Способ исключения температурных поправок из результатов измерений образцовых мер электрического сопротивления Советский патент 1993 года по МПК G01R17/02 

Изобретение относится к электрическим измерениям и находит широкое прими пение при аттестации разрядных и эталонных мер электрического сопротивлении, а также о других областях измерительной техники, связанной с их применением.

Целью изобретения является повыше- ниэ точности и достоверности результатов измерений, а также производительности труда при аттестации образцовых мер электрического сопротивления.

Цель по способу исключения температурных поправок из результатов измерений оразцовых мер электрического сопротивления, по которому термостатирукп аттестуемые меры, уравновешивают измерительную схему и определяют действительные значения сопротивлений мер, достигается следующим образом.

Вначале термостатируют все темпера- турозависимые резисторные элементы измерительной схемы, затем определяют экспериментально минимальные значения измерительных токов по признакам, обеспечивающим чувствительность и неизменяемость единицы отсчета младшей декады плеча сравнения измерительного средства, после чего ступенчато повышают их значения до максимально допустимых, при превышении которых нарушается посо

со

VI N3 OJ

со

вторяемость снимаемых отсчетов, соответствующих уравновешиваниям измерительной схемы, причем маслонаполненные меры устанавливают в масляном термостате вынутыми из своих корпусов, а значения максимально допустимых токов определяют для каждого номинального значения меры данного типа один раз на все время эксплуатации измерительного средства. После этого полученные значения максимально допустимых токов сводят в таблицу, по которой в дальнейшем они и устанавливаются при аттестации образцовых мер электрического сопротивления.

Изменение общепринятого подхода к решению задачи исключения из результатов измерений температурных поправок позволило устранить источники температурных погрешностей, свойственные как прототипу, так и всем резисторным элементам измерительной схемы, так как полное изменение сопротивления резисторного элемента меры в зависимости от степени его нагрева является безинерционным процессом, а неполная передача его нагрева окружающей среде - инерционным, который длится часами.

Известны такие операции, как формирование требуемых номинальных значений сопротивлений с помощью переходных мер, перекос температурных резисторных эле- ментоэ измерительной .схемы в масляный термостат и т.д. Но в данной взаимосвязи, взаимообусловленности и в определенной последовательности действий эти операции применяются впервые. Вышесказанное подкрепляется определением наличия температурной поправки не по изменениютем- пературы среды, контактирующей с резисторным элементом меры, а по температурному изменению сопротивления самого резистора; не расчетным определением действительного значения температурной поправки аттестуемой меры, а исключением ее из результатов измерений; приведением температурозависимых резисторных элементов измерительной схемы к температуре термостатирования отдельного вы- сркоточногоо масляного термостата; исключением из результатов измерений не только температурной поправки аттестуемой меры, но и суммарной температурной поправки всей измерительной схемы; простотой реализации способа, позволяющей в тех же измерительных схемах, в которых определяются действительные значения аттестуемых мер, получить результаты измерения, не содержащие температурных поправок, что приводит к повышению производительности труда, так как в этом слу0

0

чае отпадает необходимость их вычисления по температурным формулам и последующее введение в результаты измерений; повышением точности измерений за счет высокой точности исключения температурных поправок из результатов измерений с погрешностями, не менее чем в три раза меньшими величин и 1 , т.е. лежащими за пределами единицы отсчета младшей декады плеча сравнения измерительного средства, за счет повышения чувствительности при измерении низкоомиых маслонаполненных мер в результате непосредственного и интенсивного, охлаждения их резисторных элементов маслом термостата, что позволяет в несколько раз увеличить величину измерительного тока, за счет исключения из результатов измерения суммарной температурной поправки измерительной схемы.

Следует отметить, что предлагаемый способ исключения температурных поправок из результатов измерений аттестуемых разрядных и эталонных мер сопротивлений основан на определении начала температурного изменения любого плеча моста- компаратора при возрастающем значении измерительного тока, который вызывает нагрев резисторных элементов плечей моста. Известно, что источником температурных изменений резисторных элементов мер сопротивлений являются изменения температуры внешней среды, в которой эксплуатируются меры, а также их нагрев

5 измерительным током. Для того, чтобы свести температурные изменения резисторных элементов мер, вызванные нагревом измерительного тока, к величине, которой можно пренебречь, предварительно следует исключить из результатов измерений влияние температуры внешней среды, в которой находятся температурозависимые резисторы измерительной схемы, С этой целью используется масляный термостат с точностью

5 поддержания температуры 20 ± 0,002°С, в рабочую зону которого перед началом измерений загружаются аттестуемые и температурозависимые плечи моста-компаратора, которые и выдерживаются в ней в течение 2 ч. За это время температура их резисторных элементов становится равной 20±0,002°С, где изменение температуры масляной среды для усредненного значения ТКС аттестуемых мер и плеч моста-компара5 тора а вызывает изменение сопротивления, равное

100 10-10е- 2-10 3-102-2 КГ6%. которым можно пренебречь.

0

5

0

5

0

Таким образом обеспечивается устра- ение влияния внешней среды на темпера- рные изменения плеч моста-компаратора, то позволяет в тех же самых измеритель- ых схемах, в которых определяются дейст- ительные значения аттестуемых мер. пределить экспериментальным путем мак- имально допустимые значения измери- ельных токов, являющиеся теперь динственным источником температурных зменений резисторных элементов плеч из- ерительной схемы.

