Методика калибровки токосъемников

Введение

Данная методика разработана для калибровки токосъемников НТ-20, НТ-1000, токосъемников совмещенных с индукторами НТИ-20, НТИ-1000 в частотном диапазоне от 50 Гц до 1000 МГц.

Средства измерений, применяемые при калибровке токосъемников НТ-20, НТ-1000, токосъемников совмещенных с индукторами НТИ-20, НТИ-1000 должны быть утвержденного типа, прошедшие поверку в соответствии с положениями Федерального закона, а также обеспечивающие соблюдение установленных законодательством Российской Федерации об обеспечении единства измерений обязательных требований, включая обязательные метрологические требования к измерениям, обязательные метрологические и технические требования к средствам измерений, и установленных законодательством Российской Федерации о техническом регулировании обязательных требований. При применении средств измерений должны соблюдаться обязательные требования к условиям их эксплуатации.

Целесообразность разработки методики калибровки токосъемников НТ-20, НТ-1000, токосъемников совмещенных с индукторами НТИ-20, НТИ-1000 в частотном диапазоне от 50 Гц до 1000 МГц определяется тем, что токосъемники должны обеспечивать измерения силы тока в полосе от 0,009 до 300 МГц с погрешностью коэффициента калибровки не более ±2 дБ, в соответствии с требованиями ГОСТ Р 51317.4.6-99 «Устойчивость к кондуктивным помехам, наведенным радиочастотными электромагнитными полями. Требования и методы испытаний», ГОСТ 30805.22-2013 (CISPR 22:2006) «Совместимость технических средств электромагнитная. Оборудование информационных технологий. Радиопомехи индустриальные. Нормы и методы измерений», ГОСТ Р 51319-99 «Совместимость технических средств электромагнитная. Приборы для измерения индустриальных радиопомех. Технические требования и методы испытаний».

Применение токосъемников, как средства измерений, с каждым годом находит новые сферы применения, такие как в области электромагнитной совместимость технических средств (ЭМС), области измерения побочных электромагнитных излучений при обеспечении информационной безопасности.

Методика калибровки токосъемников НТ-20, НТ-1000, токосъемников совмещенных с индукторами НТИ-20, НТИ-1000 в частотном диапазоне от 50 Гц до 1000 МГц предназначена для работы со специальными вспомогательными измерительными линиями НИЛ-1000, НИЛ-1000/2, существенно влияющими на расширенную неопределенность (К=2) результатов измерения переменного тока высокой частоты.

Общие несимметричные токи помех в кабелях можно измерять без создания непосредственного токопроводящего соединения с проводником источника и без изменения его цепи, а с помощью трансформаторов тока с фиксирующими зажимами (такой трансформатор тока и называют токосъемником).

Практичность данного метода очевидна; сложные системы разводки проводов, электронные цепи и т.д. можно измерять без прерывания нормальной работы или изменения конфигурации. Токосъемник конструируют таким образом, чтобы им было удобно обжимать измеряемый проводник. Проводник — первичная обмотка, состоящая из одного витка.

Вторичная обмотка находится внутри токосъемника. Токосъемники проектируют таким образом, чтобы обеспечить плоскую частотную характеристику во всей полосе пропускания. На частотах ниже этой плоской полосы пропускания еще можно выполнить точные измерения, но с пониженной чувствительностью из-за уменьшения полных передаточных сопротивлений.

Токосъемник обычно имеет тороидальную форму, а подлежащий измерению проводник размещают в центральном раскрыве тороида. Вторичную обмотку располагают на тороиде так, чтобы упростить функцию обжима провода токосъемником. Сердечник и обмотку закрывают экраном для недопущения электростатической наводки. Экран имеет зазор, который препятствует короткому замыканию на трансформатор.

В типичных токосъемниках для измерения помех имеется от 2 до 200 витков вторичной обмотки. Данное количество витков определяет оптимизированный коэффициент трансформации, обеспечивающий максимально плоскую характеристику в полосе частот.

