Способ и устройство для определения погрешности измерительного шунта на большие значения постоянного тока

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к технике определения погрешности измерительного шунта. Технический результат - расширение функциональных возможностей. Для достижения данного результата через шунт пропускают переменный ток, действующее значение которого равно заданному нормированному значению постоянного тока, в течение заданного нормированного интервала времени, по истечении которого шунт переключают на быстродействующий измеритель сопротивления постоянному току. Причем интервал времени между моментом прекращения протекания испытательного переменного тока и моментом фиксации (регистрации, отсчета) сопротивления шунта должен быть не более заданной величины. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к метрологии, в частности к способу определения погрешности измерительных шунтов на большие значения постоянного тока порядка единиц и десятков килоампер.

Известен способ определения погрешности шунта [1], при котором сопротивление шунта измеряют при постоянных токах, равных 20; 60 и 100% номинального значения, при любом направлении тока. Сопротивление измеряют при установившемся тепловом состоянии шунта. Время установления теплового состояния принимают равным 5; 30 и 60 мин при токах, равных соответственно 20; 60 и 100% номинального значения.

Сопротивление шунта измеряют мостовым, компенсационным или другим методом, обеспечивающим заданную погрешность измерения.

Известен способ определения погрешности шунта [2], при котором действительное значение сопротивления шунта определяют методом сравнения его с сопротивлением меры при помощи компаратора (потенциометра, моста, моста-компаратора) при постоянных токах, равных 20; 60 и 100% номинального, и при двух направлениях тока для исключения влияния термоэлектродвижущей силы; длительность протекания тока соответственно 5, 30 и 60 мин.

Требование определения действительного значения сопротивления шунта при токах, равных 20, 60 и 100% номинального значения, приведенное в [1] и [2], обусловлено тем, что при протекании больших токов происходит нагрев шунта и при этом могут проявиться как скрытые дефекты, которые не проявляются при протекании по ненагретому шунту малых токов, так и температурная зависимость сопротивления шунта.

Определение погрешности шунта при протекании 20; 60 и 100% номинального тока не представляет трудностей, когда номинальный ток шунта не превышает допустимого тока калибровочной установки. Иное положение с шунтами на большие номинальные токи значением, например, 1÷15 кА и более (соответствует сопротивлению 75-5 мкОм и менее для наиболее распространенных шунтов с падением напряжения на потенциальных зажимах 75 мВ).

Недостаток известных методов заключается в сложности получения больших испытательных постоянных токов высокой стабильности, составляющих единицы и десятки килоампер. Вследствие этого отсутствуют соответствующие калибровочные установки. Другим недостатком известных методов является отсутствие мер сопротивления или эталонных шунтов на столь большие значения тока.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является способ определения погрешности измерительных шунтов на большие значения постоянного тока.

В предлагаемом способе в процессе определения погрешностей шунта постоянного тока по нему пропускают не постоянный, а переменный ток, действующее значение которого равно заданному нормированному значению постоянного тока, в течение заданного нормированного интервала времени, по истечении которого шунт переключают на быстродействующий измеритель сопротивления постоянному току, например наноомметр. В этом случае к моменту окончания протекания переменного тока установившееся тепловое состояние шунта будет таким же, как и при протекании постоянного тока. Однако после переключения неизбежно шунт начинает охлаждаться, поэтому интервал времени между окончанием протекания тока и моментом фиксации (регистрации, отсчета) его сопротивления с помощью упомянутого измерителя сопротивления должен быть не более допустимого значения, определяемого из выражения

где Т_ш - постоянная времени остывания шунта;

δR_ш - допускаемое изменение сопротивления шунта за время t_ф;

α_ш - температурный коэффициент сопротивления материала резистивного элемента шунта;

ϑ_у - предельно допустимая температура перегрева резистивного элемента шунта.

Покажем, как определено допустимое значение интервала времени t_ф между окончанием протекания испытательного переменного тока и моментом фиксации сопротивления шунта.

После окончания протекания испытательного тока (окончания нагрева) тепло, накопленное в процессе нагрева, отдается в окружающую среду.

В соответствии с законами термодинамики изменение (уменьшение) превышения температуры шунта над температурой окружающей среды в процессе охлаждения происходит по экспоненциальному закону и определяется формулой

где ϑ - превышение температуры шунта в момент t над температурой окружающей среды;

ϑ_у - установившееся значение превышения температуры шунта над температурой окружающей среды в момент прекращения протекания испытательного тока;

Т_ш - постоянная времени остывания шунта.

Изменение (уменьшение) температуры шунта приводит к изменению (уменьшению) его сопротивления за время переключения на ΔR_ш.

Если обозначить установившееся значение сопротивления шунта в момент окончания протекания тока R_шу, то изменение сопротивления за счет изменения его температуры составит

относительное значение изменения сопротивления по сравнению с сопротивлением шунта в установившемся режиме

где α_ш - температурный коэффициент сопротивления материала резистивного элемента шунта.