Из сказанного следует, что пысокоточ- ый масляный термостат в предлагаемом пособе исключения температурных попра- ок играет роль вспомогательного средст- а измерения, с помощью которого с еобходимой степенью точности исключатся температурные поправки резистор- ых элементов плеч моста, возникающие от зменений температуры внешней среды. :ам предлагаемый способ позволяет с тре- уемой степенью точности исключить из ре- ультатов измерений температурные оправки, возникающие в тех же самых ре- исторных элементах плеч моста, за счет агрева их измерительным током. При этом сключаютсл погрешности, связанные с оп- еделением температурной поправки атте- туемой меры из-за неточного определения емпературы ее резисторного элемента, войственные прототипу, так как предлага- мый способ опирается не на причину, вы- вавшую изменение сопротивления езистора (повышение его температуры, ее оследующее измерение и расчетное опре- еление температурной поплавки), а на педствие, вытекающее из этой причины зменение сопротивления самого резистоа в результате изменения его температуы). Это температурное изменение эпротивления для большинства номинальых значений мер может быть отнесено за ределы погрешностей, лежащих в разряде 0 или 10 %. Например, для номиналь.IX значений мер, находящихся в интерва1 для мер

10 3-105 Ом менее

рзбочего эталона, менее 1-10 % для разрядных мер и 1 для мер с номиналь- значением 104 Ом.

Преимуществом предлагаемого спосо- б$) по сравнению с прототипом является то,

о у прототипа исключалась температур- нЬя поправка аттестуемой меры, а здесь - всей измерительной.схемы, т.е. любого пле- чг одинарного или двойного моста, что к повышению точности измерений. Например, в схеме двойного моста в момент

его равновесия справедливы равенства отношений его плеч:

Rx R Ra RT Ri R3

При увеличении измерительногоо тока может произойти температурное изменение любого плеча моста, что ведет к изм енению отсчета по плечу сравнения ранее уравновешенной измерительной схемы. Температурные изменения в резисторных схемах характерны тем. что они не устанавливаются сразу, а происходят за длительный промежуток времени, исчисляемый часами. Применяемый при аттестации мер сопротивлений метод замещения основан на том, что относительные поправки плеч моста неизменяемы во времени и при этом

условии могут быть исключены из результатов измерений. Если же хотя бы одному из этих плеч свойственны температурные изменения, то это условие нарушается и приводит к появлению дополнительной

температурной погрешности, что полностью исключается в предлагаемом способе, так как неизменяемость отсчета по плечу сравнения моста-компаратора, в том числе и при максимально допустимом измерительном токе, свидетельствует об отсутствии температурных изменений любого его плеча.

На фиг.1 изображена упрощенная схема двойного моста-компаратора, например,

типа УМКС-1, применяемая для диапазона аттестуемых мер, номинальные значения сопротивлений которых находятся в интервале Ом, где 1 - первое основное плечо, состоящее из резисторных элементов R с декадами и последовательно соединенного с ним малоомного магазина р сопротивлений, являющимися совместно с первым дополнительным плечом 2, состоящим из резисторных элементов R2 с декадами и последовательно соединенного с ним малоомного магазина pi сопротивлений, плечом сравнения, 3 - второе основное плечо, смежное с первым, состоящее :ИЗ резистора Ri и последовательно с ним

соединенного малоомного магазина р сопротивления, А - второе дополнительное плечо, смежное с первым, состоящее из резистора Ra и последовательно соединенного с ним малоомного магазина рз

сопротивления, 5 - измеряемая четырехза- жимная мера Rx, соединенная своими потенциальными выводами с первыми основным и дополнительным плечами, б - тарная четырехзажимная мера RT, соединенная своими потенциальными выводами с вторыми основным и дополнительным плечами, 7 - перемычка, соединяющая второй токовый зажим меры Rx с первым токовым зажимом тарной меры RT, 8 - нулевой индикатор, подключенный к узлам, соединяющим друг с другом основные и дополнительные плечи, 9 - батарея питания, соединенная последовательно с контрольным амперметром 10 и реостатом 11, причем один из полюсов батареи питания подключен к второму тоководу зажиму 12 тарной меры RT, а один из выводов реостата -к первому зажиму 13 измеряемой меры RX, 14 - штепсельный коммутатор L, служащий для разрыва цепи перемычки, и 15 - штепсельный коммутатор К, служащий для перемыкания главной части основных плеч R и RI, предназначенные для раздельного уравновешивания двойного моста, позволяющего при точных измерениях исключить, погрешности, возникающие за счет сопротивления перемычки и влияния сопротивле- ний соединительных проводов и их переходных контактов в потенциальных цепях измеряемой Rx и тарной RT мер сопротивлений.

На фиг.2 показаны коммутация и включение в измерительную схему двойного моста-компаратора переходной меры 16 сопротивления с одиннадцатью ступенями по 103 Ом каждая и плеча RI 103 Ом, а также отдельно выделенная главная часть (резистор) 17 основного плеча R 900 Ом с коммутатором 18 (Ki). Эта измерительная схема используется для аттестации мер в диапазоне 1-102 Ом, где 19 (а), 20 (Ь), 21 (с) и 22 (о1)- токовые аи 1и потенциальные и и с, зажимы, предназначенные для подключения к мосту второго основного плеча, используемые в данном случае для подключения переходной меры, причем к первому токовому зажиму а, подключается узел, соединяющий конец девяти последовательно соединенных резисторов с началом шунтирующего это соединение десятого резистора, индикатор равновесия моста через зажим & коммутируется к узлу, соединяющему начало группы из девяти последовательно включенных резисторов, конец десятого шунтирующего резистора и начало одиннадцатого резистора, используемого в качестве плеча Ri; еторце потенциальный с, и токовый. зажимы этого плеча коммутируются к узлу переходной меры, соединяющему потенциальный и токовый зажимы конца одиннадцатого резистора.