1. Общие положения методики калибровки

1. Методика калибровки разрабатывается в соответствии с ГОСТ Р 8.879-2014 «Методики калибровки средств измерений. Общие требования к содержанию и изложению»
2. В методике калибровки указана совокупность операций, выполняемых в целях определения действительных значений метрологических характеристик средств измерений.
3. По назначению методика калибровки предназначена для калибровки токосъемников НТ-20, НТ-1000, токосъемников совмещенных с индукторами НТИ-20, НТИ-1000 в частотном диапазоне от 50 Гц до 1000 МГц.
4. В методике приведено описание основных характеристик и особенностей токосъемников НТ-20, НТ-1000, токосъемников совмещенных с индукторами НТИ-20, НТИ-1000, сведения о метрологических характеристиках средств измерений, действительные значения которых подлежат определению в процессе калибровки; перечень средств калибровки и вспомогательного оборудования, необходимых для проведения калибровки, с указанием требований к их техническим и метрологическим характеристикам, описание процедуры калибровки.
5. Настоящая методика устанавливает методы и средства калибровки по переменному току в частотном диапазоне от 50 Гц до 1000 МГц в дБ (мкА).
6. В разрабатываемой методике использованы ссылки на следующие документы:
   • РД СМК 7-03-2015 Порядок проведения поверки и калибровки средств измерений.
   • Гост Р 8.879-2014 Государственная система обеспечения единства измерений (ГСИ). Методики калибровки средств измерений. Общие требования к содержанию и изложению.
   • Р 50.2.038-2004 Измерения прямые однократные. Оценивание погрешностей и неопределенности результата измерений.

2. Требования к квалификации калибровщиков

1. Требование к уровню квалификации лиц, выполняющих калибровочные работы: образование высшее техническое, специальная подготовка, практический опыт работы не менее пяти лет.

3. Требования по обеспечению безопасности

1. В соответствии с ГОСТ Р 8.879-2014 «Методики калибровки средств измерений. Общие требования к содержанию и изложению» раздел «Требования по обеспечению безопасности» должен содержать требования, обеспечивающие при проведении калибровок безопасность труда калибровщиков, соблюдение норм производственной санитарии, охрану окружающей среды.
2. При калибровке токосъемников НТ-20, НТ-1000, токосъемников совмещенных с индукторами НТИ-20, НТИ-1000 в частотном диапазоне от 50 Гц до 1000 МГц должны соблюдаться правила предосторожности при работе с СВЧ излучением в соответствии с действующими федеральными санитарными правилами САНПиН 2.2.4/2.1.8.055, а так же требования безопасности в соответствии с ГОСТ 12.3.019-80 «ССБТ. Испытания и измерения электрические. Общие требования безопасности».

4. Метод калибровки

1. Калибровку токосъемников НТ-20, НТ-1000 необходимо выполнять с помощью измерительной линии НИЛ-1000.
2. Калибровку токосъемников совмещенных с индукторами НТИ-20, НТИ-1000 необходимо выполнять с помощью измерительной линии НИЛ-1000/2.
3. Токосъемник устанавливается во внутрь измерительной линии, крышка измерительной линии плотно фиксируется к корпусу, при этом формируется коаксиальная линия, внешний проводник которой обжимает токосъемник, а внутренний проводник проходит через раскрыв токосъемника (см. рисунок 2 и 3).
4. Эквивалентная схема установки при калибровке токосъемников НТ-20, НТ-1000, токосъемников совмещенных с индукторами НТИ-20, НТИ-1000 в частотном диапазоне от 50 Гц до 1000 МГц представлена на рисунке 1.
5. При хорошем согласовании коаксиальной линии ток Iэ через внутренний проводник можно вычислить по измеренному значению напряжения U0 в линии:
   Или в децибелах:
   
6. Измерительная линия НИЛ-1000 изображена на рисунке 2.
7. Измерительная линия НИЛ-1000/2 изображена на рисунке 3.
8. Коэффициент калибровки токосъемников определяется по формуле:
   

5. Средства калибровки

1. При калибровке токосъемников НТ-20, НТ-1000, токосъемников совмещенных с индукторами НТИ-20, НТИ-1000 используются средства измерений, указанные в таблице 1.
2. Средства измерений указанные в таблице 1 должны иметь свидетельства о поверке.

