Лекция по теме «Меры электрических величин»

Образцовые меры – служат для поверки  и градуировки рабочих мер  и измерительных приборов, а также для высокоточных измерений и утвержденные в качестве образцовых.

В зависимости от точности образцовые меры подразделяются на три разряда:

первого разряда – наиболее точные, которые поверяются непосредственно по рабочим эталонам;

второго разряда – точные, которые поверяются по образцовым мерам первого разряда;

третьего разряда – точные, которые поверяются по образцовым средствам второго разряда.

Рабочие меры – используются для поверки измерительных приборов, а также для выполнения измерений на промышленных предприятиях и в научных организациях.

Мерами единиц электрических величин являются меры электродвижущей силы (ЭДС), меры электрического сопротивления, меры индуктивности и взаимной индуктивности, меры емкости.

Образцовой мерой ЭДС является нормальный элемент, представляющий собой гальванический элемент с кадмием в качестве отрицательного электрода, ртути в качестве положительного электрода и раствором сернокислого кадмия в качестве электролита. Обмен ионами на границах элементов вызывает появление электродвижущей силы (ЭДС), величина которой  отличается от 1 В, но точно известна. Последнее достигается подбором составных частей элемента из строго определенных по химическому составу веществ, точной их дозировкой и строго однообразной конструкцией. При правильном использовании элемента обеспечивается весьма большое постоянство его э. д. с. и точно известная зависимость ее от температуры.

Различают элементы с насыщенным и ненасыщенным раствором сернокислого кадмия. Предпочтение отдается элементам с насыщенным раствором кадмия, т.к. у них стабильность ЭДС значительно выше. Классы точности таких элементов 0,001, 0,002 и 0,005. Класс точности элементов  с ненасыщенным раствором кадмия 0,02.

При применении нормальных элементов следует соблюдать ряд предосторожностей: нормальные элементы нельзя трясти и опроки­дывать, они должны быть защищены от солнечных лучей, от дей­ствия сильных источников света и теплоты. Хранить их необхо­димо при возможно более постоянной температуре. Нормальные элементы обладают рядом недостатков, к которым относятся малый ток нагрузки, невозможность работы в условиях вибрации, необходимость внесения расчетных поправок на температуру окружающей среды.

Несмотря на эти недостатки меры ЭДС на основе нормальных элементов находят применение при самых ответственных измерениях в качестве опорного источника электродвижущей силы в компараторах, измерительных мостах, для передачи размера единицы ЭДС элементам других поверочных схем (переменного напряжения, переменного тока).

С появлением полупроводниковых приборов они были вытеснены кремниевыми стабилитронами, работа которых основана на явлении пробоя p-n-перехода. В отличие от электрохимических элементов — первичных источников напряжения, кремниевые стабилитроны являются вторичными источниками стабильного напряжения, достигаемого ограничением входного напряжения. Сейчас выпускается обширная номенклатура кремниевых стабилитронов на напряжения от 3 В до 100 В. В настоящее время выпрямители переменного тока с полупроводнико­выми стабилизаторами постоянного напряжения  могут во многих слу­чаях играть роль образцовых источников постоянного напряжения.

Примером технической реализации стабилизированного источника напря­жения является серийно выпускаемый источник ИСП-20, у которого при коле­баниях питающего напряжения на ±20% выходное напряжение на нагрузке 400 Ом остается постоянным в пределах (2,00 ± 0,01) В. Стабилизаторы указан­ного типа используются, в частности, в схемах автоматических потенциометров в качестве источника образцового напряжения, при этом отпадает необходимость применения нормального элемента.

При выполнении электрических измерений существенную роль играют такие элементы, как резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности, и взаимной индуктивности, входящие в состав электрической цепи. Параметры этих элементов должны соответствовать заданным значениям, быть неизменными во времени и независимыми от возмущающих факторов. В тех случаях, когда при выполнении измерений необходимо знать значение единицы физической величины с высокой точностью, эти элементы выполняются как меры, представляющие собой  самостоятельные средства измерений.