В соответствии с выражением (1) температура шунта ϑ_ф в момент t_ф фиксации (отсчета) его сопротивления будет

Отсюда

Подставив (5) в (3) получим:

Преобразование выражения (6) дает

Таким образом, допустимый интервал времени определен выражением

Если задаться некоторым допускаемым значением изменения сопротивления шунта δR_ш за время переключения, практически не влияющим на точность определения погрешности, то по выражению (7) можно рассчитать допустимый интервал времени переключения. Например, для шунтов с резистивным элементом из манганина (наиболее часто применяемым материалом в измерительных шунтах) примем следующие значения величин:

α_ш=5·10^-6 К^-1; ϑ_у≤150К

На практике постоянная времени остывания шунтов на большие токи Т_ш≥600 с.

Задаваясь допустимым значением уменьшения сопротивления шунта при охлаждении δR_ш=-0,005%=-5·10^-5, получим

Устройство, в котором реализован предлагаемый выше способ определения погрешности измерительного шунта, содержит источник стабилизированного переменного тока GA высокой стабильности, быстродействующий измеритель малых сопротивлений PR, контактор КМ для подключения испытательной установки к сети питания, переключатель SA для подключения измерителя малых сопротивлений к измерительному шунту RS, трансформатор тока ТА и амперметр РА для измерения действующего значения переменного тока.

На чертеже приведена электрическая схема устройства определения погрешности измерительного шунта на большие значения постоянного тока.

В соответствии с предлагаемым способом определения погрешности устройство работает следующим образом.

Исходное положение: контактор КМ отключен от источника GA, а переключатель SA - от измерительного шунта.

Включением КМ напряжение сети подается на источник стабилизированного переменного тока GA, с помощью которого устанавливается в цепи измерительного шунта RS заданное значение испытательного тока, измеряемое с помощью ТА и РА. Ток через измерительный щунт RS протекает в течение заданного нормированного интервала времени, в конце которого измеряется температура резистивного элемента измерительного шунта с помощью термопары. По истечении заданного интервала времени КМ отключает источник тока GA от сети и ток через измерительный шунт прекращается, после чего размыкается одна из металлических вставок ХТ1 или ХТ2 и переключателем SA быстродействующий измеритель сопротивлений PR подключается к нагретому переменным током измерительному шунту RS и производится измерение его сопротивления.

Электрическая цепь на большие значения тока, куда включен измеряемый шунт, содержит медные шины, тепловое сопротивление которых в сто и более раз меньше теплового сопротивления манганиновых пластин резистивного элемента измерительного шунта. После отключения тока шины начинают работать как теплоотводы, сокращая время остывания измерительного шунта, что в предлагаемом способе может привести к увеличению погрешности определения сопротивления измерительного шунта. Соединение шунта и шин осуществляется с помощью болтов и гаек, поэтому мгновенно разъединить их не представляется возможным. Для повышения точности предлагаемого способа измерительный шунт соединяют с шинами токовой цепи при помощи металлических вставок ХТ1 и ХТ2, имеющих тепловое сопротивление, близкое к тепловому сопротивлению измерительного шунта RS. После отключения тока металлические вставки выполняют роль теплового затвора и остывание шунта происходит в строгом соответствии с формулами (1)-(7) В частности, в качестве металлических вставок могут быть использованы два дополнительных шунта, аналогичные измеряемому, или специальные пластины из магнанина или другого материала

Литература

1. ГОСТ 8024-78. Преобразователи измерительные электрических величин. Шунты измерительные. Технические условия п.4.3.

2. Рекомендация по метрологии МИ 1991-89. Государственная система обеспечения единства измерений. Преобразователи измерительные электрических величин. Шунты постоянного тока измерительные. Методика поверки п.4.3.3-4.3.8.

1. Способ определения погрешности измерительного шунта на большие значения постоянного тока, заключающийся в том, что сопротивление шунта измеряют при пропускании по нему тока нормированного значения в течение заданного нормированного интервала времени, отличающийся тем, что через шунт пропускают переменный ток, действующее значение которого равно заданному нормированному значению постоянного тока, в течение заданного нормированного интервала времени, по истечении которого шунт переключают на быстродействующий измеритель сопротивления постоянному току (например, цифровой наноомметр), причем интервал времени между моментом прекращения протекания испытательного переменного тока и моментом фиксации (регистрации, отсчета) сопротивления шунта должен быть не более величины, определяемой из выражения

где Т_ш - постоянная времени остывания шунта;

δR_ш - допускаемое изменение сопротивления шунта за время t_ф;

α_ш - температурный коэффициент сопротивления материала резистивного элемента шунта;

ϑ_у - предельно допустимая температура перегрева резистивного элемента шунта.

2. Устройство для определения погрешности измерительного шунта на большие значения постоянного тока, содержащее токовую цепь, источник стабилизированного переменного тока, подключенный к измерительному шунту шинами, и быстродействующий измеритель малых сопротивлений, подключаемый к измерительному шунту через переключатель, отличающееся тем, что измерительный шунт соединен с шинами токовой цепи при помощи металлических вставок, имеющих тепловое сопротивление, близкое к тепловому сопротивлению измерительного шунта.