Настоящие методические указания распространяются на электронные фазометры (измерители разности фаз), измеряющие угол фазового сдвига (УФС) между двумя электрическими напряжениями с одинаковыми частотами, и устанавливают методику их первичной и периодической поверок в диапазоне частот 0,001 Гц - 20 МГц в соответствии с поверочной схемой, приведенной в ГОСТ 8.139-75.

Основные технические, метрологические характеристики серийно выпускаемых отечественных электронных фазометров, на которые распространяются настоящие методические указания, приведены в приложении 1. По настоящим методическим указаниям следует поверять и другие фазометры с характеристиками, аналогичными указанным в приложении 1.

Основные технические характеристики фазометров зарубежных фирм, которые также могут быть поверены по настоящим методическим указаниям, указаны в приложении 2.

1.1. При проведении поверки должны быть выполнены следующие операции:

внешний осмотр (п. 5.1);

опробование (п. 5.2);

определение основной погрешности при равных оптимальных <*> входных сигналах (п. 5.3);

определение погрешностей при ослабленных и неизменных уровнях входных сигналов (п. 5.4);

определение погрешностей при изменении уровня входных сигналов в одном из каналов (п. 5.5).

--------------------------------

<*> Оптимальный сигнал - уровень сигналов в каналах, при которых значение основной погрешности измерения разности фаз минимально.

2.1. При проведении поверки должны быть применены следующие средства поверки.

2.1.1. Образцовые:

образцовые калибраторы фазовых сдвигов 1-го разряда (при поверке фазометров с погрешностью не более 0,3°) и 2-го разряда (при поверке фазометров с погрешностью свыше 0,3°) в соответствии с ГОСТ 8.139-75, работающие в диапазоне частот от 0,001 Гц до 20 МГц и обеспечивающие постоянство коэффициента гармоник выходных сигналов при изменении УФС от 0 до 360°.

2.1.2. Вспомогательные:

аттенюаторы;

фазовращатели;

генераторы синусоидальных сигналов;

электронные вольтметры;

осциллографы.

Примечание. Вышеуказанные вспомогательные средства поверки должны соответствовать техническим характеристикам поверяемого фазометра;

стабилизатор напряжения, обеспечивающий получение стабилизированного напряжения переменного тока (220 +/- 4,4) В;

термометр группы III по ГОСТ 215-73 с ценой деления 0,5 °C.

2.2. Все применяемые средства должны иметь действующий документ о поверке или аттестации.

2.3. Все работы со средствами поверки и поверяемыми приборами проводят согласно технической документации (ТД) на конкретное средство.

2.4. Рекомендуемые средства поверки и их технические характеристики приведены в приложении 3.

2.5. Допускается применять другие средства поверки при условии обеспечения необходимой точности измерения.

3.1. При проведении поверки должны быть соблюдены требования безопасности, изложенные в "Правилах технической эксплуатации электроустановок потребителей" и "Правилах техники безопасности при эксплуатации электроустановок потребителей", утвержденных Госэнергонадзором.

4.1. При проведении поверки должны быть соблюдены следующие условия:

температура окружающего воздуха (20 +/- 5) °C;

относительная влажность воздуха (65 +/- 15)%;

атмосферное давление (100 +/- 4) кПа, (750 +/- 30) мм рт. ст.;

напряжение питающей сети (220 +/- 4,4) В при частоте (50 +/- 0,5) Гц.

5.1. Внешний осмотр

5.1.1. При внешнем осмотре должно быть установлено соответствие поверяемого фазометра следующим требованиям:

фазометр не должен иметь внешних повреждений, влияющих на его нормальную работу;

к фазометру должна быть приложена техническая документация и коммутационные кабели;

маркировка фазометра должна соответствовать указанной в технической документации.

