Вдосконалення мір електрорушійної сили і сталої напруги та їх нормативної бази

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний університет „Львівська політехніка”

УДК 621.317.73

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Вдосконалення мір електрорушійної сили і сталої напруги та їх нормативної бази

05.01.02 - стандартизація, сертифікація та метрологічне забезпечення

Барило Григорій Іванович

Львів - 2009

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Національному університеті „Львівська політехніка” Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник - доктор технічних наук, професор Походило Євген Володимирович, професор кафедри „Метрологія, стандартизація та cертифікація” Національного університету „Львівська політехніка”.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Хома Володимир Васильович, професор інституту „Автоматика і інформатика” Політехніки Опольської Міністерства освіти і науки Польщі, м. Ополе, Польща;

кандидат технічних наук, доцент Паракуда Василь Васильович, директор Державного пiдприємства „Науково-дослiдний iнститут метрологiї вимiрювальних i управляючих систем” (ДП НДI „Система”), м. Львів.

Захист дисертації відбудеться „24” квітня 2009 року о 16³⁰ на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.052.08 у Національному університеті „Львівська політехніка” (79013, Львів-13, вул. С.Бандери, 12, ауд.226 головного корпусу).

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національного університету „Львівська політехніка” (79013, Львів-13, вул. Професорська,1).

Автореферат розісланий „ 23 ” березня 2009 року.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, д.т.н., професор Луцик Я.Т.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Передавання одиниці сталої електричної напруги від первинного еталона до робочих засобів вимірювальної техніки здійснюється за допомогою робочих еталонів - мір напруги. Забезпечення точності мір електрорушійної сили (ЕРС) та сталої електричної напруги в усіх галузях промисловості є важливою проблемою для державної метрологічної системи. Саме тому виникає потреба вдосконалення мір електрорушійної сили і сталої напруги та їх нормативної бази.

Рішення проблеми розвитку еталонної бази та створення нормативно-правових актів в Україні піднято на державний рівень і відображено в „Концепції розвитку державної метрологічної системи на період до 2015 року”, схваленій Розпорядженням КМ України від 25 червня 2008 р. №874-р та Директиві Європейського Парламенту та Ради №2004/22/ЄС від 31 березня 2004 р. щодо вимірювальних приладів.

Згідно з вищезгаданою концепцією, необхідно вдосконалювати та розвивати національні еталони, забезпечувати їх відповідність стандартам Європейського Союзу та вдосконалювати нормативну метрологічну базу.

Враховуючи актуальність вирішення основних завдань розвитку державної метрологічної системи, вдосконалення вторинних еталонів та процедури передачі інформації про одиниці вимірювань до засобів вимірювальної техніки, існує проблема створення доступних мір ЕРС та сталої напруги для використання їх у системі робочих еталонів Вольта та створення єдиної методики для проведення повірки, згідно з державною повірочною схемою.

Практична реалізація таких задач дасть можливість забезпечити регіональні метрологічні центри доступними мірами ЕРС та сталої напруги, що, в свою чергу, дозволить створити єдину систему метрологічної атестації засобів вимірювання, зменшить затрати на транспортування таких засобів до місця повірки та дозволить ефективніше використовувати національні еталони звіряння і передавання. Вирішення цих науково-технічних задач покладено в основу даної дисертаційної роботи.

Зв'язок теми дисертації з напрямками науково-дослідних робіт. Роботу виконано на кафедрі „Метрологія, стандартизація та сертифікація ” ІКТА, НУ „Львівська політехніка”. Основні теоретичні та практичні дослідження проводились автором у ВАТ ”Мікроприлад” згідно з п.1.2.1 і п.1.3.2 “Програми розробки та освоєння виробів нової техніки ВАТ “Мікроприлад” на 2005 - 2008 роки”, затвердженої наказом №08/12-01 від 22.12.2004 р., в ВАТ “Спеціальне конструкторське бюро мікроелектроніки в приладобудуванні” (СКБ МП) за “Угодою на проведення спільних науково-дослідних робіт в галузі вимірювальної техніки” між Державним університетом “Львівська політехніка” та ВАТ“ СКБ МП” від 01.06.2003 р., а також у рамках міжнародного проекту UKR01/066 від 30.08.2006 р.

Мета й задачі дослідження. Метою роботи є вдосконаленння мір ЕРС і сталої напруги та їх нормативної бази.

Для досягнення поставленої в роботі мети необхідно було:

? проаналізувати принципи побудови мір ЕРС та сталої напруги;

? обґрунтувати відповідність певних типів мір робочим еталонам сталої електричної напруги;

? узагальнити принципи побудови мір ЕРС на базі насичених нормальних елементів, з урахуванням їхньої температурної залежності;

? дослідити методи температурної компенсації насичених нормальних елементів та розробити відповідні компенсаційні схеми;

? удосконалити термостатовану міру ЕРС на насичених нормальних елементах для робочого еталону першого розряду;

? розробити твердотільну мікроелектронну міру сталої напруги класу точності 0,01 яка дозволить вивести з експлуатації ненасичені нормальні елементи;

? провести дослідження стабільності мікроелектронних мір напруги та визначити шляхи покращення їх характеристик для отримання точності 0,005;

? із врахуванням результатів дослідження виготовлених мір розробити проект державного стандарту на міри сталої напруги та методику їх повірки.

