Mathematical Model of Long-Term Temperature Effects on the Functioning Quality of Electrical Measuring Instruments: Research and Modeling

Authors

  • A. P. Bobryshov Saint Petersburg State University of Aerospace Instrumentation

DOI:

https://doi.org/10.22213/2413-1172-2026-1-67-77

Keywords:

long-term temperature effect, electrical measuring instruments, mathematical model, measurement accuracy, Component degradation, Arrhenius equation

Abstract

The assessment of long-term stability of electrical measuring instruments (EMI) is a complex task associated with the influence of external factors, where the ambient temperature is the most significant one. Prolonged temperature exposure leads to degradation processes in the electrical, magnetic, and mechanical components of measuring devices (MD), resulting in their accuracy decrease. The main objective of this study is to develop a mathematical model describing the long-term thermal effects on the technical quality of EMI. Unlike the author’s previously proposed model of short-term effects, the present work focuses on the description of irreversible thermal processes. The developed model considers the changes in resistance and temperature coefficient of resistance (TCR), magnetic induction and temperature coefficient of magnetic induction (TCMI), as well as the elasticity and torque of the return spring in analog-pointer (APT) instruments. To describe the dynamics of degradation processes the Arrhenius equation was employed as the basis, enabling the dependency derivation to assess the accuracy parameter variation with time. Simulation results provided accuracy curves for both APT and digital systems. The findings demonstrate that mechanical and magnetic components are more sensitive to thermal effects compared to the electronic parts of digital measuring devices. The proposed model and methodology allow predicting the decline of technical quality of EMI under real operating conditions, accounting for climatic factors when selecting equipment, and adjusting calibration intervals depending on environmental conditions. The practical significance of this work lies in the possibility of integrating the developed tools into quality assessment systems for EMI, thereby improving operational reliability and providing a more objective quantitative evaluation of their condition.

Author Biography

A. P. Bobryshov, Saint Petersburg State University of Aerospace Instrumentation

Post-graduate

References

Suqin X., Jiahai Z., Baoliang Z., Guodong S., Zhen C., Jia Q., Yongquan S. (2021) Effects of Environmental and Electrical Factors on Metering Error and Consistency of Smart Electricity Meters. Applied Sciences, no. 11. DOI: 10.3390/app112311457

Бобрышов А. П., Соленый С. В., Кузьменко В. П. Анализ и оценка ключевых конструктивных особенностей, определяющих качество электрических контрольно-измерительных приборов // Инновационное приборостроение. 2024. Т. 3, № 4. С. 5-13.

Зимина П. С., Печерская Е. А. Исследование температурной зависимости сопротивления проводников электрического тока // Инжиниринг и технологии. 2025. Т. 10, № 1. С. 63-67. DOI: 10.21685/2587-7704-2025-10-1-15

Marangoni T.A., Benny G., Borup K.A., Hansen O., Petersen D.H. (2021) Determination of the temperature coefficient of resistance from micro four point probe measurements. Journal of Applied Physics, no. 16. DOI: 10.1063/5.0046591

Филимонов С. С. Магнитные полупроводники для эффективных термоэлектрических преобразователей энергии // Электрооборудование: эксплуатация и ремонт. 2021. № 10. С. 44-45. EDN IPNMFS

Манаков Н. А., Еремин А. М., Чирков Ю. А. Особенности магнитных свойств быстрозакаленных микрокристаллических сплавов на основе редкоземельных металлов // Южно-Сибирский научный вестник. 2023. № 2(48). С. 34-39. DOI: 10.25699/SSSB.2023.48.2.013. EDN OQIKHV

Zhang Tu, Yiliang Lv., Liang Li. (2021) Study on the Effect of Temperature on Magnetization of Permanent Magnet. IEEE 2nd China International Youth Conference on Electrical Engineering (CIYCEE), 2021. DOI: 10.1109/CIYCEE53554.2021.9676949

Козлов В. А. Силовая полупроводниковая электроника и микроэлектроника: полупроводниковые материалы, технологии, компонентная база // Наноиндустрия. 2021. Т. 14, № S7(107). С. 882-883. DOI: 10.22184/1993-8578.2021.14.7s.882.883. EDN IDNNZX.

