|
ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ МНОГОЗНАЧНЫХ МЕР
Многозначные меры (магазины) электрического сопротивления уже долгое время используются в метрологии для поверки и калибровки измерителей электрического сопротивления. Фактически, они представляют собой последовательно соединенный набор отдельных резисторов, которые можно включать или отключать от схемы, регулируя суммарно воспроизводимое сопротивление. Несмотря на кажущийся технический минимализм этого оборудования, внутри корпуса многозначных мер сокрыты целые технологии и оригинальные технические решения.
Первые прототипы современных магазинов электрического сопротивления появились еще в 19-м веке. В основе конструкции таких мер использовались катушки сопротивлений, выполненные из сплавов. В качестве наиболее распространенных сплавов изначально использовались – нейзильбер или платиноид, но, из-за нестабильности их параметров во времени, от них постепенно отказались в пользу константана и манганина. Также параллельно развивалась и схема коммутации сопротивлений магазинов. Изначально она предполагала непосредственное соединение выводов внутренних катушек с использованием дополнительных приспособлений, например штепселей или вилок.
Изображение взято с
https://ru.wikipedia.org/wiki/Мера_электрического_сопротивления
Данная схема со временем была вытеснена рычажной коммутацией необходимых номиналов сопротивления. Это позволило реализовать достаточно удобный интерфейс с пользователем, который мог производить набор требуемого сопротивления поворотом регуляторов отдельных декад на заранее промаркированные положения переключателей. Из экзотических модификаций многозначных мер сопротивлений встречаются меры-имитаторы сопротивлений, которые отходят от классической схемы последовательного соединения резисторов и позволяют имитировать высокие сопротивления. Но такой способ воспроизведения сопротивления неприемлем в ряде ситуаций.
Несмотря на различные модификации конструкций многозначных мер сопротивления, включая использование в их составе резисторов и электронного управления коммутацией, в конце 20 века наибольшее распространение получили магазины сопротивлений рычажного типа с манганиновыми катушками сопротивлений.
НЕДОСТАТКИ РАСПРОСТРАНЕННЫХ МАГАЗИНОВ СОПРОТИВЛЕНИЙ
Между тем, актуальный уровень развития приборостроения задал достаточно высокую планку для метрологического обслуживания современных измерителей сопротивления. Повсеместно используемые цифровые измерители параметров электробезопасности используют в процессе проведения измерений кратковременное протекание больших значений тока в измерительных цепях, что не предполагает применение для их поверки широко распространённых мер с небольшими значениями допустимой мощности рассеивания. Также, сегодняшние мегаомметры являются скорее тераомметрами, и рассчитаны на измерение сопротивлений с пределом в десятки тераом и измерительным напряжением до 10 кВ. В этой ситуации, применение всего обширного парка распространенных магазинов сопротивлений для поверки таких измерителей не представляется возможным, как из-за несовместимости верхних порогов диапазонов по сопротивлению, так и по ограничению допустимой мощности рассеивания. Нельзя не отметить и тот факт, что конструкция магазинов сопротивлений, подразумевающая использование механических переключателей декад для установки целевого значения сопротивления, не позволяет придать какую-либо автоматизацию процессу поверки. Безусловно, все эти функциональные ограничения и конструктивные недостатки являются исходной точкой для технического задания по реализации устройств следующего поколения с современным электронным управлением и использованием последних достижений от ведущих производителей резисторов.
НЕМНОГО ИСТОРИИ НАШИХ ДНЕЙ
Компания СОНЭЛ в первую очередь известна как поставщик надежных и функциональных измерителей параметров электробезопасности. В частности, в конце 90-х годов мы представили и первыми внесли в государственный реестр СИ РФ современные цифровые измерители параметров: петли короткого замыкания MZC, устройств защитного отключения MRP и заземляющих устройств MRU. Включение в национальную поверочную схему этих СИ было проведено за счет магазинов сопротивлений OD-1-E2 и OD-2-D производства SONEL. Данные многозначные меры были рассчитаны на использование с кратковременным пропусканием больших значений тока. Также, широко известный измеритель параметров электроизоляции MIC-2500 уже много лет назад был внесен в реестр с инновационными параметрами по напряжению и сопротивлению в 2,5 кВ и 1 ТОм соответственно. Это стало возможным только после заранее проведенных государственных испытаний магазина сопротивлений серии OD-2-W4, который обеспечил метрологию вышеуказанного измерителя. Несмотря на то, что в этой многозначной мере сопротивлений по-прежнему подразумевалась идеология управления с использованием механических переключателей, резисторы магазина были совершенно нового типа, что позволило двигаться параллельно с развитием современных измерителей сопротивления. Впоследствии были добавлены в реестр и высокоомные однозначные меры электрического сопротивления SONEL серии RN-2-W/T, которые проложили дорогу в реестр тераомметрам до 5 ТОм. Метрологическое “покрытие” в виде комплекса вышеуказанных мер сопротивлений SONEL впоследствии обеспечило выход в свет и остальным поставщикам СИ, которые спустя некоторое время подтянулись в реестр со своей продукцией.
