Метрологическое обеспечение измерительных систем (стр. 46 )

5. Рабинович  измерений. – Л.: Энергия, 1978. – 262 с.

Автор

– аспирант кафедры “Информационно-измери-тельная техника” Пензенского государственного университета (ПензГУ), инженер-метролог ФГУП “НИИ электронно-механических приборов” (ФГУП НИИЭМП), г. Пенза

Россия, 440035, г. Пенза, , кв. 11

Тел. [phone], E-mail: *****@***ru

Вопросы метрологического обеспечения
вакуумной термообработки электротехнической стали

Вакуумные коммутирующие устройства (ВКУ), в частности, высокочастотные выключатели и переключатели, широко используются в мощных (напряжение до 5 кВ, ток 12 А) и высокочастотных (1,5 – 80 МГц) радиотехнических системах.

Одним из важнейших узлов ВКУ является его магнитная система, параметры которой практически полностью определяются характеристиками магнитопровода, изготавливаемого из электротехнической стали. Магнитные свойства электротехнической стали определяются её составом, структурой и магнитной текстурой [1]. Металлургическая промышленность поставляет неотожженную сталь, у которой только состав соответствует требованиям нормативной документации. Значения магнитных характеристик должны достигаться самим потребителем путем соответствующей вакуумной термообработки. Согласно ГОСТ 11036-75 “Сталь сортовая нелегированная” вакуумная термообработка проходит по следующему режиму: отжиг без доступа воздуха до температуры не выше 950 °С (время отжига не более 3 ч), время охлаждения до 600 °С – не более 10 ч, далее на воздухе. Отжиг изменяет структуру стали (увеличивая размер зерен феррита), что приводит к изменению магнитных свойств, в частности, к уменьшению коэрцитивной силы Нс до требуемых значений (65 А/м).

Практика показала, что термообработка заготовок из стали в стандартном режиме обеспечивает достижение заданного значения Нс только у 50 % образцов, а среднее значение коэрцитивной силы составляет 80 А/м.

С целью увеличения выхода годных изделий проведены исследования по выявлению зависимости между параметрами отжига и коэрцитивной силой стали. В связи с этим в ФГУП “НИИЭМП” были разработаны информационно-измерительная система (ИИС) контроля температуры и измерительно-вычислительный комплекс (ИВК) для исследования магнитных свойств электротехнической стали [2, 3].

Базовым элементом ИИС является микропроцессорный регулирующий термометр “МИРТ-1” с электронной памятью. Термометр в вариантах использования предназначен для работы с термоэлектрическими преобразователями типов ХА, ХК, ВР(А-1), ПП(S) и с термопреобразователем сопротивления 100П. “МИРТ-1” обеспечивает измерение температуры в диапазоне от 200 до 1600 °С (в зависимости от типа датчика) с основной погрешностью, практически равной погрешности первичного преобразователя (собственная погрешность вторичного преобразователя не более ± 1°С).

“МИРТ-1” поддерживает температуру нагрева электропечи на уровне заданного значения. Регулирование температуры осуществляется с помощью реле с гистерезисом, программируемым с дискретностью 1 °С. Текущее значение температуры сохраняется 1 раз в минуту во внутренней памяти прибора объемом 2 кБ (таким образом, сохраняется до 1000 значений температуры, что дает возможность регистрировать температурные режимы в течение 16 ч).

Обработка данных о ходе технологического процесса осуществляется на компьютере. Первичные данные в приборах, на носителях и в программе имеют защиту от несанкционированного доступа, что дает уверенность в достоверности данных. Имеется возможность создать базу данных технологических операций, что позволит использовать статистические методы управления качеством продукции. Интерфейс пользователя автоматически формирует протокол выполнения технологической операции, который может быть распечатан.

Исследование магнитных свойств стали осуществляется путем построения статической предельной петли магнитного гистерезиса с помощью ИВК. ИВК реализует индукционно-импульсный метод, заключающийся в измерении приращений магнитного потока, вызванных скачкообразными изменениями напряженности намагничивающего поля.