Рузиев Ш. Восстановление упругости пружин методом термомеханической обработки // Общество и машиностроение. 2020. № 1. DOI: 10.47689/2181-1415-vol1-iss1/s-pp1-7

Cyrulies E. (2023) The effect of temperature on the coefficient of elasticity of a spring: Construction of a device for its determination and calculation of its internal energy as a training practice. European Journal of Physics, no. 2. DOI: 10.1088/1361-6404/acb46f

Механизмы возникновения температурных погрешностей тонкопленочных резистивных структур / А. А. Рыжов, С. А. Гурин, М. Д. Новичков [и др.] // Надежность и качество : труды международного симпозиума. 2025. Т. 2. С. 385-389. EDN LJWCLO

Литвишков Ю. Н. О физическом смысле параметров уравнения Аррениуса // Kimya Problemləri. 2019. С. 456-464. DOI: 10.32737/2221-8688-2019-3-456-464

Добрышкин А. Ю., Сысоев О. Е., Сысоев Е. О. Экспериментальное исследование влияния воздействия температурного режима на модуль Юнга // Труды МАИ. 2020. № 115. С. 2.

Кочетков А. В., Федотов П. В. Уравнение состояния газа и модель идеального газа // Вестник Евразийской науки. 2017. Т. 9, № 3. С. 57.

Шарипов М. Л. Исследование сопротивления и удельного сопротивления медных проводов в зависимости от температуры // Вестник Бохтарского государственного университета имени Носира Хусрава. Серия: Естественные науки. 2025. № 2-3(138). С. 78-83. EDN TLHZBN

Suqin X., Jiahai Z., Baoliang Z., Guodong S., Zhen C., Jia Q., Yongquan S. (2021) Effects of Environmental and Electrical Factors on Metering Error and Consistency of Smart Electricity Meters. Applied Sciences, no. 11. DOI: 10.3390/app112311457

Ремизова В. М. Электрическая проводимость полупроводников // Университетская наука. 2021. № 1 (11). С. 174-176. EDNTDKTUM

Корячко М. В., Попов А. Ю., Авдонин Д. Е. К вопросу термической устойчивости межсоединений полупроводниковых приборов // Современные проблемы радиоэлектроники и телекоммуникаций. 2024. № 7. С. 131. EDN GWQZVH

Магнитоэлектрический эффект в области магнитоакустического резонанса в структуре ИЖГ/ниобат лития/ кремний / М. И. Бичурин, О. В. Соколов, С. В. Иванов, И. Ю. Марков // Челябинский физико-математический журнал. 2025. Т. 10, № 2. С. 207-215. DOI: 10.47475/2500-0101-2025-10-2-207-215. EDN PBFTHZ

Бобрышов А. П. Математическая модель зависимости точности электрических измерительных приборов от температурных воздействий: экспериментальное исследование и моделирование // Вестник ИжГТУ имени М. Т. Калашникова. 2025. Т. 28, № 2. С. 4-21. DOI: 10.22213/2413-1172-2025-2-4-21

Карасева У. П., Фрейдин А. Б. Релаксация напряжений и структуры в неравновесном вязкоупругом материале // XIII Всероссийский съезд по теоретической и прикладной механике : сборник тезисов докладов : в 4 томах. Санкт-Петербург, 21-25 августа 2023 года. Санкт-Петербург: Политех-Пресс, 2023. С. 895-897. EDN PKQNWT.

Published

02.04.2026

How to Cite

Bobryshov А. П. (2026). Mathematical Model of Long-Term Temperature Effects on the Functioning Quality of Electrical Measuring Instruments: Research and Modeling. Vestnik IzhGTU Imeni M.T. Kalashnikova, 29(1), 67–77. https://doi.org/10.22213/2413-1172-2026-1-67-77

Issue

Section

Articles