Метрологическое обеспечение измерительных систем : в 2 ч. Ч. 2. Системы учета электрической и тепловой энергии

Екатеринбург

Издательство Уральского университета

2018

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

УРАЛЬСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИМЕНИ ПЕРВОГО ПРЕЗИДЕНТА РОССИИ Б. Н. ЕЛЬЦИНА

В. А. Захаров, А. С. Волегов

МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ

Учебное пособие

В двух частях

Часть 2

Системы учета электрической и тепловой энергии

Рекомендовано методическим советом
Уральского федерального университета

в качестве учебного пособия для студентов вуза,

обучающихся по направлению подготовки

27.03.01, 27.04.01 «Стандартизация и метрология»

УДК 006.9:681.518.3(075.8)
ББК 30.10-05я73
        З-38

Учебное пособие содержит базовые понятия метрологии и рассматри
вает структуру, принципы построения и вопросы стандартизации производственных измерительных систем (ИС). Во второй части пособия даны сведения
об основных процедурах метрологического обеспечения ИС, теоретических
основах, принципах построения и функционирования, нормативных требованиях к ИС. Рассмотрены вопросы обработки результатов измерений и оценки
точности получаемых результатов.

Для студентов, обучающихся по программам бакалавриата и магистра
туры, может быть полезно специалистам, занимающимся созданием, эксплуатацией и метрологическим обеспечением измерительных систем.

Захаров, В. А.

Метрологическое обеспечение измерительных систем : учеб.

пособие : в 2 ч. Ч. 2. Системы учета электрической и тепловой
энергии / В. А. Захаров, А. С. Волегов ; [под общ. ред. В. А. Захарова] ; М-во науки и высш. образования Рос. Федерации, Урал.
федер. ун-т. – Екатеринбург : Изд-во Урал. ун-та, 2018. – 232 с.

ISBN 978-5-7996-2448-4
ISBN 978-5-7996-2450-7 (часть 2)

З-38

ISBN 978-5-7996-2448-4
ISBN 978-5-7996-2450-7 (часть 2)

Под общей редакцией В. А. Захарова

Рецензенты:

секция научно-технического совета

Уральского научно-исследовательского института метрологии

(заместитель председателя секции А. А. Ахмеев);

Г. Л. Штрапенин, кандидат физико-математических наук,

доцент кафедры «Электрические машины»

Уральского государственного университета путей сообщения

УДК 006.9:681.518.3(075.8)
ББК 30.10-05я73

© Уральский федеральный университет, 2018

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие ............................................................................................................ 6

Глава 5. ТЕХНИЧЕСКИЕ  СРЕДСТВА
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ  СИСТЕМ  УЧЕТА  ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ  ЭНЕРГИИ .... 8

5.1. Измерительные трансформаторы тока и напряжения .................... 8

5.1.1. Основные положения теории электромагнитных явлений ... 10
5.1.2. Т-образная схема замещения трансформатора .................... 17
5.1.3. Схема замещения трансформатора

для метода комплексных амплитуд .......................................... 22

5.1.4. Погрешности трансформатора тока ........................................ 24
5.1.5. Погрешности трансформатора напряжения .......................... 28
5.1.6. Нормативные требования к трансформаторам тока ........... 30
5.1.7. Нормативные требования

к трансформаторам напряжения ............................................. 38

5.1.8. Методы поверки измеpительных тpансфоpматоpов ............ 49

5.2. Счетчики электрической энергии переменного тока .................... 54

5.2.1. Активная и реактивная энергия и мощность

в однофазной сети ....................................................................... 55

5.2.2. Схемы включения счетчиков электрической энергии .......... 61
5.2.3. Классификация счетчиков электрической энергии .............. 69

5.2.3.1. Климатические условия эксплуатации счетчиков ... 71
5.2.3.2. Номенклатура метрологических характеристик

счетчиков ......................................................................... 71

