Научная статья на тему 'Метрологическое обеспечение измерительной установки для исследования магнитных характеристик электротехнической стали'

Метрологическое обеспечение измерительной установки для исследования магнитных характеристик электротехнической стали Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

CC BY
187
61
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Метрологическое обеспечение измерительной установки для исследования магнитных характеристик электротехнической стали»

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".

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.