Введение к работе
Актуальность. Развитие энергетики и других отраслей промышленности в современных рыночных условиях, а также повышение точности и достоверности измерения электроэнергетических величин приводят к необходимости совершенствования метрологической базы в области измерения действующего значения переменного напряжения, тока и активной мощности. Также актуальной проблемой в настоящее время является разработка децентрализованной системы воспроизведения и передачи размеров единиц на основе более активного использования автономных средств поверки и независимой (автономной) поверки без применения сторонних эталонных средств измерений (СИ).
Во всех ведущих метрологических центрах мира, таких как NIST (США), NRS (Канада), JEMIC (Япония), NML (Австралия), ФГУП «ВНИИМ им. Д. И. Менделеева» (Россия), NPL (Великобритания), LNE (Франция) и др., воспроизведение и передача размера единицы переменного напряжения в диапазоне до 1000 В в настоящее время осуществляются с помощью термоэлектрических преобразователей. В России используются государственные специальные эталоны переменного напряжения ГЭТ 27 и ГЭТ 89, погрешности которых определены расчетно-экспериментальным методом и подтверждены на основе международных сличений.
Для снижения погрешности эталонных преобразователей напряжения необходимо уменьшить количество последовательных передач размера единицы напряжения, что позволит уменьшить погрешность в диапазоне высоких напряжений. Это можно реализовать, например, с помощью электростатических компараторов напряжения. Определение погрешности компариро-вания методом независимой поверки может быть произведено только у электромеханических компараторов одновременного сравнения, имеющих два измерительных преобразователя (ИП) одной системы, например, электростатических или электродинамических.
В настоящее время производится большое количество точных цифровых электронных приборов, которые могут обеспечить высокую точность измерений. Однако наряду с достоинствами подобных приборов - высокой точностью, многофункциональностью, они имеют существенный недостаток - обеспечение высокой точности таких средств измерений связано с централизованной системой воспроизведения постоянных и переменных напряжений и токов, т.е. эти приборы не обладают свойством независимой поверки.
Повышение точности измерения напряжения, тока и мощности в цепях переменного тока может быть обеспечено в результате использования электромеханических компараторов одновременного сравнения (электростатических и электродинамических), ИП которых имеют высокую стабильность характеристик.
Качественно новым объектом с позиций классической метрологии является поколение средств измерений со встроенными средствами калибровки и независимой (автономной) поверки, где реализуется возможность автономного поддержания единства измерений в процессе эксплуатации. Централизованная система воспроизведения электрических величин, в том числе на переменном токе, принятая в настоящее время, стала и технически, и экономически нецелесообразной. При децентрализованной системе воспроизведения электрических величин поверочные схемы будут иметь меньше ступеней от эталонных до рабочих средств измерений, что обусловлено способностью средств измерений к автономному поддержанию единства измерений в процессе эксплуатации за счет независимой (автономной) поверки. Это важно в современных рыночных условиях, особенно в рамках такой огромной страны, как Российская Федерация.
Теоретические основы проведенных исследований базируются на трудах российских ученых: В. О. Арутюнова, Э. М. Бромберга, М. С. Векслера, Е. Д. Колтика, К. Л. Куликовского, П. В. Новицкого, П. П. Орнатского, Т. Б. Рождественской и др. Среди зарубежных ученых следует отметить V. Bego, Т. Yamazaki, F. L. Hermach, Е. S. Williams, G. Schuster и др.
Таким образом, одной из важнейших задач, связанных с повышением точности измерения напряжения, тока и мощности на переменном токе, является создание новых конструкций автономно поверяемых эталонных компараторов одновременного сравнения в диапазоне напряжений до 1000 В в диапазоне частот до 100 кГц на основе электростатических преобразователей (ЭСП) и в диапазоне частот до 20 кГц на основе электродинамических преобразователей (ЭДП), погрешности которых могут быть определены расчетно-экспериментальным методом.
Объект исследования - автономно поверяемые электростатические компараторы напряжения и электродинамические компараторы напряжения, тока и мощности одновременного сравнения повышенной точности.
Предмет исследования - методы построения и повышения точности электростатических компараторов напряжения и электродинамических компараторов напряжения, тока и мощности, а также узлы и устройства, реализующие данные методы.