Но, несмотря на вроде бы счастливый финал, проблема все равно оставалась. Цена данных продуктов была достаточно высока. Например, стоимость полного набора мер для покрытия всего измерительного диапазона по изоляции до 5 ТОм составляла в ценах 2008-го года более миллиона рублей. К тому же конструктив магазинов сопротивлений не предполагал никакой автоматизации процесса поверки. Но уже через год нашей компанией было запущено производство на территории РФ мер сопротивлений, в рамках которого большинство из этих проблем было успешно решено. Не отвлекаясь более на исторические вехи становления целого сегмента электробезопасности, мы ниже рассмотрим перечень и основные возможности наших технических решений для метрологического обеспечения этой приборной сферы.
МАГАЗИН МЕР СОПРОТИВЛЕНИЙ ПЕТЛИ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ ММС-1
ММС-1, это хоть и пример классической многозначной меры сопротивлений с переключателями рычажного типа, но ряд конструктивных отличий выделяет ее в отдельный класс специализированных эталонов. Измерение сопротивления петли короткого замыкания цифровыми «петлемерами» производится за счет кратковременного замыкания сети электропитания на встроенный в измерительный прибор эталонный резистор. Это обуславливает протекание больших значений тока в измерительной цепи, который может достигать 40 ампер основной частоты. Сопутствующим атрибутом этого процесса неизменно является разогрев проводников, и как следствие уход метрологических характеристик. Для метрологической эмуляции такой сети, кроме указанных моментов, следует учесть и другой важный фактор, - работая на переменном токе, мы должны имитировать не просто сопротивление, а его активную составляющую. Использование широко распространенных магазинов сопротивлений для решения этой задачи неприемлемо, и приведет либо к повреждению их компонентов, либо к искажению предварительно установленных значений сопротивления. Для корректного обеспечения этого процесса необходимо использование специализированной меры, к которой относится ММС-1.
Основу магазина составляют катушки сопротивлений на основе манганина, имеющую бифилярную намотку, покрытые специальным лаком и состаренные в термокамере. Используемые материалы и технология изготовления катушек сопротивления обеспечивают стабильность воспроизведения сопротивления и минимизацию влияния окружающей среды. Это в том числе позволяет обеспечить устойчивость характеристик магазина от воздействия разогрева материала катушек после протекания больших токов. Дополнительная активная система охлаждения предупреждает возможный эффект от этих процессов. За устранение индуктивной составляющей воспроизводимого сопротивления отвечает бифилярный способ намотки манганиновой проволоки, позволяющий «погасить» возникающую на переменном токе реактивность.
Специально подобранные декадные переключатели, также являющиеся частью схемы воспроизведения сопротивления, вносят минимальное влияние в нулевое сопротивление магазина и способны работать на больших токах. Диапазон работы эталона находится в границах 0,1 – 4000 Ом с классом 0,05, что полностью перекрывает потребности поверки измерителей параметров электробезопасности в части активного сопротивления петли КЗ. И конечно, несмотря на заточенность ММС-1 под определенные задачи, его возможно применять и для классических измерений без участия цепи питания.
