1-2. МЕРЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

Мерой называется средство измерения, предназначенное для воспроизведения физической величины заданного размера (значения). По назначению меры разделяются на образцовые и рабочие. По воспроизводимым значениям — на однозначные, многозначные и наборы.

Однозначные меры воспроизводят физическую величину одного размера; многозначные — ряд одноименных величин разного разряда; набор мер содержит комплект мер, применяемых как в отдельности, так и в различных

сочетаниях. Набор мер, конструктивно объединенный в одно целое с переключающими устройствами для воспроизведения ряда одноименных величин различного значения (размера), называется магазином (магазин сопротивлений, магазин емкостей и т. п.).

Среди образцовых средств измерений особое место занимает эталон единицы физической величины. Эталон обычно представляет собой комплекс средств измерений, выполненный по особой спецификации и утвержденный Госстандартом СССР в качестве эталона. Он предназначен для воспроизведения и (или) хранения единицы с целью передачи ее размера (обычно соответствующего определению) нижестоящим по поверочной схеме средствам измерений. Существуют эталоны единицы длины, времени (частоты), напряжения, тока, сопротивления, фазы и других величин.

Рис. 1-1. Упрощенная поверочная схема

Для каждой единицы используют семейство эталонов:

первичный эталон, воспроизводящий единицу с наивысшей в данной стране точностью;

вторичный эталон, значение которого устанавливается по первичному эталону;

эталон-копия — вторичный эталон, предназначенный для передачи размера единицы рабочему эталону;

рабочий эталон, предназначенный для передачи размера единицы образцовым средствам измерений.

Первичный эталон, официально утвержденный в качестве исходного для страны, называется Государственным эталоном. Если данный государственный эталон нельзя быстро воспроизвести, то для проверки его сохранности и замены в случае порчи или утраты применяется эталон-свидетель.

Следует иметь в виду, что все перечисленные эталоны представляют собой физические копии первичного эталона; различие в названиях характеризует лишь их назначение и использование. На рис. 1-1 отсутствует

Государственный эталон, так как его не применяют в поверочных операциях. Он размещается в особо оборудованном помещении, в котором поддерживаются постоянные условия; к нему допускается узкий круг обслуживающих лиц, возглавляемых хранителем эталона.

Таблица 1-1 (см. скан)

Меры ЭДС. В качестве образцовой меры ЭДС используют нормальные элемента, составные части которых строго нормированы. Нормальные элементы выпускаются двух типов — насыщенные и ненасыщенные. У обоих типов элементов положительным электродом является ртуть, отрицательным — амальгама кадмия и электролитом — водный раствор сернокислого кадмия. Насыщенные элементы делятся на три класса: 0,001; 0,002; 0,005; эти числа показывают допустимые изменения ЭДС за год. Класо выпускаемых ненасыщенных элементов достоинству следует отнести малую зависимость ЭДС от температуры — на 1 К. Основные технические характеристики нормальных элементе» приведены в табл. 1-1. Нормальные элементы выпускаются в деревянных или пластмассовых кожухах. Их нельзя опрокидывать и встряхивать, подвергать нагреву и сильному освещению.

Эталон вольта состоит из 20 нормальных насыщенных элементов и компаратора для их сличения. Группа нормальных элементов помещена в термостат с нестабильностью К при температуре около Среднее значение ЭДС группы нормальных элементов принято 1,018640 В. Хранение и передача размера единицы вторичным эталонам осуществляется со среднеквадратической погрешностью

Меры электрического сопротивления. В качестве мер сопротивления применяются образцовые резисторы, выполненные в виде катушек с одним значением сопротивления где целое число. Применяются и наборы образцовых резисторов — магазины сопротивлений. Резисторы изготовляются из манганина — сплава на основе меди с добавлением марганца и никеля сплав этот обладает высоким удельным сопротивлением и малым температурным коэффициентом Для намотки катушек с сопротивлением, меньшим 0,01 Ом, используется манганиновая лента; при сопротивлении до Ом — манганиновая проволока, свыше Ом — манганиновый микропровод в стеклянной изоляции. Для каждой катушки (магазина) установлено предельное значение рабочего тока с таким расчетом, чтобы мощность, подводимая к катушке, не превышала 1 Вт.

Рис. 1-2. Эквивалентная схема: а — катушки сопротивления или катушки индуктивности; катушки индуктивности (упрощенная)

При включении катушки сопротивления в цепь переменного тока появляется реактивное сопротивление за счет индуктивности обмотки и собственной емкости катушки С. Полное сопротивление катушки в соответствии с ее эквивалентной схемой (рис. 1-2, а) определяется по следующей формуле:

Освобождаясь от мнимости в знаменателе и выполняя соответствующие преобразования, получаем формулу в следующем виде:

Здесь номинальное значение сопротивления образцовой катушки сопротивления, а второе слагаемое позволяет определить влияние частоты переменного тока.