Об'єкт дослідження - міри електрорушійної сили та сталої напруги.

Предмет дослідження - методи і засоби забезпечення точності і стабільності мір електрорушійної сили та сталої напруги.

Методи дослідження. Використано методи системного аналізу мір ЕРС і сталої напруги, теоретичні та експериментальні методи дослідження, які ґрунтуються на теорії вимірювальних та радіотехнічних сигналів і кіл, теорії похибок, методах імітаційного моделювання на ЕОМ.

Наукова новизна отриманих результатів. В роботі отримані такі наукові результати.

1. Вперше систематизовано вітчизняні міри сталої електричної напруги за метрологічними параметрами та приведено їх у відповідність з вимогами до робочих еталонів.

2. Удосконалено метод температурної стабілізації насичених нормальних елементів, що дало можливість підвищити річну стабільність вихідної напруги до 2 мкВ.

3. Розвинуто теорію температурної компенсації складових ЕРС нормальних елементів для підвищення стабільності вихідної напруги та розширення робочого діапазону температур під час проведення вимірювань.

4. Проаналізовано вплив зовнішніх факторів на вихідну напругу насичених нормальних елементів, на основі чого можна сформулювати вимоги до мір ЕРС.

5. Створено нові твердотільні мікроелектронних міри сталої напруги класу точності 0,005 та 0,01, метрологічні характеристики яких дають можливість вивести з експлуатації менш надійні ненасичені нормальні елементи. Розроблені методики їх метрологічної повірки та калібрування.

6. На основі аналізу вихідних параметрів різних типів мір встановлено нові вимоги до методів передачі одиниці сталої електричної напруги, на основі чого сформульовано рекомендації до діючих нормативних документів.

Практичне значення одержаних результатів.

1. Удосконалено та впроваджено в серійне виробництво групові термостатовані нормальні елементи Х-489М (ВАТ ”Мікроприлад” м.Львів) .

2. Розроблено і виготовлено для серійних впроваджень твердотільні мікроелектронні міри сталої напруги МВ4700, МВ4810 та методики їх метрологічної атестації і калібрування (ВАТ„Спеціальне конструкторське бюро мікроелектроніки в приладобудуванні” м.Львів ).

3. Розроблено проект ДСТУ „Міри сталої напруги” та зміни до „ДСТУ3834 - Метрологія. Державна повірочна схема для засобів вимірювань електрорушійної сили та сталої напруги” (ВАТ„Спеціальне конструкторське бюро мікроелектроніки в приладобудуванні” м.Львів).

4. Проведено експериментальні дослідження у федеральному фізико-технічному інституті РТВ м. Брауншвейг (Німеччина) удосконалених групових термостатованих мір ЕРС, отримано результати які були використані для проектування робочих еталонів інших фізичних величин у рамках міжнародного проекту UKR01/066 від 30.08.2006 р.

Особистий внесок здобувача.

Основний зміст дисертаційної роботи, результати теоретичного аналізу та експериментальних досліджень, висновки і рекомендації, які представлено до захисту одержані автором особисто. У спільних публікаціях автору належить:

? розроблення методу послаблення впливу завад нормального виду під час проведення вимірювань електричних величин з використанням компенсаційної схеми [1];

? розроблення схемотехнічних методів підвищення стабільності значення ЕРС насичених нормальних елементів [2];

? розроблення твердотільної мікроелектронної міри сталої напруги, яка забезпечує річну стабільність 100 мкВ [3];

? розроблення та дослідження методу побудови групової твердотільної мікроелектронної міри сталої напруги [4];

? розроблення схеми температурної компенсації вихідної напруги та дослідження її ефективності під час експлуатації насичених нормальних елементів [5];

? розроблення методу передачі одиниці ЕРС від нормальних елементів до твердотільних мір напруги [6];

? розроблення та дослідження схеми температурної компенсації вихідної напруги для мір ЕРС [7];

? розроблення методу корекції похибок під час вимірювання температури напівпровідниковими сенсорами [8];

? обґрунтування ефективності використання напівпровідникових сенсорів у системі температурного контролю робочих еталонів Вольта та переносних калібраторах напруги [9, 10];

? розроблення та дослідження методів температурної компенсації нормальних елементів [11].

