Как расширить пределы измерения электроизмерительных приборов

Расширение пределов измерения тока и напряжения

Простейшими вольтметрами и амперметрами (а точнее, милливольтметрами и микроамперметрами) могут служить рассмотренные приборы, снабжённые входными зажимами для подключения к объектам измерения.

Такое применение приборов позволяет измерять напряжения в диапазоне до нескольких десятков милливольт и токов — до нескольких миллиампер. Исключение составляют специальным образом выполненные приборы электромагнитной системы, позволяющие непосредственно измерять силу тока в несколько сотен ампер, и вольтметры электростатической системы.

Для расширения пределов измерения напряжения применяют добавочные резисторы, делители напряжения, а на переменном токе — измерительные трансформаторы напряжения.

Для расширения пределов измерения силы тока применяют шунты, а на переменном токе — измерительные трансформаторы тока.

Схема электромеханического вольтметра любой системы (кроме электростатической) на несколько пределов измерения приведена на рис. 3.9.

Вольтметр состоит из электромеханического прибора и добавочных резисторов с коммутирующим устройством. Сопротивления добавочных резисторов вольтметров на схеме рис. 3.9, а вычисляют по формуле

а вольтметров по схеме рис. 3.9, б- по формулам

где Unpj — /-й верхний предел измерения вольтметра;

Дц, — сопротивление добавочного резистора соответствующего предела измерения;

/_и — ток предельного (полного) отклонения указателя измерительного прибора;

г_и — сопротивление рамки (катушки) измерительного прибора.

На постоянном токе делители напряжения выполняют из активных резисторов (рис. 3.10, а), а на переменном токе — из активных резисторов или конденсаторов (рис. 3.10, б). Последние применяются с вольтметрами переменного тока.

Рис. 3.9. Расширение пределов измерения напряжения

Рис. 3.10. Схема делителей напряжения: а — активного; б — емкостного

Напряжение на выходе активного делителя напряжения (рис. ЗЛО, а) при выполнении условия R_BX» R₂

где к_и — коэффициент передачи напряжения делителя.

При относительно невысоком входном сопротивлении вольтметра (R_BX всего в несколько раз больше R₂) коэффициент передачи напряжения зависит от R_BX.

Чтобы учесть влияние входного сопротивления вольтметра, в формулу (3.38) нужно вместо R₂ подставить эквивалентное сопротивление, полученное параллельным соединением R₂ и R_BX.

Коэффициент передачи ёмкостного делителя напряжения (рис. 3.10, б) при условии, что входная ёмкость вольтметра С_вх « С₂ и активная составляющая входного сопротивления R_BX » [1 / соС₂], определяется выражением

и расчёт ёмкостей делителя производится аналогично расчету сопротивлений резисторов активного делителя напряжения.

Если же общая ёмкость делителя напряжения не может быть относительно большой и ёмкость делителя С₂ оказывается соизмеримой со входной ёмкостью вольтметра С_вх, то расчёт делителя напряжения ведется с учётом ёмкости С_вх или сама ёмкость С_вх считается ёмкостью делителя С₂.

Для расширения пределов измерения приборов по току применяются шунты, представляющие собой резистор, параллельно которому подключается рамка (или катушка) прибора (рис. 3.11, а).

Рис. 3.11. Схемы расширения пределов

Сопротивление шунта определяется по формуле

где Я_ш — сопротивление шунта;

г_и — сопротивление рамки (катушки) измерителя;

/_и — ток полного отклонения измерителя;

п = /_пр / /_и — коэффициент расширения пределов измерения;

Лтр — рассчитываемый предел измерения амперметра.

Рассчитанное сопротивление шунта должно быть обеспечено между потенциальными зажимами шунта. В измеряемую цепь амперметр включают токовыми зажимами Т. Подключение измерителя к токовым зажимам приводит к резкому возрастанию погрешностей измерения и может вывести измеритель из строя, так как из-за возможного плохого контакта провода цепи с шунтом через обмотку измерителя может пойти ток, многократно превышающий ток полного отклонения измерителя.

Наряду с однопредельными амперметрами, выполняемыми по схеме рис. 3.11, а, широко применяют многопредельные амперметры по схеме рис. 3.11 ,б,в.

Шунты амперметра по схеме рис. 3.11, б рассчитывают по формуле (3.40). Подключение пределов измерения таких амперметров можно делать или безобрывным переключателем, или обычным после обесточивания измеряемой цепи, иначе возможны многократная перегрузка измерителя и перегорание его рамки (катушки) или токопроводящих пружин.

Многопредельный универсальный шунт (рис. 3.11, в) позволяет переключать пределы измерения без разрыва контролируемой цепи. Сопротивления его резисторов рассчитывают по формуле

где Лтр, — /-й предел измерения;

Я_ш/ — суммарное сопротивление резисторов, подключенных непосредственно между входными зажимами амперметра на /-м пределе измерения;

R_ai — суммарное сопротивление резисторов, подключенных последовательно с рамкой (катушкой) измерителя на /-м пределе измерения;

Я — общее сопротивление контура «измеритель — резисторы».

