Метрология, стандартизация и измерения в технике связи

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Классификация средств измерений

1.1 Мера

1.2 Измерительный преобразователь

1.3 Измерительный прибор

1.4 Измерительные устройства

1.5 Вспомогательные СИ

1.6 Измерительные установки и системы

2. Электромеханические измерительные приборы

2.1 Принцип работы и виды электромеханических ИП

2.2 Магнитоэлектрические ИП

2.2.1 Принцип работы магнитоэлектрических ИП

2.2.2 Область применения

2.3 Электромагнитные ИП

2.3.1 Принцип работы электромагнитных ИП

2.3.2 Области применения

2.4 Электродинамические ИП

2.4.1 Принцип работы электродинамических ИП

2.4.2 Область применения

2.5 Ферродинамические ИП

2.5.1 Принцип работы ферродинамических ИП

2.5.2 Область применения

2.6 Электростатические ИП

2.6.1 Принцип работы электростатических ИП

2.6.2 Область применения

2.7 Индукционные ИП

2.7.1 Принцип работы индукционных ИП

2.7.2 Область применения

3. Исторические основы развития стандартизации и сертификации

3.1 Стандартизация

3.1.1 Стихийный этап развития стандартизации (примерно, до 1850 г.)

3.1.2 Этап внутризаводской стандартизации

3.1.3 Этап организованной национальной стандартизации

3.1.4 Этап международной стандартизации

3.1.5 Развитие стандартизации на Руси

3.1.6 Развитие стандартизации в СССР

3.1.7 Роль стандартизации в годы Великой Отечественной войны

3.1.8 Развитие стандартизации в 1945-1991 гг.

3.1.9 Стандартизация в Российской Федерации

3.2 Сертификация

3.2.1 Этап стихийной сертификации

3.2.2 Этап организованной национальной сертификации

3.2.3 Этап международной сертификации и управления качеством (после 1987 г.)

3.2.4 Государственные испытания в СССР - прообраз сертификации

3.2.5 Сертификация в РФ

Вывод

Список литературы

Введение

Метрология - наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности. Предметом метрологии является извлечение количественной информации о свойствах объектов с заданной точностью и достоверностью; нормативная база для этого -- метрологические стандарты.

Метрология сформировалась еще в Древнем мире. Измерения являются одним из «двигателей» прогресса, поэтому знание метрологии очень важно для достижения высоких целей в области науки.

1. Классификация средств измерений

Средство измерения (СИ) - техническое средство, используемое при измерениях и имеющее нормированные метрологические характеристики (МХ). Метрологическими называют характеристики, оказывающие влияние на результат и погрешность измерения. Они входят в состав технических характеристик, определяющих другие свойства СИ (например, диапазон частот, габаритные размеры, вид электропитания и др.) Под нормированием МХ понимается количественное задание определенных номинальных значений и допустимых отклонений от этих значений. Нормирование МХ позволяет оценить погрешность измерения, достичь взаимозаменяемости средств измерения, обеспечить возможность сравнения средств измерений между собой и оценку погрешностей измерительных систем и установок на основе МХ входящих в их состав средств измерений. Именно нормирование МХ отличает СИ от других подобных технических средств (например, измерительный трансформатор от силового трансформатора, измерительный усилитель от обычного усилителя) [1].

Классификация средств измерений:

1. Мера

2. Измерительный преобразователь

3. Измерительный прибор

4. Вспомогательные СИ

5. Измерительные установки

6. Измерительные системы

1.1 Мера

Мера физической величины- средство измерений, предназначенное для воспроизведения и (или) хранения физической величины одного или нескольких заданных размеров, значения которых выражены в установленных единицах и известны с необходимой точностью. Примеры мер: гири, измерительные резисторы, концевые меры длины, радионуклидные источники и др.

Меры, воспроизводящие физические величины лишь одного размера, называются однозначными (гиря), нескольких размеров - многозначные(миллиметровая линейка - позволяет выражать длину как в мм, так и в см). Кроме того, существуют наборы и магазины мер, например, магазин емкостей или индуктивностей.

При измерениях с использованием мер сравнивают измеряемые величины с известными величинами, воспроизводимыми мерами. Сравнение осуществляется разными путями, наиболее распространенным средством сравнения является компаратор, предназначенный для сличения мер однородных величин. Примером компаратора являются рычажные весы.

К мерам относятся стандартные образцы и образцовое вещество, которые представляют собой специально оформленные тела или пробы вещества определенного и строго регламентированного содержания, одно из свойств которых является величиной с известным значением. Например, образцы твердости, шероховатости [2].

1.2 Измерительный преобразователь

метрология измерительный стандартизация сертификация

Измерительный преобразователь (ИП) - техническое средство с нормативными метрологическими характеристиками, служащее для преобразования измеряемой величины в другую величину или измерительный сигнал, удобный для обработки, хранения, индикации или передачи. Измерительная информация на выходе ИП, как правило, недоступна для непосредственного восприятия наблюдателем. Хотя ИП являются конструктивно обособленными элементами, они чаще всего входят в качестве составных частей в более сложные измерительные приборы или установки и самостоятельного значения при проведении измерений не имеют.

Преобразуемая величина, поступающая на измерительный преобразователь, называется входной, а результат преобразования - выходной величиной. Соотношение между ними задается функцией преобразования, которая является его основной метрологической характеристикой.

Для непосредственного воспроизведения измеряемой величины служат первичные преобразователи, на которые непосредственно воздействует измеряемая величина и в которых происходит трансформация измеряемой величины для ее дальнейшего преобразования или индикации. Примером первичного преобразователя является термопара в цепи термоэлектрического термометра. Одним из видов первичного преобразователя является датчик - конструктивно обособленный первичный преобразователь, от которого поступают измерительные сигналы (он «дает» информацию). Датчик может быть вынесен на значительное расстояние от средства измерений, принимающего его сигналы. Например, датчик метеорологического зонда. В области измерений ионизирующих излучений датчиком часто называют детектор.

