.7.1 Конструкция измерительного устройства ЭДК..................................268

5.7.2 Структурная схема и конструкция нулевого индикатора ЭДК.........275

5.8 Перспективы применения ЭДК напряжения, тока и мощности.........276

Выводы к Главе 5............................................................................................279

Основные результаты и выводы................................................281

Литература............................................................................286

Приложение 1 Протокол экспериментального исследования

ЭКН методом противопоставления.............................................307

Приложение 2 Протокол экспериментального исследования электродинамического компаратора методом

противопоставления......................................................................314

Приложение 3 Акт внедрения электростатического компаратора........318

Приложение 4 Акт внедрения электростатического компаратора........319

Приложение 5 Акт внедрения комплекта термоэлектрических

преобразователей напряжения.....................................................320

Приложение 6 Свидетельство ВНИИМ им. Д.И. Менделеева..............321

Приложение 7 Акт внедрения электростатического компаратора.........323

Приложение 8 Протокол экспериментального исследования

ваттметра-счетчика электрической энергии ЦЭ6802 .......................... 324

Приложение 9 Методика определения погрешности ЦЭ6802 с применением однофазного электродинамического

компаратора .................................................................................327

Приложение 10 Акт внедрения методики поверки электродинамического компаратора и методики определения погрешности ваттметра-счетчика электрической

энергии ЦЭ6802 с применением однофазного ЭДК...................................350

Принятые сокращения

ИП - измерительный преобразователь К - компаратор

КП - компарирующий преобразователь МП - масштабный преобразователь МХ - метрологическая характеристика НИ - нулевой индикатор

НСП - неисключенная систематическая погрешность НЭ - неподвижный электрод

ПНТЭ - термоэлектрический преобразователь напряжения

ПЧ - подвижная часть

ПЭ - подвижный электрод

СИ - средство измерений

СКО - среднее квадратическое отклонение

У - усилитель

ФР - фоторезистор

ФЭП - фотоэлектрический преобразователь положения подвижной части

ЭДК - электродинамический компаратор

ЭДКМ - электродинамический компаратор мощности

ЭДП - электродинамический преобразователь

ЭКМ - электростатический компаратор мощности

ЭКН - электростатический компаратор напряжения

ЭСП - электростатический преобразователь

Основные обозначения

5 - предел допускаемого значения относительной погрешности

у - предел допускаемого значения приведенной погрешности

0 - границы неисключенной систематической погрешности

@(Р) - доверительные границы систематической погрешности измерения для

доверительной вероятности Р

Р - доверительная вероятность

- случайная составляющая погрешности Н - композиция

х, - г-е экспериментальное данное, полученное при измерении к - поправочный коэффициент при суммировании НСП, определяемый принятой доверительной вероятностью Р и числом т составляющих 0( х - среднее арифметическое значение экспериментальных данных 51 - СКО единичного измерения при многократных измерениях

- СКО среднего арифметического значения экспериментальных данных ®(Р) - доверительные границы систематической погрешности измерения для доверительной вероятности Р п - число экспериментальных данных т - число суммируемых НСП

ВВЕДЕНИЕ

Повышение точности измерения действующего значения напряжения, тока и активной мощности на переменном токе в широком диапазоне измеряемых величин и частот всегда являлось актуальной задачей, что обусловлено ростом потребления электроэнергии, внедрением мер по экономии энергоресурсов, а также повышением точности измерений энергетических величин в промышленности и научных исследованиях [1-5].

Неоднократно проводившиеся исследования основных тенденций в области измерений показали, что постоянно существует необходимость повышения точности средств измерений, в том числе для измерения напряжения, тока и мощности в цепях переменного тока. Несмотря на то, что проблема повышения точности измерения электронергетических величин во многом решена, она остается актуальной и в настоящее время [6,7].

Развитие энергетики и других отраслей промышленности в современных рыночных условиях, а также повышение точности и достоверности измерения электроэнергетических величин приводит к необходимости совершенствования метрологической базы в области измерения переменного напряжения.

Также актуальной проблемой в настоящее время является разработка децентрализованной системы воспроизведения и передачи размеров единиц с активным использованием автономных средств поверки и независимой (автономной) поверки, то есть без применения сторонних эталонных средств измерений [8-12].

