Проблема метрологічного забезпечення прецизійного вимірювання

ПРОБЛЕМА ПРЕЦИЗІЙНОГО ВИМІРЮВАННЯ

СИЛИ ЗМІННОГО СТРУМУ В УКРАЇНІ

В.В. Ісаєв

ДП «Укрметртестстандарт»

Вступ

З часів розпаду потужного, промислово та енергетично розвиненого на той час СРСР та набуття статусу незалежної держави Україною і до сьогодення, у нашій країні склалася досить велика прогалина у галузі метрологічного забезпечення прецизійного вимірювання сили змінного струму, яке повинно бути одним із гарантів достовірності під час визначення енергетичного балансу в електроенергетиці. Це обумовлено, зокрема, недостатнім фінансуванням сфери науково-прикладних досліджень, життєво необхідних для задовільного функціонування сектору реальної економіки, що, в свою чергу призвело до значного відставання національного науково-технічного розвитку. Яскравим прикладом таких негативних наслідків є відсутність національного еталону сили змінного струму в Україні, що призводить до суттєвих втрат в економічному, транспортному, іміджевому розумінні через втрату точності та необхідність калібрування прецизійних засобів вимірювання за кордоном, адже необхідною умовою визнання результатів вимірювання на міжнародному рівні є забезпечення простежуваності до міжнародної системи одиниць SI. На сьогоднішній день майже 50 країн підтвердили свої калібрувальні та вимірювальні можливості за силою змінного струму, що засвідчено наявністю даних про їхні еталони вищого рівня у базі даних Додатку С на сайті Міжнародного Бюро мір та ваг www.bipm.org [4].

Міжнародна система одиниць SI є найбільш розповсюдженою системою одиниць фізичних величин у світі. Більшість країн користуються у сферах науки та техніки саме цією системою одиниць, за виключенням окремих держав, наприклад США, де продовжують традиційно використовувати місцеві одиниці фізичних величин. Проте й в такому випадку, визначення традиційних одиниць були змінені з урахуванням коефіцієнтів, котрі пов’язують їх із міжнародною системою SI. Офіційне міжнародне визначення одиниць фізичних величин знаходиться у діючій редакції Брошури SI та Додатку до неї, що публікуються Міжнародним Бюро мір та ваг. Загалом, система SI складається з семи основних одиниць та похідних одиниць [3].

Визначення одиниці АМПЕРу

Основною одиницею електричної фізичної величини у Міжнародній системі одиниць SI прийнятий АМПЕР – одиниця сили електричного струму.

Система SI пов'язує механічну та електричну величини, визначаючи АМПЕР як "постійний струм, який пропущений по двох прямих паралельних нескінченних провідниках із незначним поперечним перерізом, що поміщені на відстані 1 метр один від одного у вакуумі, котрий створював би між цими провідниками силу 2∙10⁻⁷ ньютонів на метр довжини" [3].

Через значні труднощі, пов'язані з прямою реалізацією еталону сили струму, його невизначеність сягає досить великого значення близько 15 мільйонних частин (ppm). Проте більш серйозні труднощі відтворення АМПЕРу полягають у неможливості забезпечення протікання цього струму більше декількох хвилин. На рисунку зображено процес реалізації відтворення АМПЕРу.

У цьому спрощеному зображенні [1], магнітне поле у котушках з лівого боку балансуючого важільного механізму продукує притягальну силу, котра пропорційна силі струму, що протікає у котушках, та кількості витків кожної з цих котушок. Сила, котра врівноважується вагою з правого боку важільного механізму, продукується електромагнітним полем, пов'язаним із рухомими електронами. У цьому сенсі один АМПЕР дорівнює заряду електронів у один КУЛОН, котрі переміщуються крізь задану точку електричного кола за час, що дорівнює одній СЕКУНДІ. Не зважаючи на те, що АМПЕР є основною одиницею системи SI завдання відтворення одиниці сили струму надскладне та, як наслідок, на практиці не використовується жодної прямої реалізації еталону сили струму. Напроти, ця одиниця отримується через відношення одиниці електричної напруги (ВОЛЬТ) до одиниці електричного опору (ОМ), спираючись на закон Ома:

І = U/R.

Реалізації одиниць ОМа та ВОЛЬТа, напротивагу одиниці АМПЕРу, широко росповсюджені у лабораторній практиці як на національному рівні, так і на рівні лабораторій окремих підприємств.

Способи вимірювання сили змінного струму

В разі необхідності вимірювання сили електричного змінного струму треба скласти думку про параметри вимірюваної величини, а саме: частоту, форму, очікуване значення, необхідну точність вимірювання, опір електричного ланцюга тощо. Такі дані дозволять обрати найбільш доцільний спосіб вимірювання й вимірювальний прилад.

Серед розповсюджених на сьогоднішній день у світовій практиці [3] засобів вимірювальної техніки можна виділити наступні категорії за принципом дії:

1. Електростатичні й електродинамічні амперметри;

2. Термоелектричні перетворювачі сили струму;

3. Електровимірювальні шунти;

4. Масштабні перетворювачі сили змінного струму - вимірювальні трансформатори струму;

5. Перетворювачі сили струму, засновані на ефекті Хола - датчики Хола.

