Разработка методики поверки омметра цифрового Щ34

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 Анализ методов измерений  заданной величины

Основными методами измерения  сопротивления постоянному току являются: косвенный метод, метод непосредственной оценки и мостовой метод.

Выбор метода измерений  зависит от ожидаемого значения измеряемого  сопротивления и требуемой точности.

Наиболее универсальным из косвенных  методов является метод амперметра-вольтметра. Он основан на измерении тока, протекающего через измеряемое сопротивление и падения напряжения на нем. Применяют две схемы измерения:

• измерение больших сопротивлений (рис. 1,а);
• измерение малых сопротивлений (рис. 1,б).

По результатам измерения  тока и напряжения определяют искомое  сопротивление. Для схемы рис. 1,а искомое сопротивление и относительная методическая погрешность измерения определяются

 

Рисунок 1,а

 

где Rx - измеряемое сопротивление;

      Rа - сопротивление амперметра.

Для схемы рис. 1,б искомое сопротивление и относительная методическая погрешность измерения определяются

 

где Rв -сопротивление  вольтметра.

Из определения относительных  методических погрешностей следует, что измерение по схеме рисунка 1,а обеспечивает меньшую погрешность при измерении больших сопротивлений, а измерение по схеме рисунка 1,б - при измерении малых сопротивлений.

Погрешность измерения  по данному методу рассчитывается по выражению 

 

где γ_в, γ_a, - классы точности вольтметра и амперметра;

      U_п, I _п пределы измерения вольтметра и амперметра.

Используемые при измерении  приборы должны иметь класс точности не более 0,2.

Вольтметр подключают непосредственно  к измеряемому сопротивлению. Ток  при измерении должен быть таким, чтобы показания отсчитывались по второй половине шкалы. В соответствии с этим выбирается и шунт, применяемый для возможности измерения тока прибором класса 0,2. Во избежание нагрева сопротивления и, соответственно, снижения точности измерений, ток в схеме измерения не должен превышать 20% номинального.

 

 
Рисунок 1 - Схема измерения больших (а) и малых (б) сопротивлений методом амперметра-вольтметра.

Метод непосредственной оценки.

Он предполагает измерение сопротивления постоянному току с помощью омметра. Измерения омметром дают существенные неточности. По этой причине данный метод используют для приближенных предварительных измерений сопротивлений и для проверки цепей коммутации.

 На практике применяют  омметры типа М57Д, М4125, Ф410 и  др. Диапазон измеряемых сопротивлений  данных приборов лежит в пределах  от 0,1 Ом до 1000 кОм. Для измерения  малых сопротивлений, например  сопротивление паек якорных обмоток машин постоянного тока, применяют микроомметры типа М246. Это приборы логометрического типа с оптическим указателем, снабженные специальными самозачищающими щупами. Также для измерения малых сопротивлений, например, переходных сопротивлений контактов выключателей, нашли применение контактомеры. Контактомеры Мосэнерго имеют пределы измерения 0 - 50000 мкОм с погрешностью менее 1,5%. Контактомеры КМС-68, КМС-63 позволяют производить измерения в пределах 500-2500 мкОм с погрешностью менее 5%. Для измерения сопротивления обмоток силовых трансформаторов, генераторов с достаточно большой точностью применяют потенциометры постоянного тока типа ПП-63, КП-59. Данные приборы используют принцип компенсационного измерения, т. е. падение напряжения на измеряемом сопротивлении уравновешивается известным падением напряжения.

Мостовой метод.

Применяют две схемы  измерения - схема одинарного моста  и схема двойного моста. Соответствующие  схемы измерения представлены на рисунке 2. Для измерения сопротивлений в диапазоне от 1 Ом до 1 МОм применяют одинарные мосты постоянного тока типа ММВ, Р333, МО-62 и др.

Погрешность измерений  данными мостами достигает 15% (мост ММВ). В одинарных мостах результат  измерения учитывает сопротивление  соединительных проводов между мостом и измеряемым сопротивлением.

Поэтому сопротивления  меньше 1 Ом такими мостами измерить нельзя из-за существенной погрешности. Исключение составляет мост P333, с помощью  которого можно производить измерение  больших сопротивлений по двухзажимной схеме и малых сопротивлений (до 5 10 Ом) по четырехзажимной схеме. В последней почти исключается влияние сопротивления соединительных проводов, т. к. два из них входят в цепь гальванометра, а два других - в цепь сопротивления плеч моста, имеющих сравнительно большие сопротивления.