На фиг.З показаны упрощенная схема одинарного моста-компаратора, используемая для аттестации мер в диапазоне 10-10

Ом, и коммутация той же переходной меры вместе с четырехзажимной мерой 23 сопротивления, формирующей плечо Ri 104 Ом, соединенной вторым токовым зажимом последовательно с переходной мерой и подключенной к плечу одинарного моста RI аналогично ее одиннадцатому резистору в схеме, изображенной на фиг.2.

В схемах, приведенных на фиг.1, 2 и 3,

0 сохранены буквенные обозначения их эле-, ментов, которыми они обозначены в принципиальных схемах описания установки типаУМКС-1.

Способ характеризуется следующими

5 операциями.

В измерительной схеме, например, двойного моста-компаратора типа УМКС-1, изображенной на фиг.1 и 2, предназначенной для определения действительных зна0 чений-аттестуемых образцовых мер сопротивлений, определяют экспериментальным путем для каждого номинального значения меры минимальное значение измерительного тока, при котором нагрев ре5 зисторных элементов плеч моста настолько незначителен, что их температурные изменения лежат за пределами допускаемых погрешностей измерений, а чувствительность измерительной схемы такова, что еще по0 зволяет ощутить изменения сопротивлений младших декад плеч сравнения. Это требование (за исключением части низкоомного диапазона, представленного маслонапол- ненными мерами с номинальными значени5 ями , и 104 Ом) удовлетворяется в случае, когда измерительные токи не менее чем в 10 раз меньше своих номинальных значений. Для мер с номинальными значениями 10 , 10 и 10 Ом величины измери0 тельных токов устанавливаются равными своим номинальным значениям, так как в этом случае резисторные элементы масло- наполненных мер вынимаются из своих корпусов и вставляются в гнезда приспо5 собления, установленного в рабочей зоне высокоточного термостата, где они непос- родственно охлаждаются интенсивно циркулирующим маслом.

Затем производят раздельное четырех0 кратное уравновешивание измерительной схемы двойного моста-компаратора, для чего замыкают штепсельный коммутатор 14 (L), размыкают штепсельный коммутатор 15 (К) и уравновешивают мост равнозначными

5 изменениями сопротивлений декад плеч 1(R) и 2(R2) сравнения. Второе уравновешивание производят при замкнутых коммутаторах 14(1) и 15 (К). Мост уравновешивают с помощью декад малоомного магазинар при выбранном сопротивлении малоомного магазина р. Третье уравновешивание произ- i одят при разомкнутых коммутаторах 15 (К) i 14 (L), уравновешивая образовавшийся (динарный мост изменением сопротивления декад малоомного магазина pi при выбранном сопротивлении малоомного магазина рз . Последнее четвертое уравно- i вшивание моста аналогично первому. С целью исключения влияния термоЭДС каждое измерение производится при прямом и обратном направлении измерительного то- i а. Проделав эти операции, повышают чув- ( твительность электронного нулевого индикатора 8 равновесия (например, типа Р 41, изготовитель КЗИП) при одновременном уменьшении измерительного тока до акого значения, при котором отклонение

трелки индикатора равновесия, приходя- цееся на одну ступень младшей декады плеч 1(R) и 2(Ra) сравнения, может быть за- оиксировано оператором. Это полученное ; кспериментальным путем минимальное ; начение измерительного тока и принима ;тся за исходное.

Далее определяют максимально допу- (тимое значение измерительного тока, уравновешивая измерительную схему мос- а при каждом ступенчатом увеличении из- ерительного тока от его минимального начения до максимально допустимого, ритерием определения этого тока является Нарушение повторяемости снимаемых отчетов с плеч 1(R) и 2(Ra) сравнения моста, в пределах, меньших единицы отсчета по их младшим декадам, вызванное температур- i 1ым изменением любого из плеч моста-компаратора. За максимально допустимое начение измерительного тока принимает- я такое, которое предшествовало началу Изменения отсчета. При этом достигается получение максимально возможной чувст- иительности, что приводит к повышению очности измерений, при исключении из ре- |ультатов измерений температурных по- Лравок всей измерительной схемы с погрешностью, неисключенная часть кото- ой лежит за пределами единицы младшего нака отсчета по плечу сравнения компара- ора. и, следовательно, сам отсчет свободен т влияния температурных погрешностей езисторных элементов плеч измеритель- ой схемы.

Определения максимально допустимых змерительных токов для каждой измери- ельной установки производят один раз на се время ее эксплуатации. Это объясняется тем, что каждая измерительная схема состоит из резисторов, имеющих различные зна- ения ТКС. которые только в заданном

сочетании элементов измерительной схемы позволяют правильно определить значения максимально допустимых токов индивидуально для каждого номинального значения

аттестуемой меры данного типа. Для этого следует только использовать в качестве плеч моста те же меры сопротивлений, при которых определялись максимально допустимые значения измерительных токов.