№ в госреестре (Методика поверки)	Наименование и тип средства измерений. (Технические и метрологические характеристики)
41694-09 (071-1638-02МП)	Генератор сигналов Tektronix AFG3022B (частотный диапазон от 1 мкГц до 25 МГц);
74137-19 (РТ-МП-5631-441-2018)	Генераторы сигналов Rohde & Schwarz SMB100B (частотный диапазон от 8 КГц до 1000 МГц);
68021-17 (РТ-МП-4221-441-2017)	Осциллограф Rohde & Schwarz RTB2002 (70 МГц)
37008-08 (МП 37008-08)	Ваттметр поглощаемой мощности NRP-Z51. Пределы допускаемой относительной погрешности ±6 %;
	Нагрузка согласованная, коаксиальная 50 Ом

6. Операции калибровки

1. При проведении калибровки должны быть выполнены следующие операции:
   • внешний осмотр;
   • опробование.
2. Определение действительных метрологических характеристик токосъемников НТ-20, НТ-1000, токосъемников совмещенных с индукторами НТИ-20, НТИ-1000 в соответствии с таблицей 2.

№ п/п	Наименование параметра	Значение диапазона изменения частоты
1	Определение значения коэффициента калибровки токосъемника НТ-20	в частотном диапазоне от 50 Гц до 20 МГц
2	Определение значения коэффициента калибровки токосъемника НТ-1000	в частотном диапазоне от 0,009 до 1000 МГц
3	Определение значения коэффициента калибровки токосъемника совмещенного с индуктором НТИ-20	в частотном диапазоне от 50 Гц до 20 МГц
4	Определение значения коэффициента калибровки токосъемника совмещенного с индуктором НТИ-1000	в частотном диапазоне от 0,009 до 1000 МГц

7. Условия калибровки и подготовка к ней

1. При проведении калибровки должны соблюдаться следующие условия:
   • температура окружающего воздуха: 20±5 °С;
   • относительная влажность воздуха: от 45% до 80%;
   • атмосферное давление: от 626 до 795 мм рт. ст.;
   • напряжение питания: от 215В до 225В;
   • частота от 49,5 до 50,5 Гц.
2. Перед проведением операций калибровки необходимо выполнить подготовительные работы, оговоренные в разделе «Подготовка к работе» руководства по эксплуатации приборов, используемых при калибровке.
3. При калибровке должны выполняться меры безопасности, указанные в руководствах и инструкциях по эксплуатации приборов, используемых при калибровке.