По характеру преобразования ИП могут быть аналоговыми, аналого-цифровыми (АЦП), цифро-аналоговыми (ЦАП), то есть, преобразующими цифровой сигнал в аналоговый сигнал или наоборот. При аналоговой форме представления сигнал может принимать непрерывное множество значений, то есть, он является непрерывной функцией измеряемой величины. В цифровой (дискретной) форме он представляется в виде цифровых групп или чисел. Примерами ИП являются измерительный трансформатор тока, термометры сопротивлений [2].

1.3 Измерительный прибор

Измерительный прибор- средство измерений, предназначенное для получения значений измеряемой физической величины в установленном диапазоне. Измерительный прибор представляет измерительную информацию в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем.

По способу индикации различают показывающие и регистрирующие приборы. Регистрация может осуществляться в виде непрерывной записи измеряемой величины или путем печатания показаний прибора в цифровой форме. Приборы прямого действия отображают измеряемую величину на показывающем устройстве, имеющем градуировку в единицах этой величины. Например, амперметры, термометры.

Приборы сравнения предназначены для сравнения измеряемых величин с величинами, значения которых известны. Такие приборы используются для измерений с большей точностью.

По действию измерительные приборы разделяют на интегрирующие и суммирующие, аналоговые и цифровые, самопишущие и печатающие.

1.4 Измерительные устройства

Измерительные приборы - общее название измерительных приборов и преобразователей.

Классификация ИУ:

1. по используемым физическим процессам ИУ делятся на: механические, электромеханические, электронные, оптоволоконные и т.д.

2. по физический природе измеряемой величины различают: вольтметры, амперметры, омметры и т.д.

3. по виду измеряемой величины или сигнала измерительной информации, а также по способу обработки сигнала делятся на: аналоговые, цифровые и цифро-аналоговые.

4. по структурному принципу различают: ИУ прямого действия (преобразования), в которых реализуется метод непосредственной оценки, и ИУ сравнения, работа которых основана на методе сравнения.

5. по структурным признакам различают: по числу каналов (одно-, двух-, многоканальные), и по временной последовательности преобразований входных сигналов (одновременное, последовательное преобразования).

6. по точности: образцовые (используемые для поверки других ИУ и утвержденные в качестве образцовых), рабочие (используемые в непосредственно практических измерениях).

7. по частотному диапазону: низкочастотные, высокочастотные, СВЧ ИУ.

8. по месту использования: лабораторные и производственные [1].

1.5 Вспомогательные СИ

Вспомогательное средство измерений- средство измерений той физической величины, влияние которой на основное средство измерений или объект измерений необходимо учитывать для получения результатов измерений требуемой точности. Пример: термометр для измерения температуры газа в процессе измерений объемного расхода этого газа [2].

1.6 Измерительные установки и системы

Измерительная установка и система - совокупность функционально объединенных мер, измерительных приборов и других устройств, предназначенных для измерений одной или нескольких величин и расположенная в одном месте (установка) или в разных местах объекта измерений (система). Измерительные системы, как правило, являются автоматизированными и по существу они обеспечивают автоматизацию процессов измерения, обработки и представления результатов измерений.

Примером измерительных систем являются автоматизированные системы радиационного контроля (АСРК) на различных ядерно-физических установках, таких, например, как ядерные реакторы или ускорители заряженных частиц [2].

2. Электромеханические измерительные приборы

2.1 Принцип работы и виды электромеханических ИП

Электромеханические приборы относятся к приборам прямого преобразования. Структурная схема этих приборов показана на рисунке 2.1.1.

Рисунок 2.1.1 - Схема работы электромеханических ИП

Основными функциональными частями этих приборов (рис. 2.1.1) являются: измерительная цепь (ИЦ), измерительный механизм (ИМ) и отсчетное устройство (ОУ). Они размещаются в общем корпусе.

В ИЦ происходит преобразование входного сигнала Х в одну или две промежуточные электрические величины У₁и У₂ (например, токиI₁иI₂ или напряжение U), воздействующие на ИМ. ИЦ может также служить для расширения пределов измерений и компенсации погрешностей.

В ИМ происходит преобразование электромагнитной энергии W_e, обусловленной наличием промежуточных величин У₁и У₂, в механическую. ИМ состоит из неподвижной и подвижной частей. Под действием измеряемой величины в измерительном механизме создается вращающий момент М_ВР, поворачивающий подвижную часть ИМ. В общем случае вращающий момент зависит от измеряемой величины Х и угла поворота подвижной части?: М_ВР= f(X,?). Для электромеханических приборов вращающий момент находится как

(2.1)

В зависимости от принципа действия ИМ применяются следующие группы (системы) приборов:

1. магнитоэлектрическая

2. электромагнитная

3. электродинамическая

4. ферродинамическая

5. электростатическая

6. индукционная

Принцип действия ИМ различных групп приборов основан на взаимодействии: 1) магнитоэлектрических ИМ - магнитных полей постоянного магнита и проводника с током; 2) электромагнитных - магнитного поля, создаваемого проводником с током, и ферромагнитного сердечника; 3) электродинамических (и ферродинамических) - магнитных полей двух систем проводников с токами; 4) электростатических - двух систем заряженных электродов; 5) индукционных - переменного магнитного поля проводника с током и индуцированных этим полем вихревых токов в подвижном элементе (например, в алюминиевом диске счетчика электрической энергии переменного тока). В результате подобного взаимодействия в ИМ и создается вращающий момент М_ВР.

Если бы в ИМ действовал только вращающий момент М_ВР, то подвижная часть ИМ отклонилась бы до упора независимо от значения измеряемой величины. Для того чтобы каждому значению Х соответствовало определенное значение, момент М_ВР уравновешивается противодействующим моментом М_ПР, зависящим оти направленным в сторону, обратную М_ВР. В большинстве приборов момент М_ПР создается спиральными пружинами или растяжками, и в этом случае М_ПР= W?:, где W - удельный противодействующий момент пружин или растяжек. В логометрах (приборах для измерения отношения токов) момент М_ПР создается измеряемой величиной Х, и в этом случае М_ПР=f(Х). При установившемся отклонении подвижной части М_ВР = М_ПР.