Для схемы на рис. 3.11, в:

Я_ш = Я + Я₂ + Яз и Я_д = 0 — на первом пределе измерения;

Я_ш2 = Я₂ + Яз и Я_д2 = Я — на втором;

Я_шз = Я₃ и Я_дз = Я₂ + Я — на третьем.

Тема 3.2 Расширение пределов измерения

— рассчитать новую цену деления и определить показания прибора.

Расширение пределов измерения в цепях постоянного тока: шунты, дополнительные сопротивления, расчет, схемы подключения. Расширение пределов измерения в цепях переменного тока: измерительные трансформаторы тока и напряжения, выбор, подключение. Режимы работы измерительных трансформаторов.

Материал для изучения

Шунты.

Для расширения пределов измерения по току электроизмерительных приборов при замерах в сетях постоянного тока применяются шунты. Непосредственно, т.е. без шунтов, включают в измерительную сеть только микроамперметры и миллиамперметры, пределы измерения которых не превышают 15 – 30 мА. При больших токах весь измеряемый ток пропустить через обмотку катушки измерительного механизма нельзя. Кроме того, при больших токах возможен нагрев токопроводящих спиральных пружин и изменение их упругих свойств. Поэтому при практических измерениях токов, превышающих ток, допустимый в рамке прибора, амперметры шунтируют, т.е. включают их таким образом, чтобы через них не протекал весь измеряемый ток.

Рис. 3.2.1. Схема включения приборов в цепь постоянного тока с измерительными преобразователями

Шунты представляют собой сопротивления, включаемые в цепь измеряемого тока. Параллельно сопротивлению шунта присоединяется амперметр. Шунт имеет очень небольшое сопротивление, и по нему проходит почти весь ток, тогда как к амперметру подводится лишь падение напряжения на зажимах шунта. Параллельно шунту подключается электроизмерительный прибор. Таким образом, вместо большого тока прибором измеряется небольшое падение напряжения. Включение в цепь измеряемого тока амперметра и параллельное подключение к нему шунта запрещается, так как в случае неисправности шунта через обмотку амперметра пойдет ток большой силы, что приведет к ее перегоранию.

Сила измеряемого тока равна I_изм = I_Ш + I_А,

где I_Ш – сила тока, протекающая через шунт, I_А – сила тока, протекающая через амперметр (см. рис. 3.2.1). При сохранении между сопротивлениями шунта R_ш и амперметра R_А известного соотношения

по показаниям амперметра можно будет определять значение измеряемого тока. Решая эти уравнения, получим: .

Отношение измеряемого тока к току, протекающему через амперметр, численно равное , называется шунтирующим множителем (или коэффициентом шунтирования) и показывает, во сколько раз расширяются пределы измерений амперметров при включении шунта. Сопротивление шунта можно выразить через шунтирующий множитель . Из этого равенства следует, что для расширения пределов измерения силы тока в р раз сопротивление шунта должно быть в (р – 1) раз меньше сопротивления амперметра.

Шунты делятся на внутренние и наружные.

Сопротивление шунта сравнительно мало (0,01 – 0,0001 Ом), и поэтому по сравнению с ним существенное значение имеет переходное сопротивление контактов и сопротивление соединительных проводов. Чтобы устранить влияние переходных сопротивлений контактов на показания электроизмерительных приборов, в шунтах применяют специальные зажимы: токовые – для включения шунта в измеряемую сеть (одна пара) и потенциальные – для подключения к шунту электроизмерительных приборов (одна или несколько пар). Присоединение амперметров к шунтам должно производиться калиброванными проводами с определенным сопротивлением (обычно 0,035 Ом), проверенными совместно с шунтов, а не случайно подобранными. Если по условиям размещения шунта и амперметра расстояние между ними превышает длину соединительных проводов, приданных амперметру, эти провода следует заменить более длинными, обязательно сохранив значение их сопротивления (увеличивая сечение проводов), иначе погрешность приборов увеличится.

Шунты применяют на судах в магнитоэлектрических приборах на постоянном токе. Применять шунты для электродинамических и других измерительных механизмов нецелесообразно, поскольку эти механизмы потребляют относительно большую мощность, что приводит к необходимости иметь значительные U_Ш, а следовательно, и R_Ш, что приводит, в свою очередь, к увеличению габаритов и массы шунта. Кроме того, применение шунтов на переменном токе тоже приводит к погрешности, обусловленной перераспределением токов I_А и I_Ш при разных частотах из-за влияния реактивных сопротивлений измерительного механизма и шунта.

Необходимо измерить ток потребителя в пределах 20 – 25 А. Имеется микроамперметр с пределом измерения 200мкА, внутренним сопротивлением 300 Ом и максимальным числом делений 100. Определить сопротивление шунта для расширения предела измерения до 30 А и определить относительную погрешность измерения на отметке 85 делений, если класс точности прибора 1,0.

