Метрологическое обеспечение производства высоковольтных высокоомных резисторов

Кострикина И.А., Лемаев Р.А.

МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПРОИЗВОДСТВА ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ВЫСОКООМНЫХ РЕЗИСТОРОВ

Высоковольтные высокоомные резисторы широко применяются в социально значимых и стратегических сферах, таких как: военная техника (приборы и системы ночного видения), энергетика (производство и

учет электроэнергии, контроль качества изоляции), медицина (применение дефибрилляторов, рентгеновских установок), в электротехнологии (осаждение частиц в сильном электрическом поле, электрогидрав-лический эффект и др.), а также в электрофизических установках различного назначения.

До недавнего времени отечественной промышленностью не выпускались прецизионные высоковольтные высокоомные резисторы. Это связано с несколькими факторами, и в том числе с отсутствием необходимых технологических методов подтверждения их параметров. На российском рынке у дистрибьюторов можно приобрести импортные образцы, некоторые из которых по совокупности заявленных параметров отвечают всем современным требованиям, например, фирмы «Caddock's Micronox» и «Nicrom Electronic» В различных сериях резисторов этих фирм номинальные значения составляют от 1 МОм до 10 ГОм с отклонениями от номинальных значений в диапазоне от ± 1 до ± 0,1% от номинального значения. Температурный коэффициент сопротивления для стандартных резисторов порядка 8 0 ppm/°C в диапазоне от -15°С до 100°C, а временная стабильность - 0,01% за 1000 часов непрерывной работы. Но есть серии резисторов, у которых температурный коэффициент сопротивления (ТКС) составляет 25 ppm/°C в диапазоне от -55°C до 125°C и 10 ppm/°C в диапазоне от -40°C до 85°C. Максимальное рабочее напряжение большинства резисторов составляет 10 кВ, при этом почти все типы способны выдерживать перенапряжения 150% от рабочего. У некоторых типов резисторов максимальное рабочее напряжение доходит до 160 кВ. В основном все типы резисторов данных производителей выпускаются по безындуктивной технологии. Это связано с тем, что резисторы должны работать с напряжениями произвольной формы сигнала.

Во ФГУП «НИИЭМП», головном предприятии отечественного резисторостроения, были разработаны отечественные аналоги вышеописанных резисторов с допускаемым отклонением от номинального значения не более ±0,1 % в диапазоне номинальных значений от 10 МОм до 1 ГОм.

Для обеспечения требуемых характеристик необходимо разработать соответствующее метрологическое обеспечение производства и эксплуатации таких резисторов. Это связано с тем, что существующие стандартные цифровые омметры, выпускаемые отечественной промышленностью, такие как Щ-306, Щ-34, при измерении сопротивлений свыше 10 МОм обеспечивают погрешности порядка ±1%.

Согласно ГОСТ 213 4 2.20 «Резисторы. Методы измерения сопротивления» установлены следующие методы измерения сопротивления: мостовой, компенсационный и метод амперметра-вольтметра.

Компенсационный метод используется при измерении равнономинальных значений сопротивления. Так как исследуемые резисторы имеют номинальные значения изменяющиеся в широком диапазоне сопротивлений, то в качестве меры может использоваться магазин сопротивлений. Но погрешность высокоомных магазинов сопротивлений не менее ±0,05%, а прецизионные однозначные меры сопротивления (с погрешностью ±0,0 05%) имеют десятичнократные номинальные значения сопротивления. Компаратор сопротивления для измерения высокоомных резисторов типа У-4 01 обладает высокой точностью, но только при измерении десятичнократных сопротивлений.

Наиболее полно требования поставленной задачи отвечает метод амперметра-вольтметра. На рисунке 1 приведена структурная схема установки для измерения сопротивления высоковольтных высокоомных резисторов методом амперметра-вольтметра.

ИН - источник высоких напряжений, ИП - вольтметр универсальный, Rx - измеряемое сопротивление, Ro - мера сопротивления Рисунок 1

Решение вопроса выбора средств измерений (СИ) для данной схемы базировалось на основе результатов метрологического анализа измерительной установки, проведенного методом метрологических моделей (рисунок 2) .

В суммарной погрешности измерительной установки, представленной на рисунке можно выделить три основных источника погрешности: источник опорного напряжения; измерительный прибор; опорное сопротивление.