5.2. Опробование

5.2.1. Фазометр и используемые средства поверки должны быть заземлены и прогреты в течение времени, указанного в ТД. С одного из выходов калибратора фазовых сдвигов подают сигнал с помощью кабелей одинаковой длины на соединенные вместе входы фазометра, при этом зажимы "корпус" фазометра и калибратора соединяют вместе, а зажимы защитного заземления приборов подключают к внутреннему контуру заземления помещения. Фазометр должен устойчиво показывать нулевое значение УФС, не превышающее предела его основной погрешности.

5.2.2. Проверяют правильность индикации на индикаторе фазометра. Для этого выходы калибратора фазовых сдвигов подключают к входам фазометра, устанавливают рабочую частоту калибратора и последовательно устанавливают углы фазового сдвига.

5.2.3. Если фазометр не соответствует требованиям пп. 5.1 и 5.2, поверку прекращают.

5.3. Определение основной погрешности при равных оптимальных входных сигналах

5.3.1. Перед началом проверки контролируют напряжение на входах фазометра с помощью вольтметра (на частотах от 20 Гц и выше) и осциллографа (на частотах от 0,001 до 20 Гц).

Проверку проводят при входных параметрах, указанных для каждого типа фазометра в приложении 4. На каждой частоте проводят три измерения и определяют среднее арифметическое результата измерения. Отношение уровней входных сигналов не должно превышать 6 дБ от уровня большего сигнала.

5.3.2. Основную погрешность определяют методом сличения с активной <*> либо пассивной <**> образцовыми мерами, либо независимой поверкой <***>.

--------------------------------

<*> Активная образцовая мера является источником электрических сигналов, сдвинутых друг относительно друга на точно известный УФС.

<**> Пассивная образцовая мера создает УФС между двумя электрическими сигналами, при наличии внешнего источника сигналов.

<***> Независимая поверка применяется по разрешению НПО "ВНИИМ им. Д.И. Менделеева" в случае недостаточной точности образцовых средств поверки, имеющихся при поверке.

5.3.3. Метод сличения с активной образцовой мерой. Сличение проводят при параметрах входных сигналов, указанных в приложении 4.

5.3.3.1. Если погрешность активной образцовой меры не превышает 1/3 предела основной допускаемой погрешности фазометра, основную погрешность определяют при соединении средств поверки по структурной схеме, приведенной на рис. 1.

В качестве активной образцовой меры используют калибраторы фазовых сдвигов (далее КФС) или двухфазные генераторы. Выходы АОМ соединяют со входами Ф. По индикатору АОМ устанавливают последовательно углы фазового сдвига с интервалом не менее 30° и после установки каждого из них снимают показания поверяемого фазометра.

Основную погрешность поверяемого фазометра следует определять по формуле , где и - значения УФС, определяемых по индикаторам АОМ и фазометра соответственно.

5.3.3.2. Если точность поверяемого фазометра примерно равна точности АОМ, основную погрешность определяют с помощью АОМ и дополнительного фазовращателя <*> при соединении средств поверки по структурной схеме, приведенной на рис. 2.

--------------------------------

<*> Обоснование методики определения основной погрешности с помощью АОМ и дополнительного фазовращателя приведено в приложении 6.

В качестве ДФ используют либо фазовращатели в виде RC - цепи (см. приложение 5), либо фазовращатели, входящие в состав преобразователя частоты калибратора Ф1-4. Эти фазовращатели настроены на углы 0, 90, 180, 270° на частотах 5 - 20, 10⁴, 10⁵, 5·10⁵, 10⁶, 10⁷, 2·10⁷ Гц.

Проверку основной погрешности производят в следующей последовательности.

Устанавливают рабочую частоту и выходное напряжение КФС в соответствии с приложением 4 для данного фазометра.