Отклонения подвижной части ИМ наблюдают с помощью отсчетного устройства ОУ, т.е. части конструкции прибора, предназначенной для отсчитывания значений измеряемой величины. В электромеханических приборах ОУ состоит из шкалы и указателя (стрелки или светового указателя). По ОУ определяют показание измерительного прибора Х_П, т.е. значение измеряемой величины в принятых единицах этой величины. Номинально Х_П = Х. Для соответствия значения Х определенному значению Х_П необходимо, во-первых, чтобы параметры ИЦ, ИМ и ОУ при определенных внешних условиях были постоянными и, во-вторых, чтобы отклонения этих параметров при различных внешних условиях вызывали малые изменения показаний, допустимые для данного прибора.

При отклонении подвижной части прибора механическим толчком от положения равновесия на угол Дб она снова приходит в положение равновесия под влиянием устанавливающего момента М_У, равного разности моментов М_ВР и |-М_ПР|. Момент М_У всегда направлен в сторону, обратную изменению отклонения подвижной части Дб. Производная от устанавливающего момента по углу отклонения называется удельным устанавливающим моментом М_УУ

(2.2)

В приборах с креплением подвижной части на кернах этот момент является важной характеристикой, определяющей степень нечувствительности прибора к затираниям. Чем больше у прибора М_УУ, тем меньше у него вариация показания. В магнитоэлектрическом приборе М_УУ остается постоянным вдоль всей шкалы прибора и равен удельному противодействующему моменту W. На подвижную часть ИМ кроме М_ВР и М_ПР действуют и другие моменты: успокоения М_УСП, трения М_ТР (в приборах на кернах), инерции М_ИН=J(d²б/dt²).

Момент успокоения М_УСП действуют только при движении подвижной части, создается успокоителем и направлен навстречу этому движению [3].

2.2 Магнитоэлектрические ИП

2.2.1 Принцип работы магнитоэлектрических ИП

Основной функциональной частью магнитоэлектрического прибора является измерительный механизм. Конструктивно магнитоэлектрический механизм выполняется либо с подвижной катушкой (рамкой), либо с подвижным магнитом. Большее применение имеет группа с подвижной рамкой.

Принцип действия магнитоэлектрического механизма основан на взаимодействии магнитных полей постоянного магнита и катушки (рамки), по которой протекает ток. Противодействующий момент может создаваться механическим и электромагнитным способами. На рисунке 2.2.1 показана конструкция магнитоэлектрического прибора с механическим противодействующим моментом.

Магнитная система ИМ состоит из постоянного магнита 1, магнитопровода с полюсными наконечниками 4, сердечника 3. Между полюсными наконечниками находится катушка (рамка) 2, по которой протекает ток J (пружинки, создающие противодействующий момент на рисунке не показаны). Рамка соединена со стрелкой 5, перемещающейся по шкале 6. При прохождении тока J по рамке 2, помещенной в равномерное, постоянное магнитное поле с индукцией B, создается вращающий момент , действующий на подвижную часть магнитоэлектрического механизма.

, (2.3)

где - потокосцепление магнитного поля постоянного магнита с рамкой; В - магнитная индукция в воздушном зазоре между полюсными наконечниками; n - число витков рамки; S - активная площадь рамки;- угол поворота рамки.

Рисунок 2.2.1 - Конструкция магнитоэлектрического прибора

Противодействующий момент создается пружинками и равен

,

где W- удельный противодействующий момент.

Из равенства можно получить следующее уравнение преобразования магнитоэлектрического измерительного механизм

(2.4)

Противодействующий момент в магнитоэлектрическом ИМ может создаваться и электрическим способом. Этот способ используется в логометрическом ИМ. В таком механизме подвижная часть выполняется в виде двух жестко скрепленных между собой рамок 1 и 2, как показано на рисунке 2.2.2. По обмоткам рамок протекают токи I₁и I₂, которые создают моменты М₁ и М₂.



Рисунок 2.2.2 - Подвижная часть ИМ с двумя рамками

Направления токов выбираются таким образом, чтобы моменты М1 и М2 действовали навстречу друг другу.

Записав выражения для моментов в виде М1= S1n1F1(a)I1; М2=Sn2F1(a)I2. Считая один из моментов вращающим, например, М1, а второй М2- противодействующим, при установившемся равновесии выражение для угла отклонения подвижной части можно представить в виде a=F(I1/I2). Из данного выражения видно, что магнитоэлектрический логометр измеряет отношение токов. Логометрические измерительные механизмы очень часто используются в приборах для измерения сопротивления. Показания таких приборов не зависят от напряжения питания [3].

2.2.2 Область применения

Магнитоэлектрические приборы являются наиболее распространенной группой электромеханических приборов.

Магнитоэлектрические приборы применяют в качестве: 1) амперметров и вольтметров для измерения токов и напряжений в цепях постоянного тока (для этих целей приборы других групп используют в редких случаях); 2) омметров; 3) гальванометров постоянного тока, используемых в качестве нулевых индикаторов, а также для измерения малых токов и напряжений; 4) баллистических гальванометров, применяемых для измерений малых количеств электричества; 5) приборов для измерений в цепях переменного тока: а) осциллографических гальванометров, применяемых для наблюдения и записи быстропротекающих процессов; б) вибрационных гальванометров, используемых в основном в качестве нулевых индикаторов переменного тока; в) выпрямительных, термоэлектрических и электронных приборов, содержащих преобразователь переменного тока в постоянный.

Достоинствами магнитоэлектрических приборов являются: 1) высокая чувствительность; 2) высокая точность; 3) малое собственное потребление мощности; 4) равномерная шкала; 5) малое влияние внешних магнитных полей.