КАТУШКИ ИНДУКТИВНОСТИ СИЛОВОЙ ЦЕПИ ЭТАЛОННЫЕ LN-1 И МЕРА СОПРОТИВЛЕНИЙ ПЕТЛИ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ ПРЕЦИЗИОННАЯ МНОГОЗНАЧНАЯ RN-1-P
Изолированное использование одного ММС-1 для поверки измерителей полного сопротивления петли КЗ недостаточно, ввиду невозможности управления реактивной составляющей сопротивления. Нам необходимо воздействовать на полное сопротивление петли  через все его составляющие, включая индуктивность L, которая определяет величину реактивной компоненты сопротивления X = 2πfL. К тому же есть специализированные измерители параметров электробезопасности, предназначенные для применения в мощных электроустановках с протеканием токов до 280 А на небольших значениях сопротивлений. С такими параметрами необходимо в конструкции мер применять манганиновую проволоку повышенного сечения. Дополнительно, для получения «чистой» индуктивности нам необходимо обеспечить противоположную по отношению к ММС-1 технологию воспроизведения сопротивления, а именно: минимизировать активную составляющую R при максимально возможной реактивной составляющей.
Таким функционалом обладает комплект катушек индуктивности LN-1, который состоит из трех номиналов с целевыми значениями 0,35 мГн; 1,1 мГн; 2,2 мГн. Совместное использование катушек с магазином сопротивлений ММС-1 позволяет получить полный контроль над имитацией эталонной сети электропитания для поверки самого распространенного класса измерителей сопротивления цепей «фаза-нуль», «фаза-фаза» и «фаза-защитный проводник».
Но в ряде режимов поверки измерителей параметров электробезопасности мощных электроустановок (среди номенклатуры SONEL к ним относится измеритель MZC-310S), дополнительно требуется мера активного сопротивления, позволяющая обеспечить протекание токов до 280 А в четырехпроводном режиме подключения. При этом нет необходимости в воспроизведении множества номиналов сопротивлений, а достаточно наличия небольшого набора контрольных точек в области малых значений. Для таких задач используется прецизионная мера RN-1-P, которая построена на базе четырех катушек сопротивления с толстой проволокой из манганина.
Как и все метрологическое оборудование для поверки «петлемеров», она обладает классом 0,05, и позволяет комбинировать различные сочетания своих резисторов, получая выходные значения в ряде от 0,05 Ом до 2,1 Ом. Для стабилизации работы она также имеет активное охлаждение и интегрируется в измерительную схему совместно с катушками индуктивности LN-1 для получения полноценного поверочного стенда.
МАГАЗИНЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ СЕРИИ MC
Переходя от специализированных технических решений к более распространенным, нельзя не упомянуть про целую серию почти классических магазинов серии МС. “Почти” означает, что все-таки, они также обладают уникальной чертой, о которой мы упомянем чуть позже. В целом, вся серия МС является примером магазинов сопротивлений с рычажным управлением на основе пленочных резисторов для широкой сферы метрологического применения. Исходя из количества декад, серия состоит из шести модификаций магазинов, которые частично или полностью покрывают диапазон сопротивлений от 0,1 Ом до 100 МОм. Каждая модификация может быть изготовлена в трех вариантах исполнения, в соответствии с потребностями по необходимому классу точности, вплоть до класса 0,05
Если проводить параллель между магазинами МС и многозначными мерами, которые были широко распространены в России прошлого века, то основное преимущество МС в повышенной допустимой максимальной мощности рассеивания на ступень одной декады. Для шести младших декад магазина этот параметр составляет 5 Вт и снижается в области МОм до 0,5 Вт. Это черта позволяет применять магазины для специализированных метрологических задач в части поверки некоторых измерительных режимов приборов контроля параметров электробезопасности. Такие характерные для этой сферы понятия, как: напряжение прикосновения, сопротивление заземляющего устройства, сопротивление защитных проводников подразумевают физические процессы с прохождением измерительных сигналов повышенных значений как переменного, так и постоянного тока. Применение серии МС в качестве эталона указанных величин позволяет обеспечить полную метрологическую идентичность при поверке широкого спектра измерителей параметров устройств защитного отключения, заземления, и целого спектра омметров.
КАЛИБРАТОРЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ СЕРИИ КС
Но если до этого мы обсуждали только современные многозначные меры сопротивлений с ручным управлением, стоит упомянуть про эталонное оборудование, позволяющее обеспечить перспективный интерфейс с пользователем, и также обладающее уникальными характеристиками. Наша компания производит на территории РФ несколько модификаций калибраторов электрического сопротивления серии КС. Они построены на базе высоковольтных пленочных резисторов с хорошими значениями коэффициентов TCR (Температурный коэффициент электрического сопротивления) и VCR (Коэффициент изменения электрического сопротивления в зависимости от приложенного напряжения). Это позволяет обеспечить стабильность характеристик при проведении поверки разнообразного класса измерителей сопротивления с широким диапазоном номиналов испытательного напряжения.
Резисторы и коммутационные блоки калибратора расположены в отдельном внутреннем экранированном и герметичном модуле корпуса, управление которым осуществляется с использованием клавиатуры или через специализированное программное обеспечение. Установленное пользователем значение сопротивления обрабатывается центральным процессором, который осуществляет коммутацию необходимых ячеек резисторов. Сформированная калибратором цепь из последовательно соединенных резисторов подключается на входные разъемы лицевой панели. Отдельное внимание в конструкции калибратора уделено вопросам безопасности пользователя и оборудования ввиду потенциального присутствия в измерительной цепи больших значений напряжения, которые могут достигать 10 кВ. Это обеспечивается благодаря использованию сенсорной клавиатуры, широкому применению фторопласта в цепи измерения, внутреннему разделению корпуса калибратора на исполнительный модуль и командный блок, присутствию удаленного управления и гальванической развязки интерфейса USB.
Линейка калибраторов электрического сопротивления серии КС представлена модификациями, возможности которых отражены в таблице 1.
| Модель |
U макс, кВ |
Диапазон |
Основная относительная погрешность, % |
Связь с PC |
| KC-50k0-10G0 |
2,5 |
50 k .. 10 G |
0,1 – 1 |
+ |
| KC-50k0-100G0 |
50 k .. 100 G |
0,05 - 0,5 |
| КС-100k0-5T0 |
5 |
100 k .. 5 T |
1,5 |
Опция |
| KC-10G0-10T0 |
10 |
10 G .. 10 T |
1 - 1,5 |
- |
| KC-100G0-20T0 |
100 G .. 20 T |
1,5 - 3 |
Как видно из приведенной информации, модельный ряд калибраторов варьируется в зависимости от метрологических задач, стоящих перед лабораториями поверки. Давайте рассмотрим отдельных представителей серии чуть подробней.
KC-50k0-10G0 и KC-50k0-100G0
Поверка разнообразного класса измерителей с функцией измерения электрического сопротивления, цифровых и аналоговых мегаомметров начального уровня (в том числе повышенной точности) широко распространена среди лабораторий поверки средств измерений электрических величин. Поверяемые приборы данного класса характеризуются неплохими точностными характеристиками и относительно невысоким измерительным напряжением. Калибраторы KC-50k0-10G0 и KC-50k0-100G0 заточены под удобное решение этой метрологической задачи. При этом первый из них имеет самую минимальную стоимость, а второй самые лучшие метрологические характеристики в рамках серии КС. В стандартной комплектации оба прибора обладают USB-интерфейсом и бесплатным программным обеспечением для расширения функциональных возможностей применения. В частности, режим «подстройка» в программе управления позволяет проводить поверку аналоговых измерителей сопротивления за счет «плавной» регулировки воспроизводимого сопротивления.
KC-100k0-5T0
Калибратор КС-100k0-5T0 является базовой моделью серии КС и построен на основе выпускавшегося в период 2008-2013 калибратора КС-100К5Т. Именно эта модель смогла в себе полностью объединить характеристики набора из шести ранее поставляемых высокоомных мер OD-2-W4 и RN-2-W/T, снизив суммарную стоимость такого комплекта в три раза. За счет самого широкого диапазона воспроизводимых сопротивлений в серии, калибратор обладает очень высокими показателями универсальности. Это позволяет с его использованием проводить верификацию параметров всех без исключения современных измерителей сопротивления изоляции до 5 кВ. Несмотря на отсутствие интерфейса связи с компьютером, эта опция может быть установлена по отдельному запросу как в процессе изготовления, так и в любой момент после начала эксплуатации.
