Погрешности измерений, обусловленные различными факторами для вольтметра электродинамической системы

Электродинамический прибор– это прибор, действие которого основано на взаимодействии магнитного поля, обусловленного током подвижной катушки, с магнитным полем, обусловленным током в одной или более неподвижных катушках (ГОСТ 30012.1-93).

Выбор средств измерений определяется измеряемой величиной, принятым методом измерения и требуемой точностью результата наблюдения. Измерения с применением средств измерений с недостаточной точностью малоценны. Применение же точных средств измерений экономически не выгодно. При этом необходимо учитывать диапазон средств измерений, условия измерений, эксплуатационные качества и их стоимость. Основное внимание уделяют погрешности средств измерений, то есть соблюдение условия.

Одной из основных характеристик электроизмерительного прибора является его погрешность, которая характеризует точность прибора.

Различают два вида погрешностей приборов: основные и дополнительные. Основная погрешность - это погрешность, свойственная прибору при нормальных условиях эксплуатации.

Если условия работы прибора отличаются от нормальных, то прибор может иметь дополнительные погрешности. Выражаются основные и дополнительные погрешности в процентах от конечного значения рабочей части шкалы и в процентах от суммы конечных значений.

Основную погрешность в процентах для каждой выбранной отметки шкалы рассчитывают по формуле (36.2):

γ_о = , (36.2)

где A_F - нормирующее значение;

B_R - значение возбуждения;

B_X - отметка шкалы.

Опишем некоторые основные погрешности.

36.3.1 Погрешность, обусловленная сопротивлением используемого средства измерения

Измерения напряжений всегда сопровождаются погрешностью, обусловленной сопротивлением используемого средства измерения. Включение в исследуемую цепь средства измерения искажает режим этой цепи. Например, в цепи, представленной на рисунке 36.3, при включении вольтметра, имеющего сопротивление R_вн., для измерения напряжения между точками а и b режим цепи тоже нарушается, так как вместо напряжения U = I·(R_ц + R_н.), которое было в схеме до включения вольтметра, после его включения напряжение стало с учётом внутреннего сопротивления вольтметра равно - U = I·(R_ц+R_н)·R_вн./(R_ц+R_н+R_вн.)

R_ц a

R_{н .}

220 В V V = R_вн

b

Рисунок 36.3 – Схема цепи включения вольтметра

Погрешность U тем больше, чем меньше внутреннее сопротивление вольтметра, поэтому внутреннее сопротивление вольтметров очень высокое.

Косвенным показателем сопротивления средств измерений, является мощность, потребляемая средством измерения из цепи, в которой производится измерение. Мощность, потребляемая вольтметром, определяется выражением (36.3):

P = U² / R , (36.3)

где U – напряжение, измеряемое вольтметром;

R - внутреннее сопротивление вольтметра.

Следовательно, погрешность от искажения режима цепи при измерении напряжения, тем меньше, чем меньше мощность, потребляемая средством измерения из цепи, где производится измерение. Из средств измерений, используемых для измерения напряжений, наименьшим потреблением мощности из цепи измерений обладают компенсаторы (потенциометры), электронные и цифровые приборы. Среди электромеханических приборов наименьшую мощность потребляют магнитоэлектрические и электростатические приборы.

36.3.2 Погрешности, обусловленные величиной напряжения

Диапазон измеряемых напряжений весьма широк. Для измерений напряжений в широком диапазоне значений отечественной промышленностью выпускаются различные средства измерений, обеспечивающие возможность измерений в определённых поддиапазонах. Средства измерения напряжений делают, как правило, многопредельными. Для расширения пределов измерений напряжения используют делители напряжения, добавочные резисторы и измерительные трансформаторы напряжения. Наиболее обеспеченным средством измерений является поддиапазон средних значений (ориентировочно для напряжений – от единиц милливольт до сотен вольт). Именно для этого поддиапазона созданы средства измерений с наименьшей погрешностью измерений напряжений, так как при измерении малых и больших напряжений возникают дополнительные трудности.

При измерении малых напряжений эти трудности обусловлены термо-ЭДС в измерительной цепи, резистивными и ёмкостными связями измерительной цепи с посторонними источниками напряжения, влиянием внешнего магнитного поля, шумами элементов измерительной цепи и другими причинами.