S Ro- коэффициент преобразования опорного сопротивления; Suоп - коэффициент преобразования источника опорного напряжения; Зцв - коэффициент преобразования цифрового вольтметра; 8Ro - относительная погрешность опорного сопротивления; б^п - относительная погрешность источника опорного напряжения; бцв -относительная погрешность цифрового вольтметра.

Рисунок 2 - Структурная метрологическая модель измерительной установки

Для расчета погрешности, составим функцию преобразования измерительной установки, представленной на рисунке 1. Измеряемое напряжение на выходе схемы равно:

и-и

и

Отсюда:

Яп

иг

иоп Ях + Яо

Цоп Цх

Я

и ОП Ях + Яо

(Цоп их )' Ях + (иоп их )' Яо = ЦопЯо ; _ ЯоЦоп - (иоп - их )' Яо .

к их • Яо

Подставим (1) в (2):

0 (Цоп - Цко )' Яо .

Кх = - я

о

Яо

Проведем анализ основных источников погрешностей. Для этого воспользуемся методом анализа функции с несколькими аргументами. Определяя частные производные для (3) по всем влияющим величинам получаем:

дЯ^ = Ц

дЯо Ц

дЯу

оп

-1

Яо

Яо

дЦ о дЯх дЦ„

Ц-.

Ко

ЦопЯо

Яо ЦЯо

Находим суммарную относительную погрешность как:

5ЯУ

.А

Яг

дЯ,

ЗЯ + Цоп

Яг

дЯ

дЦ

'ЗЦоп +

Ях

дЯ

дЦ

'ЗПВ

ЗЯХ = Я'(Цоп -1 ]'ЗЯ + Цоп '3^ 'ЗЦоп+Цоп '-^ 'ЗПЯ

ЯХ V ЦЯо ) ЯХ ЦЯо

Принимая во внимание условие, что

Цо

Ц

Ях Цяо Я

Яо

-х

Яо

Цоп >> ЦКо :

ЗЯх =ЗЯ +ЗПоп + ЗПКо .

Составляющие погрешности измерительной установки, представленной на рисунке 1, входят полным весом в суммарную погрешность.

Чтобы обеспечить отклонение сопротивления от номинального значения разрабатываемых резисторов не более ± 0,1%, погрешность установки не должна превышать ± 0,03%. Таким образом, для обеспечения

ЗЯХ < 0,03 % необходимо чтобы ЗЯ < ±0,01 %, ЗПоп < ±0,01 %, ЗПКо < ±0,01 %.

Исходя из этого были выбраны средства измерений для использования в составе установки: меры сопротивления однозначные типа Р 331 или Р 4013(в зависимости от номинального значения сопротивления испытуемого резистора) с номинальными значениями от 1кОм до 1МОм, классов 0,01, 0,005 и вольтметр

универсальный Щ 31 с погрешностью ±0,005%. В качестве источника опорного высокого напряжения выбран ИВН-100 (погрешность ±0,01%), входящий в комплект установки УПК-100. Погрешность задания опорного напряжения установки УПК-100 определяется входящими в состав установки высоковольтным делителем напряжений ДНВ-100 и цифровым вольтметром Щ 1513. Структурная схема установки для измерения сопротивления высоковольтных высокоомных резисторов представлена на рисунке 3.

3 4 6

и

1 - исследуемый резистор; 2 - мера сопротивления однозначная Р 331 (Р4013); 3 - источник высокого постоянного напряжения ИВН-100 (входит в состав установки УПК-100); 4 - высоковольтный делитель ДНВ-100 (входит в состав установки УПК-100); 5 - вольтметр универсальный Щ 31; 6 - вольтметр Щ 1513. Рисунок 3

Принцип работы установки заключается в следующем. На источнике ИВН 100 устанавливается выходное напряжение равное максимальному рабочему напряжению испытуемого резистора (10 кВ). Вольтметром изме-

ряют падение напряжения на мере сопротивления URo. По формуле (3) рассчитывают Rx. Uоп - выходное напряжение, которое контролируется с помощью высоковольтного делителя ДНВ-100 и вольтметра Щ1513.

Измерения проводят не менее 12 раз, из результатов измерений исключаются максимальное и минимальное значения Rх. В соответствии с ГОСТ Р ИСО 5725 проводится проверка результатов измерений на один и на два выброса с помощью критерия Граббса. За результат измерений принимается среднее квадратичное всех Rх , если выбросов не обнаружено, или среднее квадратичное тех Rх , которые остались после исключения выбросов.