5.2.3.3. Выходные устройства счетчиков ................................. 73

5.2.4. Электромеханические (индукционные) счетчики

электрической энергии ............................................................... 74

5.2.5. Статические счетчики электрической энергии ...................... 78

5.2.5.1. Счетчики на эффекте Холла ......................................... 79
5.2.5.2. Принципы действия цифровых счетчиков

электрической энергии ................................................. 80

5.2.5.3. Счетчики активной энергии

класса точности 0,2S и 0,5S ......................................... 82

5.2.5.4. Статические счетчики реактивной энергии .............. 87

5.2.6. Основные требования к поверке счетчиков

электрической энергии ............................................................... 92

5.3. Технические требования к программируемым контроллерам

и АИИС КУЭ ........................................................................................... 96
5.3.1. Программируемые контроллеры ............................................. 96
5.3.2 Технические требования ОРЭМ к АИИС КУЭ ...................... 102

Глава 6. ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА УЧЕТА ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ ..... 106

6.1. Теплота и тепловая энергия ................................................................. 107
6.2. Технические средства измерения давления ..................................... 114
6.3. Технические средства измерения температуры ............................. 121

6.3.1. Температурная шкала МТШ-90 ................................................. 121
6.3.2. Основные типы технических термометров ............................. 126
6.3.3. Термопреобразователи сопротивления ................................... 129

6.4. Преобразователи расхода ..................................................................... 136

6.4.1. Классификация расходомеров

 и счетчиков жидкости (газа) ....................................................... 137

6.4.2. Скоростные расходомеры ......................................................... 138
6.4.3. Расходомеры переменного перепада давления .................... 148

6.4.3.1. Основные характеристики потока жидкости ............ 148
6.4.3.2. Диафрагменный расходомер

переменного перепада давления ................................ 155

6.4.3.3. Приборы напорного действия ..................................... 161

6.5. Счетчики тепловой энергии ................................................................. 164

6.5.1. Функциональные требования к теплосчетчикам ................. 165
6.5.2. Конструктивные требования ..................................................... 167
6.5.3. Требования к метрологическим характеристикам

 теплосчетчиков ........................................................................... 167

Глава 7. НОРМИРОВАНИЕ  МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ  ХАРАКТЕРИСТИК
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ  СИСТЕМ ........................................................................... 171

7.1. Комплексы метрологических характеристик ИС ............................ 171
7.2. Алгоритм расчета погрешности измерительного канала ИC ...... 173
7.3. Погрешность ИК системы учета электрической энергии ............. 185
7.4. Погрешность ИК системы учета тепловой энергии ...................... 188

7.4.1. Закрытая система теплоснабжения ......................................... 188
7.4.2. Открытая система теплоснабжения ......................................... 190

Глава 8. ОСНОВНЫЕ  ПРОЦЕДУРЫ
МЕТРОЛОГИЧЕСКОГО  ОБЕСПЕЧЕНИЯ
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ  СИСТЕМ ......................................................................... 192

8.1. Метрологическая экспертиза технической документации ............ 193
8.2. Испытания ИС в целях утверждения типа ......................................... 195

8.2.1. Общие требования к испытаниям СИ

 в целях утверждения типа ........................................................... 195

8.2.2. Порядок проведения испытаний СИ

 в целях утверждения типа ......................................................... 196

8.3. Cертификационные испытания СИ .................................................. 200

8.3.1. Система добровольной сертификации СИ ............................ 200
8.3.2. Система добровольной сертификации

 программного обеспечения СИ ............................................. 203

8.4. Поверка и калибровка ИС .................................................................... 206

8.4.1. Общие требования к методикам поверки .............................. 206
8.4.2. Выбор и использование параметров методик поверки ...... 210
8.4.3. Порядок проведения поверки СИ ........................................... 212
8.4.4. Аккредитация как способ повышения доверия

 к результатам калибровки СИ .................................................. 215

8.5. Метрологический надзор за выпуском, монтажом,

наладкой, состоянием и применением ИС ...................................... 218
8.5.1. Федеральный государственный