При измерении больших напряжений возрастают требования к качеству изоляционных материалов, применяемых в средствах измерений, как для уменьшения погрешностей, так и для обеспечения безопасности обслуживающего персонала. Например, если для расширения пределов измерений используется делитель напряжения, то с увеличением измеряемого напряжения сопротивление делителя нужно увеличивать. При измерении больших напряжений сопротивление делителя может оказаться сравнимым с сопротивлением изоляции, что приведёт к погрешности деления напряжения и, следовательно, к погрешности измерений.

36.3.3 Погрешность, обусловленная частотой переменного тока

Всем средствам измерений переменных напряжений присуща частотная погрешность, обусловленная изменением сопротивлений индуктивных и ёмкостных элементов средств измерений с изменением частоты, потерями на перемагничивание ферромагнитных материалов, потерями на вихревые токи в металлических деталях средств измерений, влиянием паразитных индуктивностей и ёмкостей (на высоких частотах). Эти причины не позволяют получить одинаковую точность измерений во всём указанном диапазоне частот. В документации на средства измерений переменных напряжений обязательно указывается область частот, в которой гарантируется определённая точность измерений данным средством. Увеличение погрешности измерений с ростом частоты является общей закономерностью для средств измерений напряжений. При измерениях на частотах ниже 20 Гц появляются свои трудности, обусловленные недостаточной инерционностью подвижной части электромеханических приборов. Поэтому для измерения напряжения инфранизких частот требуются специальные устройства усреднения (интегрирования) измеряемых величин, где функцию интегрирования выполняет термоэлектрический преобразователь.

36.3.4 Погрешность, обусловленная родом тока

Наивысшая точность измерений постоянного напряжения определяется точностью государственных эталонов единицы электродвижущей силы (ГОСТ 8.027 – 89).

Для измерений весьма малых напряжений используют электрометры и фотогальванометрические приборы. Для измерения больших постоянных напряжений используют магнитоэлектрические и электростатические вольтметры. Электродинамические вольтметры редко используют для технических измерений напряжений в цепях постоянного тока. Их чаще применяют в качестве образцовых приборов при поверке средств измерений более низкого класса точности. В основу измерений переменных напряжений положен государственный специальный эталон, воспроизводящий напряжение 0,1 – 10 В в диапазоне частот 20 – 3·10 Гц. Среднее квадратическое отклонение результата измерений для эталона переменного напряжения S =5*10 -5*10 и при неисключённой систематической погрешности Θ = 1·10 - 3 ·10.

Таблица 36.1 – Некоторые факторы влияющие на напряжение

Влияющая величина	Нормальное условие, если не установлено иное	Допускаемые отклонения нормального значения
Температура окружающего воздуха, оС
Относительная влажность воздуха, %	От 40 до 60	-
Частота измеряемой величины переменного тока, Гц	От 45 до 65	2 % нормального значения или 1/10 рабочей области для частоты выбирая меньшее из значений
Влияющая величина	Нормальное условие, если не установлено иное	Допускаемые отклонения нормального значения
Положение прибора при проведении испытания	Стационарные приборы- вертикальное, переносные – горизонтальное полож.
Материал и толщина панели или опорной плоскости	F	Мате-риал	Толщ-на	-
	Не фер-ромаг-нитный	Любая
Внешнее магнитное поле	Полное отсутствие	40 А/м на частотах от постоянного тока до 65 Гц в любом направлении
Внешнее электрическое поле	Полное отсутствие	1 кВ/м на частотах от постоянного тока до 65 Гц в любом направлении
Вспомогательное питание	Напряжение	Номинальное знаение или номи- нальная область.	5 % номинального значения
Час-тота	1 % номинального значения

Источниками основной погрешности прибора будут:

1) ограниченная точность образцовых мер и приборов, по которым градуировался данный прибор;

2) погрешности, возникающие при градуировке прибора;

3) изменение градуировки прибора вследствие старения входящих в прибор детелей и сопротивлений.

Источниками дополнительных погрешностей могут быть:

1) температурная погрешность;

2) погрешность от неуравновешенности;

3) погрешность от влияния внешних магнитных полей.