0 Экспериментально определенные значения максимально допустимых измерительных токов-сводят в рабочую табл1. в которой RH - номинальные значения сопротивлений аттестуемых мер и плеч моста; н 5 номинальные значения измерительных токов аттестуемых мер; иэ. - максимально допустимые значения измерительных токов аттестуемых мер; б - ток батареи одинарного моста, соответствующий максимально

0 допустимому значению измерительного тока; RT, Rx, RI, R3. R, R2 - номинальные значения плеч одинарного и двойного моста-компаратора, соответствующие каждому номинальному значению аттестуемой

5 меры, подключаемой в плечи 5(Rx) или 6(RT). В таблице указаны номера тех мер сопротивлений, которые формируют плечи моста как.при определении максимально допустимых значений измерительных то0 ков, так и при аттестации поверяемых мер. При аттестации маслонаполненных мер в рабочую зону высокоточного термостата устанавливают приспособление, изготовленное из листового текстолита, в котором

5 высверливаются семь гнезд. В эти гнезда вставляются крышки аттестуемых и опорных мер, вынутые из своих корпусов, вместе с укрепленными на них резисторными элементами. Текстолитовая панель с гнездами

0 устанавливается на поддоне термостата с помощью трех стоек, высота которых равна высоте корпусов измеряемых мер. Для фиксации приспособления в поддоне термостата высверливаются три отверстия, в которые

5 вставляются нижние концы стоек.

С точки зрения приведения температу- розависимых плеч измерительной схемы к температуре термостатирования высокоточного термостата, чем достигается исклю0 чение влияния температуры окружающей среды на резисторные элементы мер в их статическом режиме, весь диапазон аттестуемых мер от 105 до Ом следует разделить на три части.

5 . Первая часть этого диапазона от 10 до 103 Ом аттестуется на одинарном мосте (фиг.З). в котором используются токовые и потенциальные зажимы для подключения наружных плеч двойного моста 5(RX) и 6(Rr), а также четыре зажима второго основного

плеча 3(R1). а именно 19(а), 20(Ь), 21(с) и 22(d). Это дает возможность включения в плечо 3(Ri) между зажимами Ь и с меры 23 сопротивления с RH - 104 Ом. а в плечо 1(R) сравнения главную часть его сопротивле- имя. сформированную на переходной мере 16 путем шунтирования девяти последовательно включенных резисторов с RH 10 Ом. десятым резистором. Общее сопротивление этой группы резисторов

„ 9000-1000 ппППм Ro6 9000+1000

подается на зажимы а и b моста и включает- ея последовательно с переменной частью плеча 1(R) сравнения, имеющей номинальное значение 100 Ом. составные резистор- ные элементы которого шунтируются четырьмя декадами Вайднерэ-Вольфа, по- зволяющими получить изменения заданного номинального значения стоомного плеча на десять ступеней , , и . При номинальном значении плеча 1(R) сравнения, равном 900 + 100 Ю3 Ом, цена деления его четырех декад уменьшается на порядок. В этом случае встроенный в плечо 1(R) резистор 17. имеющий RH 900 Ом, закорачивается штепсельным коммутатором 18. а в высокоточный масляный термо- стат переносятся переходная мера 16 и три плеча 5(RX). 6(RT) и 23(Ri) моста, которые выдерживаются в нем в течение 2 ч. За это время резисторные элементы мер принимают температуру масла термостата, измене- ние которой на 0.002°С от 20°С при усредненном значении ТКС а вызывает изменение их сопротивлений на величину ДС а Дг100 10-10 6и2-10 3х хЮ , которой можно пренебречь. так как наивысшая точность определения действительных значений мер рабочего эталона в этом диапазоне равна 2 .

Перенос главной части плеча сравнения в высокоточный масляный термостат умень- шает температурные изменения переменной его части в 900/100 9 раз. Сам мост-компаратор помещен в масляную ванну, температура термостатирования в которой поддерживается практически с погрешностью ±0.1°С, что явно недостаточно для точных измерений, поэтому лучшим вариантом является установка его в термостатированном помещении, в котором температура воздушной среды на уров- не его ванны поддерживается с погрешностью не хуже ± 0,5°С. В этом случае температура масла этого пассивного термостата на уровне расположения рези- сторных элементов мер за 3 ч, необходимых

для завершения цикла измерений, изменяется не более чем на 0.02°С. При усредненном значении ТКС плеч моста а 10-10 6, это вызывает изменение их сопротивлений на величину, равную Д С a AflOO -10-10 6 -2 -10 2-102 2-10 5%. Следовательно, плечо 1(R) сравнения подвержено температурным изменениям,равным

2 10

5

(2)-10 6%,

которыми также можно пренебречь.

Следует отметить, что уравновешивание одинарного моста (в отличие от двойного) производится один раз, так как, начиная с номинального значения аттестуемых мер Ю3 Ом и выше, влиянием сопротивления коммутационных проводов и их переходных контактов можно пренебречь.

Вторая часть диапазона от Ю2 до 1 Ом аттестуется на двойном мосте (фиг.2). в котором в высокоточный масляный тэрмостат переносятся наружные плечи 5(Rx) и 6(RO моста и переходная мера 16, с помощью которой аналогично, как и в одинарном мосте, формируется главная часть первого основного плеча 1(R) с номинальным значением 900 Ом, но в качестве второго основного плеча 3(Ri) используется не отдельная мера сопротивления, а одиннадцатый резистор переходной меры с номинальным значением 10 Ом,

Известно, что требования к точности подгонки под номинальные значения (а следовательно, и к возможным температурным изменениям) дополнительных плеч 2(Rz) и 4(Ra) двойного моста для указанного диапазона аттестуемых мер на порядок ниже, чем для основных плеч 1(R) и 3(Ri) моста. Поэтому дополнительные плечи 2(R2) и 4(R3) моста могут не переноситься в высокоточный масляный термостат, а оставаться в пассивном масляном термостате самого моста-компаратора, который находится в термостатированном помещении. В этом случае температурные изменения резисторных элементов плеч моста, расположенных в пассивном термостате моста-компаратора. не превышают . Влияние температурных изменений дополнительных плеч двойного моста на отсчет по плечу сравнения на порядок меньше такого же изменения в его основных плечах. Следовательно, температурные изменения дополнительных плеч 2(R2) и 4(Ra) равны

2 10

-5

10

2 10 6%.