Апробація результатів роботи. Основні положення і результати роботи доповідались та пройшли апробацію на міжнародних науково-технічних конференціях і семінарах:

Міжнародній конференції «Стратегия качества в промышленности и образовании» Болгарія, м. Варна, 5-7 вересня 2005 р.;

ХІІІ міжнародній конференції з автоматичного управління «Автоматика-2006» - Україна, м. Вінниця, 25-28 вересня 2006 р.;

Міжнародній конференції «Метрологія та вимірювальна техніка» - Україна, м. Харків, 13-15 жовтня 2006 р.;

XV міжнародному семінарі метрологів «Методи і техніка перетворення сигналів при фізичних вимірюваннях МСМ'07» - Україна, м. Львів, 24-27 вересня 2007р.

Публікації. За темою дисертації опубліковано 11 наукових робіт, зокрема - 7 у фахових науково-технічних журналах ВАК України.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, чотирьох розділів і висновків, викладена на 135 сторінках друкованого тексту, містить 32 рисунки, 9 таблиць, перелік цитованої літератури та додатки.

Основний зміст роботи

У вступі відображено актуальність проблеми, обґрунтовано мету та завдання досліджень. Показано зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Сформульовано наукову новизну отриманих результатів та їхню практичну цінність. Наводяться дані про особистий внесок здобувача, апробацію роботи. мікроелектронний температурний твердотільний

У першому розділі здійснено аналіз сучасного стану мір ЕРС та сталої напруги, які використовуються в системі робочих еталонів одиниці постійної електричної напруги - Вольта. За результатами проведеного аналізу виділено основні способи побудови мір електрорушійної сили та сталої напруги, а саме: міри на ефекті Джозефсона, міри на елементах Вестона та твердотільні мікроелектронні міри. Проаналізовано основні вимоги до їх технічних характеристик відповідно до державної повірочної схеми.

На основі проведеного аналізу встановлено, що існуючі міри напруги, які експлуатуються в Україні як робочі еталони не відповідають сучасним вимогам, а нові не виготовляються. Виникає потреба в удосконалені існуючих та створенні нових мір, які відповідатимуть вимогам до робочих еталонів, згідно з ДСТУ 3834-98 “Державна повірочна схема для засобів вимірювань електрорушійної сили та сталої напруги”.

Проведений аналіз показав ефективність використання мір ЕРС, побудованих на базі насичених нормальних елементів у разі забезпечення достатньої стійкості до впливу зовнішніх факторів, що безпосередньо впливає на стабільність їхніх вихідних параметрів. При цьому визначальними факторами є зміна температури та механічні навантаження. На основі використання комбінованих систем температурної стабілізації та засобів конструктивної стабілізації показана можливість використання таких мір у системі робочих еталонів включно до першого розряду.

Обґрунтовано підстави для виведення з експлуатації ненасичених нормальних елементів та проведення їх заміни на більш досконалі твердотільні мікроелектронні міри, із дотриманням відповідних метрологічних характеристик.

Аналіз нормативного забезпечення мір ЕРС та сталої напруги як вітчизняного, так і закордонного виробництва, які використовуються в Україні, показує необхідність проведення впорядкування та систематизації вимог до таких пристроїв і потребує розвитку та вдосконалення наявної нормативної бази. Водночас, виявлено відсутність нормативної бази на твердотільні мікроелектронні міри сталої напруги та показано окремі невідповідності в існуючих нормативних документах.

На основі комплексного вирішення проблеми вдосконалення мір сталої електричної напруги та їх метрологічного забезпечення сформульовано основні задачі та напрямки подальших досліджень.

У другому розділі увага приділяється дослідженню методів і засобів для забезпечення температурної стабілізації мір електрорушійної сили, побудованих на базі насичених нормальних елементів.

Одним із визначальних факторів впливу на стабільність вихідної напруги таких мір є зміна температури навколишнього середовища. У разі стабільної температури t_i значення е.р.с міри описується виразом:

де E_t - ЕРС нормального елемента за температури t, В; a, b, c - сталі, які визначають для конкретної температури повірки. Для температури повірки t= 20 єС а=40,6·10^-6 В/єС, b=0,95·10^-6 В/єС², с=0,01·10^-6 В/єС³.

Очевидно, що для досягнення необхідної точності та стабільності значення вихідної напруги таких мір потрібні високоефективні засоби температурної стабілізації. Для оцінювання ефективності температурної стабільності робочих частин насичених нормальних елементів розглянуто принципи побудови систем термостатування. Використання систем із пасивними та активними термостатами дає можливість створювати міри напруги для всіх класів робочих еталонів. Отримані результати досліджень впливу температури на точність і стабільність вихідної напруги насичених нормальних елементів дають можливість вибрати раціональний спосіб термостатування для досягнення параметрів відповідно до розряду робочого еталону одиниці ЕРС.

Показано, що в системах температурного контролю доцільним є використання малогабаритних напівпровідникових сенсорів, які дають змогу визначити температуру в камері термостата і на поверхні кожного нормального елемента та оцінити значення градієнта температури між окремими елементами. Для вимірювання усередненого значення температур запропоновано використовувати малогабаритні діодні безкорпусні сенсори температури та розташовувати їх вздовж зовнішньої поверхні кожного нормального елемента.