К недостаткам магнитоэлектрических приборов можно отнести: 1) невысокую перегрузочную способность; 2) сравнительно сложную конструкцию; 3) применение, при отсутствии преобразователей, только в цепях постоянного тока.

Магнитоэлектрические приборы занимают первое место среди других электромеханических приборов. Они выпускаются вплоть до класса точности 0,05, а по чувствительности с током полного отклонения до 0,1 мкА (при классе точности 1,5)[3].

2.3 Электромагнитные ИП

2.3.1 Принцип работы электромагнитных ИП

Основной частью электромагнитного прибора является электромагнитный ИМ. Принцип действия электромагнитного измерительного механизма основан на взаимодействии магнитного поля, создаваемого проводником с током, и ферромагнитного сердечника.

В настоящее время применяется большое число различных типов электромагнитных приборов, которые различаются по назначению, конструкции ИМ, форме катушек и сердечников и т.д.

В зависимости от инерционности подвижной части или частоты ее собственных колебаний все электромагнитные приборы разделяются на две группы: резонансные и нерезонансные. Резонансные работают только на переменном токе. В нерезонансных приборах момент инерции подвижной части значителен, и смещение подвижной части пропорционально квадрату действующего значения тока.

Обе группы приборов делятся на две подгруппы: поляризованные и неполяризованные. В поляризованных приборах кроме намагничивающей катушки имеется постоянный магнит. Поляризованные нерезонансные приборы не обладают высокой точностью. Из резонансных приборов в основном применяются язычковые герцметры.

В зависимости от характера магнитной цепи нерезонансные приборы разделяются на приборы с магнитопроводом, условно называемым замкнутым, и без магнитопровода. Приборы с магнитопроводом имеют меньшее собственное потребление мощности, но вместе с этим и значительные погрешности из-за потерь в магнитопроводе от вихревых токов и гистерезиса. Приборы без магнитопровода имеют малое собственное магнитное поле и большую зависимость показаний от влияния внешних магнитных полей и позволяют создать приборы высокой точности для работы на постоянном и переменном токе. Эти приборы подразделяются на приборы отталкивающего и втяжного действия. В приборах первого типа расположенные внутри катушки с током ферромагнитные сердечники намагничиваются одноименно и отталкиваются друг от друга (рисунок 2.3.1).

Рисунок 2.3.1 - Прибор с магнитопроводом:

1 - катушка; 1 - катушка;

2 - подвижный сердечник; 2, 3 - призматические сердечники;

3 - неподвижный сердечник; 4 - ось; 4 - ось; 5 - пружинка;

5 - пружинка; 6 - стрелка. 6 - стрелка.

В приборах второго типа подвижный ферромагнитный сердечник втягивается в магнитное поле катушки с током (рисунок 2.3.2)

Рис. 2.3.2 - Прибор без магнитопровода

1 - плоская катушка; 2 - сердечник; 1 - катушка; 2 - стержень;

3 - магнитный шунт; 3, 5 - полюсные наконечники;

4 - ось. 4 - сердечник.

В настоящее время чаще других применяют электромагнитные измерительные механизмы с прямоугольными и круглыми намагничивающими катушками, призматическими и цилиндрическими сердечниками.

При прохождении тока Jпо намагничивающей катушке 1 в результате взаимодействия электромагнитного поля катушки и сердечника возникает вращающий момент МВР, который определяется по формуле

, (2.5)

где L - индуктивность катушки.

Противодействующий момент может создаваться как с помощью спиральных пружинок так и электрическим способом (в электромагнитных логометрах), а успокоение подвижной части механизма осуществляется воздушным или магнитоиндукционным успокоителем.

При создании противодействующего момента с помощью пружинок получим уравнение преобразования электромагнитного прибора

(2.6)

Из выражения (2.6) следует, что угол отклонения подвижной части электромагнитного механизма не зависит от направления тока, и эти ИМ могут использоваться в цепях постоянного и переменного тока. В цепи переменного тока они измеряют действующее значение тока (или напряжения) [3].

2.3.2 Области применения

Приборы на основе электромагнитного измерительного механизма применяются для измерения тока и напряжения в цепях постоянного и переменного тока. Наиболее просто реализуются однопредельные электромагнитные амперметры и миллиамперметры.

Однопредельные амперметры и миллиамперметры имеют наиболее простую ИЦ, состоящую из одной рабочей катушки механизма, включаемой непосредственно в сеть. Разные пределы измерения по току в таких амперметрах получают изменением числа витков и сечения провода катушки при одинаковых ампер-витках. При очень больших токах (200--300 А) рабочая катушка превращается в виток из медной шины. Для расширения пределов измерения амперметров переменного тока используют измерительные трансформаторы тока.

В многопредельных амперметрах, применяемых в качестве переносных приборов, рабочую катушку выполняют секционированной и с помощью переключателя получают различные схемы соединения секций катушки. Двух предельные амперметры имеют две секции, включаемые последовательно или параллельно, а трех предельные - четыре, включаемые последовательно, смешанно или параллельно.

Применение терморезисторов (термисторов) с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления дает возможность одновременно снизить температурную погрешность и собственное потребление вольтметра. В схеме вольтметра с терморезистором для получения температурной компенсации в широком интервале температур терморезистор Rt шунтируют проволочным резистором Rшиз манганина и этим выпрямляют его температурную характеристику. Можно применять терморезисторы и для многопредельных переносных вольтметров класса 0,5.

Промышленностью выпускаются электромагнитные амперметры с номинальным током от долей ампера до двухсот ампер. Большое распространение получили щитовые амперметры и вольтметры переменного тока промышленной частоты класса точности 1,5 и 2,5. В некоторых случаях они могут использоваться на повышенных частотах (амперметры до 8 кГц). Лабораторные приборы выпускаются классов точности 0,5 и 1,0. Кроме рассмотренных измерительных механизмов, применяют также и электромагнитные логометрические механизмы. Электромагнитные логометры применяются в фазометрах, фарадомерах, частотомерах.