С целью нахождения оптимального режима вакуумного отжига были измерены магнитные характеристики у 100 кольцевых образцов электротехнической стали марки 20860 после их термической обработки. Каждому образцу соответствовал определённый режим термообработки, различающийся температурой отжига Тотж. и временем выдержки tвд. при температуре отжига. Магнитным параметром, характеризующим качество процесса термообработки, была выбрана коэрцитивная сила Нс.

В результате проведенных исследований были получены зависимости коэрцитивной силы от значений температуры отжига и от времени выдержки при температуре отжига (рис. 1).

Как видно из рисунка, коэрцитивная сила увеличивается как при уменьшении температуры отжига, так и при уменьшении времени выдержки при этой температуре.

В результате проведенных исследований был получен оптимальный режим отжига деталей ВКУ из электротехнической стали:

– температура отжига Тотж – 950 °С;

– время выдержки tвд – 240 мин.

Рис. 1. Влияние параметров отжига
на значение коэрцитивной силы электротехнической стали

Литература

1. Дружинин  свойства электротехнической стали. – М.-Л.: Госэнергоиздат, 1962. – 320 с.

2. Ишков  магнитных параметров при изготовлении высокочастотных вакуумных устройств / Ишков А. С., Чураков П. П. // Контроль. Диагностика. – 2006, № 3. – С. 17 – 19.

3. Ишков -вычислительный комплекс для исследования магнитных характеристик электротехнической стали / Ишков А. С., // Датчики и системы, 2006, № 4. – С. 14 – 17.

Автор

– аспирант кафедры “Информационно-измери-тельная техника” Пензенского государственного университета (ПензГУ), инженер-метролог ФГУП “НИИ электронно-механических приборов” (ФГУП НИИЭМП), г. Пенза

Россия, 440035, г. Пенза, ул. Ленинградская ,

Тел. [phone] E-mail: *****@***ru

Методика определения требований
к точности средств измерений
при косвенных измерениях

Одной из возможных функций автоматизированных систем является определение обобщенных характеристик объекта по данным об отдельных параметрах этого объекта, т. е., по сути, осуществление косвенных измерений. Основные процедуры, выполняемые такой системой, можно представить в виде структуры, приведенной на рис. 1.

Рис. 1. Структура измерительной системы

Воздействие на объект может характеризоваться несколькими параметрами – множеством {Z}={z1, z2, …, zm}. Например, синусоидальное напряжение характеризуется амплитудой, частотой и фазой. Параметры воздействия должны быть измерены, в результате чего получают оценки параметров . Реакция также может характеризоваться несколькими параметрами – множеством {Y}={y1, y2, …, ym}. Их оценки, полученные в результате прямых измерений, обозначим .

Расчетную оценку каждой обобщенной характеристики х объекта испытаний получают решением уравнения вида:

Если воздействие характеризуется одним параметром z, а реакция – одним параметром y, то реакция есть некоторая функция f, описывающая свойство х (измеряемый параметр) испытуемого объекта:

y=f (x, z).

На выходе системы – множество обобщающих параметров , которое получается из другого множества, т. е. множества отдельных параметров объекта.

Если косвенное измерение выполняется в идеальных условиях (методическая и субъективная погрешности отсутствуют, погрешность вычислений пренебрежимо мала, отсутствуют взаимодействия измерительных приборов с объектом испытаний), то погрешность косвенного измерения обусловлена погрешностями применяемых средств измерений (инструментальной погрешностью). Такие средства измерений выбираются, исходя из формулы для погрешности косвенного измерения так, чтобы полученная в результате расчетов погрешность не превышала предельно допускаемой.

Так как искомый параметр является сложной функцией отдельных параметров объекта, то пределы абсолютной и относительной погрешности измерений находят по формулам:

где – модули частных производных функции x по аргументам xi, вычисленные для измеренных значений аргументов; bi= – весовые коэффициенты, вычисленные для измеренных значений аргументов и функции .

Для определения требований к точности измерений отдельных параметров применяют метод равных влияний.

Поясним сказанное на примере измерений температурного коэффициента сопротивления (ТКС).

Погрешность измерения ТКС складывается из погрешностей измерения разности сопротивлений и соответствующей разности температур. По определению:

,

где R1 – сопротивление резистора при температуре q1; R2 – сопротивление резистора при температуре q2.