З метою підвищення стабільності вихідної напруги мір електрорушійної сили від зміни температури розроблено схеми температурної компенсації (рис.1) для розрядних робочих еталонів, які використовуються під час проведення звірянь із врахуванням нормативних вимог до них.

Рис.1. Схема температурної компенсації ЕРС на основі термочутливих елементів: R₁, - R₃ - елементи термочутливого моста; R_t - сенсор температури

Аналіз виразу (1) показує, що для практики доцільно використовувати схеми для термокомпенсації лише лінійної та квадратичної складових зміни ЕРС, оскільки вплив кубічної складової є незначним і на два порядки менший від лінійної.

Запропоновано схему температурної компенсації лінійної та квадратичної складових для насичених нормальних елементів, яка задовольняє метрологічні вимоги до робочих еталонів другого і третього розряду та забезпечує річну стабільність у межах 4 мкВ за температури довкілля +(18-22) єС. Схема під'єднання термочутливих сенсорів для компенсації лінійної та квадратичної складових ЕРС нормального елемента зображена на рис. 2.

Рис.2. Схема під'єднання термочутливих сенсорів для компенсації лінійної та квадратичної складової ЕРС: 1- схема компенсації лінійної складової ЕРС; 2 - схема компенсації квадратичної складових ; U_жл та U_жк - відповідно напруга живлення схеми компенсації лінійної та квадратичної складових

Отримані результати досліджень впливу температури на стабільність вихідної напруги дають можливість вибирати оптимальний спосіб температурної компенсації для вибраного температурного діапазону та відповідно до вимог до робочого еталона вибраного розряду.

Третій розділ присвячено реалізації та дослідженні засобів підвищення метрологічних характеристик мір ЕРС та сталої напруги.

Особливості побудови насичених нормальних елементів вимагають стабілізації таких основних параметрів, як температура та механічні впливи (вібрація та одиночні удари). Проведено дослідження вихідної напруги після зміни температури в межах робочого діапазону, а також після механічних впливів із заданими параметрами.

Для зменшення впливу температури на значення вихідної напруги розроблена схема температурної стабілізації робочого об'єму нормальних елементів, яка виконана на основі систем активних і пасивних термостатів. Структурна схема групової міри ЕРС представлена на рис.3. Розроблена міра складається з чотирьох насичених нормальних елементів, розташованих у двох робочих камерах, температурний режим кожної з яких підтримується за допомогою активного термостата. Розроблена міра за наведеною схемою забезпечує температурну стабілізацію нормальних елементів з похибкою до

0,001 єС. Забезпечення такого температурного режиму не потребує додаткового використання схем температурної компенсації та дає змогу отримати максимально достовірні значення вихідної напруги.

Рис. 3. Структурна схема міри ЕРС: 1 - основа з НЕ, 2 - внутрішній контур термостата, 3 - зовнішній контур термостата, Д1,Д2 - сенсори температури, Н1,Н2 - нагрівачі, МП1,МП2 - мостові перетворювачі, П1, П2 - підсилювачі, Р1,Р2 - релейні елементи, РП1,РП2 - резонансні підсилювачі

Проведено дослідження залежності вихідної напруги розробленої групової міри напруги від температури. На рис. 4 представлено залежності вихідної напруги одного нормального елемента від зміни робочої температури у внутрішній камері термостата на 0,1 єС .

Рис.4. Залежність відновлення напруги міри від зміни температури.

Зміна температури відбулась через 6 год. від початку досліджень та відновлена відповідно через 30 год.

У розробленій груповій мірі ЕРС використано модифіковані оболонки нормальних елементів з перегородками, які запобігають змішуванню внутрішніх інгредієнтів. Така конструкція дала змогу підвищити стійкість міри до вібрації та одиночних ударів, що робить її придатною до транспортування.

Залежність вихідної напруги розробленої міри після впливу вібрації з частотою 20Гц зображена на рис. 5.

Рис. 5. Залежність вихідної напруги після дії вібрації частотою 20 Гц

Проведено дослідження впливу одиночних механічних ударів на вихідну напругу розробленої міри ЕРС протягом 45 хв. Результати проведених досліджень (рис.6) показали незначну зміну значення вихідної напруги та повне її відновлення після 36 год.

Рис.6. Залежність вихідної напруги після дії одиночних ударів

Результати проведених досліджень показали незначну зміну значення вихідної напруги та повне її відновлення через 48 год. Використання такої схеми дає змогу підвищити точність вимірювань та значно розширити діапазон робочих температур міри.

Дослідження розробленої міри ЕРС проведено при зміні температур в діапазоні від 10 єС до 25 єС. Під час проведення досліджень (рис.7) забезпечена ефективна температурна компенсація на рівні 24 мкВ. Значення вихідної напруги у разі зміни температури від від 10 єС до 25 єС (рис.8) не виходило за межі 2 мкВ, що відповідає вимогам до робочих еталонів другого розряду.