 

 
Рисунок 2 - Схемы измерительных мостов.

а - одинарного моста; б - двойного моста.

 

Мост Уинстона

Это устройство измерения сопротивления методом сравнения измеряемой величины с образцовой мерой; выполнен по схеме мостовой цепи, в измерительную диагональ которой включен нуль - индикатор или измерительный прибор (обычно гальванометр).

Измерение сопротивления  с помощью мостика Уитсона, является компенсационным методом измерения.

 

Рисунок 3 - Одинарный мост постоянного тока (Мост Уинстона): Г - гальванометр; Е -- источник питания моста; R1(Rx) - измеряемое сопротивление; R2 , R3 , R4 - калибровочные установочные резисторы. В качестве примера косвенных  измерений можно указать на измерение  мощности в цепях постоянного  тока амперметром и вольтметром.

4 Описание  принципа работы прибора

Омметр состоит из следующих блоков: измерительная схема, сравнивающее устройство, управляющее устройство, блок питания.

Измерительной схемой омметра  является четырехплечий уравновешенный мост (рисунок 4).

Плечо сравнения R_c состоит из 8 сопротивлений (125; 400 Ом; 1,25; 4,00; 40,00 кОм; 4 и 40 МОм)

Плечо отношений R₀ состоит из четырех сопротивлений (800 Ом; 2,5; 8,0 25,0 кОм).

Плечо отношений R_G представляет собой пятидекадный магазин проводимостей. Каждая декада состоит из четырех проводимостей с весами     8-4-2-1. «Единичная» проводимость старшей декады равна 1×10^-4 Ом.

Сопротивление плеча  сравнения R_c и плеча отношений R₀ коммутируются магнитоуправляемыми контактами.

Проводимость плеча  отношений R_G коммутируются ключами на биполярных транзисторах.

Процесс уравновешивания  моста начинается с автоматического  поиска поддиапазона измерения, при  котором определяются необходимые  величины сопротивлений R_c и R₀. При этом проводимость плеча отношений R_G устанавливается равной «единичной» проводимости старшей декады. После выбора необходимого поддиапазона измерения уравновешивание моста продолжается за счет изменения проводимости плеча отношений R_G.

Изменение проводимости плеча отношений R_G осуществляется «снизу» , то есть в соответствии с алгоритмом уравновешивания проводимость увеличивается от минимального значения к необходимому. При этом подключенная проводимость отключается, если это приводит к условию:

R_X < R_c ×R₀ × G,

,

где G – проводимость плеча R_G.

При равновесии моста выполняется известное уравнение связи между сопротивлениями плеч моста:

R_X < R_c ×R₀ × G

Величины сопротивлений R_c и R_о определяют в цифровом отсчете место десятичной запятой  и единицу измерения «Р», «К», «М», а величина проводимости G – численное значение измеряемого сопротивления.

Рисунок 4 – Измерительная  схема

R_x – измеряемое сопротивление;

R_c – сопротивление плеча сравнения;

R_o , R_G – сопротивление плеч отношения;

СУ – сравнивающее устройство;

ИП – источник питания.

Сравнивающее устройство выполняет  операции интегрирования сигнала разбаланса измерительного моста, импульсного  усиления проинтегрированного сигнала  и формирование сигнала управления, направляемого в управляющее устройство омметра.

Управляющее устройство омметра осуществляет управление уравновешиванием измерительной схемы, вывод информации на отсчетное устройство, управление цифропечатающей машинкой, а также управление коммутаторами сравнивающего устройства.

5 Схема передачи размера единицы заданной величины

5.1 Государственный первичный эталон.

Государственный первичный  эталон предназначен для воспроизведения  и хранения единицы электрического сопротивления и передачи размера  единицы при помощи вторичных  эталонов и образцовых средств измерений рабочим средствам измерений, применяемым в народном хозяйстве, с целью обеспечения единства в стране.

В основу измерений электрического сопротивления должна быть положена единица, воспроизводимая указанным эталоном.

Государственный первичный эталон состоит из комплекса следующих средств измерений:

группа из десяти манганиновых мер  электрического сопротивления с  номинальным значением 1 Ом;

мостовая измерительная установка:

набор мер электрического сопротивления для передачи размера  единицы вторичным эталонам в диапазоне от 1 × 10^-3 до 1 × 10⁹ Ом (далее переходные меры).