Решение. Необходимо вначале определить коэффициент шунтирования:

Определим показание амперметра, соответствующее 85 делениям, для чего цену деления 0,3 А/дел умножим на число делений 85, тогда прибор покажет I = 25,5 А.

Относительная погрешность в этой точке

Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:

Расширение пределов измерения

Для расширения пределов измерения находят применение шунты, добавочные сопротивления и емкости, резистивные и емкостные делители напряжения, измерительные трансформаторы тока и напряжения.

Расширение пределов измерения амперметров достигается включением шунта параллельно прибору. , где .

Шунты применяются только в цепях постоянного тока с приборами МЭ системы.

Для расширения пределов измерения вольтметра последовательно с сопротивлением рамки включается добавочное сопротивление :

, где .

Добавочные резисторы можно использовать в цепях постоянного и переменного тока с приборами (mA и V) МЭ, ЭМ, ЭД, ФД систем и с приборами ЭС в цепях постоянного тока.

С приборами ЭС системы обычно используют добавочные емкости, поскольку сам ЭС вольтметр является емкостью:

, где .

Для расширения пределов измерения по напряжению используются делители напряжения.

Уравнением делителя напряжения является уравнение, связывающее и :

.

Обычно все резисторы, кроме , обозначают через . .

.

Напряжение на выходе делителя является идеальным, чтобы его измерить к выходу делителя подключается вольтметр. Так как вольтметр обладает собственным сопротивлением, то:

, отсюда

.

Напряжение . Т.е. возникает погрешность измерения, связанная с собственным сопротивлением вольтметра, которую можно вычислить по формуле:

, .

С приборами ЭС системы употребляются емкостные делители напряжения.

,

и если емкость ЭС вольтметра , то

.

.

В цепях постоянного тока для расширения пределов измерения электростатического вольтметра применяется делитель напряжения, выполненный из проволочных или непроволочных сопротивлений:

,

откуда , где U — измеряемое напряжение, U_e — напряжение на зажимах вольтметра, .

В этой схеме сопротивление изоляции прибора должно быть значительно больше сопротивления r _1.

Измерительные трансформаторы тока применяются при измерении больших токов. У трансформаторов тока номинальный первичный ток больше номинального вторичного, поэтому в них число витков w ₁< w ₂.

,

где I ₁ и I ₂ — первичный и вторичный токи;

w ₁ и w ₂ — число витков в первичной и вторичной обмотках;

k ₁ — действительный коэффициент трансформации трансформатора тока.

Определив по амперметру I ₂, можно найти ток I ₁ :

.

На практике обычно пользуются номинальным коэффициентом трансформации:

.

Тогда приближенное значение измеряемого тока равно:

.

Относительная погрешность трансформатора тока, происходящая из-за неравенства действительного и номинального коэффициентов трансформации, может быть определена из следующего выражения:

.

Измерительные трансформаторы напряжения применяются при измерении больших напряжений. Первичное номинальное напряжение в трансформаторах напряжения всегда больше вторичного номинального напряжения, поэтому в них w ₁> w ₂:

,

где U ₁ и U ₂ — первичное и вторичное напряжения;

w ₁ и w ₂ — число витков в первичной и вторичной обмотках;

k_U — действительный коэффициент трансформации трансформатора напряжения;

Измеряемое напряжение равно:

На практике обычно пользуются номинальным коэффициентом трансформации:

где k_Uн — номинальный коэффициент трансформации трансформатора напряжения;

U _{1 н} , U _{2 н} — номинальные значения первичного и вторичного напряжений, указанные на щитке трансформатора.

Приближенное значение измеряемого напряжения:

.

Расширение пределов измерения амперметров и вольтметров

Для получения высокой точности и чувствительности магнитоэлектрических приборов их подвижные обмотки выполняют по возможности легкими из очень тонкой изолированной проволоки.

Такие обмотки допускают очень незначительные по величине токи, не превышающие 30 мА, при этом сопротивление самих обмоток получается равным примерно 5 Ом.

Таким образом, магнитоэлектрическим прибором можно измерять ток не более 30 мА, а напряжение – не выше 150 мВ, так как

U = I × R = 30 × 5 = 150 мВ

Для расширения пределов измерения амперметра применяют шунты, шунты имеют очень малое сопротивление (десятые, сотые доли ома) и включаются параллельно обмотке амперметра. Величина шунта R_Ш определяется по формуле:

где R_Ш – сопротивление шунта;

R_A – сопротивление амперметра;

n – коэффициент расширения пределов измерения тока амперметром.

где I – измеряемый ток;

I_A – максимально допустимый ток амперметра.

Для расширения пределов измерения вольтметров применяют добавочные сопротивления, которые имеют большое сопротивление (десятки килоом), и которые включают последовательно с обмоткой вольтметра. Величина добавочного сопротивления R_Д определяется по формуле: