CC BY
58
Ишков А.С.
МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ МАГНИТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОЙ СТАЛИ
Развитие рыночных отношений в России привело к ужесточению требований к качеству и надежности выпускаемой продукции. Вакуумные коммутирующие устройства (ВКУ), в частности вакуумные выключатели и переключатели, широко используются в радиотехнических объектах в качестве коммутирующих элементов. Быстродействие (время срабатывания и отпускания) вышеназванных устройств обеспечивается за счет специальных магнитных свойств магнитопровода изготовленного из электротехнической стали [1]. Качество ВКУ в значительной степени зависит от точности определения магнитных характеристик электротехнической стали. В связи с этим, необходимым условием поддержания их технических характеристик на уровне лучших мировых образцов является повышение уровня метрологического обеспечения производства. Определение магнитных характеристик стали основано на построении статической предельной петли магнитного гистерезиса с помощью разработанной измерительной установки (ИУ).
Принцип работы ИУ заключается в построении статической предельной петли гистерезиса методом измерения магнитного потока, сцепленного с измеряемым образцом, расчета напряженности поля Н и измерении магнитной индукции В в точках петли гистерезиса посредством коммутации намагничивающего поля и вычислении магнитных характеристик измеряемого образца [2]. Структурная схема измерительной установки представлена на рисунке 1.
ЦАП - цифроаналоговый преобразователь; ПНТ - преобразователь напряжения в ток; УТ - усилитель тока; ИУ - измерительный усилитель; И - интегратор; АЦП - аналого-цифровой преобразователь; МП - микропроцессор; ИнтУ - интерфейсное устройство.
Рисунок 1 - Структурная схема измерительной установки
ИУ выполнен по блочно-модульному принципу и содержит следующие основные элементы: индукционный преобразователь (ИП); электронный блок; ПЭВМ. Электронный блок ИУ содержит канал задания тока, канал измерения магнитного потока, управляющее и интерфейсное устройства.
Канал задания тока предназначен для формирования и изменения по специальному закону намагничивающего (размагничивающего) тока, который поступает в намагничивающую обмотку ИП. Расчет напряженности магнитного поля происходит на основе детерминированной зависимости между постоянной намагничивающей обмотки ИП [2] и измеряемым током.
Канал измерения магнитного потока обеспечивает прием, обработку и передачу в ПЭВМ величин измеренных сигналов магнитного потока. В канале производится измерение ЭДС, индуцированной в намагничивающей обмотке ИП.
Погрешность измерения значений функции В = £ (Н) определяется погрешностью задания напряженности магнитного поля и погрешностью измерения магнитной индукции и согласно требованиям [3] не превышает
3 %. В соответствии с [4] метрологические характеристики (МХ) ИУ устанавливаются отдельно для каждого канала.
Нормирование МХ каналов ИУ проведено с использованием метода равных влияний: пределы допускаемой основной относительной погрешности задания напряженности магнитного поля 5Н и измерения магнитной индукции 5В не превышают 5Н = 5В < ± 1,5 % .
Относительная погрешность задания напряженности поля определяется по формуле
8Н = рКншш )2 + (81 )2 , (1)
где 8Кнгаш - относительная погрешность определения постоянной намагничивающей обмотки ИП;
81 - относительная погрешность канала задания тока.
Формула расчета относительной погрешности измерения магнитной индукции имеет вид
8В = рК“пип)2 +(8Ф)2 , (2)
где 8Китт - относительная погрешность определения постоянной измерительной обмотки ИП; 8Ф - относительная погрешность канала измерения магнитного потока.
Значения погрешностей 8Кнтт , 8Китт определяются точностью изготовления ИП и погрешностями
прямых измерений его геометрических размеров. При тщательном изготовлении, а также измерении геометрических размеров ИП и диаметра провода с относительной погрешностью линейных измерений и допусков в изготовлении 0,01 - 0,02 %, погрешности расчетного значения постоянной ИП имеют порядок
0, 03 - 0, 04 %. Следует отметить, что значения погрешностей 8Кнгаш , 8Китт постоянны для каждого
конкретного ИП, поэтому их величина учитывается в виде поправки к результату измерения. С учетом этого замечания, а также анализируя формулы 1,2 можно сделать вывод, что значения погрешностей 5Н, 5В определяются соответственно погрешностью канала задания тока 81 и погрешностью канала измерения магнитного потока 8Ф .
В соответствии с ст. 13 закона «Об обеспечении единства измерения» разработанный ИУ находится в сфере государственного метрологического надзора и контроля, так как используется при испытаниях и контроле качества продукции в целях определения ее соответствия обязательным требованиям национальных стандартов РФ. ИУ обладает всеми основными признаками средств измерений (СИ) и являются их специфической разновидностью. Согласно действующему законодательству СИ, подлежащие государственному метрологическому контролю и надзору, должны подвергаться поверке. Поверка ИУ может осуществляться несколькими известными методами [5], реализация которых осуществляется путем проведения комплектной или поэлементной поверки.
Комплектная поверка рабочих СИ предполагает использование стандартных образцов, позволяющих получить оценку погрешности всего СИ как единого целого. Говоря о методах и средствах поверки разработанного ИУ, следует отметить, что комплектная поверка невозможна ввиду отсутствия поверочных установок, аттестованных комплектов стандартных образцов электротехнической стали с высокостабильными магнитными свойствами, образцовых мер магнитного потока и напряженности магнитного поля с требуемыми значениями метрологических характеристик. Данная ситуация вызвана тем, что несмотря на формальный охват поверочной схемой всей номенклатуры рабочих средств измерения по диапазону измерения и точности, в то же время имеющиеся в настоящее время в наличии образцовые СИ не могут обеспечить аттестацию стандартных образцов, например, из-за их специфических магнитных свойств, геометрических размеров, формы.
ИУ реализует индукционно-импульсный метод измерения, характерной особенностью которого является независимость каналов задания напряженности магнитного поля и измерения магнитного потока. Поэтому, в данном случае для выявления инструментальной погрешности ИУ допустима и оправдана комплектная поверка каждого из каналов, при которой контролируются метрологические характеристики каждого канала как единого целого.
Особенность канала задания тока заключается в работе его с индуктивной нагрузкой (реактивное сопротивление намагничивающей обмотки ИП). Поэтому поверка канала задания тока проводится косвенным методом с использованием образцового вольтметра Уо и меры электрического сопротивления Яо (рисунок 2). Комплексное сопротивление меры подбирается равным комплексному сопротивлению ИП.
Рисунок 2 - Схема включения при поверке канала задания тока
Значение заданного тока сравнивается с показаниями образцового вольтметра, измеряющего падение напряжение на мере электрического сопротивления. Основная относительная погрешность измерения тока определяется по формуле
81 = ^• 100% , (3)
10
где 1о, 1и - соответственно установленное и измеренное значение тока.
По результатам проведенных измерений установлено, что погрешность измерения тока не превышает 1,5 % во всех поверяемых точках.
Поверка канала измерения магнитного потока проводится путём имитации выходных сигналов ИП. В основе ИУ лежит индукционный метод регистрации сигнала, поэтому в канале измерения магнитного потока производится интегрирование наведенного в измерительной обмотке ИП импульса ЭДС за интервал времени, в начале и в конце которого значения ЭДС равняются нулю. Такой принцип действия заложен в основу работы цифровых веберметров. Как правило, для поверки веберметров используется ЯС - схемы, позволяющие сымитировать форму и длительность импульсов ЭДС в измерительной обмотке ИП при ступенчатом изменении магнитного потока. Поверка канала измерения магнитного потока проводится по схеме, представленной на рисунке 3.
ИКН - источник калиброванных напряжений; Кл - ключ; Ях - Яз - резисторы; Сх - С2 - конденсаторы Рисунок 3 - Схема включения при поверке канала измерения магнитного потока
Поверка данного канала ИУ проводится следующим образом. На ИКН последовательно устанавливается ряд значений напряжения их, и2 , ... ип. При замыкании Кл в цепи формируется импульс ЭДС, связанный с магнитным потоком Фо следующим соотношением:
Фо п = ип- Яз -С2. (4)
Основная относительная погрешность измерения магнитного потока определяется по формуле
Зф = Ф0 ~Фи • 100% , (5)
Ф0
где Фи - измеренное значение магнитного потока.
Проведенные измерения показали, что погрешность измерения магнитного потока не превышает 1,5 % во всех поверяемых точках.
ЛИТЕРАТУРА
1 Ишков А.С. Материалы для высокочастотных вакуумных переключателей / Буц В.П., Ишков А.С., Каминская Т.П., Недорезов В.П. // Горный. Информационно-аналитический бюллетень. - М.; Изд-во Московского государственного горного университета, 2005. - с. 73 - 8о.
2 Ишков А.С. Контроль магнитных параметров при изготовлении высокочастотных вакуумных устройств / Ишков А.С., Чураков П.П. // Контроль. Диагностика. - М.; 2006. - № 3. - с. 17-19.
3 ГОСТ 12 119.3 - 98 Сталь электротехническая. Методы определения магнитных и электрических
свойств.
4 ГОСТ 222 61 - 94 Средства измерения электрических и магнитных величин. Общие технические условия.
5 Артемьев Б.Г., Лукашов Ю.Е. Справочное пособие для специалистов метрологических служб. - М.: ИПК Издательство стандартов, 2004. - 648 с.
6 Федеральный Закон № 184-ФЗ "Об обеспечении единства измерений".