KC-10G0-10T0 и KC-100G0-20T0
Отдельным направлением в серии калибраторов идут две узкоспециализированные модификации KC-10G0-10T0 и КС-100G0-20T0. Их главное предназначение, - это поверка современных тераомметров с измерительным напряжением, достигающим 10 кВ. В данных модификациях по соображениям безопасности не предусмотрен интерфейс связи с PC. При совместном использовании любой из этих модификаций с калибратором КС-100k0-5T0, лаборатория поверки получает мощное технологическое решение, позволяющее закрыть целый сегмент области аккредитации в разрезе электрического сопротивления.
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ С КАЛИБРАТОРОМ
Интерфейс калибратора представлен графическим ЖК-дисплеем, сенсорной клавиатурой и программным обеспечением.
Ручной режим управления кроме непосредственного ввода необходимых значений сопротивления предоставляет возможность запуска встроенных поверочных процедур. Использование процедур позволяет минимизировать время поверки за счет полуавтоматического последовательного перебора заранее установленных контрольных точек. Вмешательство оператора необходимо только для осуществления переходов между точками. Использование данных программ тестирования значительно снижает затраты на проведение полного цикла поверки. По умолчанию калибраторы поставляются с предварительно загруженными процедурами для поверки самых распространенных измерителей сопротивления изоляции SONEL.
При использовании программного обеспечения калибратора возможно расширение возможностей его управления. Основная вкладка программы полностью эмулирует ручное управление, позволяя использовать клавиатуру и «мышь» для подачи необходимых команд.
Для поверки стрелочных измерителей сопротивления в соответствии с ГОСТ 8.409-81 «Омметры. Методы и средства поверки» присутствует раздел «Подстройка». Он позволяет фиксировать и сохранять установленные на калибраторе значения сопротивления при плавном подводе указателя омметра к проверяемой отметке шкалы с обоих сторон. Полученный массив значений возможно экспортировать в текстовый файл для последующего расчета основной погрешности поверяемого измерителя.
В блоке «Программирование» оператор получает возможность самостоятельного создания необходимых поверочных процедур для всех типов поверяемых в лаборатории измерителей сопротивления. Все что для этого необходимо, - ввести наименование поверяемого прибора, заполнить в соответствии с документом на поверку контрольные точки для выбранных измерительных напряжений.
Созданные процедуры возможно сохранять на компьютере для последующего использования. До 10-ти наиболее востребованных процедур возможно записать в память калибратора. Их последующий запуск доступен как при активном подключении к компьютеру, так и в автономном режиме работы.
Программа управления калибратором КС кроме того предоставляет возможность изменения основных настроек работы калибратора, таких как: чувствительность реагирования сенсорной клавиатуры, яркости дисплея, регулировки времени активации спящего режима, и конечно позволяет обновлять встроенное ПО калибратора при появлении новых версий.
СОВМЕСТИМОСТЬ
Серия КС обеспечивает совместимость входных разъемов с большинством современных измерителей, включая средства измерений SONEL и большинство образцов оборудования сторонних производителей.
В стандартном комплекте КС присутствуют необходимые соединительные проводники для сборки надежной измерительной схемы. В случае необходимости подключения устаревших измерителей сопротивления, или современных приборов с неожиданными технологическими решениями в части входных цепей, допускается использовать дополнительные аксессуары в виде металлических втулок соответствующего диаметра и зажимов «крокодил». Но используя такие методы коммутации, следует помнить о внесении дополнительной погрешности в измерительную схему, особенно в верхней области сопротивлений.
Также, иной конструктив терминалов применен в новом поколении узкоспециализированных высоковольтных измерителей параметров изоляции SONEL. Для обеспечения их совместимости с калибраторами КС применяются специальные адаптеры, которые входят в дополнительную комплектацию серии.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Подводя итог краткому экскурсу в современную практическую реализацию закона Ома, можно сделать вывод, что электрическое сопротивление является интереснейшим сегментом физических величин с большим количеством нюансов и целым пластом теоретической базы. Представленные нами технические решения в этой области уже много лет дежурят на метрологической службе системы обеспечения единства измерений и тесно интегрированы в национальную поверочную схему. Подавляющее большинство этой продукции производится на нашей производственной площадке в России и находится в постоянном технологическом развитии. Присутствие в государственном реестре и три года гарантии являются неизменным атрибутом нашей деятельности в направлении разработки и производства средств измерений электрических величин.
|
