4.2.4. Основные виды погрешности и способы уменьшения

В электромагнитных приборах с некоторыми общими погрешностями, характерными для большинства электромеханических приборов (погрешности отсчета, от трения в опорах, от опрокидывания, от упругого последствия пружинок или растяжек и т. д.), имеют место специфические погрешности.

Погрешность от гистерезиса материала сердечников и экранов появляется при работе прибора на постоянном токе, когда есть разница в показаниях прибора при возрастании и убывании тока. Для снижения этой погрешности сердечники изготавливают из высококачественных железоникилиевых сплавов с малой коэрцитивной силой и затем подвергают отжигу в вакууме или водороде.

С достаточной для практики точностью погрешность y_h можно определить по формуле:

, (4.45)

Где b = 2h_с – ширина петли гистерезиса материала сердечников (н_с – коэрцитивная сила);

Н_к – напряженность магнитного поля рабочей катушки в месте расположения сердечников, определяемая по известным формулам.

Погрешность переносных вольтметров от собственного нагрева рабочей катушки проходящим по ней током можно подсчитать по формуле:

, (4.46)

Где в_ц = в₀r_к / (r_к + r_д1) – температурный коэффициент сопротивления цепи катушки;

О_р – температура перегрева растяжек (пружин), принимаемая обычно равной о_к.

Изменение показаний электромагнитных вольтметров, вызванное измерением окружающей температуры, определяется величинами температурных коэффициентов сопротивления цепи катушки (в_ц) и упругости материала растяжек или пружин (в_w):

, (4.47)

Т. Е. Зависит в основном от соотношения сопротивлений рабочей катушки r_к и добавочного резистора r_д.

Для амперметров и миллиамперметров изменение показаний определяется только значением в_w:

, (4.48)

Применение терморезисторов для компенсации температурной погрешности вольтметров (рис. 4.11, д) позволяет значительно снизить потребляемую им мощность и улучшить метрологические качества. В этом случае изменение показаний, вызванное изменением внешней температуры, определяют по формуле:

, (4.49)

Где r_в = r_к + r_д + r_тк – общее сопротивление вольтметра;

r_тк = r_тr_ш /(r_т + r_ш) – сопротивление термокомпенсатора, состоящего из терморезистора r_т и манганинового шунта r_ш;

В_тк = в_тr_ш /(r_т + r_ш) – температурный коэффициент сопротивления термокомпенсатора (в_т – температурный коэффициент сопротивления терморезистора).

Рис. 4.12. Схемы частотной компенсации и кривые частотных погрешностей:

а – частотная компенсация амперметра; б – векторная диаграмма токов; в – кривые частотных погрешностей амперметра э59; г – схема частотной компенсации вольтметра; д – кривые частотных погрешностей вольтметра

Изменение показаний электромагнитных приборов, вызванное изменением частоты, обусловлено влиянием вихревых токов, изменением индуктивного сопротивления рабочей катушки и наличием межвитковой емкости этой катушки. При работе прибора на переменном токе в металлических деталях им индуцируются вихревые токи, значение и угол сдвига которых (относительно рабочего тока) меняются при изменении частоты и угла отклонения подвижной части, что ведет к изменению показаний прибора. Последнее становится заметным при работе на повышенных частотах и является основной составляющей частотной погрешности амперметров.

Для компенсации частотных погрешностей амперметров и снижения влияния гармонических составляющих на их показания предложена схема с шунтированием рабочей катушки емкостью С и активным резистором r (рис. 4.12, а). Векторная диаграмма токов в схеме приведена на рис. 4.12,б, а кривые частотных погрешностей амперметра э59 на 2,5 А, компенсированного по схеме рис. 4.12,а (при с = 2 мкФ, l_к = 0,009 мг, r_к = 0,015 Ом), приведены на рис. 4.12, в. Применение этой схемы позволяет расширить частотный диапазон амперметров в шесть-семь раз.

В вольтметрах основной причиной частотной погрешности является изменение индуктивного сопротивления рабочей катушки. Изменение показаний вольтметра, обусловлено изменением частоты от f₁ до f₂, при отсутствии частотной компенсации определяют по формуле

, (4.50)

Где L – индуктивность рабочей катушки;

r_в – общее активное сопротивление вольтметра.

Для снижения частотной погрешности, обусловленной изменением индуктивного сопротивления рабочей катушки вольтметра, применяют различные схемы частотной компенсации. Чаще других используют схему с шунтированием части добавочного сопротивления емкостью (рис. 4.12, г) относительное изменение показаний вольтметра с частотной компенсацией по этой схеме, вызванное изменением частоты от 0 до f, определяют по формуле:

, (4.51)

Где x_l – индуктивное сопротивление рабочей катушки на частоте f в данной точке шкалы;

r_с – часть добавочного резистора, зашунтированная емкостью;

X_с – емкостное сопротивление компенсирующей емкости с на частоте f;

r_в = r_к + r_с + r_д – полное активное сопротивление вольтметра.

Значение компенсирующей емкости рассчитывают по формуле

. (4.52)

Изменение показаний вольтметра, вызванное изменением частоты, при шунтировании добавочного резистора емкостью имеет максимальное значение при частоте f = 0,7f_к, где f_к – частота, на которой производится компенсация. Следует заметить, что полную компенсацию частотной погрешности вольтметра по рассматриваемой схеме можно осуществить только в одной точке частотного диапазона и для определенной точки шкалы, так как индуктивность l изменяется по длине шкалы. Обычно компенсация производится на отметке шкалы, равной приблизительно 80% номинального значения измеряемой величины. Кривые частотных погрешностей вольтметра без компенсации и вольтметра, компенсированного по схеме рис. 4.12, г, приведены на рис.4.12, д (кривые 1 и 2).

Изменение показаний электромагнитного прибора под влиянием внешнего магнитного поля при самом неблагоприятном направлении поля и отсутствии магнитного экранирования определяют по формуле

, (4.53)

Где H_B – 400 а/м – напряженность внешнего поля при испытании прибора;

Н_к – напряженность поля внутри рабочей катушки при номинальном токе в обмотке.

При небольших значениях H_к – (2500 – 4000 а/м) получим недопустимо большие значения Y_н (более 10%). Применение магнитного экранирования измерительного механизма снижает y_н до требуемых значений, так как при этом внешнее магнитное поле уменьшается экраном в k_э раз, где k_э – коэффициент экранирования.

Изменение показаний электромагнитных приборов, вызванное отклонением формы кривой тока или напряжения от синусоидальной, оказывается существенным только при больших значениях магнитной индукции в сердечниках, близких к насыщению. Для уменьшения влияния формы кривой необходимо ликвидировать возможность насыщения сердечников (и экранов), т. Е. Выбрать ампер-витки рабочей катушки и размеры сердечников такими, чтобы значение магнитной индукции в сердечниках составляло не более 30 – 40% от индукции насыщения. Кроме того, для снижения влияния высших гармоник, содержащихся в искаженной форме кривой тока или напряжения, необходимо уменьшить частотную погрешность прибора от изменения индуктивного сопротивления и от потерь на вихревые токи.