т.е. они такие же, как и у четырех плеч двойного или одинарного моста, помещенных в высокоточный масляный термостат.

Наибольшие допускаемые значения погрешностей измерений в этом диапазоне Л ля мер рабочего эталона равны для мер с номинальным значением 1 Ом . 100мМО 5%от1-102до1-105Ом2-10 5%.

Наибольшее значение относительного температурного изменения шести плеч двойного моста компаратора в статическом режиме аттестуемых мер (А С ) меньше допускаемых погрешностей измерений для 1 Ом в

5 10

2

- 2,5 раза,

10

-5

5 раз

и для диапазона от 1-102 до 1-105 Ом в

2 10

2 10

- 6

- 10 раз.

J

В действительности резисторные эле- енты плеч моста, расположенные в высо- оточном масляном термостате и являющиеся герметизированными мерами сопротивления, которые обладают большой тепловой инерционностью к восприятию изенения температуры окружающей среды, г успевают изменять свою температуру в

м н

тйкт с периодическим изменением температуры масла термостата, которое происходит 3ii очень короткое вермя, равное 10-15 с. Пээтому метрологический запас по точности, позволяющий исключить действие влияющего фактора при условии, что его величина не менее чем в три раза меньше допускаемой погрешности измерений, значительно возрастет, что дает еще больше оснований пренебречь температурными изменениями аттестуемых мер в их статиче- сюм режиме.

Третья часть диапазона от до Ои также аттестуется на двойном мосте (фиг.1). Этому диапазону свойственна низкая чувствительность, .уменьшающаяся по мере уменьшения номинального значения аттестуемых мер, что приводит к уменьше- знаков отсчета младших декад плеча сравнения при уравновешивании двойного моста и, следовательно, к потере точности измерений. Традиционные методы повышена чувствительности при измерениях в HY3KOOMHOM диапазоне заключаются в следующем.

Увеличивают чувствительность электронного индикатора равновесия, но это увеличение ограничивается его пределом измерения, на котором напряжение разбаланса мостовой схемы становится соизмеримым с уровнем шумов его электронной схемы, что приводит к хаотическому смещению стрелки его указателя равновесия. Понижают омность основных и дбполнительных плеч моста. Известно, что условием максимальной чувствительности двойного моста является равенство номинальных значений его шести плеч. Но в данном случае выполнить это условие

невозможно уже только потому, что плечи 1(R) и 2(R2) сравнения не могут быть менее 100 Ом. В противном случае наблюдалось бы значительное непостоянство их сопротивлений, возникающее за счет возросшего

влияния вариации начального сопротивления их коммутирующих устройств. Поэтому с целью повышения чувствительности при измерении мер сопротивлений в низкоом- ном диапазоне включают стоомные плечи

сравнения. С целю уменьшения омности плеч 3(Ri) и 4(Ra) отношение плеч моста берут равным 10/1. В этом случае их номинальные значения равны 10 Ом. Например,

R Ra R.1 RS

10

-2

100 100

10

-з

10

ю

Увеличивают величину измерительного тока.

Чувствительность двойного моста при постоянных значениях его основных и дополнительных плеч прямопропорциональна сумме падений напряжений, создаваемых измерительным током, на наружных плечах 5(Rx) и 6(RT) моста. Если принять величину измерительного тока равной значению номинального тока аттестуемых мер, то оказывается, что с уменьшением номинального сопротивления меры в 10 раз номинальный ток возрастает только в 3,3 раза, так как для любого номинального значения сопротивления меры из ряда 10+п,

где п - целое число, номинальный ток определяется из формулы номинальной мощности:

Рн н2 -RH O.I Вт.

Следовательно, во столько же раз. уменьшается и чувствительность схемы. Если сравнить чувствительность двойного моста при измерении мер с RH 1 Ом с чувствительностями на последующих низ- коомных диапазонах, то оказывается, что

при измерении мер с RH 10 Ом чувствительность уменьшается в 3,3 раза, у мер с RH - 102 Ом - в 10 раз. умер с RH - Ом - в 33 раза, а у мер с 10 Ом - в 100 раз. В этом случае повышение чувствительности за счет увеличения измерительного тока сопряжено с дополнительным нагревом резисторно- го элемента меры, обладающего низким уровнем теплоотдачи во внешнюю среду, что приводит к увеличению температурных поправок. Экспериментально доказано, что при протекании через резисторный элемент маслонаполненной меры номинального значения измерительного тока в течение 1.5-2 ч температура масла, залитого в ее корпус, который был помещен в высокоточный масляный термостат, повышалась на 1.5-2°С. При токах, не менее чем в 5 раз меньших номинального, повышения температуры масла не наблюдалось. Следова- телыно, с точки зрения исключения из результатов измерений температурных поправок максимально допустимые значения измерительных токов должны быть меньше номинальных значений токов аттестуемых мер не менее чем в 5 раз. Это требование может быть достигнуто только в случае, если при аттестации данного номинального значения меры имеется запас по чувствительности. В противном случае приуменьшении измерительного тока падение чувствительности не дает возможности ощутить изменения сопротивления младшей декады плеча сравнения моста. Требуемый запас по чувствительности имеется у аттестуемых мер в диапазоне их номинальных значений Ом, возрастающий по мере того, как номинальные значения аттестуемых мер приближаются к номинальным значениям основных и дополнительных плеч моста. При аттестации низкоомных маслонапол- ненных мер наблюдается недостаток чувствительности даже при протекании через их резисторный элемент номинального значения измерительного тока, который вызыва- ет его нагрев, приводящий к увеличению температурной поправки.

