Содержание к диссертации
Введение
Глава I Обзор и анализ работ в области точных метрологических измерений электрического сопротивления на постоянном токе 10
1.1. Методы и аппаратура для сравнения образцовых мер сопротивления 10
1.2. Методы и аппаратура для сравнения образцовых
мер сопротивления 10б - Ю12 Ом 14
1.3. Аппаратура для точных измерений электрического сопротивления в широком диапазоне 20
1.4. Анализ рассмотренных средств и методов сравнения /измерения/ электрического сопротивления и выбор направления работ 28
Выводы 30
Глава 2 Разработка и исследование новых широко диапазонных установок для сравнения /измерения/ электрического сопротивления с метрологической точностью 32
2.1. Мост-компаратор широкодиапазонный МКШ 33
2.2. Мостовая измерительная комплектная установка-компаратор У400 41
2.2.1. Блок мостовой измерительной схемы У400БМ 42
2.2.2. Блок нулевого индикатора У400НИ . 44
2.2.3. Блок компенсации У400ЕК 48
2.3. Анализ возможных погрешностей установки-
компаратора У400 51
2.4. Результаты исследования комплектной измерительной установки-компаратора У400 64
Выводы 71
3 Новые переходные меры электрического сопротивления для калибровки высокоомных образцовых мер сопротивления высших разрядов 73
3.1. Об особенностях влияния токов утечки на точность передачи верных значений электрического сопротивления мерам и приборам большого сопротивления 75
3.2. Высокоомные переходные меры электрического сопротивления Р4080, Р408І, Р4082, Р4083 86
3.3. Структурный анализ высокоомных переходных mмер электрического сопротивления 102
3.4. Высокоомные переходные меры электрического сопротивления Р4063, Р4064, Р4065, РЮ66, Р4067 114
3.5. Сверхвысокоомные переходные меры электрического сопротивления Р4068 и Р4069 122
Выводы 125
4 Современные методы измерения эталонных и образцовых мер электрического сопротивления. Предпосылки для создания более совершенных измерительных средств и методов 127
4.1. Измерение с метрологической точностью резистивных элементов с номинальными значениями, не кратными 10 127
4.2. Высокоомные рабочие эталоны и образцовыемеры электрического сопротивления 132
4.3. Методика калибровки сопротивления высокоомных рабочих эталонов 138
4.4. Научно-технические предпосылки для создания образцовых мер электрического сопротивления свыше Ю10 Ом 143
Выводы 154
Заключение 155
Список использованной литературы 159
Приложения... 173'
- Методы и аппаратура для сравнения образцовых мер сопротивления
- Мост-компаратор широкодиапазонный МКШ
- Об особенностях влияния токов утечки на точность передачи верных значений электрического сопротивления мерам и приборам большого сопротивления
- Измерение с метрологической точностью резистивных элементов с номинальными значениями, не кратными
Введение к работе
Принятый ХШ съездом КПСС на повышение качества продукции и эффективности производства существенно повысил роль и значимость метрологического обеспечения всех отраслей народного хозяйства. Работы по метрологическому обеспечению, проводимые в стране, являются составной частью планов экономического и социального развития ведуїцих отраслей народного хозяйства, служат основой успешного решения важнейших народнохозяйственных задач построения коммунистического общества.'
Одной из основных задач измерительной техники и метрологии в области электрического сопротивления является разработка методов и образцовых средств измерений, обеспечивающих единство измерений электрического сопротивления в широком диапазоне значений. Государственный первичный эталон единицы электрического сопротивления - ома /Ом/, комплекс основных, средств измерений, входящих в его состав, методы передачи размера единицы электрического сопротивления от первичного эталона рабочим средствам, Общесоюзная поверочная схема для средств измерений электрического сопротивления являются основой поддержания единства и точности измерений электрического сопротивления в стране и составляют фундамент, на котором строятся образцовые и рабочие меры, измерительные мосты и потенциометры, шунты, делители и другие приборы сопротивления.
В 50-60-х годах во ВНЙИМ им. Д.И.Менделеева был создан комплекс новой измерительной аппаратуры, который позволил повысить точность взаимных сравнений эталонов и образцовых мер сопротивления 10 - 10 Ом. Предельная погрешность калиб- —7 —7 ровки эталонов достигла 10 г- 7»Ю ' при сокращении продолжи- тельности работы с шести месяцев до двух недель С3.2Ц.