8. Проведение калибровки

1. Внешний осмотр
   1. При внешнем осмотре должно быть установлено соответствие токосъемников следующим требованиям:
      1. комплектность согласно паспорту;
      2. сохранность пломб;
      3. отсутствие видимых механических повреждений на составных частях;
      4. прочность крепления органов управления, плавность их действия, четкость фиксации переключателей;
      5. чистота разъемов;
   2. Результаты внешнего осмотра считаются положительными, если выполняются требования изложенные в п 1.1.
2. Опробование
   1. При опробование проверяют работоспособность приборов, входящих в установки.
   2. Результаты опробования считаются положительными, если приборы, входящих в состав установки исправно функционируют.
3. Определение действительных метрологических характеристик токосъемника НТ-20.
   1. Собрать схему установки согласно рисунку 1. В качестве генератора использовать генератор Tektronix AFG3022B. Токосъемник НТ-20 установить во внутрь измерительной линии НИЛ-1000.
   2. На генераторе Tektronix AFG3022B установить частоту 50 Гц, выходное напряжение равное 10 В. Включить подачу напряжения на выход генератора. На выходе измерительной линии НИЛ-1000 измерителем мощности NRP-Z51 провести отсчет значения мощности и рассчитанные значения тока Iэ по формуле (2) занести в протокол. Форма протокола приведена в Приложении 1.
   3. Отключить измеритель мощности NRP-Z51 от измерительной линии НИЛ-1000. Подключить его к выходу токосъемника. На освободившийся свободный выход измерительной линии НИЛ-1000 подключить согласованную коаксиальную нагрузку 50 Ом.
   4. Измерителем мощности NRP-Z51 провести отсчет значения напряжения Uт на выходе токосъемника и по формуле (3) рассчитать значение коэффициента калибровки К токосъемника. Рассчитанные значения К занести в протокол.
   5. Провести измерения по п.п 3.1-3.4 на частотах 0,1; 0,2; 0,5; 1; 2; 5; 10; 20; 50; 100; 200; 500; 1000; 2000; 5000; 10000; 20000 кГц. Рассчитанные значения К на всех указанных частотах занести в протокол.
4. Определение действительных метрологических характеристик токосъемника совмещенного с индуктором НТИ-20.
   1. Собрать схему установки согласно рисунку 1. В качестве генератора использовать генератор Tektronix AFG3022B. Токосъемник совмещенный с индуктором НТИ-20 установить во внутрь измерительной линии НИЛ-1000/2.
   2. Провести операции по п.п 3.1-3.5. Рассчитанные значения К на всех указанных частотах занести в протокол.
5. Определение действительных метрологических характеристик токосъемника НТ-1000.
   1. Собрать схему установки согласно рисунку 1. В качестве генератора использовать генератор Rohde & Schwarz SMB100B. Токосъемник НТ-1000 установить во внутрь измерительной линии НИЛ-1000.
   2. Провести операции по п.п 3.1-3.5 на частотах 0,009; 0,01; 0,02; 0,03; 0,05; 0,1; 0,5; 1; 2; 5; 10; 20; 50; 100; 200; 300; 400; 500; 600; 700; 800; 900; 1000 МГц. Рассчитанные значения К на всех указанных частотах занести в протокол.
6. Определение действительных метрологических характеристик токосъемника совмещенный с индуктором НТИ-1000.
   1. Собрать схему установки согласно рисунку 1. В качестве генератора использовать генератор Rohde & Schwarz SMB100B. Токосъемник совмещенный с индуктором НТИ-1000 установить во внутрь измерительной линии НИЛ-1000/2.
   2. Провести операции по п.п 3.1-3.5 на частотах 0,009; 0,01; 0,02; 0,03; 0,05; 0,1; 0,5; 1; 2; 5; 10; 20; 50; 100; 200; 300; 400; 500; 600; 700; 800; 900; 1000 МГц. Рассчитанные значения К на всех указанных частотах занести в протокол.
7. Определение пределов допускаемой относительной погрешности измерения коэффициента калибровки токосъемников.
   1. Расчет пределов допускаемой относительной погрешностиизмерения коэффициента калибровки токосъемников К проводить в соответствии с ГОСТ 8.381-2009. «Государственная система обеспечения единства измерений. Эталоны. Способы выражения точности.»
   2. Провести расчет случайной составляющей погрешности для значения коэффициента калибровки К токосъемников. Для этого процедуру по п. 1.3 с токосъемником НТ-1000 провести 5 раз на частоте 10, 50, 100, 200, 300, 500, 600, 800, 1000 МГц и по формуле (4) пять раз на каждой частоте рассчитать значение К. Провести расчет средне квадратического отклонения (далее – СКО)  для ряда измерений (n=5) по формуле (6):
      Результаты расчета зафиксировать в рабочем журнале.
   3. Провести расчет СКО не исключённой систематической погрешности (далее – НСП) коэффициента калибровки токосъемников К по формуле (6):
      Результаты расчета зафиксировать в рабочем журнале.
      Пределы допускаемой относительной погрешности измерений мощности измерителя мощности NRP-Z51 составят, согласно описанию типа средства измерений составляют ± 6%.
      При измерении тока по формуле (1) значение модуля полного сопротивления будет определятся значениями ⎸Г_а⎸модуль коэффицента отражения измерительной линии и ⎸Г_им⎸ модуль коэффицента отражения измерителя мощности.
      Значения КСВН и модулей коэффицента отражения измерительной линии НИЛ-1000, НИЛ-1000/2 приведен в таблице 4.
      На рисунке 4 изображен график измеренного значения КСВН измерительной линии НИЛ-1000, НИЛ-1000/2.
      Пределы допускаемой погрешности, связанные с рассогласованием измерительной линии определяются по формуле:
      Пределы допускаемой погрешности из-за рассогласования в таблице 5.
   4. Суммарное СКО измерения коэффициента калибровки токосъемников К , обусловленное воздействием случайной погрешности и НСП, определить по формуле (11):
      