Разрабатываемые резисторы должны соответствовать требованиям комплекса ГОСТ 21342. Поэтому помимо отклонения сопротивления от номинального значения необходимо контролировать дополнительные параметры.

Так как разрабатываемые резисторы являются высоковольтными, то в соответствии с ГОСТ 21342.17 необходимо контролировать относительное изменение сопротивления от изменения напряжения, которое определяется по формуле:

8 = -100 (4),

и *

где Rl - сопротивление, измеренное при напряжении, равном 10% предельного рабочего напряжения;

R2 - сопротивление, измеренное при напряжении, равном 100% предельного рабочего напряжения.

Коэффициент напряжения определяется по формуле:

=-^, и 0.9 и

где U - предельное рабочее напряжение.

Функциональная модель процесса измерения коэффициента напряжения приведена на рисунке 4.

_В1

_В2

Рисунок 4. Здесь Sk , .

чувствительности канала измерения сопротивления и расчета соответственно.

Для анализа основных источников погрешностей снова воспользуемся методом анализа функции с несколькими аргументами. Определяем частные производные для (4) по Rl и R2 :

88

Я

8Яг Я2

8=_!_ '

дЯ2 Я

Я 8  8Яг + ^  88и

8 дЯ1 8 дЯ2

8Я,

8

88и =-Я2~

-^±.5Кі

8и Яі

-8Я

Я,

-8Яу

Я2 - я Я2 - я

Как видно из (5), погрешности измерения Rl и R2 не оказывают влияния на погрешность определения коэффициента напряжения у испытуемых резисторов. Поэтому для контроля данного параметра использовалась установка, представленная на рисунке 3, точности которой в данном случае вполне достаточно.

В связи с тем, что условия эксплуатации оборудования, с составе которого используются высоковольтные высокоомные резисторы, могут отличаться от нормальных, возникает необходимость контроля температурного коэффициента сопротивления резисторов (ТКС).

В соответствии с ГОСТ 21342.15 для определения ТКС используется схема, представленная на рисунке

5.

1

Термометр; Термодатчик; Испытуемый резистор; Омметр; Камера тепла и холода. Рисунок 5

Я

p

и

Испытуемый резистор помещается в камеру тепла и холода. Контроль температуры осуществляется с по-

мощью термометра и термодатчика.

ТКС = К ~К ,

ТКС в относительных единицах на 1 С определяют по формуле:

Яг М

где Ях - сопротивление резистора, измеренное при нормальной температуре, Ом; Я2 - сопротивление резистора, измеренное при заданной положительной или отрицательной температуре, Ом; Дt - алгебраическая разность между заданной положительной или отрицательной температурой и нормальной температурой.

Процесс измерения и расчета ТКС исследуемых высоковольтных высокоомных резисторов изображен с помощью функциональной модели на рисунке 6.

^ , 12 - заданная положительная или отрицательная и нормальная температура соответственно;

Бдт , Яом , Ят , Яр - чувствительности датчика температуры, омметра, термометра и расчета соответственно.

Рисунок 6

Для анализа основных источников погрешностей в очередной раз воспользуемся методом анализа функции с несколькими аргументами. Определяя частные производные для (6) по Ях , Я2 и Дt - получаем:

дТКС дЯ,

Я

А? • Я{ 1

А? •К,

1

дТКС

дЯ2 ^

д ТКС _ Я2 - Я1 д(АО _ К • (А?)2 '

Находим суммарную относительную погрешность как:

ЯТКС --

К дТКС ЯЯ 1 Я дТКС Аґ дТКС

ТКС дЯ ' ТКС дЯ2 ™2 ' ТКС д

Я(Аґ) .

ЯК

К2

К2 - К1

•ЯК

Ко

К2 К1

•ЯЯ2 + К •Я

Как видно из (7), погрешности измерения Ях, Я2 и Лt не оказывают влияния на погрешность определения ТКС у испытуемых резисторов. Поэтому для контроля данного параметра к средствам измерений, входящим в состав установки, представленной на рисунке 5 не предъявляются особые требования по точности. В результате, исходя из имеющегося оборудования, были выбраны следующие средства измерений: цифровой термометр А 566, платиновый термопреобразователь сопротивления градуировки Pt 100, цифровой омметр Щ 3 0 6-1.

Предложенные методы позволяют организовать выпуск прецизионных (с погрешностью не более ±0,1%) высоковольтных (с рабочим напряжением до 20 кВ) высокоомных (с номинальными значениями до 1 ГОм) резисторов.