Рис.7. Залежність вихідної напруги від зміни температури від 10 єС до 25 єС

Аналогічні результати отримані при зміни температури в діапазоні від 25 єС до 10 єС (рис.8).

Рис.8. Залежність вихідної напруги в інтервалі зміни температури від 25 єС до 10 єС

За характером отриманих результатів можна зробити висновок, що використання схем температурної компенсації ефективне для мір напруги, що використовуються в робочих еталонах 2-го та 3-го розряду.

Дослідний зразок розробленої групової міри ЕРС після перевезення його автомобільним транспортом протягом 32 годин з увімкненою системою температурної стабілізації був досліджений в федеральному фізико-технічному інституті РТВ м. Брауншвейг (Німеччина). Результати порівняння з трьома твердотільними мірами FLUKE 732А (середньоквадратичне відхилення вимірювань не перевищує 0,075 мкВ) представлені на рис. 9.

Рис.9. Порівняльна характеристика стабільності вихідної напруги групової міри ЕРС та міри FLUKE 732А

А порівняння з мірою на ефекті Джозефсона (середньоквадратичне відхилення вимірювань не перевищує 0,016 мкВ) - на рис.10.

Рис.10. Порівняльна характеристика стабільності вихідної напруги з мірою на ефекті Джозефсона

Як видно із графіка, стабільність вихідної напруги розробленої міри ЕРС є значно вищою за стабільність твердотільної міри сталої напруги FLUKE 732А. Проведені дослідження показують, що в розробленій мірі вдалося забезпечити високі вихідні характеристики.

Розроблено твердотільну мікроелектронну міру сталої напруги за наведеною на рис. 11 структурною схемою, яка може бути використана як окремий робочий засіб вимірювальної техніки або в складі вимірювальних приладів як джерело опорної напруги. Для підвищення стабільності вихідної напруги запропоновано використання низки мікроелементів з додатковим усередненням вихідних напруг. Теоретично обґрунтовано, що при рівномірному розподілі вихідних напруг (МН1-МН5) середнє значення U_вих має найменше відхилення, що пояснюється частковою компенсацією додатніх їх від'ємних значень цієї напруги.

Рис. 11. Структурна схема розробленої мікроелектронної міри напруги: Е- батарея живлення, СН - стабілізатор напруги живлення, СК - схема керування, МН1-МН5 - міри напруги, R₁ - R₁, R_вих - елементи вихідного подільника напруги

Вихідна напруга, яка дорівнює напрузі нормального елемента, формується за допомогою подільника побудованого на резисторах R₁ - R₅ і R_вих. У цьому разі її значення за умови R₁ = R₂ = R₃ =R₄ = R₅=R_i знаходиться з виразу:

За умови R₈>>R₇ похибкою резистивного подільника можна нехтувати і тоді значення абсолютної похибки дорівнює:

де U_max - максимальне відхилення напруги окремих мір.

Вихідний опір міри визначається переважно значенням резисторів R₁, R₂ , R₃, R₄, R₅, і для забезпечення значення вихідного опору меншим від значення вихідного опору R_н.е. нормального елемента необхідно, щоб виконувалася нерівність R_i5R_н.е.

Розроблені дві мікроелектронні твердотільні міри сталої напруги, які відповідають вимогам до робочих засобів вимірювальної техніки класу точності 0,01 та 0,005. Залежності вихідної напруги розроблених пристроїв приведені на рис.12: U₁ - із використанням однієї міри напруги (МН1), яка забезпечує відносну нестабільність в межах до 100 мкВ, U₂ - з використанням п'ятьох мір напруги (МН1-МН5), які забезпечують відносну нестабільність 50 мкВ, відповідно до структурної схеми наведеної на рис.11.

Рис.12. Стабільність вихідної напруги твердотільних мір сталої напруги

Вказані міри повністю замінюють ненасичені нормальні елементи типу МЕ4700, Х4810, які набули широкого використання в вимірювальних приладах ПП63, УПВП-63, Р4833, МК4700 та інших.

Розроблено дослідний зразок комбінованої міри ЕРС та сталої напруги, який поєднує міру ЕРС на основі насиченого нормального елемента і міру сталої напруги на напівпровідникових стабілізаторах. Отримано результати досліджень таких мір, які показали, що відхилення вихідної напруги напівпровідникової міри після передачі її значення одиниці ЕРС нормального елемента при температурі 20±1 єС, забезпечує стабільність ±20 мкВ протягом 24 год. в діапазоні температур 20±2 єС і ±50 мкВ в діапазоні температур 20±5 єС, що забезпечує клас точності відповідно 0,002 і 0,005.

Четвертий розділ присвячений вдосконаленню метрологічного забезпечення та розробці нормативних документів на міри ЕРС та сталої напруги на основі проведених теоретичних та експериментальних досліджень.