 метрологический надзор  ......................................................... 219

8.5.2. Метрологический надзор, осуществляемый

 метрологическими службами юридических лиц ................. 221

Библиографические ссылки ............................................................................... 223

ПРЕДИСЛОВИЕ

Настоящее учебное пособие содержит сведения о теоретичес
ких основах, принципах построения и функционирования автоматизированных измерительных систем (ИС), используемых при измерении и коммерческом учете электрической и тепловой энергии.
Рассмотрены вопросы обработки результатов измерений и оценки
точности получаемых результатов с учетом влияния метрологических характеристик компонентов ИС. Представлены основные сведения о метрологическом обеспечении автоматизированных ИС
с учетом требований законодательства РФ, включая нормирование
метрологических характеристик измерительных каналов, метрологическую экспертизу технической документации, испытания в целях
утверждения типа и сертификацию ИС, поверку и калибровку измерительных систем, защиту встроенного программного обеспечения
от непреднамеренных и преднамеренных изменений. Представлены
также нормативные требования к порядку осуществления метрологического надзора за выпуском, монтажом, наладкой, состоянием
и применением ИС в стране.

В первой части настоящего учебного пособия приводятся базо
вые понятия метрологии, необходимые для понимания последующего материала, и рассматриваются структура, принципы построения и вопросы стандартизации производственных ИС, к которым
относятся, в частности, ИС, используемые для технического и коммерческого учета электрической и тепловой энергии в стране. В этой
части пособия рассматриваются основные понятия метрологии,
включая современные подходы к совместному использованию понятий «погрешность измерения» и «неопределенность измерения».
Анализируются структурные и конструктивные особенности цифровых ИС, современные методы синхронизации проводимых измерений с использованием глобальных навигационных спутниковых систем, методы оценки влияния программного обеспечения ИС
на результаты измерений, проблемы достоверной передачи изме

рительной информации в измерительных каналах производственных ИС. Во второй части пособия приведен полный список литературы к обеим частям. Нумерация литературных источников в учебном пособии является сквозной.

Пособие предназначено для студентов, обучающихся в бакалав
риате и магистратуре по направлению подготовки «Стандартизация и метрология» и может быть полезно специалистам, занимающимся созданием, эксплуатацией и метрологическим обеспечением
измерительных систем, включая системы учета тепловой и электрической энергии, расхода тепло- и энергоресурсов.

Глава 5

ТЕХНИЧЕСКИЕ  СРЕДСТВА
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ  СИСТЕМ

УЧЕТА  ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ  ЭНЕРГИИ

Структурная схема измерительного канала системы учета

электрической энергии представлена на рис. 5.1.

Рис. 5.1. Структура измерительного канала системы

учета электрической энергии:

I (t) и U (t) – измеряемые ток и напряжение соответственно; ТТ и ТН – измерительный
трансформатор тока и напряжения; УСПД – устройство сбора и передачи данных

ТТ

ТН

УСПД
ПЭВМ

Счетчик

Интерфейс

I(t)

U(t)

Как видно из рисунка, в состав рассматриваемого измеритель
ного канала в общем случае входят следующие компоненты:

 измерительные трансформаторы тока (ТТ) и напряжения (ТН);
 счетчики электрической энергии;
 устройство сбора и передачи данных (УСПД);
 ПЭВМ и соответствующее программное обеспечение.
Рассмотрим принципы функционирования и нормативные тре
бования к характеристикам перечисленных компонентов измерительного канала.

5.1. Измерительные трансформаторы тока

и напряжения

Измерительный трансформатор представляет собой измери
тельный преобразователь, предназначенный для масштабного пре

образования посредством электромагнитной индукции переменного напряжения и (или) тока. Основными частями трансформатора являются его магнитопровод и расположенные на нем обмотки, электрически не связанные между собой.