Благодаря внедрению этого комплекса в СССР был успешно осуществлён переход на новые более совершенные эталоны электрического сопротивления, в результате чего точность поддержания и хранения в СССР единицы сопротивления, а также её дольных и кратных значений, повысилась не менее, чем в десять раз СЗЛЗ.
Прогресс в области разработки и- промышленного производства однозначных и многозначных мер сопротивления на базе литого микропровода из прецизионных сплавов в 60-х годах и последующее широкое внедрение этих мер в метрологическую практику страны привели к необходимости создания рабочих эталонов и образцовых мер сопротивления высших разрядов с номинальными значениями Юб, Ю7, ТО8, ТО9, ТО10 Ом.
Для создания высокоомных рабочих эталонов [7.4] требовалось выполнить целый комплекс НИОКР, в ходе которых необходимо было исследовать пути повышения точности измерений электрического сопротивления, разработать и исследовать исходные средства измерений для широкого диапазона значений сопротивления /I04 -ТО12 Ом/, что и явилось целью настоящей работы.
Актуальность этих работ вытекала из того, что к началу 70-х годов в стране не существовало измерительной аппаратуры, обес-печивающей измерение сопротивления 10 Ом и выше с погрешно-стью лучше 5*10 ; не было высокоомных переходных мер для передачи значений сопротивления от Государственного первичного эталона рабочим эталонам и мерам высших разрядов до 10 0м с погрешностями 2*10 - 5-Ю и лучше; не существовало в стране и средств обеспечения условий калибровки эталонов из-за отсутствия термостатированных измерительных камер для высокоомных мер сопротивления; методика измерения высокоомных мер с метрологической точностью требовала уточнений и совершенствования; и как следствие, отсутствовали рабочие эталоны и образ- цовые меры электрического сопротивления 10 - 10хи Ом.
Работы по решению задач, предусмотренных НХП СССР и Комплексной межотраслевой Программой метрологического обеспечения в области электрических измерений, связанные с разработкой методов и образцовых средств измерений электрического сопро-
4 Т2 тивления на постоянном токе в диапазоне 10*- 10х Ом, проводились под руководством и при непосредственном участии автора диссертации в два этапа: -на первом этапе были решены теоретические вопросы, связанные с определением возможного диапазона измерений сопротивления в сторону его больших значений с метрологической точностью [I.TJ ; найдены расчётные соотношения для синтеза мостовой измерительной схемы прецизионной компарирующей установки ; разработана, изготовлена и исследована широкодиапазонная мостовая установка-компаратор МШИ, обеспечившая необходимую точность сравнения равнономинальных мер сопротивления в диапазоне 10 - Кг Ом [1.2]; проработаны теоретические вопросы передачи значений сопротивления 10 - 10 Ом образцовым и рабочим мерам [3.4]; разработаны, исследованы и внедрены в серийное производство высокоомные переходные меры сопротивления Р4080 /ІОхІО5 Ом/, P408I /ІОхІО6 Ом/, ВЮ82 /ІОхІО7 Ом/, Р4083 /ІОхІО8 Ом/ [3.53; отработана методика калибровки высокоомных рабочих эталонов путём передачи значений сопротивления методом параллельно-последовательного перехода СЕ.З, 3.I9J; созданы и внедрены в метрологическую практику рабочие эталоны сопротивления Юб, Ю7, Ю8 Ом С3.20]; -на втором этапе были найдены расчётные соотношения для синтеза электрометрического нуль-индикатора [3.6]; решены теоретические вопросы обеспечения независимости процесса передачи больших значений сопротивления от влияния токов утечки по изоляторам переходных мер [3.4]; разработаны принципиально новые схемы высокоомных переходных мер [6.1, 6.2] и высокоомной прецизионной меры отношений сопротивления .[1.4]; разработаны, изготовлены, исследованы и внедрены в метрологическую практику прецизионная мостовая измерительная установка-компаратор У400 для сравнения /измерения/ электри-ческого сопротивления в диапазоне 10 - 10 Ом с метрологической точностью [3.7]; высокоомные переходные меры сопротивления Р4063 /IOxIO5 Ом/, F4064 /IOxIO6 Ом/, Р4065 /IOxIO7 Ом/, F4066 /IOxIO8 Ом/, Р4067 /IOxIO9 Ом/ с расчётными погрешностями перехода 10 - 10 [I.I2]; прецизионная высоко-омная мера отношений электрического сопротивления, обеспечившая возможность измерения резистивных элементов с номинальными значениями /не кратными 10/ от 10 до Ю12 Ом с повышенной точностью [1.4].