Проводят четыре серии измерений:

I серия

Устанавливают дополнительным фазовращателем УФС равный 0°;

при нулевом значении УФС на КФС проводят "обнуление" индикатора фазометра нажатием кнопки "Установка 0"; последовательно устанавливают УФС 90, 180, 270° на КФС и определяют после установки каждого из них, включая и нулевой, отклонения показаний фазометра от номинальных значений УФС на входах фазометра, равных сумме УФС на КФС и УФС на ДФ, т.е. от 0, 90, 180 и 270° соответственно;

записывают отклонения , , , (1-е, 2-е, 3-е и 4-е измерения; 1-я серия).

II серия

После установки УФС 270° на КФС и снятия показаний фазометра устанавливают УФС 90° на ДФ; последовательно устанавливают УФС 0, 90 и 180° на КФС и после установки каждого из них определяют отклонения показаний фазометра от значений УФС на входах фазометра, т.е. от 0, 90, 180 и 270°; записывают найденные отклонения , , и (1-е, 2-е, 3-е и 4-е измерения; 2-я серия).

III серия

После установки УФС 180° на КФС и снятия показаний фазометра устанавливают УФС 180° на ДФ; последовательно устанавливают УФС 270, 0 и 90° на КФС и после установки каждого из них определяют отклонения показаний фазометра от номинальных значений УФС на входах фазометра, т.е. от 0, 90, 180 и 270° соответственно; записывают найденные отклонения , , и (1-е, 2-е, 3-е и 4-е измерения; 3-я серия).

IV серия

После установки УФС 90° на КФС и снятия показаний фазометра последовательно устанавливают УФС 180, 270, 0° на КФС и после установки каждого из них определяют отклонения показаний фазометра от 0, 90, 180 и 270° соответственно; записывают найденные отклонения , , и (1-е, 2-е, 3-е измерения; 4-я серия).

Запись отклонений для расчета погрешности фазометра производят в протоколе поверки, форма которого приведена в приложении 7 (табл. 1).

5.3.3.3. Если точность поверяемого фазометра высока, и есть необходимость определить его основную погрешность в более чем четырех точках фазовой характеристики, выбирают активную образцовую меру, обеспечивающую дискретное задание необходимого количества точек, с дискретностью . Основную погрешность определяют при соединении средств измерений по структурной схеме, приведенной на рис. 2.

В качестве ДФ используют фазовращатели, настроенные на углы 0°, для частот, на которых определяют основную погрешность фазометра.

Проверку основной погрешности производят в следующей последовательности:

устанавливают рабочую частоту и выходное напряжение КФС в соответствии с приложением 4;

устанавливают дополнительным фазовращателем УФС равный 0°;

устанавливают на калибраторе УФС равный 0°;

"обнуляют" индикатор фазометра и фиксируют его начальные показания;

устанавливают последовательно УФС с требуемой дискретностью, например 30°, т.е. УФС 30, 60, 90 и т.д. до 330° на КФС и после установки каждого из них снимают показания поверяемого фазометра;

определяют отклонения показаний поверяемого фазометра от номинального значения УФС на его входах , равного сумме УФС калибратора и ДФ, т.е. от 0, 30, 60, 90 и т.д. до 330° соответственно;

полученные отклонения записывают в таблицу;

после установки УФС 330° на КФС и снятия показаний фазометра устанавливают на калибраторе УФС, равный 0°, а дополнительным фазовращателем УФС равный (30°);

"обнуляют" индикатор фазометра и фиксируют его начальные показания;

устанавливают последовательно УФС с той же дискретностью, т.е. УФС 30, 60, 90 и т.д. до 330° на КФС и после каждого из них снимают показания поверяемого фазометра;

определяют отклонения показаний поверяемого фазометра от номинального значения УФС, действующего на его входах , и равного сумме УФС калибратора и ДФ, т.е. от 30, 60, 90, 120, 150, 180, 210, 240, 270, 300, 330, 360°;

полученные отклонения записывают в таблицу (см. приложение 7, табл. 2).

Здесь i - номер поверяемой точки на фазовой характеристике КФС.