Очевидно, что для уменьшения этого влияния катушка должна быть «безреактивной», т.е. должно

быть ничтожно малым по сравнению с Для выполнения этого условия применяют специальные виды намоток, простейшие из которых — бифилярная и бифилярная секционированная. Реактивность катушки сопротивления характеризуется ее постоянной времени

Значения образцов резисторов составляют а класс точности 0,002; 0,005; 0,01; 0,02; 0,05. Магазины сопротивлений выпускаются с классами точности 0,01; 0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5 и 1,0.

Государственный эталон ома состоит из группы манганиновых катушек с номинальным сопротивлением 1 Ом и мостовой измерительной установки. Среднее значение сопротивления группы из 10 катушек, определяющее размер единицы, равно 1,0000002 Ом. Среднеквадратическая погрешность хранения единицы электрического сопротивления и передачи ее размера вторичным эталонам составляет

Меры индуктивности и взаимной индуктивности. Образцовые меры индуктивности изготовляют в виде плоских катушек, намотанных изолированным проводом или высокочастотным обмоточным проводом (литцендратом) на фарфоровый или керамический каркас, относительная магнитная проницаемость которого равна единице. Катушка индуктивности имеет собственную емкость С и активное сопротивление поэтому эквивалентная схема (рис. 1-2, а) и формула полного сопротивления справедливы и для нее. Активное сопротивление катушки составляет доли ома, так что всегда выполняется условие и добротность катушки значительна. Катушка индуктивности всегда представляет собой колебательный контур, собственная резонансная частота которого определяется известной формулой

Катушку индуктивности можно представить в виде двухполюсника, состоящего из последовательно соединенных активного сопротивления и индуктивности (рис. 1-2, б), которые будем называть действующими и обозначать и следовательно полное сопротивление катушки имеет вид

Для того чтобы найти связь между значениями показанными на рис. 1-2, и на рис. 1-3, нужно риравнять правые части формул и Решив это равенство с учетом того, что и воспользовавшись формулой получим

Из формул и следует, что индуктивность кадушки, ее сопротивление, а следовательно, и добротность зависят от отношения рабочей частоты к собственной резонансной частоте катушки. Для пренебрежения этой зависимостью нужно работать на частотах, по крайней мере, В десять раз меньших частоты катушки. Меры переменной индуктивности и взаимной индуктивности выполняются в виде магазинов, состоящих из набора катушек и переключателей, и вариометров.

Первичный эталон единицы индуктивности генри осуществлен в виде группы из четырех катушек со средним значением индуктивности группы, равным и мостовой измерительной схемы. Индуктивность каждой катушки рассчитывается по ее геометрическим размерам. Погрешность воспроизведения не превышает

Меры электрической емкости. Образцовые конденсаторы постоянной емкости изготовляют с воздушным или слюдяным диэлектриком. Образцовые конденсаторы переменной емкости выполняют только с воздушным диэлектриком. Тангенс угла потерь не больше сопротивление изоляции между зажимами достигает Ом. Индуктивность обкладок пренебрежимо мала. Образцовые конденсаторы, предназначенные для работы при высоких напряжениях, включаются в герметические кожухи, наполняемые углекислым газом или азотом при давлении до

Первичный эталон единицы емкости фарада представляет собо расчетный конденсатор, в котором изменение емкости определяется по геометрическим размерам электродов, скорости света и магнитной постоянной. Размеры электродов измеряются при помощи интерферометра. Изменение емкости составляет при частоте Среднеквадратическое отклонение результата измерений не превышает

Меры электрического тока. В качестве образцовых средств измерений тока применяют электродинамические амперметры соответствующих классов точности, а для воспроизведения единицы силы тока — ампера — так называемые токовые весы. Они представляют собою высокочувствительные равноплечие весы, у которых вместо одной из чашек подвешена плоская катушка, уравновешиваемая гирями, помещаемыми на другую чашку. Другая катушка, не связанная с весами, располагается коаксиально первой и соединяется с ней последовательно. Когда по катушкам протекает ток, вследствие электродинамического взаимодействия катушек подвижная катушка опускается и для сохранения равновесия весов необходимо добавить определенный груз, компенсирующий силу взаимодействия. Зная эту силу и параметры катушек, можно определить силу тока.

Первичный эталон ампера состоит из электродинамической системы в виде двух катушек и весов с дистанционным управлением. Цена деления весов составляет Сила взаимодействия токов, пропускаемых по обмоткам подвижной и неподвижной катушек, уравновешивается силой тяжести гири. Значение силы постоянного электрического тока, воспроизводимое эталоном, составляет 1,018646 А. Среднеквадратическое отклонение результата измерений не превышает

Дальнейшее совершенствование эталонов физических величин заключается в переходе на эталоны, основанные на фундаментальных константах и устойчивых физических явлениях. Уже используются эталон метра, основанный на длине волны излучения криптона-86; эталон секунды, связанный с частотой квантового перехода в атомах цезня-133; эталон ЭДС, работающий на основе эффекта Джозефсона в сверхпроводнике.