Целью диссертационной работы является исследование и разработка новых широкодиапазонных автономно поверяемых электростатических и электродинамических компараторов, обеспечивающих измерение действующего значения напряжения, тока и мощности с повышенной точностью.
Задачи, решаемые в работе:
1. Разработка математических моделей, математическое моделирование и исследование поведения подвижной части компаратора при воздействии механических помех на корпус и опорную поверхность.
-
Разработка и исследование метода построения и создание автономно поверяемого электростатического компаратора напряжения одновременного сравнения повышенной точности.
-
Разработка и исследование метода построения и создание автономно поверяемого электродинамического компаратора напряжения, тока и мощности одновременного сравнения повышенной точности.
-
Разработка методов и средств метрологического обеспечения и проведение метрологического анализа электростатических и электродинамических компараторов.
-
Практическая реализация и внедрение электростатических и электродинамических компараторов.
Методы исследований. Теоретическая и экспериментальная часть работы выполнена на основе методов теории электрических и магнитных цепей, теории погрешностей, математической статистики, системного анализа и синтеза, дифференциального и интегрального исчисления, математического и физического моделирования, а также путем экспериментального исследования разработанных компараторов. Расчеты и математическое моделирование проводились с применением пакета MATLAB и системы моделирования многотельной динамики ФРУНД. В работе также использован опыт разработки и изготовления средств измерений при выполнении научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ в Пензенском государственном университете и Волгоградском государственном техническом университете.
Научная новизна:
-
Предложены математические модели компараторов одновременного сравнения, позволяющие теоретически исследовать работу подвижной части компаратора и провести математическое моделирование поведения подвижной части при воздействии механических помех на корпус и опорную поверхность компаратора.
-
Предложен, разработан и исследован новый метод построения автономно поверяемого электростатического компаратора напряжения одновременного сравнения, заключающийся в построении подвижной части в виде обеспечивающей высокую чувствительность длинной балки по типу весов, двух фотоэлектрических преобразователей и жидкостного успокоителя, совмещающих функции преобразования угла поворота подвижной части в электрический сигнал и снижения влияния механических помех.
-
Предложен, разработан и исследован новый метод построения автономно поверяемого электродинамического компаратора напряжения, тока и мощности одновременного сравнения, заключающийся в построении подвижной части в виде обеспечивающей высокую чувствительность длинной балки по типу весов, двух фотоэлектрических преобразователей и жидкостного успокоителя, совмещающих функции преобразования угла поворота подвижной части в электрический сигнал и снижения влияния механиче-
ских помех за счет дифференциального включения фотоэлектрических преобразователей и применения жидкостного успокоителя.
-
На основе теоретического анализа и поэлементного экспериментального исследования разработан расчетно-экспериментальный метод анализа погрешностей электростатического компаратора напряжения и электродинамического компаратора напряжения, тока и мощности. Предложены способы устранения или снижения составляющих погрешности компарирова-ния, что дало возможность проведения независимой (автономной) поверки.
-
Для снижения частотной погрешности добавочных резисторов и шунтов разработан метод для экспериментального исследования погрешности с применением термоэлектрических и электродинамических преобразователей, предназначенных для расширения предела измерения напряжения, тока и мощности электродинамического компаратора одновременного сравнения.
Практическое значение. Результаты проведенных научных исследований послужили основой для разработки электростатических и электродинамических компараторов одновременного сравнения и обеспечили возможность снижения погрешности электростатических компараторов до 0,001-0,005 % в диапазоне измеряемых напряжений 100-1000 В и частот 20-10 Гц, а также уменьшение погрешности электродинамических компараторов при измерении напряжения, тока и мощности до 0,005-0,03 % в диапазоне напряжений 1-1000 В, токов 0,005-10 А и диапазоне частот 20-20-10 Гц. Полученные результаты позволяют эффективно решать как конкретные задачи совершенствования и создания эталонных компараторов одновременного сравнения, так и проблемы создания новых измерительных систем. Разработанные методы построения СИ положены в основу создания автономно поверяемых эталонных СИ постоянного и действующего значения переменного напряжения.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Математические модели электромеханических компараторов напряжения, позволяющие решать задачи анализа и расчета параметров движения подвижной части.