Запись отклонений для расчета погрешности фазометра производят в протоколе поверки, форма которого приведена в приложении 7 (табл. 2).

5.3.4. Методом сличения с пассивной образцовой мерой основную погрешность определяют при соединении средств поверки по структурной схеме, представленной на рис. 3.

В качестве пассивной образцовой меры применяют круговые бесконтактные индуктивные фазовращатели типа БИФ или емкостные типа ФЕ-1 и RC-фазовращатели (см. приложение 3).

От генератора Г сигнал поступает на ПОМ, с двух выходов которой напряжения подают на входы поверяемого фазометра. По шкале ПОМ задают УФС (10, 20, 30 и т.д. до 360°) и записывают показания Ф. Основную погрешность фазометра определяют по формуле , где и - значения УФС, определяемые по шкале ПОМ и индикатору Ф соответственно.

5.3.5. Независимую поверку фазометров осуществляют на частотах от 0,001 до 5 МГц при соединении средств поверки по структурной схеме, приведенной на рис. 4.

Один из круговых фазовращателей КФ-1 должен иметь одну исходную (любую) отметку на шкале. Второй фазовращатель может не иметь шкалы. На вход поверяемого фазометра Ф через фазовращатели от генератора Г подают два напряжения одного уровня. Указатель фазовращателя КФ-1, включенного на вход 1-го канала Ф, устанавливают на исходную отметку шкалы. При помощи фазовращателя КФ-2 устанавливают нулевое показание фазометра.

Фазометр проверяют при значениях УФС 30, 60, 90 и 180°. Вращением ручки фазовращателя КФ-1 по показаниям Ф устанавливают одно из указанных значений УФС, фазовращателем КФ-2 показания Ф сводят к нулю.

В зависимости от первоначального выбранного значения эту операцию проводят 11 раз при значениях УФС 30°, пять раз при 60°, три раза при 90° и один раз при 180°. На 12-й, 6-й, 4-й или 2-й раз (в общем случае G-й) фазовращатель КФ-1 устанавливают по своей шкале на исходную отметку. При этом записывают показание по Ф. Основную погрешность поверяемого фазометра определяют по формуле

где G - порядковый номер операции поверки.

5.4. Определение погрешности при ослабленных неизменных уровнях входных сигналов

5.4.1. Перед началом измерения так же, как и по п. 5.3.1, контролируют напряжения на входах фазометра. Частоты, на которых проводят проверку, выбирают в соответствии с приложением 4.

5.4.2. Если погрешность активной образцовой меры не превышает 1/3 предела основной допускаемой погрешности фазометра, основную погрешность определяют по методике п. 5.3.3.1 при соединении средств поверки по структурной схеме, приведенной на рис. 5.

--------------------------------

<*> В случае отсутствия делителей напряжения, допускается использовать аттенюаторы, встроенные в каналы АОМ, например, аттенюаторы в каналах прибора Ф1-4.

5.4.3. Если точность поверяемого фазометра примерно равна точности АОМ, основную погрешность определяют с помощью АОМ и дополнительного фазовращателя при соединении средств поверки по структурной схеме, приведенной на рис. 6, и по методике п. 5.3.3.2.

5.4.4. Значения погрешности, полученные по п. 5.4, не должны превышать основной допускаемой погрешности, указанной в ТД на данный тип фазометра.

5.4.5. При поверке фазометров высокой точности (погрешность не более 0,2°) оформляют протокол, пример заполнения которого приведен в приложении 7.

5.4.6. При поверке фазометров с погрешностью более 0,2° протокол не заполняют.

5.5. Определение погрешностей при изменении уровня входных сигналов в одном из каналов (амплитудно-фазовых погрешностей по каналам)

5.5.1. Амплитудно-фазовую погрешность (АФП) определяют с помощью аттенюатора при соединении средств измерений по структурной схеме, приведенной на рис. 7.