 

Образцовыми мерами электрического сопро­тивления пользуются в   практике измерений, а также при поверке и градуировке измерительных приборов. Образцовые меры сопротивления выполняют в виде катушек электрического сопротивления, изготовленные из манганиновой проволоки или ленты.  Образцовые катушки снабжаются двумя парами зажимов, два из которых называются токовыми и предназначены для включения образцовой катушки в цепь тока, два других называются потен­циальными. Сопротивление между потенциальными зажимами в точках ( а и б) (рис. 1)  равно номинальному сопротивлению образцовой катушки.

Рис. 1 Схема соединения токовых и потенциальных зажимов образцовой мерой электрического сопротивления

К материалу, из которого изготовляются обмотки, предъявля­ются следующие требования:

• возможно большее удельное сопротивление;
• малый температурный коэффициент сопротивления
• малая термо-э. д. с. в паре с другими металлами (в особенности с медью);
• устойчивость металла провода против окисления.

Этим требованиям лучше всего удовлетворяет манганин (сплав меди, никеля и марганца).

Образцовые катушки сопротивления  изготавливаются на различные номиналы:

— от 0,0001 до 0,01 Ом — из широких и сравнительно тонких лент (для лучшего охлаждения) или из пластин;

—  катушки сопротивления выше 0,01 Ом делаются из проволоки.

— высокоомные манганиновые образцовые сопротивления (10⁷—10¹⁰ Ом) делаются на основе манганинового микропро­вода в стеклянной изоляции.

Образцовые меры сопротивления делятся на классы точности, для которых погрешности и другие ха­рактеристики устанавливаются со­ответствующими стандартами. Образцовые резисторы могут иметь класс точности от 0,0005 до 0,1 при номинальном сопротивлении от 10^-5 до 1010 Ом

В лабораторных условиях получили большое распространение  магазины сопротивлений, которые при помощи переключающих устройств позволяют получить сопротивления различного значения. В зависимости от конструкции переключающего устройства магазины сопротивлений делятся на штепсельные и рычажные.

Образцовые катушки индуктивности и взаимной индуктивности изготовляются в виде катушек из изолированной тонкой проволоки, намотанной на каркас из немагнитного материала.

Катушки должны обладать постоянством индуктивности, малым сопротивлением, независимостью индуктивности от тока возможно малой зависимостью индуктивности от частоты тока.

Одной из характеристик катушек является постоянная времени, выражаемая отношением индуктивности катушки к активному сопротивлению обмотки. Чем больше постоянная времени, тем катушка индуктивности доброкачественнее. Обычно постоянная времени катушек лежит в пределах от   1 до  10 мс.

Измерительные катушки  индуктивности выпускаются       на номинальные значения от 0,01 мкГн до 1 Гн   и предназначены для работы в         цепях переменного  тока частотой до 10 000 Гц.

Катушки взаимной индуктивности состоят из двух обмоток, жестко укрепленных на общем каркасе.

Катушки взаимной индуктивности делаются для двух номинальных значений (0,01 и 0,001 Гн) и предназначены для работы в цепях переменного тока с частотой  до 10 000 Гц.

Магазины индуктивностей, представляют собой набор катушек индуктивности, объединенные в одном корпусе.

Образцовые меры емкостей  представляют конденсаторы и должны обладать постоянством емкости и малым температурным коэффициентом, весьма малыми потерями энергии в диэлектрике, независимостью емкости от частоты и формы кривой тока и высокими сопротивлением и прочностью изоляции. Этим требованиям в наибольшей мере отвечают конденсаторы, у которых диэлектриком служит воздух или какой-либо газ.  Однако воздушные конденсаторы имеют большие размеры  и практически применяются лишь в тех случаях, когда требуется значение  емкости не более 1000 пФ. Для конденсаторов с номинальным значением емкости более 1000 пФ применяется слюдяной диэлектрик, а для номиналов выше 10⁶ пФ —  диэлектрик из слюдяных пленок.

Магазины емкости состоят из отдельных конденсаторов постоянной емкости. В отличие от магазинов сопротивлений, где отдельные резистивные элементы соединяются последовательно, в магазинах емкости конденсаторы для получения суммарной емкости, соединяются параллельно.