Устройство вольтметра

Рисунок 36.4 - Схема включения вольтметра

Для того чтобы измерить падение напряжения на нагрузке, необходимо включить вольтметр параллельно нагрузке.

Для вольтметров с добавочным сопротивлением важно иметь возможно меньший ток потребления, с тем чтобы снизить до минимума мощность, выделяемую в добавочном сопротивлении.

Электромагнитный вольтметр состоит из электромагнитного измерительного механизма и включённого последовательно добавочного резистора со стабильным сопротивлением, предназначенного для обеспечения необходимого диапазона измерений.

В показывающем электроизмерительном приборе можно выделить две части: измерительный механизм и электрическую схему (рисунок 36.5).

Рисунок 36.5 - Схема показывающего электроизмерительного прибора

Измерительный механизм - это совокупность деталей, предназначенных для преобразования подведённого к нему электрического тока или напряжения в перемещение указателя относительно шкалы.

Электрическая схема прибора - это совокупность электрических сопротивлений, переключателей и иных электрических элементов, соединённых определённым способом электрическими проводами, предназначенных для преобразования полного тока или напряжения, подведённого к прибору в ту его часть, которая непосредственно воздействует на измерительный механизм.

Изменение верхних пределов измерений осуществляется путём подключения различных добавочных резисторов, а также с помощью измерительных трансформаторов напряжения.

Угол отклонения подвижной части электромагнитного вольтметра:

, (36.4)

где Z - полное сопротивление цепи вольтметра, т. е. сопротивлений катушки и добавочного резистора.

Шкала электромагнитного вольтметра в пределах 25 - 100 % обычно равномерна, что достигается подбором формы сердечника.

В электромагнитных вольтметрах при изменении температуры возникает температурная погрешность, обусловленная изменением сопротивления цепи вольтметра. В вольтметрах с малым верхним пределом измерений температурная погрешность может достигать больших значений.

Требования к конструкции:

1) верхний предел диапазона измерения прибора предпочтительно следует выбирать из ряда следующих числовых значений или их десятичных кратных и дольных значений: 1; 1,2; 1,5; 2; 2,5; 3; 4; 5; 6; 7,5; 8.

2) значения полного сопротивления калиброванных приборов не должно превышать 70 мОм при нормальной температуре. Значение сопротивления провода не должно отличаться более чем на 10% с установленного значения нормальной температуры.

Допускаемые перегрузки

36.5.1 Длительные перегрузки

Приборы вместе со своей невзаимозаменяемой частью, должны выдерживать длительные перегрузки равные 120% верхнего предела электрической входной величины, в течении двух часов.

После снятия перегрузки сумма временного и некоторого постоянного остаточного отклонения от нулевой отметки не должна превышать 1% длины шкалы.

После остывания до нормальной температуры приборы вместе со своими невзаимозаменяемыми вспомогательными частями, если такие имеются, должны удовлетворять требованиям, предъявляемым к приборам данного класса точности; при этом перегрузку не следует повторять.

Испытания на длительную перегрузку не следует проводить при нормальных условиях.

Методика выполнения:

1) измеряют и записывают длину шкалы в единицах длины;

2) устанавливают на нуль и прикладывают перегрузки;

3) уменьшают возбуждение до нуля при простукивании. Немедленно измеряют и записывают отклонение указателя от нуля в единицах длины шкалы;

4) приблизительно через два часа после выполнения действий по перечислению устанавливают на нуль и повторяют определение основной погрешности.

36.5.2 Кратковременные перегрузки

Приборы вместе с их невзаимозаменяемыми вспомогательными частями, если такие имеются, должны выдерживать кратковременные перегрузки.

Значения тока и напряжения кратковременной перегрузки должны быть равны произведению соответствующего коэффициента, приведённого в таблице 36.2, и значение верхнего предела электрической входной величины, если изготовителем не установлены иные значения.

Таблица 36.2 - Кратковременные перегрузки

Обозначе-ние класса точности	Коэффици-ент напряжения	Число перегрузок	Длительность каждой перегрузки, с	Интервал между последовательны-ми перегрузками, с
0,05 - 0,5			0,5
1 – 3 3 - 5			0,5
			-