С выхода "Вых. 1" калибратора фазовых сдвигов сигнал поступает на поверяемый фазометр, с выхода "Вых. 2" - на вход аттенюатора, с выхода которого - на "Вх. 2" фазометра. Вначале регулятор аттенюатора устанавливают на нулевое ослабление и фазометр рукоятками калибровки выводят на нулевое показание. Затем регулятор аттенюатора переключают в положение максимального ослабления для данного типа фазометра. Показания фазометра и есть амплитудно-фазовая погрешность фазометра .

Если известна амплитудно-фазовая погрешность аттенюаторов, то

где - амплитудно-фазовая погрешность аттенюатора (см. приложение 8).

При поверке фазометров, имеющих верхнюю границу входного напряжения до 10 В, рекомендуется вместо КФС использовать генератор с большим выходным напряжением, а для устранения рассогласования в измерительных цепях установить дополнительные аттенюаторы с затуханием 6 дБ.

Структурная схема соединения средств поверки для этого случая представлена на рис. 8.

6.1. Положительные результаты поверки должны быть оформлены:

при первичной поверке - записью в паспорте фазометра, удостоверенной в порядке, установленном предприятием;

при государственной периодической поверке - выдачей свидетельства по форме, установленной Госстандартом СССР;

при ведомственной периодической поверке - выдачей свидетельства о поверке по форме, установленной в министерстве (ведомстве).

Во всех случаях прибор пломбируют.

6.2. При отрицательных результатах поверки прибор к применению не допускают и на него выдают извещение о непригодности с указанием причины.

--------------------------------

<*> УФС - угол фазового сдвига.

<**> - измеряемый УФС.

<***> A - ослабление в децибелах.

--------------------------------

<*> f - частота в сотнях килогерц.

<**> F - частота в герцах.

--------------------------------

<*> A - ослабление в децибелах.

Фазовращатель состоит из резистора R и конденсатора C, соединенных по схеме, приведенной на рисунке.

Погрешность резисторов +/- 5%.

Погрешность конденсаторов +/- 10%.

--------------------------------

<*> Данная методика относится к категории экспериментально-математических методов поверки (когда уровни точности воспроизведения и измерения близки), суть которых заключается в достоверном разделении погрешностей устройства воспроизведения и измерения УФС.

Определение погрешности измерения УФС осуществляется по структурной схеме, приведенной на рисунке.

Калибратор фазового сдвига КФС воспроизводит значение УФС, равное , причем , где - номинальное значение УФС, установленное на индикаторе КФС; - погрешность воспроизведения .

На входы поверяемого фазометра ПФ подан , равный сумме УФС, воспроизводимых калибратором фазового сдвига КФС и дополнительным фазовращателем ДФ , где - УФС, воспроизводимый ДФ;

, где ^- номинальное значение УФС, установленное на ДФ; - погрешность воспроизведения. Тогда . Индикатор ПФ покажет , где - погрешность ПФ. .

Если будут принимать значения через дискрет , а через (в общем случае , хотя практически удобен случай K = M) так, чтобы происходило наполнение погрешности фазометра в точках измерения выбранного дискрета УФС, то получится пространство погрешностей, которое можно нормализовать в виде таблицы, где по строкам будут накапливаться погрешности ПФ, по графам - погрешности КФС, а по диагоналям - погрешности ДФ. Если УФС будут принимать значения от 0 до , то погрешность ПФ проявит все свои значения, которые она имеет в этом интервале УФС, включая как максимальное , так и минимальное значения . Полуразность между ними дает значение погрешности фазометра, т.е. . Учитывая, что и , а также приведя значение с учетом граф, получим .