Применение этого комплекса измерительной аппаратуры, созданной под руководством и при непосредственном участии автора диссертации, позволило успешно решить важную народно-хозяйственную задачу по созданию и внедрению в метрологическую практику страны рабочих эталонов и образцовых мер сопротивления высших разрядов на постоянном токе Кг- Ю1^ Ом [3.20], и подготовило метрологическую базу для создания рабочих эталонов электрического сопротивления ГО**- Ом и выше.
Научная новизна проведенных исследований состоит в рассмо- трении автором диссертации характерных особенностей влияния токов утечки на точность передачи значений сопротивления от рабочих эталонов образцовым мерам и измерительным приборам большого сопротивления; доказана расчётным путём и подтверждена экспериментально возможность создания высокоомных переходных мер с погрешностью передачи, не зависящей от влияния токов утечки по изоляторам мер; определены расчётные соотношения для синтеза многозначных высокоомных мер сопротивления; разработаны или усовершенствованы: методика калибровки высокоомных образцовых мер сопротивления, методика составления кратных и дольных значений сопротивления и проводимости при помощи сопротивлений равного номинала, методика расчёта составляющих погрешности от влияния токов утечки для различных структур высокоомных переходных мер, методика измерений с повышенной точностью резистивных элементов с номинальными значениями, не кратными 10.
В диссертации рассмотрены научные предпосылки создания новых более совершенных образцовых средств измерений и высокоомных мер электрического сопротивления.
Основные положения, выносимые на защиту: - усовершенствованные методы и принципиальные особенности исходных средств измерения и передачи значений сопротивления
4 12 10 - 10 Ом от Государственного первичного эталона рабочим эталонам и образцовым мерам;; - результаты анализа перспектив создания образцовых мер выше 10 Ом и измерительной аппаратуры, обеспечивающей пол ную автоматизацию метрологического процесса измерений элек трического сопротивления в диапазоне Ю4 - Ю1^ Ом.
Методы и аппаратура для сравнения образцовых мер сопротивления
Единство измерений электрического сопротивления в стране обеспечивается наличием Общесоюзной поверочной схемы для средств измерений электрического сопротивления. Во главе этой схемы стоит Государственный первичный эталон, предназначенный для воспроизведения и хранения единицы электрического сопротивления и передачи размера единицы при помощи вторичных эталонов и образцовых средств измерений рабочим средствам измерений, применяющимся в народном хозяйстве страны.
Государственный первичный эталон состоит из 10 манганиновых катушек сопротивления с номинальным значением I Ом и мостовой измерительной установки-компаратора УМКС-17.5].
Установка УМКС-І разработана во ВНИИМ им. Д.И.Менделеева в 1957-58 гг. [2.1]. Компаратор может быть включен как по схеме одинарного, так и по схеме двойного моста, благодаря чему диапазон измеряемых с его помощью сопротивлений лежит в пре-делах 10 - 10 Ом. Предельные погрешности сравнения сопротив ления мер с равными номинальными значениями оцениваются величинами: 3 10 - 10 при сравнении сопротивлений 10 Ом ; 5 КГ7- ТО"6 при сравнении мер Ю"3 и ТО"2 Ом ; ТО"7- 5» ТО"7 при сравнении мер 10"1- ТО4 Ом ; 5« ТО"7- ТО"6 при сравнении мер 10 Ом. Применение методов замещения и перестановки при измерении на установке УМКС-І позволяет практически исключить систематические погрешности от неточной подгонки резисторов, утечек тока через изоляцию и т.п. Благодаря уравновешиванию двойного моста по частям исключаются погрешности, обусловленные сопротивлением присоединительных проводов и контактов. При уравновешивании моста способом "ложного нуля" с переключением направления тока достигается исключение влияния постоянных термо-э.д.с. Использование в качестве регулирующих элементов шунтированных декад снижает случайные погрешности от вариации контактных сопротивлений и переменных термо-э.д.с.
Мост-компаратор широкодиапазонный МКШ
При разработке под руководством и при непосредственном участии автора диссертации принципиальной электрической схемы и конструкции моста-компаратора за основу были приняты следующие требования:
- мост должен обеспечивать наивысшую при современном состоянии измерительной техники точность сравнения равнономи-нальных мер электрического сопротивления в диапазоне 10 -10 Ом при условии применения в процессе сличения мер сопротивления методов замещения и перестановки;
- высокая точность сравнения высокоомных мер электрического сопротивления должна быть обеспечена без применения в мосте защитной ветви, усложняющей процесс уравновешивания;
- схема и конструкция моста должны обеспечивать возможность автономной поверки всего моста в целом /плеч отношений/ и его самокалибровку с целью обеспечения высокой точности измерения сопротивления резистивных элементов без применения специальных метрологических методов.
