4.3.4. Измерительные цепи. Погрешности ваттметра

Измерительные цепи электродинамических ваттметров зависят от количества пределов измерений по току и напряжению, а также от необходимости компенсации погрешностей, прежде всего температурной и частотной. В простейшем случае цепь напряжения (параллельная) состоит из цепи подвижной рамки и последовательно соединенного с ней добавочного сопротивления, а токовая (последовательная) – из обмоток неподвижных катушек (рис. 4.17).

* r₀

* I₁

I₂

U i₂ r_наг

r_д

Рис. 4.17. Простейшая измерительная цепь электродинамического ваттметра

Расширение пределов измерения по напряжению достигается включением различных добавочных сопротивлений, а по току – секционированием токовых катушек и переключением отдельных секций в определенных комбинациях аналогично тому, как это делают в электромагнитных приборах. Для расширения пределов применяют также измерительные трансформаторы, часто встраиваемые внутрь прибора.

Температурная погрешность _t ваттметра. Эта погрешность возникает вследствие изменения сопротивления r₀ обмотки рамки и изменения упругих свойств пружинок или растяжек.

Условие температурной компенсации (_t = 0) можно представить следующим образом:

, (4.59)

Где _ – температурный коэффициент электрического сопротивления материала провода обмотки рамки;

_w – температурный коэффициент упругости пружинок или растяжек;

r_д – добавочное сопротивление (_д = 0).

Из формулы (4.59) видно, что полная компенсация для прибора данной конструкции возможна только для одного предела измерения. При малых r_д (на пределах измерения в несколько десятков вольт) и, следовательно, погрешность изменением сопротивления обмотки рамки; при больших пределах измерения и, следовательно, _t определяется изменением упругих свойств пружинок. Это значит, что при возрастании температуры на малых пределах показания уменьшаются, а на больших – увеличиваются.

Для улучшения компенсации _t применяют специальные схемы, например схему рис. 4.18. (емкость с, обозначенная на рис. 4.18, требуется для компенсации частотной погрешности).

Рис. 4.18. Измерительная цепь электродинамического ваттметра

с компенсацией температурной и частотной погрешности

Все сопротивления в схеме, кроме r₀, выполнены из манганина ( = 0). Получение выражения для _t производится на основании рассуждений, аналогичных приведенным ранее:

, (4.60)

Где r_д – добавочное сопротивление на данном пределе измерения,

, (4.61)

. (4.62)

Из формулы (4.60) видно, что полная компенсация имеет место только на одном пределе (для одного значения r_д и r). Однако при _t увеличении предела будет возрастать незначительно, так как при этом одновременно возрастают r и r_д, а _t зависит от их отношения. Например, для ваттметра с параметрами r₀ = 200 Ом; r₁ = 200 Ом; r₂ = 4000 Ом на пределе 150 в _t = – 0,03%; на пределе 300 в _t = + 0,04%; на пределе 600 в _t = + 0,07%.

Погрешность электродинамических ваттметров от изменения частоты _f. Эта погрешность вызывается следующими причинами:

А) изменением тока i₂ в параллельной цепи ваттметра, вызванным зависимостью полного сопротивления этой цепи от частоты;

Б) изменением фазовых соотношений в параллельной цепи ваттметра (угловая погрешность);

В) возникновением ЭДС в подвижной катушке при пронизывании ее переменным магнитным полем неподвижных катушек (погрешность от взаимной индуктивности).

Рассмотрим каждую из составляющих частотной погрешности и способы их компенсации.

Погрешность от изменения тока i₂ для реальных конструкций ваттметров составляет обычно сотые доли процента и ею можно пренебречь.

Угловую погрешность можно (с некоторым приближением) подсчитать по следующей формуле:

, (4.63)

где  – угол между напряжением u и током i₂ в параллельной цепи, рад.

Из выражения (4.63) видно, что _ зависит от характера нагрузки. Необходимо также учесть, что при изменении частоты изменяется . В большинстве случаев принимают специальные меры для компенсации _ .

Основным способом компенсации угловой погрешности является включение в параллельную цепь последовательно с обмоткой рамки конденсатора емкостью с (рис. 4.18). Для компенсации надо, чтобы Z_ав было чисто активным, т.е мнимая составляющая сопротивления равнялась нулю. При выполнении этого условия значение емкости компенсирующего конденсатора

, (4.64)

где L₀ – индуктивность подвижной катушки.

Уравнение (4.64) удовлетворяется тем точнее, чем лучше выполняется неравенство w²с²r₁² << 1. Отсюда следует, что расчет схемы частотной компенсации необходимо сочетать с расчетом температурной компенсации.

Погрешность от взаимной индуктивности возникает следующим образом. Переменный магнитный поток неподвижных катушек, пронизывая обмотку подвижной катушки, наводит в ней ЭДС, в результате чего создаются ток и дополнительный магнитный поток, который, взаимодействую с потоком неподвижных катушек, создает дополнительный момент Мвр и, следовательно, изменяет показания прибора. Погрешность от взаимной индуктивности зависит от значения и характера реактивного сопротивления цепи рамки. Если х₂ < 0 (емкостной характер цепи), рамка стремится занять положение, при котором ; если х₂ > 0 (индуктивный характер цепи), рамка старается занять положение, при котором . При чисто активной нагрузке цепи рамки среднее значение Мвр = 0, т. Е. Погрешность не возникает. Отсюда следует, что способ компенсации угловой погрешности включением конденсатора исключает и погрешность от взаимной индуктивности.

Кроме рассмотренных температурной и частотной погрешностей электродинамическим ваттметрам присущи также погрешности от влияния внешнего магнитного поля и электростатического взаимодействия. Для их компенсации применяют методы магнитной защиты и электростатическое экранирование.