Точность приведенного метода определения погрешности фазометра определяется разрешающей способностью их индикаторов, случайными составляющими погрешностей КФС, ДФ и ПФ, обусловленными в основном временными нестабильностями их фазовых характеристик. В состав ДФ входят фазоинвертор, выполненный в виде транзисторного дифференциального каскада, и фазовращатель, выполненный на RC-цепях. Общая временная нестабильность фазовых характеристик КФ, ДФ и ПФ в течение 3 мин, необходимых для поверки прибора на одной частоте, составляет не более 0,01°. Разрешающая способность индикаторов ПФ составляет 0,001 - 0,01° и практически не влияет на точность данного метода. Следовательно, точность метода определяется нестабильностью фазовых характеристик ПФ, КФ и ДФ и равна +/- 0,01°, что обеспечивает достаточную достоверность оценки погрешностей поверяемых фазометров.

Учитывая практическую реализацию, целесообразно применение четырех дополнительных фазовращателей через 90°, так как распределение значений погрешности УФС имеет синусообразный характер.

В таблице представлено пространство погрешностей УФС.

1. Методика поверки по п. 5.3.3.2.

За основную погрешность измерения УФС принимают разность между максимальным и минимальным значениями сумм погрешностей фазометра в основных точках шкалы, поделенную на 8 и взятую со знаком (+/-), т.е.

Например, если

то

2. Методика поверки по п. 5.3.3.3.

Для определения основной погрешности фазометра производят следующие вычисления:

определяют разности соответствующих значений третьей графы табл. 1 и значений второй графы табл. 1 , полученные значения записывают в четвертую графу табл. 1.

Для каждого УФС, действующего на входе фазометра, вычисляют погрешность поверяемого фазометра по формулам:

и т.д. и записывают в четвертую графу табл. 2.

За основную погрешность измерения УФС принимают разность между максимальными и минимальными значениями элементов пятой графы, поделенную на 2 и взятую со знаком +/-, т.е. .

Например, если

Пример 1

Протокол N 85

Определение основной погрешности фазометра типа ФК2-35 N 012 выпуска 1986 г.

Применяемая аппаратура: образцовый калибратор фазы 1-го разряда типа Ф1-4 N 367 выпуска 1985 г.

1. Определение основной погрешности при равных оптимальных входных сигналах.

Основная погрешность фазометра (+0,07°) не превышает указанной в техническом описании (0,1°).

2. Определение погрешностей при неизменных уровнях сигналов и ослаблении сигнала в одном из каналов в 60 дБ.

Погрешность, указанная в техническом описании, равна +/- (0,1 + 0,003·A) = +/- (0,1 + 0,003·60) = 0,28°.

Погрешность фазометра (0,27°) не превышает указанной в техническом описании.

3. Определение погрешности при ослаблении уровня входного сигнала на одном из входов до 60 дБ (АФП). Дополнительные средства поверки: аттенюатор типа Д1-13А N 528.

Погрешность, указанная в техническом описании, равна +/- (0,1 + 0,007A)° = +/- (0,1 + 0,007·46) = +/- (0,1 + 0,32) = +/- 0,42°.

Погрешность фазометра (0,408°) не превышает указанной в техническом описании.

Вывод. По результатам поверки фазометр признан годным.

Пример заполнения протокола независимой поверки фазометра.

Пример 2

Протокол N 96

Определение основной погрешности фазометра типа Ф2-13 N 12608 выпуска 1976 г.

Применяемая аппаратура: генератор Г3-110; фазовращатель БИФ-0,25 - 2 шт.

По результатам поверки фазометр признан годным

Пример заполнения протокола поверки фазометра с помощью дополнительного фазовращателя.

Пример 3

Протокол N 95

Определение основной погрешности фазометра типа ФК2-35 на частоте 100 кГц при равных уровнях входных сигналов (входное напряжение 10 В) в 4-х точках фазовой шкалы.

По результатам поверки фазометр признан годным.

--------------------------------

<*> A - ослабление в децибелах уровня сигнала на одном из входов.

Примечание. Данные аттенюаторов приведены на основании испытаний на аппаратуре ДК1-16.