Предел абсолютной погрешности измерения ТКС будет равна:

,

где и – пределы абсолютной погрешности измерений сопротивления; и – пределы абсолютной погрешности измерений температуры.

Проведя некоторые преобразования, получим:

.

Примем одинаковыми пределы относительной погрешности измерений R1 и R2, т. е. . Также примем одинаковыми пределы абсолютной погрешности измерений q1 и q2, т. е. Dq2 = Dq1 = Dq. Тогда предел абсолютной погрешности измерения ТКС определится выражением:

а предел относительной погрешности:

Для определения требований к точности измерений отдельно сопротивлений и температуры воспользуемся методом равных влияний. Предположим, что необходимо обеспечить предел относительной погрешности измерений ТКС =4%. Тогда, используя метод равных влияний [1], получим:

и

Откуда

и

Измерение разности сопротивлений может осуществляться методом прямого измерения каждого из сопротивлений омметром высокой точности, соответствующей рассчитанному пределу погрешности dR. Эта погрешность должна быть достаточно мала, что приводит к удорожанию испытаний, тем более, если ориентироваться на перспективу расширения функций испытательной установки на резисторы более высокой точности и температурной стабильности. В этом случае применяют метод измерений приращения путем двух измерений одним и тем же прибором, обладающим высокой чувствительностью и стабильностью за время между измерениями. При этом погрешность прибора может быть больше рассчитанной [2].

Требования к режимам измерений сопротивлений (предельное напряжение или мощность), а также диапазон изменений температуры определяется нормативными документами на данный тип резисторов.

Литература

1.  Функциональный и метрологический анализ при проектировании средств измерений и контроля. / Учеб. пособие. – Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 1977.

2. Данилов  измерения методом неполного замещения. – Законодательная и прикладная метрология, 2000, №3. – С. 32–35.

Автор

– старший преподаватель кафедры “Метрология и системы качества” Пензенского государственного университета

Россия, 440026, 0

Тел. [phone], E-mail: *****@***stup. ac. ru

[1] Примечание редактора:

К сожалению, как дополнение к свидетельству о поверке, так и проставление каких-либо отметок в “основном” свидетельстве о поверке не предусмотрены Правилами по метрологии ПР 50.2.006.

[2] Примечание редактора:

Вместе с тем существует МИ 2955-2005 “ГСИ. Типовая методика аттестации программного обеспечения средств измерений и порядок её проведения”

[3] Примечание редактора:

Бессмысленно говорить о диапазонах измерений 1:1000 и даже 1:100, т. к. при уменьшении измеряемой величины относительная погрешность существенно возрастает. См. Данилов  энергоресурсов: небалансы, диапазоны измерений, погрешности, межповерочные интервалы / Коммерческий учёт энергоносителей: Труды 20 науч.-техн. конф. 23-24 ноября 2004 г. – СПб: Борей-Арт, 2004. – С. 134–137.

[4] У данного потребителя применяются расходомеры М1 и М2 с допускаемой погрешностью ±1%. В соответствии с ГОСТ 8.591-2002 при М1 = М2 (в закрытой системе) допускаемое расхождение каналов измерений масс М1 и М2 определяется по формуле dM1=1,1·(12+12)0,5 = ±1,56%.

[5] Здесь можно отметить, что во многих странах расходомеры теплосчётчиков всегда устанавливаются именно в обратный трубопровод, а не в подающий, т. е. подсчёт теплопотребления ведётся по формуле Q = M2×(h1 – h2), но никак не по формуле Qи = M1×(h1 –– h2), предписанной Правилами-95.

[6] Представляется целесообразным при отсутствии измерений утечки Мут оплачивать величину нормативной утечки МутН, указываемую в договоре теплоснабжения и рассчитываемую в соответствии со СНиП 2.04.01-85*. Указанные СНиП устанавливают размер МутН на уровне 7,5 кг/ч на каждый м3 объёма тепловых сетей и внутренних систем, принадлежащих потребителю.

[7] Примечание редактора

Автором использован неудачный термин – “мера с ненормированной погрешностью”.