Электромагнитные приборы обладают рядом достоинств, к которым можно отнести:

1) возможность использования, как на постоянном, так и на переменном токе; 2) простоту конструкции и дешевизну; 3) надежность в эксплуатации; 4) широкий диапазон пределов измерений; 5) способность выдерживать большие перегрузки и др.

Недостатками электромагнитных приборов являются:

1) большое собственное потребление энергии; 2) малая чувствительность; 3) сильное влияние внешних магнитных полей; 4) неравномерность шкалы. Следует отметить, что изменяя форму сердечника и его расположение в катушке, можно получить практически равномерную шкалу, начиная с 20-25 % верхнего предела измеряемой величины[3].

2.4 Электродинамические ИП

2.4.1 Принцип работы электродинамических ИП

Электродинамический ИМ состоит из системы неподвижных и подвижных катушек (рамок), стойки, упругих элементов, успокоителя, отсчетного устройства, средств магнитной защиты. Катушки выполняют круглыми или прямоугольными. Круглые катушки дают, по сравнению с прямоугольными, увеличение чувствительности на 15--20%. Приборы с прямоугольными катушками имеют меньшие размеры прибора по вертикали.

Неподвижные катушки обычно выполняют из двух половин (секций) 1 (рисунок 2.4.1). При этом, изменяя расстояние между катушками, можно менять конфигурацию магнитного поля. Подвижные катушки 2 размещают внутри неподвижных. На оси подвижной катушки закрепляется стрелка 3.Вращающий момент создается при взаимодействии магнитного поля, создаваемого током I₁, проходящим по катушке 1, и магнитным полем, создаваемым током I₂, проходящим через катушку 2. Электромагнитная энергия W_eдвух контуров с токами

, (2.7)

где L1, L2 - индуктивность неподвижной и подвижной катушек; M12 - взаимная индуктивность катушек.

Рис. 2.4.1 - Электродинамические ИМ

Так как индуктивность катушек не зависит от угла поворота, поэтому вращающий момент, действующий на подвижную катушку 2

. (2.8)

При механическом создании противодействующего момента угол отклонения подвижной может быть определен по формуле

. (2.9)

При протекании по катушкам переменных токов сдвинутых по фазе на угол:

и . (2.10)

Мгновенное значение вращающего момента

. (2.11)

Так как подвижная часть ИМ реагирует на среднее значение М_ВР равное

, (2.12)

где I₁и I₂- действующие значения токов;?- угол сдвига фаз между векторами токов I₁и I₂.

Угол отклонения подвижной части равен

. (2.13)

В электродинамических логометрических измерительных механизмах противодействующий момент создается электрическим способом. Подвижная часть такого механизма состоит из двух 2 и 3 (рисунок 2.4.2) жестко закрепленных между собой под определенным углом?катушек[3].

Рисунок 2.4.2 - Электродинамический логометрический ИМ

2.4.2 Область применения

Электродинамические приборы применяют в качестве: 1) ваттметров постоянного и переменного токов (ваттметры переменного тока делятся на однофазные, трехфазные и малокосинусные); 2) амперметров и вольтметров переменного тока и реже - постоянного; 3) фазометров (однофазных и трехфазных); 4) частотомеров; 5) фарадометров.

Электродинамические приборы характеризуются высоким классом точности (электродинамические амперметры, миллиамперметры, вольтметры и однофазные ваттметры класса точности 0,05; фазометры -- класса 0,1; частотомеры и различного типа ваттметры -- класса 0,5). Как правило, точность сохраняется при переходе с постоянного тока на переменный, что позволяет выполнять градуировку на постоянном токе.

Высокая точность электродинамических приборов объясняется тем, что электродинамические ИМ не содержат ферромагнитных или других нелинейных элементов, наличие которых вызывает трудно компенсируемые погрешности. Показания электродинамических приборов отличаются также высокой стабильностью во времени. Высокая точность этой группы приборов позволяет использовать их в качестве образцовых при градуировке и проверке приборов других систем на переменном токе. Частотный диапазон применения электродинамических приборов достигает (в расширенной области частот) для амперметров 10 кГц, для вольтметров и ваттметров -- 5 кГц. Ваттметры имеют практически равномерную шкалу, амперметры и вольтметры -- равномерную шкалу, начиная приблизительно с 15--20% ее номинального значения. По чувствительности электродинамические приборы уступают магнитоэлектрическим. Однако применение растяжек и светового указателя позволило улучшить этот параметр. Так, имеются миллиамперметры стоком полного отклонения I_H= 1 мА (чаще всегоI_H для этих приборов составляет 3-5 мА, а для приборов с установкой подвижной части на кернахI_H = 25 - 30 мА).

В основном электродинамические приборы применяют в качестве самых разнообразных ваттметров, а также высокоточных амперметров и вольтметров. Выпускают и комбинированные электродинамические приборы - ампервольтваттметры.

2.5 Ферродинамические ИП

2.5.1 Принцип работы ферродинамических ИП

В основе ферродинамических приборов лежит ферродинамический измерительный механизм. Принцип действия ферродинамического измерительного механизма заключается во взаимодействии магнитных полей двух систем проводников с токами, и по существу является разновидностью электродинамического механизма. Отличие заключается в том, что для увеличения чувствительности ИМ содержит магнитопровод из магнитно-мягкого материала.

Наличие магнитопровода значительно увеличивает магнитное поле в рабочем зазоре и при этом возрастает вращающий момент.

Рисунок 2.5.1 - Ферродинамический ИМ

В общем случае ИМ механизм включает в себя неподвижную катушку (катушку возбуждения), подвижную часть и магнитопровод. На рисунке 2.5.1 показан один из вариантов конструктивного исполнения ферродинамического ИМ. Магнитная цепь по устройству близка к магнитной цепи магнитоэлектрического ИМ, в котором постоянный магнит заменен электромагнитом. Вращающий момент ферродинамического ИМ возникает в результате взаимодействия подвижной катушки 1 с током и потока, создаваемого неподвижной катушкой 2. Подвижная часть соединяется с указателем 4. При протекании токаI₁по неподвижной катушке и работе на линейном участке кривой намагничивания материала магнитопровода 3 индукцию в рабочем зазоре можно найти как

, (2.14)

где К₁- коэффициент, зависящий от конструктивного исполнения ИМ.