   5. Определить доверительные границы суммарной погрешности коэффициента калибровки токосъемников К по формуле (14):
      Результаты расчетов зафиксировать в рабочем журнале.
   6. Значения СКО, СКО не исключённой систематической погрешности коэффициента калибровки К токосъемника НТ1000, суммарное СКО , пределов допускаемой погрешности в процентах и децибелах приведен в таблице 6.

Θj	Составляющая погрешности	Значение
Θ1	Пределы погрешности измерения мощности измерителем мощности при измерении высокочастотного тока Iэ в коаксиальной линии .	0,06
Θ2	Пределы погрешности измерения напряжения на выходе токосъемника Uт измерителем мощности	0,06
Θ3	Пределы погрешности из-за рассогласования при измерении высокочастотного тока Iэ, связанные с наличием отражений в измерительной линии НИЛ-1000, НИЛ-1000/2	В соотв. С табл 4

Частота, МГц	Значение КСВН НИЛ-1000	Значение КСВН НИЛ-1000/2	Значение ⎸Га⎸ НИЛ-1000	Значение ⎸Га⎸ НИЛ-1000/2
10	1,02	1,01	0,01	0,005
50	1,05	1,08	0,024	0,038
100	1,1	1,2	0,048	0,097
200	1,2	1,3	0,091	0,142
300	1,3	1,4	0,13	0,167
500	1,5	1,5	0,2	0,2
600	1,6	1,8	0,23	0,286
800	1,9	1,9	0,31	0,31
1000	2,0	1,3	0,333	0,13

Частота, МГц	Значение ⎸Га⎸ НИЛ-1000	Значение ⎸Га⎸ НИЛ-1000/2	Ө НИЛ-1000	Ө НИЛ-1000/2
10	0,01	0,005	0,008	0,049
50	0,024	0,038	0,009	0,05
100	0,048	0,097	0,01	0,05
200	0,091	0,142	0,016	0,05
300	0,13	0,167	0,025	0,051
500	0,2	0,2	0,047	0,056
600	0,23	0,286	0,061	0,06
800	0,31	0,31	0,103	0,077
1000	0,333	0,13	0,118	0,084

Частота, МГц	СКО	СКО НСП	Суммарное СКО	Пределы допускаемой погрешности, %	Пределы допускаемой погрешности, дБ
10	0,0012	0,05	0,05	0,1478	1,2
50	0,0011	0,05	0,05	0,1479	1,2
100	0,0009	0,05	0,05	0,148	1,2
200	0,0012	0,05	0,05	0,149	1,2
300	0,0013	0,051	0,051	0,153	1,25
500	0,0013	0,056	0,056	0,168	1,35
600	0,0014	0,06	0,06	0,181	1,45
800	0,00145	0,077	0,077	0,231	1,8
1000	0,0014	0,084	0,084	0,251	2,0

9. Оформление результатов калибровки

1. По результатам калибровки токосъемников НТ-20, НТ-1000, токосъемников совмещенных с индукторами НТИ-20, НТИ-1000 выдается сертификат калибровки установленного образца.
2. На оборотной стороне сертификата калибровки приводятся измеренные значения установленного коэффициента калибровки, а также указывается расширенная неопределенность при коэффициенте охвата К=2.