Конструктивно мост МШП выполнен из трех автономных блоков: высокоомного измерительного, низкоомного измерительного и индикаторного, совмещенного с блоком питания. Дополнительно в комплект моста входят автокомпенсационный микровольтнаноам-перметр Е325 с фотогальванометрическим усилителем Ф305, аккумуляторные батареи для питания низкоомной части моста, прецизионный воздушный двухкамерный и масляный термостаты для размещения в них высокоомных /10 Ом и выше/ и низкоомных /до 10 Ом/ объектов измерения и калибровки.
Внешний вид моста МКШ показан на рис.7, принципиальная электрическая схема - в приложении I и 2. Высокоомный блок /на рис.7 - справа/ содержит в себе часть плеча R1 , содержащую резисторы больших номинальных значений, и полностью -плечо R2 , выполненное в виде калибруемого с высокой дискретностью шестидекадного магазина проводимости, составленного по сокращенной схеме. Здесь же встроены резисторы Rgj я RB2 предназначенные для проведения автономной поверки /калибровки/ плеч отношений моста. Все резистивные элементы высокоомного блока выполнены из высокостабильных прецизионных герметизированных микропроволочных резисторов с номинальными значениями от 4 10 до 10 Ом.
Об особенностях влияния токов утечки на точность передачи верных значений электрического сопротивления мерам и приборам большого сопротивления
Современные высокоомные /свыше 10 Ом/ меры сопротивления, как правило [7.2D, выполняются в виде трехзажимных измерительных устройств, в которых значения сопротивления воспроизводятся между двумя основными зажимами, тогда как третий зажим выполняет некоторую вспомогательную функцию, сущность которой раскрыта в [I.I3].
При анализе особенностей влияния токов утечки по изоляции на точность передачи значений сопротивления от образцовых мер рабочим мерам и приборам сопротивления используем исторически сложившуюся классификацию высокоомных мер: измерительный резистор, однозначная мера и многозначная мера большого сопротивления.
При использовании измерительных резисторов /рис.19/ для хранения и передачи значений сопротивления погрешность от влияния токов утечки через сопротивление изоляции каркаса и герметизирующего корпуса резистора вызывается изменением величины сопротивления изоляции со значения Г при калибровке /подгонке/ резистора до какого-то значения Т при использовании этого резистора для воспроизведения хранимого им значения сопротивления в какой-то измерительной цепи.
class4 Современные методы измерения эталонных и образцовых мер электрического сопротивления. Предпосылки для создания более совершенных измерительных средств и методов class4 7
Измерение с метрологической точностью резистивных элементов с номинальными значениями, не кратными
Возможность измерения на установке У400 с метрологической точностью резистивных элементов с номинальными значениями, не кратными 10, появилась в результате создания под руководством и при непосредственном участии автора диссертации вы-сокоомной прецизионной меры отношений сопротивления, упрощенная принципиальная схема которой приведена на рис.48,,. внешний вид - на рис.49 и внутреннее устройство - на рис.50.
Прецизионная мера отношений /ПМО/ была разработана для точного воспроизведения отношений величин сопротивления на постоянном токе с учетом того, что измерение /сравнение/ сопротивлений с неравными номинальными значениями осуществляется методом замещения отношения сравниваемых сопротивлений, одно из которых представляет собой образцовую меру с номинальным значением,.кратным 10, а другое - сопротивление любого номинального значения, отличающегося от значения образцового не более, чем на порядок, с отношением, воспроизводимым ПМО. Принципиальной особенностью новой высокоомной ПМО, содержащей опорный резистивный элемент, калибруемые резис-тивные элементы, коммутирующие устройства и зажимы для включения меры во внешнюю измерительную цепь, является выполнение её резистивной части, соответствующей младшим разрядам отношения, В виде трехдекадного магазина проводимости по. схеме с сокращенным числом калибруемых резистивных элементов. С целью дополнительного уменьшения влияния токов утечки в процессе калибровки, электрические цепи меры, обеспечивающие получение различных значений отношения, разделены коммутирующими устройствами, позволяющими исключать отдельные узлы меры из измерительной схемы в процессе калибровки и воспроизведения заданного отношения.