Магнитопровод трансформатора выполняется из тонких лис
тов электротехнической стали. При повышенных требованиях к измерительному трансформатору его магнитопровод изготавливают
из специальных сталей: пермаллои, аморфное железо и т. п. Материал для создания магнитопроводов изготавливается в виде тонких
(обычная толщина – доли миллиметра) пластин или лент с изоляционным покрытием для уменьшения потерь на вихревые токи, возбуждаемые в пластинах при перемагничивании трансформатора
в процессе работы.

При изготовлении трансформаторов могут использоваться раз
личные конструкции магнитопроводов. Наиболее часто используются [64] показанные на рис. 5.2 конструкции – стержневой, броневой и тороидальный (кольцевой) магнитопроводы. В трехфазном
трансформаторе напряжения применяют трехстержневой магнитопровод, который похож на броневой, но обмотки на нем расположены на всех трех стержнях.

Рис. 5.2. Варианты конструкции магнитопроводов трансформаторов:

а – стержневой; б – броневой; в – тороидальный (кольцевой)

U1
U2

U1
U1

U2
U2

a

б
в

Обмотки трансформаторов изготавливают из медных проводов

круглого или прямоугольного сечения, покрытых эмалевой и (или) волокнистой изоляцией. В масляных трансформаторах магнитопро

вод с обмотками помещается в бак, заполненный маслом, которое
отбирает от них тепло, передавая его стенкам бака.

Обмотки трансформатора обычно бывают [65] двух типов: ци
линдрические и дисковые. Цилиндрические обмотки выполняются
в виде цилиндров и располагаются на магнитопроводе концентрически. При этом концентрические обмотки могут располагаться
на магнитопроводе в различном порядке. Дисковые обмотки выполняются в виде невысоких цилиндров и располагаются на магнитопроводе, чередуясь в осевом направлении.

Обмотка трансформатора, на которую подается измеряемый ток

или напряжение, называется первичной. Соответственно, обмотка,
с которой снимается преобразованный ток или напряжение, называется вторичной. Различают однофазные (для цепей однофазного
тока и напряжения) и трехфазные (для трехфазных цепей) трансформаторы. У трехфазных трансформаторов первичной или вторичной обмоткой принято называть совокупности трех фазных обмоток одного напряжения.

Как отмечалось выше, первичная и вторичная обмотки транс
форматора электрически не связаны между собой. Связь этих обмоток между собой является индуктивной и в соответствии с законом электромагнитной индукции определяется переменным магнитным потоком в магнитопроводе, который (поток) формируется
токами, протекающими в первичной и вторичной обмотках трансформатора.

Для определения особенностей функционирования измери
тельных трансформаторов рассмотрим основные положения теории
электромагнитных явлений.

5.1.1. Основные положения
теории электромагнитных явлений

Магнитная индукция
Постоянные магниты и их способность взаимодействовать друг

с другом известны очень давно. Но только в 1820 г. датский физик
Х. Эрстед обнаружил, что прямолинейный ток взаимодействует
с магнитной стрелкой. Он помещал над магнитной стрелкой прямо

линейный проводник, направленный параллельно стрелке. При пропускании через проводник электрического тока стрелка поворачивалась почти перпендикулярно проводнику. При изменении направления тока стрелка разворачивалась на 180°.

Французский физик А. Ампер в том же 1820 г. обнаружил, что

токи взаимодействуют не только с постоянными магнитами, но и друг
с другом: при протекании по параллельным проводам токов одного
и того же направления провода притягиваются, при протекании
токов противоположного направления провода отталкиваются.

Наглядным примером взаимодействия токов является дефор
мация соленоида импульсного магнитного поля под воздействием
протекающего в нем тока. Импульсные магнитные поля получают [66] с помощью соленоида, через который пропускают разрядный ток электрического конденсатора, заряженного до высокого напряжения. При достаточно большой амплитуде импульсного тока
соленоид раздувается (см. рис. 5.3) в средней части (противоположно направленные токи в противоположных сторонах витка отталкиваются) и несколько сжимается вдоль оси соленоида (витки с параллельными токами притягиваются).