Враховуючи вимоги державної повірочної схеми до мір електрорушійної сили та сталої напруги під час передавання значення одиниці цієї величини, запропоновано диференційний метод звірянь та розроблено схему проведення повірки. Під час вимірювань забезпечується середньоквадратичне відхилення результатів вимірювань до 0,1 мкВ, що достатньо для проведення повірок робочих еталонів усіх розрядів. Визначено та запропоновано оптимальні рішення для проведення повірок робочих еталонів різних класів.

Для забезпечення метрологічних характеристик після проведення заміни мір напруги реалізовано метод нормування діапазону допустимих робочих параметрів мір ЕРС у межах 1,018067 - 1,018230 В. Під час проектування вимірювальних пристроїв з використанням нормальних елементів необхідно вибирати значення з дозволеного діапазону так, щоб під час експлуатації можливо було використовувати пропоновану міру впродовж її гарантійного часу служби з урахуванням допустимої зміни ЕРС в часі.

На основі результатів отриманих під час досліджень мікроелектронних твердотільних мір сталої напруги розроблено методику метрологічної атестації, яка передбачає порядок проведення перевірки на виробництві та методику проведення калібрування під час їх експлуатації.

Розроблено проект національного стандарту, який встановлює як загальні вимоги, так і методи випробувань для всіх типів мір напруги включно з мірами електрорушійної сили на базі нормальних елементів.

Стандарт поширюється на міри сталої напруги, які використовують під час електричних вимірювань як робочі еталони, передбачені державною повірочною схемою і на міри, які використовують як опорну напругу в електровимірювальних приладах або в комплекті з такими приладами, а також під час електричних вимірювань електричних та неелектричних величин за специфічними вимірювальними схемами.

Запропоновано внести зміни в ГОСТ 1954-82 і ГОСТ 8.212-84 для встановлення їх відповідності вимогам державного стандарту ДСТУ 3834-98.

Висновки

У дисертаційній роботі теоретично узагальнено методи підвищення точності та стабільності мір електрорушійної сили та сталої напруги, для можливості їх використання в системі робочих еталонів Вольта. Результати роботи можуть бути використанні для обновлення національної еталонної бази та створення нової нормативно-технічної документації у відповідності із міжнародними стандартами. Основні результати проведеної роботи полягають у наступному.

1. На основі аналізу метрологічних характеристик серійних мір напруги показано можливість підвищення їх точності до 0,0002 завдяки оптимізації систем активного термостатування.

2. Запропоновано в схемах температурного контролю насичених нормальних елементів використовувати мікроелектронні сенсори температури, що забезпечить підвищення стабільності вихідної напруги до 1 мкВ на рік .

3. Розроблено нові конструктивні методи виготовлення оболонок для насичених нормальних елементів, використання яких забезпечує високу стійкість до механічних впливів та зменшує час відновлення робочих параметрів до 48 год.

4. З урахуванням запропонованих методів температурної стабілізації та компенсації показана можливість використання групових мір ЕРС на насичених нормальних елементах в робочих еталонах електричної напруги, включно до першого розряду.

5. Для об'єктивної оцінки якості нововиготовлених нормальних елементів і тих, що перебувають в експлуатації, запропоновано нормувати діапазон вихідної напруги та допустимих відхилень від номінального значення, під час проведення метрологічної повірки та калібрування.

6. Розроблено схемотехнічні рішення побудови твердотільних мікроелектронних мір класу точності 0,005 та 0,01.

7. Розроблено методику метрологічної атестації та калібрування твердотільних мікроелектронних мір сталої напруги.

8. Виготовлено дослідні зразки розроблених мір та проведено експериментальні дослідження їхніх технічних характеристик.

9. На основі результатів метрологічних випробувань дослідних зразків, розроблено проект національного стандарту на міри ЕРС та сталої напруги і запропоновано зміни до діючих нормативних документів.

10. Отримані у федеральному фізико-технічному інституті РТВ м. Брауншвейг (Німеччина) результати досліджень розроблених мір використані для проектування робочих еталонів інших фізичних величин у рамках міжнародного проекту.

Список публікацій за темою дисертації

1. Барило Г.І. Методи послаблення завад нормального виду в активних імітаторах опору/ Г.І. Барило, О.В. Бойко, В.І. Матвіїв, П.Г. Столярчук // Вісник НУ „Львівська політехніка”. Автоматика, вимірювання та керування. - 2005. - №530. - C. 61-66.

2. Барило Г.І. Вдосконалення системи температурного контролю робочих еталонів Вольта / Г.І. Барило, Ю.В. Яцук // Вісник Вінницького ДТУ «Автоматика та інформаційно-вимірювальна техніка». - 2006 - Вип.6.- С. 72-75

3. Барило Г.І. Мікроелектронна міра напруги та електрорушійної сили / Г.І. Барило, О.В. Бойко, О.З. Готра Г. Л. Кучмій //Вісник НУ „Львівська політехніка”. - 2006. - №569. -С.112-116.