Среднее арифметическое значение электрического сопротивления, воспроизводимое эталоном и принимаемое  неизменным во времени, составляет 1, 00000024 Ом.

Государственный первичный эталон обеспечивает воспроизведение единицы со средним квадратическим отклонением результата измерений S_o , не превышающим 3 × 10^-8 при десяти независимых наблюдениях. Неисключенная систематическая погрешность Q_o не должна превышать 3 × 10^-7.

Для воспроизведения единицы электрического сопротивления с указанной точностью должны быть соблюдены правила хранения и применения эталона, утвержденные в установленном порядке.

Государственный первичный эталон применяют для передачи размера  единицы электрического сопротивления  вторичным эталонам сличением при помощи компаратора (мостовой измерительной установки и переходных мер).

5.2 Вторичные эталоны

В качестве эталона сравнения  применяют меры электрического сопротивления  с номинальным значением 1 Ом.

Средние квадратические отклонения результатов сличений SS_o эталона сравнения с государственным не должны превышать 5 × 10^-8. Нестабильность эталона сравнения за год g_о при температуре 20 ^оС не должна превышать             5 × 10^-7.

Эталон сравнения применяют  для международных сличений.

В качестве рабочих эталонов электрического сопротивления постоянному  току ( далее – электрического сопротивления ) применяют группу мер с номинальным значением 1 Ом и наборы мер с номинальными значениями 1 × 10^-3; 1 × 10^-2; 1 × 10^-1; 1; 10; 1 × 10²; 1 × 10³; 1 × 10⁴; 1 × 10⁵; 1 × 10⁶; 1 × 10⁷; 1 × 10⁸; 1 × 10⁹ Ом.

Средние квадратические отклонения результатов сличений SS_o рабочих эталонов электрического сопротивления с государственным не должны превышать: при номинальном значении меры 1 Ом – 5 × 10⁸; 1 × 10^-1 и 10 Ом -    1 × 10^-7; 1 × 10^-3; 1 × 10^-2 и от 1 × 10² до 1 × 10⁵ – 2 × 10^-7; от 1 × 10⁶ до 1 × 10⁹ Ом –    7 × 10^-7.

Нестабильность за год  мер, входящих в состав данных рабочих эталонов, определенная при температуре 20 ⁰С, не должна превышать: при номинальном значении меры 1 Ом – 5 × 10^-7, 1 × 10^-1 и 10 Ом – 1 × 10^-6; 1 × 10^-3,     1 × 10^-2 и от 1 × 10² до 1 × 10⁵ Ом – 2 × 10^-6; от 1 × 10⁶ до 1 × 10⁸ Ом – 4 × 10^-6;                1 × 10⁹ Ом – 6 × 10^-6.

В качестве рабочих эталонов активного электрического сопротивления  применяют наборы мер с номинальными значениями активного электрического сопротивления 1 × 10^-1; 1; 10; 1 × 10² ; 1 × 10³; 1 × 10⁴; 1 × 10⁵;  1 × 10⁶ и 1 × 10⁷ Ом при частоте синусоидального электрического тока 1000 Гц.

Средние квадратические отклонения результатов сличений SS_o рабочих эталонов активного электрического сопротивления с государственным не должны превышать: при номинальных значениях мер от 1 × 10² до 1 × 10⁴ Ом - 5 × 10^-7; 10 и 1 × 10⁵ Ом – 1 × 10^-6; 1 и 1 × 10⁶ Ом - 2 × 10^-6; 1 × 10^-1 и 1 × 10⁷ Ом -      5 × 10^-6.

Нестабильность за год  мер, входящих в состав данных рабочих эталонов, определенная при температуре 20 ⁰С и постоянном токе, не должна превышать: при номинальных значениях мер от 10 до 1× 10³ Ом - 5 × 10^-6;           1 × 10⁴ Ом - 6 × 10^-6; 1 × 10^-1, 1 и от 1 × 10⁵ до 1 × 10⁷ Ом – 8 × 10^-6.

Рабочие эталоны применяют для передачи размера единицы образцовым мерам электрического сопротивления 1-го разряда сличением при помощи компаратора  (моста постоянного тока) и образцовым мерам активного электрического сопротивления 1-го разряда при частоте 1000 Гц сличением при помощи компаратора переменного тока.