Как следует из вышесказанного, применение традиционных способов повышения чувствительности в низкоомном диапазоне аттестуемых мер не приводит к ожидаемому результату, поэтому по способу исключения температурных поправок, свойственному прототипу, устанавливают измерительный ток, превышающий его номинальное значе- ние, с помощью термометра измеряют температуру масла в корпусе меры и по температурной формуле определяют температурную поправку, внося ее в результат измерений. При этом погрешность определения самой температурной поправки становится соизмеримой или превышает погрешность определения действительных значений образцовых мер, что значительно понижает нормируемую точность измерений.

В предлагаемом способе впервые применяются дополнительные меры, направленные на увеличение теплоотдачи резисторного элемента во внешнюю среду. С целью значительного увеличения охлаждения резисторных элементов аттестуемых и тарных маслонаполненных мер, которое позволяет в десятки раз увеличить величину максимально допустимого значения измерительного тока и тем самым повысить чувствительность и точность измерений при условии исключения из результатов измерений температурных поправок, эти меры вынимают из корпусов и вставляют в специальное приспособление, расположенное в рабочей зоне высокоточного масляного термостата. В этом случае интенсивно циркулирующее в нем масло, доведенное до температуры 20± 0,002°С, непосредственно охлаждает обтекаемые измерительным током резисторные элементы низкоомных мер, приводя их температуру к температуре термостатирования,

В зоне термостата, расположенной за низкоомными мерами, устанавливают два термометра с ценой деления 0,01°С, которые предназначаются для контроля температуры масла, уже охладившего их резисторные элементы. В случае значительного повышения температуры резисторных элементов, нагреваемых измерительным током, возрастает температура масла, что и является еще одним свидетельством начала температурного изменения сопротивлений резисторов. В этих условиях производят определение максимально допустимых значений измерительных токов низкоомных мер.

В качестве примера реализации предлагаемого способа в табл.2 приведены результаты измерений, определяющие выбор максимально допустимого значения измерительного тока для мер сопротивлений первого разряда с номинальными значениями 10 и 10 Ом при отношении плеч моста, равном 10/1, и допускаемой погрешности определения действительных значений , т.е. в качестве примера реализации взят самый неблагоприятный вариант, которому свойственна самая низкая чувствительность. При аттестации низкоомных мер в диапазоне 10 1-10 4 Ом (фиг.1) в высокоточный масляный термостат помещаются плечи 5(RX), 6(Ri), 3(Ri) и 4(Ra)

двойного моста, температурные изменения которых в статическом режиме равны величине, не превышающей . Плечи 1(R) ii 2(Ra) сравнения остаются в пассивном масляном термостате моста-компаратора, и их температурные изменения за 3 ч не пре ышают2 -10 %. Метрологический запас по очности в статическом режиме мер сопро- ивлений для первых четырех плеч моста

эавен

10

-4

10

-6

100,

п для двух плеч сравнения

что позволяет пренебречь их температурными изменениями, возникающими от воздействия температуры окружающей среды.

Из табл.2 следует, что повышение чувст- нительности измерительной схемы позволяет принять за минимальные значения измерительного тока номинальный ток аттестуемой меры, подключенной к зажимам Rx моста. Время выдержки температурозави- симых плеч моста, помещенных в высоко- очный масляный термостат, в их Обесточенном состоянии равно 2 ч, а при последующем контрольном измерении, которое производится также при номинальном токе, - 1 ч. Время выдержки аттестуемой меры под измерительным током при каждой ступенчатом его изменении равно 0,5 ч для мер с RH Ом и 0,75 ч для мер : RH Ом. Такое сравнительно большое иремя выдержки, которое по сравнению со иременем, затрачиваемым на аттестацию (10 мин), увеличивается по мере возрастания измерительного тока аттестуемых мер, ц вполне достаточно для выявления темпе-, ратурных изменений.

Как следует из табл.2, для аттестуемых пер с RH Ю Ом величину максимально допустимого значения измерительного тока (ледует принять равной 15 А, а для мер с RH Ом - 30 А, так как при последующих увеличениях этих токов наблюдаются увеличения отсчетов г в пределах единиц 0 4%.

| Было показано, что в условиях опреде- /|ения температурных поправок, свойственных прототипу, величина максимально допустимого тока для маслонаполненных низкоомных мер должна быть не менее чем г 5 раз меньше его номинального значения. Следовательно, в предлагаемом способе /;лямерс RH Ом максимально допустимое значение измерительного тока по сравнению с прототипом увеличилось в

из

15

0,2 1Н 0,2 3,2

- 23,4 раза,

а для мер с RH Ом - в

30

0,2 10

15 раз.