За методом вимірювання ці ЗВТ можна розділити на дві групи: такі, що вимірюють силу струму безпосередньо - прямий метод вимірювання, такі, що вимірюють силу струму опосередковано - непрямий метод. До ЗВТ, котрі реалізують прямий метод вимірювання слід віднести амперметри та вимірювальні трансформатори струму або їх поєднання для розширення діапазону вимірюваної сили струму. Також для розширення діапазону вимірювання амперметру використовують шунти (крізь які протікає струм І_ш), котрі мають достатню метрологічну стабільність та точність, й зменшують величину сили струму І_ам, що протікає крізь чутливий елемент амперметру - рухому рамку з котушкою. Проте, в останньому випадку, хоча й стрілка амперметру відхиляється в залежності від сили струму, але навряд чи буде абсолютно коректно вважати такий спосіб вимірювання прямим, адже рухома рамка реагує не на повну силу струму І_вим, а лише на її частину:

І_ам = І_вим - І_ш.

Подібний висновок можна зробити й стосовно використання амперметру в поєднанні з трансформатором струму (крізь який протікає струм І_вим), оскільки рухома рамка реагує на масштабно зменшену в К разів силу струму:

І_ам = І_вим / К.

Такі пристрої, як термоелектричні перетворювачі сили струму, датчики Хола, вимірювальні шунти, перетворюють силу струму у мілівольти чи міліампери й за принципом дії їх можна віднести до ЗВТ, котрі реалізують непряме вимірювання. Так, скажімо, вимірювальні шунти часто-густо використовуються у поєднанні з вольтметрами й функціонують на основі закону Ома, коли сила струму під час протікання крізь відомий опір, спричиняє різницю потенціалів між початком та закінченням цього опору. Датчик Хола функціонує на основі ефекту Хола - явищі виникнення різниці потенціалів по різних боках перерізу провідника, крізь який протікає струм, коли цей провідник знаходиться під впливом магнітного поля. Що ж стосується термоперетворювачів, то їх принцип дії базується на еквівалентності постійної та змінної напруги (чи сили струму) в сенсі продукування ідентичного середнього значення потужності, розсіюваної на чистому активному опорі. Середня потужність розсіюється як тепло, яке необхідно по черзі вимірювати сенсором, котрий має безпосередню залежність вихідної величини від температури.

Вибір способу реалізації національного еталону

одиниці сили змінного струму

Світовий науково-технічний розвиток і, насамперед, досвід передових країн-лідерів, на сьогоднішній день сягнув рівня, коли метрологічна точність окремих прецизійних ЗВТ у підгалузі вимірювання сили змінного струму становить декілька десятих мільйонних частин [2]. Завдання удосконалення національної еталонної бази України, як держави із середніми показниками техніко-економічного розвитку, полягає швидше у вивченні світового досвіду та запровадження у національній практиці найбільш вдалих, з економічної та технічної точок зору, рішень стосовно метрологічного забезпечення прецизійного вимірювання сили змінного струму.

Аналіз світових рейтингів країн за різними напрямками енергетичного, промислового й економічного розвитку [3] дає адекватну відповідь на питання: яким повинен бути спосіб реалізації національного еталону сили змінного струму. Україна посідає 22 місце серед країн світу з виробництва електроенергії, 10 місце за виплавкою сталі, 6 місце за видобутком залізної руди, 9 місце за виплавкою чавуну. З 31 країни, що експлуатують атомні електростанції Україна знаходиться на 8 місці за сумарним виробництвом електроенергії, випереджаючи такі економічно потужні країни, як Німеччина, Великобританія, Іспанія, Індія. Загалом, такі дані свідчать на користь визнання України, як країни із середньою потужністю промислового та енергетичного секторів реальної економіки. Оскільки в Україні експлуатується великий парк ЗВТ (понад 100000 одиниць), пов'язаних із вимірюванням сили змінного струму, а обсяги виробленої електричної енергії сягають сотень тисяч ГВт·год очевидною є потреба у надійному високоточному метрологічному забезпечені засобів вимірювання сили змінного струму та обліку електричної енергії. Зважаючи на системні недоліки національної економіки та проблемні ділянки технічного розвитку, адекватним до потреб нашої держави є використання комплексу серійно виготовлюваних ЗВТ іноземного виробництва на основі термоелектричних ефектів у якості національного еталону одиниці сили змінного струму, оскільки типова точність пристроїв, які виробляє, наприклад, фірма Fluke, складає декілька десятків мільйонних частин, а під час уточнення метрологічних характеристик можливою є невизначеність у декілька одиниць мільйонних частин. Така невизначеність вимірювань еталону вищого рівня для національної економіки України є цілком прийнятною й задовольняє вимогам та викликам сучасного місцевого технічного розвитку.

Висновки

Оскільки в Україні експлуатується великий парк засобів вимірювальної техніки, призначених для обліку електроенергії, прямого чи опосередкованого вимірювання сили змінного струму, а також для забезпечення визнання результатів вимірювання на міжнародному рівні - очевидною є потреба розроблення й запровадження в експлуатацію національного еталону одиниці сили змінного струму.

Список літератури

1. Calibration: Philosophy in Practice. Second Edition. - Everett: Fluke Corporation. - 1994. - 526 p.

2. Extension of the NIST AC-DC Difference Calibration Service for Current to 100 kHz. // Journal of Research of the National Institute of Standards and Technology. – January-February, 1997. – Volume 102, Number 1 – Р. 75-83.

3. https://uk.wikipedia.org

4. www.bipm.org