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 производ-
ственных измерительных систем (ИС). Во второй части пособия даны сведения
об основных процедурах метрологического обеспечения ИС, теоретических
основах, принципах построения и функционирования, нормативных требова-
ниях 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, эксплуа-
тацией 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. Заха-
рова] ; 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 теоретических 
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 метрологичес-
ких характеристик компонентов ИС. Представлены основные све-
дения о метрологическом обеспечении автоматизированных ИС
с учетом требований законодательства РФ, включая нормирование
метрологических характеристик измерительных каналов, метроло-
гическую экспертизу технической документации, испытания в целях
утверждения типа и сертификацию ИС, поверку и калибровку изме-
рительных систем, защиту встроенного программного обеспечения
от непреднамеренных и преднамеренных изменений. Представлены
также нормативные требования к порядку осуществления метроло-
гического 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 последую-
щего материала, и рассматриваются структура, принципы построе-
ния и вопросы стандартизации производственных ИС, к которым
относятся, в частности, ИС, используемые для технического и ком-
мерческого учета электрической и тепловой энергии в стране. В этой
части пособия рассматриваются основные понятия метрологии,
включая современные подходы к совместному использованию по-
нятий «погрешность измерения» и «неопределенность измерения».
Анализируются структурные и конструктивные особенности циф-
ровых ИС, современные методы синхронизации проводимых из-
мерений с использованием глобальных навигационных спутнико-
вых систем, методы оценки влияния программного обеспечения ИС
на результаты измерений, проблемы достоверной передачи изме-

рительной информации в измерительных каналах производствен-
ных ИС. Во второй части пособия приведен полный список литера-
туры к обеим частям. Нумерация литературных источников в учеб-
ном пособии является сквозной.

Пособие предназначено для студентов, обучающихся в бакалав-

риате и магистратуре по направлению подготовки «Стандартиза-
ция и метрология» и может быть полезно специалистам, занимаю-
щимся созданием, эксплуатацией и метрологическим обеспечением
измерительных систем, включая системы учета тепловой и элект-
рической 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 измери-
тельного канала.

5.1. Измерительные трансформаторы тока

и напряжения

Измерительный трансформатор представляет собой измери-

тельный преобразователь, предназначенный для масштабного пре-

образования посредством электромагнитной индукции перемен-
ного напряжения и (или) тока. Основными частями трансформато-
ра являются его магнитопровод и расположенные на нем обмотки, 
электрически не связанные между собой.

Магнитопровод трансформатора выполняется из тонких листов 
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 различные 
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) во-
локнистой 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 концентри-
чески. При этом концентрические обмотки могут располагаться
на магнитопроводе в различном порядке. Дисковые обмотки выпол-
няются в виде невысоких цилиндров и располагаются на магнито-
проводе, чередуясь в осевом направлении.

Обмотка трансформатора, на которую подается измеряемый ток

или напряжение, называется первичной. Соответственно, обмотка,
с которой снимается преобразованный ток или напряжение, назы-
вается вторичной. Различают однофазные (для цепей однофазного
тока и напряжения) и трехфазные (для трехфазных цепей) трансфор-
маторы. У трехфазных трансформаторов первичной или вторич-
ной обмоткой принято называть совокупности трех фазных обмо-
ток одного напряжения.

Как отмечалось выше, первичная и вторичная обмотки транс-

форматора электрически не связаны между собой. Связь этих об-
моток между собой является индуктивной и в соответствии с зако-
ном электромагнитной индукции определяется переменным маг-
нитным потоком в магнитопроводе, который (поток) формируется
токами, протекающими в первичной и вторичной обмотках транс-
форматора.

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 про-
пускании через проводник электрического тока стрелка поворачи-
валась 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 деформация 
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 (например, 
медь), то возникающая деформация соленоида сохраняется 
и после пропускания тока. При недостаточной пластичности ма-
териала 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 – маг-
нитного 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 што-
пор (буравчик) так, чтобы он поступательно перемещался в направ-
лении 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 про-
ходит через точки, в которых величина вектора магнитной индук-
ции имеет одно и то же значение, а направление вектора магнит-
ной 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 ком-
пас реагирует на эту величину) характеризуется значением индук-
ции 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 некото-
рой точке, характеризующейся индукцией ⃗ и относительной

магнитной проницаемостью , называют вектор ⃗, определяемый
формулой

                                            ⃗ =

1

0 ⃗,,
(5.2)

где  – безразмерная величина, которая называется относитель-
ной 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 пол-
ного тока, который формулируется следующим образом: циркуляция
вектора напряженности магнитного поля ⃗ по замкнутому конту-
ру 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 циркуля-
ция поля равна 2R  H, а охватываемый ток равен просто проте-
кающему 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 опреде-
ляется единичным вектором нормали ⃗ к этой площадке:

    ∂Ф = ⃗  ⃗ · =  ∂ cos .
(5.3)