Учитывая, что подвижная часть будет реагировать, вследствие своей инерционности, на среднее значение вращающего момента можно написать

, (2.15)

гдеS₂,n₂иI₂ - площадь, число витков и ток подвижной катушки; I₁иI₂- действующие значения токов в неподвижной и подвижной катушке;cos(I₁,I₂) - косинус угла между векторами токовI₁иI₂.

Если противодействующий момент создается при помощи упругих элементов, то для статического равновесия

(2.16)

б - угол отклонения подвижной части; К = К₁S₂n₂ [3].

2.5.2 Область применения

Ферродинамические измерительные механизмы применяются в амперметрах, вольтметрах, ваттметрах, частотомерах и фазометрах. По сравнению с аналогичными приборами других систем они обеспечивают большой вращающий момент при сравнительно малых габаритах, что требуется, например, в самопишущих приборах или в приборах, предназначенных для работы в условиях тряски и вибрации, когда необходим большой коэффициент добротности.

Вследствие нелинейности кривой намагничивания, наличия гистерезиса и других явлений, присущих магнитным материалам, возрастают основная и некоторые дополнительные погрешности. Поэтому ферродинамические приборы, как правило, выпускают не выше класса точности 0,5 и только в редких случаях - класса точности 0,2.Рабочая частота для ферродинамических приборов обычно 50 или 400 Гц. Допустимые отклонения значения частоты, при которых прибор остается в указанном классе точности, составляют не более 10--20% от ее номинального значения.

Ферродинамическим ИМ свойственны также хорошая защита от влияния внешних магнитных полей, возможность использования магнитоиндукционного успокоения без применения специальных мер защиты от влияния поля магнита успокоителя (что требуется для электродинамических приборов) и некоторые другие особенности.

2.6 Электростатические ИП

2.6.1 Принцип работы электростатических ИП

Электростатические приборы строятся на основе электростатического измерительного механизма, который представляет собой систему подвижных и неподвижных электродов. Под действием напряжения, приложенного к электродам, подвижные электроды отклоняются относительно неподвижных. В электростатических ИМ отклонение подвижной части связано с изменением емкости.

В настоящее время практическое применение нашли два вида измерительных механизмов: в первом изменяется активная площадь электродов (рис.2.6.1.а) (данная конструкция применяется в основном в вольтметрах на низкие напряжения), во втором - расстояние между электродами (рисунок 2.6.1б) (эта конструкция используется в киловольтметрах). Для успокоения используются секторы подвижных электродов (в магнитноиндукционных успокоителях) или крыльчатые воздушные успокоители.

На рисунке 2.6.1а показан механизм с изменением активной площади электродов. Неподвижная часть ИМ состоит из одной или более камер 1, в воздушные зазоры которых свободно входят тонкие пластины 2 подвижной части. Подвижные пластины закреплены на оси вместе со стрелкой 4. При подключении напряжения к электродам 1 и 2 под действием электростатических сил, подвижные пластины 2 втягиваются в воздушные зазоры камер 1. При этом стрелка перемешается по шкале. Угол поворота б подвижной части находится из равенства вращающего и противодействующего моментов, возникающих в измерительном механизме

. (2.17)

где С - емкость между пластинами; U - приложенное к электродам.

Электростатические ИМ обладают малым вращающим моментом. Для получения необходимой величины M_ВР число активных сторон электродов выбирают от 4 до 20 за счет многокамерной или многолучевой системы электродов. Для повышения чувствительности также применяют крепление подвижной части на растяжках. Кроме того, многие современные механизмы имеют световой отсчет, который позволяет увеличить чувствительность прибора, уменьшить массу и момент инерции подвижной части и улучшить характер шкалы.

Рисунок 2.6.1 - Электростатический ИМ

Из (2.17) следует, что угол отклонения подвижной части не зависит от полярности приложенного напряжения. В случае переменного напряжения угол отклонения подвижной части пропорционален квадрату действующего значения напряжения.

Для получения равномерной шкалы необходимо выполнить условие

, (2.18)

где k - конструктивная постоянная ИМ.

Практически равномерный шкалы на всем ее протяжении (от 0 до б_МАХ) получить нельзя, так как при малых углах емкость ИМ должна быть отрицательной.

Для того чтобы получить характер шкалы вольтметра, близкий к равномерному, применяют один из двух методов выравнивания шкалы: а) метод разбивки шкалы на два участка; б) метод создания начальной емкости. По первому методу шкалу вольтметра разбивают на два участка: квадратичный и равномерный. По второму методу при соответствующем выборе формы подвижных и неподвижных электродов можно получить практически равномерную шкалу на участке от 25% до 100% от ее номинального значения) [3].

2.6.2 Область применения

Электростатические приборы характеризуются: 1) весьма малым собственным потреблением мощности на постоянном токе и низких частотах. Это, объясняется тем, что оно обусловлено только кратковременным зарядным током и протеканием весьма малых токов утечки через изоляцию. На переменном токе потребление мощности также невелико ввиду малой емкости ИМ и малых диэлектрических потерь в изоляции; 2) широким частотным диапазоном (от 20 Гц до 35 МГц); 3) малой зависимостью показаний от изменений формы кривой измеряемого напряжения; 4) возможностью использования их в цепях постоянного и переменного токов для непосредственного измерения высоких напряжений (до 300 кВ) без применения измерительных трансформаторов напряжения. Наряду с этим электростатические приборы имеют и недостатки: они подвержены сильному влиянию внешних электростатических полей, обладают низкой чувствительностью к напряжению, имеют неравномерную шкалу, которую необходимо выравнивать за счет выбора формы электродов, и др.