-
Методы построения и структуры электростатических и электродинамических компараторов напряжения, тока и мощности одновременного сравнения повышенной точности, позволяющие обеспечить независимую поверку.
-
Расчетно-экспериментальный метод анализа погрешностей электростатического компаратора напряжения одновременного сравнения для проведения независимой (автономной) поверки.
-
Расчетно-экспериментальный метод анализа погрешностей электродинамического компаратора напряжения, тока и мощности одновременного сравнения для проведения независимой (автономной) поверки.
5. Метод и устройство независимой поверки коаксиальных добавочных резисторов для расширения предела измерений электродинамического компаратора напряжения, тока и мощности одновременного сравнения.
Реализация и внедрение результатов работы. В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований были разработаны и внедрены:
1. Опытный образец электростатического компаратора напряжения од
новременного сравнения «ЭКН-1», разработанный и внедренный в ООО
НПФ «ИНТ» (г. Заречный Пензенской обл.), используется в качестве рабоче
го эталона переменного напряжения и децентрализованного воспроизведе
ния напряжения.
-
Комплект термоэлектрических преобразователей напряжения до 1000 В, разработанных с использованием электростатического компаратора «ЭКН-1», внедрен в метрологическую практику в ФГУП «ПО "Старт" им. М. В. Проценко» (г. Заречный Пензенской обл.). Разработанные термоэлектрические преобразователи были исследованы и аттестованы ФГУП «ВНИИМ им. Д. И. Менделеева» (г. Санкт-Петербург) по эталонным преобразователям в качестве ОСИ 1-го разряда.
-
Электростатический компаратор напряжений «ЭКН-1» внедрен в ООО «Электромеханика-Атом» (г. Пенза), где использовался для поверки калибраторов постоянного напряжения П320.
-
В ФГУ «Пензенский центр стандартизации, метрологии и сертификации» (г. Пенза) электростатический компаратор «ЭКН-1» использовался для предварительного сличения эталонных термоэлектрических преобразователей напряжения в диапазоне 100-500 В перед поверкой в органах Рос-стандарта РФ и после ремонта термоэлектрических преобразователей.
-
Разработанная методика поверки электродинамического компаратора напряжения, тока и мощности внедрена в филиале ФБУ «Центр лабораторного анализа и технических измерений» (ЮФО - ЦЛАТИ) по Волгоградской области (г. Волгоград).
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были представлены на следующих научно-технических конференциях: IV Международной научно-технической конференции «Точность технологических и транспортных систем «ТТ и ТС-98» (Пенза, 1998); Международной научно-технической конференции «Методы, средства и технологии получения и обработки измерительной информации (Измерения-2002, 2004, 2006)» (Пенза, 2002, 2004, 2006); IV Международной научно-технической конференции «Метрологическое обеспечение измерительных систем» (Пенза, 2007); Международном форуме по проблемам науки, техники и образования «III тысячелетие - новый мир» (Москва, 2007, 2008, 2009); 11-й Международной конференции «Актуальные проблемы современной науки» (Самара, 2010); VII Международной научной конференции «Актуальные во-
просы современной техники и технологии» (Липецк, 2012); Международной научно-практической конференции «Теория и практика актуальных исследований» (Краснодар, 2012).
Разработанный автором электростатический компаратор постоянного и переменного напряжений «ЭКН-1» был отмечен медалью «Лауреат ВВЦ» (Москва, Всероссийский выставочный центр, 1995).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 44 научные работы, в том числе одно авторское свидетельство и 9 патентов РФ на изобретение, один патент РФ на полезную модель. Основные научные результаты диссертации опубликованы в 15 статьях в журналах, рекомендуемых ВАК для опубликования научных результатов диссертаций на соискание ученой степени доктора наук.
Личный вклад. Диссертационная работа является обобщением исследований автора с 1988 по 2013 г. по проблемам создания точных электростатических и электродинамических компараторов постоянного и переменного напряжения, тока и мощности, обеспечивающих неисключенную систематическую погрешность 0,001-0,03 %.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка из 200 наименований и приложений. Общий объем работы - 350 страниц, включая ПО рисунков, 26 таблиц.