4. Барило Г.І. Групова мікроелектронна міра електрорушійної сили і напруги з усередненням / Г.І. Барило, О.В. Бойко, О.З. Готра // “Електроінформ”. - 2008. - №1. - С16-17.

5. Барило Г.І. Підвищення якості нормальних елементів / Г.І. Барило, О.В. Бойко // Вісник НУ „ Львівська політехніка ”. Вимірювальна техніка та метрологія. - 2008 р. - №68 - С.242-244 .

6. Барило Г.І. Комбінована зразкова міра електрорушійної сили та напруги / Г.І. Барило, Є.В. Походило, О.В. Бойко // „Методи та прилади контролю якості”. - 2008 р. - №20 - С.85.

7. Барило Г.І. Підвищення температурної стабільності термостатованих нормальних елементів / Г.І. Барило, О.В. Бойко, Є.В. Походило, П.Г. Столярчук // Вісник НУ „ Львівська політехніка ”. Автоматика вимірювання та керування. - 2008 р. - №608 - С.53-56 .

8. Barylo H. Intelligent Data Acguisition System Error Correction in Working External Conditions / H.Barylo, P.Stoliarchuk,V.Yatsuk, M.Mikhalieva // IDAACS' 2005: proceedings. - Sofia (Bulgaria). - 2005. - P. 51-54.

9. Барило Г.І. Вдосконалення системи температурного контролю робочих еталонів Вольта/ Г.І. Барило, Ю.В. Яцук //. „Автоматика -2006”: ХІІІ міжнар. конфер. 25-28 вересня 2006: тези - Вінниця. - 2006. - C. 160.

10. Барило Г.І. Шляхи побудови низькотемпературних переносних калібраторів напруги / Г.І. Барило, Б.І. Стадник, Ю.В. Яцук // „Метрологія-2006”: міжнар. конфер. 13-15 жовтня 2006 р: праці. - Харків - 2006. - С. 141-146.

11. Барило Г.І. Підвищення якості нормальних елементів / Г.І. Барило, О.В. Бойко // Методи і техніка перетворення сигналів при фізичних вимірюваннях „МСМ'07”: ХV семінар метрологів 6-7 жовтня 2007 р: тези. - Львів-Ряшів. - 2007. - С.100.

Анотація

Барило Г.І. Вдосконалення мір електрорушійної сили і сталої напруги та їх нормативної бази. - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидатта технічних наук за спеціальністю 05.01.02 - «Стандартизація, сертифікація та метрологічне забезпечення». Національний університет «Львівська політехніка», Львів 2009.

Дисертацію присвячено вирішенню актуальних проблем розвитку еталонної бази та створення нормативно-правових актів у сфері вимірювання одиниці постійної напруги - Вольта, зокрема підвищенню точності та забезпеченню стабільності мір напруги побудованих на базі насичених нормальних елементів та реалізації твердотільних мікроелектронних мір сталої напруги. Для досягнення технічних параметрів мір електрорушійної сили, які забезпечують їх використання в системі робочих еталонів, досліджено схеми активного термостатування та схеми температурної компенсації. Розроблено схему та виготовлено дослідний взірець міри електрорушійної сили на базі насичених нормальних елементів. Проведено звіряння розробленої міри з твердотільними мірами напруги FLUKE 732А та еталоном сталої напруги Німеччини у федеральному фізико-технічному інституті РТВ м. Брауншвейг (в рамках міжнародного проекту UKR01/066 від 30.06.2006 р.). Отримані результати підтверджують можливість її використання в системі робочих еталонів Вольта першого розряду.

Запропоновано провести заміну мір напруги, побудованих на ненасичених нормальних елементах, які зараз перебувають в експлуатації, на аналогічні твердотільні міри сталої напруги. Розроблено, реалізовано і досліджено мікроелектронну міру сталої напруги, метрологічні параметри якої дозволяють провести таку заміну.

На основі проведеного аналізу нормативного забезпечення мір напруги та за результатами досліджень запропоновано внести зміни та доповнення до існуючих нормативних документів, а також запровадити новий стандарт, вимоги якого охоплюють усі типи мір електрорушійної сили і сталої напруги, що експлуатуються в Україні.

Ключові слова: державний первинний еталон, робочий еталон, повірочна схема, міра електрорушійної сили, міра сталої електричної напруги, нормальний елемент, робочий засіб вимірювальної техніки.

Аннотация

Барыло Г.И. Совершенствование мер электродвижущей силы и постоянного напряжения а также их нормативной базы. - Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук за специальностью 05.01.02 - Стандартизация, сертификация и метрологическое обеспечение. Национальный университет «Львивська политехника», Львов 2009.

Диссертация посвящена решению актуальных проблем в сфере обеспечения единства измерений постоянного электрического напряжения путём совершенствования средств измерений, а также их нормативной и методической базы.