Точность электростатических приборов можно получить высокой за счет применения специальных конструктивно-технологических мероприятий по снижению погрешностей. В настоящее время разработаны переносные приборы классов точности 0,2; 0,1 и 0,05.

Эти приборы используют главным образом для измерения напряжения в цепях постоянного и переменного токов. Выпускаются щитовые вольтметры на напряжения от 30 В до 15 кВ классов точности 1,0 и 1,5 с частотным диапазоном от 20 Гц до 3 МГц. Переносные вольтметры классов точности 0,5; 1,0 и 1,5 выпускаются на напряжения от 10 В до 3 кВ с частотным диапазоном до 35 МГц. МГц. Вольтметры самой высокой точности (классов 0,05 и 0,1) имеют пределы измерения 50, 150 и 300 В и частотный диапазон от 20 Гц до 500 кГц. Выпускаются высоковольтные приборы на напряжения от 7,5 до 300 кВ.

Кроме измерения напряжения электростатические приборы используют для измерения других электрических величин (мощности, сопротивления, индуктивности и т.п.). Измерительные механизмы электростатической системы применяют также во многих специальных приборах (автокомпенсаторах, компараторах, высокочувствительных электрометрах и др.).

Для измерения напряжения и других величин, функционально с ним связанных (например, мощности), применяются электрометры - приборы с тремя электродами, находящимися под разными потенциалами. Наиболее распространены квадрантные электрометры с подвижным электродом-бисквитом и двумя парами неподвижных электродов - квадрантов (противоположные квадранты электрически соединены между собой). В электрометрах можно использовать напряжения вспомогательного источника, что позволяет повысить чувствительность при изменениях на постоянном токе (потенциала, заряда).

Квадрантный электрометр по схеме бисквитного включения применяется также для измерения мощности. В этом случае на обе пары квадрантов 1 и 3 подается напряжение U_Ш с шунта R_ш, по которому протекает ток I измеряемой цепи, а подвижный электрод 2 подключается к напряжению U измеряемой цепи. При этом вращающий момент электрометра пропорционален произведению UU_шcos (угол между напряжениями), т.е. его можно использовать в качестве ваттметра. Показание прибора пропорционально сумме измеряемой мощности и половины мощности потерь в шунте, т. е. в показания прибора необходимо вводить поправку [3].

2.7 Индукционные ИП

2.7.1 Принцип работы индукционных ИП

Конструктивно индукционный измерительный механизм состоит из одного или нескольких неподвижных электромагнитов и подвижной части, которая обычно выполняется в виде алюминиевого диска, укрепленного на оси. Переменные магнитные потоки, направленные перпендикулярно плоскости диска, пронизывая последний, индуктируют в нем вихревые токи. Взаимодействие потоков с токами в диске вызывают перемещение подвижной части.

По числу магнитных потоков, пересекающих подвижную часть, они могут быть однопоточными и многопоточными. Однопоточные индукционные механизмы в измерительной технике в настоящее время не применяются.

На рисунке 2.7.1а показано принципиальное устройство двух поточного индукционного ИМ. Токи I₁и I₂, протекающие по обмоткам электромагнитов 1 и 2, возбуждают в сердечниках 1 и 2 магнитные потоки Ф₁и Ф₂, сдвинутые по фазе на угол ш. Эти потоки, пронизывая диск 3, наводят в нем вихревые токиI_1,2 иI_2,2. Потоки Ф₁и Ф₂, пронизывающие диск 3 токиI_1,2 иI_2,2.в диске показаны на рис. 2.7.1.б в виде окружностей.

Рисунок 2.7.1 - Индукционный ИМ

Взаимодействие потоков с токами в диске создает момент. В первом приближении можно считать, что индуктивное сопротивление диска мало пол сравнению с его активным сопротивлением. В этом случае вращающие моменты от взаимодействия потока Ф₁и токаI_1,2, а также потока Ф₂и токаI_2,2 будут практически равны нулю.

Вращающие моменты от взаимодействия потока Ф₁и токаI_2,2, а также потока Ф₂и токаI_1,2 будут практически равны

. (2.19)

Оба этих момента действуют на подвижную часть в одну сторону. Разные знаки у моментов указывают на то, что один контур тока втягивается в поле, а другой - выталкивается из соответствующего поля.

Результирующий момент:

, (2.20)

где С = С₂С₃+ С₁С₄; f - частота изменения потоков.

Выражение (2.20) для М_ВР является общим для всех многопоточных индукционных ИМ. Это выражение показывает следующее:

1. для создания вращающего момента необходимо иметь не менее двух переменных магнитных потоков или двух составляющих одного потока, сдвинутых по фазе и смещенных в пространстве;

2. вращающий момент достигает максимального значения при сдвиге фаз между потоками равным 90⁰;

3. вращающий момент зависит от частоты [3].

2.7.2 Область применения

Индукционные механизмы в основном используются в счетчиках электрической энергии. Рассмотрим применение индукционных измерительных механизмов на примере однофазного тангенциального счетчика электрической энергии.

Промышленностью выпускаются однофазные и трехфазные счетчики электрической энергии [3].

3. Исторические основы развития стандартизации и сертификации

Стандартизация - это деятельность по установлению правил и характеристик в целях их добровольного многократного использования, направленная на достижение упорядоченности в сферах производства и обращения продукции и повышение конкурентоспособности продукции, работ или услуг.

Сертификация - это деятельность по подтверждению соответствия продукции установленными правилами (требованиями).

3.1 Стандартизация

3.1.1 Стихийный этап развития стандартизации (примерно, до 1850 г.)

Можно предположить, что необходимость в стандартизации одними из первых ощутили охотники, использовавшие лук и стрелы, еще во времена первобытнообщинного строя. Действительно, они довольно быстро обнаружили, что для меткого попадания в цель необходимо использовать стрелы определенной длины с наконечниками определенного размера и веса. Использование жердей одинаковой длины при строительстве жилья также следует считать прообразом стандартизации. После изобретения колеса стала очевидной необходимость использования колес стандартных размеров. Другим примером стандартизации можно считать использование монет одинаковых размеров, формы и веса.