10. Заключение

1. Как видно из приведенных расчетов таблицы 6, используя при калибровке токосъемников измерительных линии НИЛ-1000 и НИЛ-1000/2, пределы допускаемой погрешности растут с увеличением частоты переменного тока и не превышают ± 1,5 Дб на частотах до 600 Мгц, и не превышают ± 2 Дб на частотах до 1000 МГц.
2. Основным источником неопределенности измерений являются отклонения входного сопротивления измерительных линий.

Приложение 1 к методике калибровки ПНРМ.411132.201.МК

Частота, МГц	НИЛ-1000	НИЛ-1000/2
10	1,02	1,01
50	1,05	1,08
100	1,1	1,2
200	1,2	1,33
300	1,3	1,4
500	1,5	1,5
600	1,6	1,8
800	1,9	1,9
1000	2	1,3

Список используемой литературы

1. ГОСТ 8.381-2009 «Государственная система обеспечения единства измерений. Эталоны. Способы выражения точности». [Текст]. – Введ. 2012–01–01. – М.: Стандартинформ, 2011. – 19 с.
2. ГОСТ 8.641-2014 «Государственная поверочная схема для средств измерений мощности электромагнитных колебаний в коаксиальных и волноводных трактах в диапазоне частот от 0,03 до 37,5 ГГц». [Текст]. – Введ. 2016–01–01. – М.: Стандартинформ, 2019. – 14 с.
3. ГОСТ Р 51317.4.6-99 «Устойчивость к кондуктивным помехам, наведенным радиочастотными электромагнитными полями. Требования и методы испытаний». [Текст]. – Введ. 2002–01–01. – М.: ИПК Издательство стандартов, 2000. – 47 с.
4. ГОСТ 30805.22-2013 (CISPR 22:2006) «Совместимость технических средств электромагнитная. Оборудование информационных технологий. Радиопомехи индустриальные. Нормы и методы измерений» – Введ. 2014–01–01. – М.: Стандартинформ, 2020. – 95 с.
5. РМГ 29-2013. Государственная система обеспечения единства измерений. Метрология. Основные понятия и определения. [Текст]. – Введ. 2015–01–01. – М.: Стандартинформ, 2014. – 56 с.
6. ГОСТ Р 51319-99 «Совместимость технических средств электромагнитная. Приборы для измерения индустриальных радиопомех. Технические требования и методы испытаний» – Введ. 2001–01–01. – М.: ИПК Издательство стандартов, 2000. – 54 с.
7. ГОСТ Р 50.2.038-2004. Государственная система обеспечения единства измерений. Измерения прямые многократные. Оценивание погрешностей и неопределенности результата измерений. [Текст]. – Введ. 2005–01–01. – М.: Стандартинформ, 2011. – 11 с.
8. ГОСТ Р 8.736-2011. Государственная система обеспечения единства измерений. Измерения прямые многократные. Методы обработки результатов измерений. Основные положения. [Текст]. – Введ. 2013–01–01. – М.: Стандартинформ, 2013. – 20 с.
9. ГОСТ Р 54500.3-2011. Национальный стандарт Российской Федерации. «Неопределенность измерения. Часть 3. Руководство по выражению неопределенности измерения». [Текст]. – Введ. 2012–10–01. – М.: Стандартинформ, 2012. – 107 с.
10. ГОСТ 30805.16.1.2-2013 Совместимость технических средств электромагнитная. Требования к аппаратуре для измерения параметров индустриальных радиопомех и помехоустойчивости и методы измерений. [Текст]. – Введ. 2014–01–01. – М.: Стандартинформ, 2014. – 62 с.
11. Tektronix AFG3022B Manual. Руководство пользователя. [Текст]. – Tektronix, Inc.. 2015.
12. Rohde & Schwarz NRP-Z51 Manual. Руководство пользователя. [Текст]. – Rohde & Schwarz GmbH & Co. KG. 2008.
13. Rohde & Schwarz RTB2002 Manual. Руководство пользователя. [Текст]. – Rohde & Schwarz GmbH & Co. KG. 2017.
14. Rohde & Schwarz SMB100B Manual. Руководство пользователя. [Текст]. – Rohde & Schwarz GmbH & Co. KG. 2020.