Если материал провода соленоида достаточно пластичен (на
пример, медь), то возникающая деформация соленоида сохраняется и после пропускания тока. При недостаточной пластичности материала или достаточно большой амплитуде тока соленоид может
разрушиться под воздействием импульсного тока.

Рис. 5.3. Цилиндрический соленоид,

деформированный сильным магнитным полем

Причина взаимодействия токов заключается в существовании

вокруг любого проводника с током материального объекта – магнитного поля [67], которое и обуславливает силовое взаимодействие
проводников с током. Характеристикой, определяющей силовое
действие магнитного поля, является его магнитная индукция В.

Магнитная индукция есть вектор, направление которого опре
деляется правилом правого буравчика: если вращать правый штопор (буравчик) так, чтобы он поступательно перемещался в направлении тока, то возникающая индукция направлена по движению
ручки буравчика.

Для характеристики пространственного распределения магнит
ной индукции вводят понятие о силовых линиях. Силовая линия
магнитной индукции – это пространственная кривая, которая проходит через точки, в которых величина вектора магнитной индукции имеет одно и то же значение, а направление вектора магнитной индукции определяется направлением касательной к силовой
линии в рассматриваемой точке.

Для определения единицы магнитной индукции воспользуемся

законом Ампера, который утверждает [67], что на элемент тока  ⃗,
помещенный в магнитное поле с индукцией ⃗, действует сила, равная

⃗ = · ⃗ ⃗.
(5.1)

Квадратные скобки в этом соотношении означают векторное

произведение векторов ⃗ и ⃗. В международной системе единиц
(СИ) единицей магнитной индукции является 1 тесла (1 Тл). Как
следует из (5.1), размерность единицы магнитной индукции равна
Н/(А  м) = кг/(А  с2).

Индукция 1 Тл – большая величина. Достаточно сказать, что

магнитное поле Земли (величина заметная, поскольку любой компас реагирует на эту величину) характеризуется значением индукции порядка 0,05 мТл = 5  10–5 Тл.

Магнитное поле
Кроме вектора магнитной индукции вводят также понятие о век
торе магнитного поля. Напряженностью магнитного поля в некоторой точке, характеризующейся индукцией ⃗ и относительной

магнитной проницаемостью , называют вектор ⃗, определяемый
формулой

                                            ⃗ =

1

0 ⃗,,
(5.2)

где  – безразмерная величина, которая называется относительной магнитной проницаемостью (для вакуума  = 1); 0 = 4  10–7 –
магнитная постоянная, Тл · м/А.

Учитывая, что размерность 0 в СИ есть Тл·м/А, а размерность ⃗

есть Тл, для размерности магнитного поля из (5.2) получаем А/м.

Необходимость введения дополнительного к магнитной индук
ции понятия о магнитном поле вытекает, в частности, из закона полного тока, который формулируется следующим образом: циркуляция
вектора напряженности магнитного поля ⃗ по замкнутому контуру равна алгебраической сумме токов, охватываемых контуром
интегрирования:

∮  ∂= ∑ охв.

Закон полного тока имеет большое значение при решении элек
тромагнитных задач.

Пример. Магнитное поле прямолинейного тока I.
По правилу буравчика в этом случае силовые линии магнитно
го поля имеют вид концентрических окружностей с центром на оси
тока (см. рис. 5.4). Тогда на расстоянии R от оси провода циркуляция поля равна 2R  H, а охватываемый ток равен просто протекающему току I. Тогда из закона полного тока имеем:

∮  ∂= 2 = ∑ охв = .

Откуда получаем, что

.
2

I
H
R



Магнитный поток и закон Ома для магнитной цепи
Введем понятие потока магнитной индукции Ф через элемен
тарную площадку S, ориентация которой в пространстве определяется единичным вектором нормали ⃗ к этой площадке:

    ∂Ф = ⃗  ⃗ · =  ∂ cos .
(5.3)