В Древнем Риме применяли стандартные трубы для изготовления водопроводов. Еще в древнем Египте при строительстве пользовались кирпичами постоянного "стандартного" размера, при этом специальные чиновники занимались контролем размеров кирпичей. Замечательные памятники греческой архитектуры - знаменитые храмы, их колонны, портики - собраны из сравнительно небольшого числа "стандартных" деталей. Древние римляне применяли принципы стандартизации при строительстве водопроводов - трубы этих водопроводов были одного постоянного размера.

В средние века с развитием ремесел методы стандартизации стали применяться все чаще и чаще. Так, были установлены единые размеры ширины тканей, единое количество нитей в ее основе, даже единые требования к сырью, используемому в ткацком производстве.

В 1785 г. французский инженер Леблан изготовил партию ружейных замков - 50 штук, причем каждый из этих замков обладал важным качеством - взаимозаменяемостью; его можно было использовать в любом из ружей без предварительной подгонки [4].

3.1.2 Этап внутризаводской стандартизации

Во второй половине ХIХ в. работы по стандартизации проводились почти на всех промышленных предприятиях. Благодаря внутризаводской стандартизации изготовляемых изделий стала возможной рационализация процессов производства; единственная цель, которую при этом преследовали предприниматели - получение более высоких прибылей. Капиталисты быстро поняли, что машинное производство приносит им большие доходы при изготовлении однотипной продукции. Стандартизация развивалась, прежде всего, внутри отдельных фирм, отдельных предприятий. Владельцам заводов была не нужна, невыгодна стандартизация межзаводская. Однако в дальнейшем, по мере развития общественного разделения труда, все большее значение начинала приобретать стандартизация национальная и даже международная.

Элементы национальной стандартизации появились в различных странах, например:

1. в 1846 г. в Германии были унифицированы ширина железнодорожной колеи и сцепные устройства для вагонов;

2. в 1870 г. в ряде стран Европы были установлены стандартные размеры кирпичей;

Эти первые результаты национальной и международной стандартизации имели огромное практическое значение для развития производительных сил, однако это были лишь первые шаги [4].

3.1.3 Этап организованной национальной стандартизации

На исходе ХIХ и в начале ХХ вв. были достигнуты большие успехи в развитии техники, промышленности и концентрации производства. В связи с этим в наиболее развитых в экономическом отношении странах появилось стремление к организованной национальной стандартизации, в большинстве случаев завершившееся созданием национальных организаций по стандартизации. Так, в 1901 г. в Англии был создан Комитет стандартов, главной задачей которого было содействие усилению экономического могущества Британской империи путем разработки и внедрения стандартов на сырье, промышленные изделия, военную технику.

Усиленная милитаризация многих стран в начале ХХ столетия требовала производства большого количества вооружений при обязательном соблюдении принципа взаимозаменяемости; эту задачу можно было решить только с помощью стандартизации. Поэтому не удивительно, что во время первой мировой войны и сразу после нее было основано несколько национальных организаций по стандартизации, например в Голландии (1916 г.), в Германии (1917 г.), во Франции, Швейцарии и США (1918 г.).

После первой мировой войны стандартизация все больше воспринималась как объективная экономическая необходимость. В это время организации по стандартизации были созданы в Бельгии и Канаде (1919 г.), Австрии (1920 г.), Италии, Японии и Венгрии (1921 г.), Австралии, Швеции, Чехословакии (1922 г.), Норвегии (1923 г.), Финляндии и Польше (1924 г.), Дании (1926 г.) и в Румынии (1928 г.)[4].

3.1.4 Этап международной стандартизации

Однако стандарты, разработанные различными национальными организациями по стандартизации, не были, за немногим исключением, обязательными и оставались, да и сейчас остаются, лишь рекомендуемыми. Владельцы предприятий во всех странах стремятся как можно меньше подвергаться "опеке" со стороны обязательных стандартов, утверждаемых государственными органами. Предпринимателям невыгодна жесткая регламентация типов и видов изготовляемых изделий, она мешает им в конкурентной борьбе.

С развитием промышленного производства стандартизация начала развиваться также и в международном масштабе. Постоянное расширение международного товарообмена и необходимость более тесного сотрудничества в области науки и техники привели к основанию Международной ассоциации по стандартизации (ИСА). В 1939 г. работа ИСА была прервана второй мировой войной.

Помимо ИСО имеются и другие международные и региональные организации по стандартизации.

Например, в рамках Европейского объединения угля и стали была создана в 1953 г. Координационная комиссия по стали, которая была уполномочена разрабатывать так называемые европейские стандарты для шести стран (ФРГ, Франции, Бельгии, Голландии, Италии, Люксембурга), являющихся членами этого объединения[4].

3.1.5 Развитие стандартизации на Руси

Первые сведения о стандартизации в России относятся к 1555 г. При Иване Грозном специальным указом были установлены постоянные размеры пушечных ядер и введены калибры для проверки этих размеров. Но еще ранее русские строители применяли кирпичи "стандартной формы", создавая из ограниченного числа кирпичных профилей множество различных сочетаний.

Период до Петра I характерен только отдельными стандартными решениями. Начало более широкому внедрению стандартизации в производство было положено именно Петром I, со времени правления которого и начинает отсчет русская промышленная стандартизация.

В первом собрании законов Российской империи эпохи Петра I был помещен ряд указов по внедрению стандартизации и взаимозаменяемости.

При построении флота для Азовского похода в качестве образца была использована галера, по которой были изготовлены еще 22 галеры. Это позволило построить флот быстро и качественно.

Особое внимание уделял Петр I стандартизации оружия. Так в указе № 2436 от 15 февраля 1712 г. говорилось: "А ружье драгунское, как и солдатское, также и пистолеты, когда будет повелено, делать одним калибром". Указ определял требования к качеству (оружия).