В метрологической практике актуальна независимая (автономная) поверка, т.е. поверка без применения образцовых средств измерения. Такая необходимость возникает при разработке наиболее точных средств измерений, которые нельзя поверить традиционными методами ввиду отсутствия средств измерений высшей точности с соответствующими пределами. Сущность метода независимой (автономной) поверки заключается в сравнении величин,

воспроизводимых отдельными элементами схемы поверяемого СИ с опорной величиной, конструктивно воспроизводимой в поверяемом СИ [13-16].

Проблема повышения точности измерения электроэнергетических величин при обеспечении независимой (автономной) поверки (или самоповерки) предусматривает проведение метрологических работ в направлении повышения точности средств измерения электроэнергетических величин до 1000В на переменном токе [7, 11,12].

Наиболее точные измерения напряжения, тока и мощности на переменном токе в настоящее время производятся с применением термоэлектрических компарирующих преобразователей разновременного сравнения, возможности повышения точности которых в значительной мере исчерпаны из-за недостаточной стабильности их характеристик [17,18].

Широко используемые термоэлектрические компарирующие электровакуумные преобразователи типа ТВБ, эталоны ПНТЭ-6А и ПНТЭ-12, имеют существенные недостатки, отражающиеся на результатах метрологической аттестации измерительных устройств. К недостаткам относятся наличие высокой рабочей температуры термоэлектрического преобразователя (до нескольких сот градусов). Значительный температурный градиент вследствие эффектов Томсона и Пельтье [19-21] приводит к изменению выходного напряжения термопары при изменении полярности подаваемого постоянного напряжения (погрешность асимметрии). В результате возрастает погрешность, связанная с переходом от переменного напряжения к постоянному напряжению, поскольку одному и тому же выходному напряжению термопары, полученному при переменном напряжении, соответствуют два отличающихся по значению постоянных напряжения различной полярности. В соответствии с регламентом измерений, в качестве эквивалентного значения переменного напряжения выбирают полусумму постоянных напряжений различной полярности [21]. При этом в результат измерений вносится погрешность, зависящая от погрешности асимметрии. Метрологические характеристики ухудша-

ются также и из-за того, что коэффициент тепловой передачи (около 3 мВ/мВт) изменяется во времени, а небольшое выходное напряжение термопары (единицы милливольт при типовом сигнале 0,5 В) затрудняет фиксацию момента точного равенства переменного и постоянного напряжений [19].

Повышение точности измерения напряжения, тока и мощности в цепях переменного тока может быть обеспечено в результате использования электромеханических компарирующих преобразователей (электростатических и электродинамических), имеющих высокую стабильность характеристик [22]. Перспективность электромеханических компарирующих преобразователей подтверждена тем, что в США в течение длительного времени электродинамический ваттметр использовался в качестве эталона для воспроизведения единицы электрической мощности в диапазоне частот 40 - 500 Гц с неисклю-ченной систематической погрешностью 0 = 0,005% [23].

В настоящее время производится большое количество точных цифровых электронных приборов, которые могут обеспечить высокую точность измерений. С этой точки зрения представляет интерес эталонный вольтметр (мультиметр) Пике 8508А [24], вольтметр универсальный цифровой В7-78

[25], и т.д. Для измерения мощности имеются точные электронные ваттметры, например, эталонный электронный трехфазный ваттметр-счетчик ЦЭ6802

[26], имеющий класс точности 0,05, и предназначенный для поверки индукционных и электронных электросчетчиков активной энергии класса точности 0,2 и реактивной энергии класса 0,5.

Наряду с достоинствами подобных приборов - высокой точностью, многофункциональностью, они имеют существенный недостаток - обеспечение высокой точности таких средств измерений связано с централизованной системой воспроизведения постоянных и переменных напряжений и токов, то есть эти приборы не могут обеспечить независимую поверку.

Во всех ведущих метрологических центрах мира, таких как М5Т (США), Ж (Австралия), N1® (Канада), ФГУП «ВНИИМ им.

Д.И.Менделеева» (Россия), ЫРЬ (Великобритания), ЬИЕ (Франция), №М1С (Япония) и др. воспроизведение и передача размера единицы переменного напряжения в диапазоне до 1000В в настоящее время осуществляется при помощи термоэлектрических преобразователей [18,27].

В России используются государственные специальные эталоны переменного напряжения ГЭТ 27 и ГЭТ 89, содержащие высоко стабильные к