10 При равенстве номинальных значений мер, включенных в плечи 5(RX) и 6(RT) моста, показания контрольных термометров свидетельствуют о том, что до тех пор, пока с погрешностью до 0,002°С резисторные эле15 менты аттестуемой и тарной мер полностью охлаждаются маслом термостата, отводящим от них все тепло, которое образовалось в результате их нагрева измерительным током, наблюдается повторяемость отсчетов

20 как по шкале термометров, так и по плечу сравнения моста-компаратора. При величине измерительного тока, превышающей его максимально допустимое значение, нагрев резисторных элементов мер повышается

25 настолько, что установленный в термостате поток масла не успевает их полностью охладить. При этом избыточная часть тепла расходуется на нагрев как самих резисторных элементов, так и охлаждающего их масла

30 термостата, о чем свидетельствуют увеличения отсчетов по плечу сравнения моста (г) и шкале термометров.

В данном случае, когда номинальное значение аттестуемой меры на порядок

35 больше тарной, которая имеет в три раза большее значение номинального тока, чем аттестуемая, температурные изменения этих двух последовательно включенных мер в первую очередь определяются темпера40 турными изменениями аттестуемой меры, что подтверждается анализом граф 5 и 6 . В графе 7 этой таблицы дана чувствительность индикатора равновесия типа Р 341, значения которой при ступенчатых из45 менениях измерительного тока приведены к пределу измерения, при котором производилась аттестация мер электрического сопротивления. В действительности отсчеты по мосту-компаратору определялись при

50 больших чувствительностях индикатора равновесия.

Аттестация низкоомных мер, входящих в состав рабочего эталона, производится с погрешностью определения действитель55 ных значений, в десять раз меньшей, чем у мер первого разряда (). С целью обеспечения этой точности как при аттестации этих мер, так и при определении максимально допустимых значений измерительного тока интерполируют пятый знак отсчета по плечу сравнения моста () на шкале выходного прибора электронного индикатора равновесия. Кроме того, при аттестации мер рабочего эталона в этом диапазоне измерения опорной меры произ-. водят перед каждым измерением последующей аттестуемой. Неизменяемость отсчета по плечу сравнения моста при измерении опорной меры с погрешностью, меньшей единицы 10 %, свидетельствует об изменении температуры в пассивном термостате моста-компаратора, в котором находятся только его два сравнительных плеча, на величину, меньшую

At°

АС

1-10 6

а- 100 10 100

0,01°С..

В случае изменения температуры в термостате изменяется и отсчет по плечу сравнения моста, который следует принять за исходный при определении действительных значений последующих аттестуемых мер. Таким образом осуществляются контроль и корректировка температурных изменений в пассивном термостате при повышенных точностях измерений.

Из всех видов дополнительных погрешностей, присущих методу аттестации образцовых мер электрического сопротивления, температурная погрешность является наиболее весомой. В табл.3 приведены величины нормируемых относительных погрешностей определения действительных значений образцовых мер рабочего эталона и мер первого, второго и третьего разрядов рабочих мер (6 %), а также допускаемые годовые изменения в зависимости от их номинальных значений. Одновременные определения действительных значений аттестуемых мер в низкоом- ном диапазоне ( и Ом) по способу-прототипа и предлагаемому способу отличаются между собой на величину, равную . Закономерность этих результатов измерений такова, что при положительных значениях ТКС а действительные значения мер, определенные по способу-прототипу, всегда меньше на эту величину действительных значений, определенных по предлагаемому способу. Это в основном объясняется тем, что нагрев рези- сторного элемента измерительным током значительно опережает восприятие выделяемого нагрева маслом, заливаемым в корпус измеряемой меры, температура которого измеряется термометром и принимается

равной температуре резисторного элемента.

Определение температуры герметизированных мер по способу-прототипу вообще бессмысленно, так как термометр, вставленный в корпус меры, измеряет не температуру резисторного элемента, а температуру масла термостата, которая автоматически поддерживается постоянной. Если

принять для низкоомных мер с номинальными значениями и Ом погрешность, определения температурных поправок по способу-прототипу, равную , то в соответствии с табл.3 оказывается, что для

мер второго разряда эта погрешность только в два раза меньше нормируемой погрешности определения действительных значений аттестуемых мер (). для мер первого разряда она с ней соизмерима,

а для мер рабочего эталона она больше ее в десять раз. Для мер с номинальными значениями О 1 и 100м нормируются погрешности определения в два раза, а для мер с номинальным значением 1 Ом - в четыре

раза меньше нормируемой погрешности определения оставшихся мер шести номинальных значений, что соответственно в два и четыре раза уменьшает запас по точности при их аттестации. Следовательно, можно

сделать вывод, что при аттестации мер первого и второго разрядов, а тем более рабочего и государственного эталонов с целью исключения из результатов измерений температурных поправок всего измерительного

комплекса следует применять предлагаемый способ, в котором в высшем звене поверочной схемы для номинальных значений от 1 до Ом обеспечивается нормируемый трехкратный метрологический запас по

точности (т.е. погрешность определения температурной поправки измерительной схемы в три раза меньше нормируемой погрешности определения аттестуемых мер). Во всех остальных случаях метрологический

запас по точности значительно выше трехкратного..

Исключение температурных поправок аттестуемой меры по способу-прототипу можно производить у мер электрического

сопротивления третьего разряда и рабочих мер, так как их нормируемая погрешность определения действительных значений во всем диапазоне равна (табл.3), а погрешность определения температурной

поправки имеет в пять раз меньшее значение (). Метрологический запас по точности в этом случае равен

10

-з

10

-А

5.