В диссертации приведено решение научной задачи по усовершенствованию мер электродвижущей силы построенных на насыщенных нормальных элементах Вестона и микроэлектронных твердотельных мер постоянного напряжения, для их использования в системе рабочих эталонов Вольта.

Произведён системный анализ всего парка эксплуатируемых в Украине мер и определены метрологические требования, предъявляемые к таким устройствам. В результате выполненных теоретических исследований и анализа основных принципов построения, разработана схема групповой меры электродвижущей силы, выходные параметры которой удовлетворяют условиям, предъявляемым к рабочим эталонам включительно с первым разрядом. Обеспечение необходимых выходных параметров достигнуто путём совмещения систем активной и пассивной температурной стабилизации. Теоретически обоснована зависимость выходного напряжения при изменениях рабочей температуры, а также изменении градиента температуры каждого отдельного нормального элемента групповой меры.

Исследованы методы температурной компенсации выходного значения электродвижущей силы нормальных элементов, применение которых, при построении мер электродвижущей силы позволяет увеличить стабильность и точность их выходных параметров. При этом предложено компенсировать только значение линейной и квадратической составных значения электродвижущей силы вызванной изменением температуры. Разработана схема температурной компенсации с применением чувствительных микроэлектронных датчиков температуры, которые расположены в термостатированном объёме меры и на оболочке нормальных элементов. Для реализации групповой меры электродвижущей силы предложен конструктивный метод увеличения стойкости насыщенных нормальных элементов к механическим воздействиям предусматривающий фиксацию внутренних ингредиентов.

Усовершенствована и внедрена групповая мера электродвижущей силы, которая обеспечивает метрологические характеристики соответствующие рабочему эталону первого разряда. Проведены исследования выходных параметров опытного образца и установлены зависимости изменения выходного напряжения от влияния температуры и механических воздействий в виде вибрации и единичных ударов.Разработана и экспериментально апробирована схема построения твёрдотельной микроэлектронной меры и исследованы опытные образцы МВ4700 и МВ4810, которые обеспечивают временную стабильность не более 100 мкВ в год, что даёт возможность полностью вывести из эксплуатации ненасыщенные нормальные элементы и при этом обеспечить более высокие метрологические характеристики.

На основании результатов метрологических исследований опытных образцов разработаны проект национального стандарта на меры электродвижущей силы и постоянного напряжения. Внесены предложения к действующим нормативным документам, которые определяют унифицированные требования ко всем типам мер, а также методику их поверки и метрологической аттестации.

Произведено сличение разработанной групповой меры электродвижущей силы с государственным эталоном Германии в физико-техническом институте РТВ г. Брауншвейг (Германия), в рамках международного проекта UKR01/066 от 30.06.2006 г. Полученные результаты подтвердили соответствие выходных параметров разработанной меры требованиям, предъявляемым к рабочим эталонам первого разряда, а также возможность её использования для построения эталонов других физических величин.

Ключевые слова: государственный первичный эталон, рабочий эталон, поверочная схема, мера электродвижущей силы, мера постоянного напряжения, нормальный элемент, рабочее средство измерительной техники.

Annotation

Barylo H.I. Perfection of measures of electromotive force and permanent tension and their normative base. The manuscript.

The dissertation is presented for gaining the scientific degree of the Candidate of Technical Sciences on the speciality 05.01.02 - Standardization, Certification and Metrological Supply; - “L'viv Polytechnic” National University, L'viv, 2009.

The dissertation is dedicated to solving the actual problems of development of standards and creation of legal standard acts in the sphere of measuring the unit of constant voltage, is Volt. Specially, the Dissertation is dedicated to increase of accrual and providing the stability of voltage measures based on saturated normal elements and realization of solid state microelectronic measures of constant voltage. To active the technical parameters of electromotive force measures which are provide their usage in the system of working standards the of active thermostating and schemes temperature compensation were investigated. The scheme of electromotive force measure is elaborated. The experimental sample of measure based on saturated normal elements is produced. The collation of elaborated measure with solid state voltage measures Fluke 732A and standard of constant voltage of Germany in federal Physical-technical institute (Braunschweig) was done in the international project UKR01/066 (30.06.2006). The to received results there of usage of the measure in the system of Volt working standards of first class is the possibility.

It is suggested to substitute voltage measures on nonstaturated normal elements which are exploited for analogical soling state measures of constant voltage. For this there is elaborated, realized and investigated the microelectronic measure of constant voltage based on original schemes solution.

On the base of done analysis of standard measures of voltage measures and results of investigation it is suggested to make changes and additions in the existent standard documents and to introduce new standard, the demands of which include all measures of electromotive force and constant voltage that are exploited in Ukraine.

Key words: state primary standard of Volt, working standard, collation scheme, measure of electromotive force, measure of constant voltage, Weston element, working measures device.

Размещено на Allbest.ru