; Одним из преимуществ предлагаемого способа является возможность определения максимально допустимых значений из- ерительных токов, гарантирующих исключение температурных изменений сопротивлений всей измерительной схемы, с погрешностью, не менее чем в три раза Меньшей нормируемой погрешности измерения. Ни в одном нормативном документе эгот вопрос, определяющий наличие или отсутствие в результате измерений температурных поправок, не рассмотрен.

Повышение точности и достоверности результатов измерений особенно в части низкоомного диапазона привело к повышению сходимости временных изменений ат- тзстуемых мер, определяемых ежегодно (г нализ полученных данных, проведенный зэ более длительное время, дает возможность предположить, что в действительности этим мерам свойственны меньшие годовые изменения, чем нормируемые в тибл.З) к многократной повторяемости одновременно проделанных измерений одной и той же величины в течение длительного промежутка времени (не менее 1 ч) с погрешностью, меньшей единицы младшей дэкады отсчетного плеча измерительного средства, позволяющей предположить, что случайные погрешности результатов изме- рэний лежат в разряде, на порядок меньшем, чем им приписывалось в тех случаях, когда температурная поплавка исключалось по способу-прототипу. Это дает воз- мэжность при аттестации эталонных мер в нисколько раз ограничить количество изме- роний (два-три вместо двадцати), что приво- д IT к значительному повышению производительности труда), так как помимо времени, затрачиваемого на производство диэдцати измерений, отпадает необходимость их обработки по формуле, исключающей влияние случайных погрешностей на результат измерений. В этом случае два-три измерения вместо одного делают для того, чтобы убедиться в постоянстве полученного от счета по плечу сравнения измерительного Cf ёдства.

I В предлагаемом способе производительность труда при аттестации как разряд- HIIX, так и эталонных мер электрического ее противления также значительно повышается за счет упрощения расчетной формулы, свойственной прототипу, по которой определяется относительная поплавка аттестуемой меры Сх: 5

Сх (гх - гы)+ CN + (tN -20) +/SN (tN - 20) 4ax(tx-20) + /&(tx-20)2 }100%.

Выражением в фигурных скобках, пред0 ставляющим собой разность относительных температурных поправок опорной (N) и аттестуемой (х) мер, в этом случае можно пренебречь, и тогда остается определение разности отсчетов по плечу сравнения мос5 та при включении аттестуемой меры (гх) и опорной (гм), к которой алгебраически суммируется относительная поправка опорной меры CN.

Формула изобретения

0 Способ исключения температурных поправок из результатов измерений образцовых мер электрического сопротивления, заключающийся в термостатировании аттестуемых мер. уравновешивании измери5 тельного моста-компаратора и определении истинного значения сопротивления образцовых мер, отличающийся тем, что, с целью увеличения точности измерений и повышения производительности труда,

0 производят термостатирование всех тем- перэтурозависимых резисторных элементов измерительного моста-компаратора, определение экспериментальным путем минимальных значений измерительных токов

5 с дальнейшим ступенчатым их повышением до максимально допустимых, которые определяют по нарушению повторяемости фиксированных значений токов, соответствующих уравновешивании измерительного

0 моста-компаратора, причем при аттестации маслонаполненных мер в рабочую зону термостата устанавливают приспособление, в котором размещают резисторные элементы аттестуемых и опорных мер, вынутых из сво5 их корпусов, а значения максимально допустимых токов, определяемых для каждого номинального значения меры сопротивления данного типа, сводят в таблицу, которую в дальнейшем используют при аттестации

0 образцовых мер электрического сопротивления.

Одинарный мост

Двойной мост

Таблица 2

Использование: в области электрических измерений при аттестации разрядных эталонных мер электрического сопротивления, а также в других областях техники, связанных с их применением. Сущность изобретения: способ исключения температурных поправок из результатов измерений образцовых мер электрического сопротивления заключается о термостатирооании всех температурозависимых резисторных элементов измерительного моста, определении экспериментальным путем минимальных значений измерительных токов с последующим ступенчатым повышением их значений до максимально допустимых. В случае аттестации маслонаполнеиных мер составляется таблица максимально допустимых токов для каждого поминального значения меры сопротивления данного типа, которая используется при аттестации образцовых мер электрического сопротивления. 3 табл,, 3 ил.

Измерения при измерительных токах, меньших максимального допустимого значения, производились при большой чувствительности индикатора равновесия.

сопротивление

. {LiLU

Допускаемая погрешность определения действительных значений образцовых мер §, %

Рабочий эталон

,

и 10

-22

ЫО , ЫО

5-10 1 -10

1-10 у

1402-10

.Меры первого разряда

и 10

, ЫО

5 -10

:.-2

МО

, Ь-10 0 140

. If Ч (Г Меры второго разряда

1-10 и 10

140 2-10

40

-3

, 140 Ч О3 , 140 0

л5

ЫО 1 40J

А 4 О ЫО

до 140

Меры третьего разряда

. 1 4 2 4 Рабочие меры

до 140

140 240

...w...

/ опускаемое измерение сопротивления за год, %, не более

540 140

-S

.5

2-ГО

1540

-У

340

-«

б.ю

1 -10

3

340 640

-Ь

-ь

2-10

54 О 3

D зависимости от класса поверяемой меры по приложению 3 к ГОСТ 8.237-77

±Ј

-i IU ил

41

.

. -/

Фиг. 3