2.2. Мостовые шунты

Как было показано выше, основной проблемой при измерении больших импульсных токов является индуктивность шунтов, которую погасить полностью практически невозможно. Однако существуют специальные методы ее компенсации, основанные на дифференциальном методе измерения сигнала с шунта. В самом деле, если на вход регистрирующего прибора (осциллографа) подать два сигнала, как это показано на рис. 2.3, и эти два сигнала сложить, то на входе осциллографа будем иметь сигнал:

,

(2.9)

где - индуктивность шунта, дополнительная индуктивность.

Если , то и шунт передает сигнал тока без искажений. На этом принципе основано устройство шунта Пашена (рисунок 2.4 А). Условием его компенсации является соблюдение условий:

,

(2.10)

при этом предполагается, что конструктивно плечи одинаковы, при этом одинакова их индуктивность, а входное сопротивление осциллографа (клеммы а – б) на несколько порядков (3 и более) больше любого из сопротивлений шунта.

Рисунок 2.3. Способ компенсации индуктивности шунта дифференциальным методом.

Шунт Пашена имеет недостатки. Во первых, вход и корпус осциллографа поднят на потенциал падения напряжения на сопротивлении R₄ относительно земли. Поскольку измерительная аппаратура имеет относительно земли емкость, корректность измерений будет зависеть от того, насколько эта емкость будет шунтировать одно из плечей мостового шунта. Во-вторых, требование высокого входного сопротивления осциллографа. В высоковольтных измерениях используются главным образом осциллографы с низким входным сопротивлением: 50 и 75 Ом, которые равны волновым сопротивлениям наиболее широко используемых кабелей, применяемых в качестве линий передачи и задержки, и включаемых между шунтом или делителем напряжения и осциллографом.

Рисунок 2.4. А – шунт Пашена; Б - шунт с индуктивной компенсацией.

Наличие сопротивления в диагонали мостового шунта при сопротивлении шунта в единицы или доли Ом приводит к его разбалансировке. В связи с этим разработана модифицированная схема мостового шунта (рисунок 2.4Б). В такой схеме шунта: >> ; где - собственное активное сопротивление шунта. За счет того, что имеют большие величины, постоянные времени их ветвей:

 0,  0,

(2.11)

где и собственные индуктивности резисторов и .

Вместо сопротивления устанавливается закорачивающий проводник или параллельные проводники, размеры которых такие же, как и у сопротивления , в этом случае выполняется условие За счет того, что , исключается первый недостаток шунта Пашена: через закорачивающий проводник с ничтожно малой индуктивностью осциллограф приобретает потенциал земли. В том случае, когда входное сопротивление осциллографа высокое, напряжение между точками а – б определяется уравнением:

,

(2.12)

где

Из этой формулы следует, что шунт будет неискажающим, если множитель при , будет равен нулю:

(2.13)

Поскольку то условием отсутствия искажений будет:

.

(2.14)

Расчет переходного процесса в шунте с учетом конечной величины сопротивления дает:

,

(2.15)

где и

Такой шунт имеет некомпенсируемую постоянную времени, при этом минимальное искажение сигнала будет при условии:

.

(2.16)

Данное условие будем считать режимом согласования шунта. Подставив это уравнение в две предыдущих формулы и выполнив преобразования, получим:

где

(2.17)

Величина - собственная постоянная времени шунта.

Оценим величину для типичного исполнения шунта. Если индуктивность шунта , Ом, где волновое сопротивление кабеля линии задержки и

Ом, то

с.

(2.18)

Можно отметить, что в согласованном режиме собственная постоянная времени шунта крайне мала. Мостовая весьма чувствительна к рассогласованию. Рассмотрим конкретный пример исполнения шунта, определив коэффициент рассогласования выражением:

.

(2.19)

Пример. Примем величины: Ом, , Ом. Расчетные реакции шунта в зависимости от при воздействии ступени тока приведены на рис. 2.5. Следует отметить, что с увеличением уменьшается и амплитуда установившегося сигнала , а также растет чувствительность шунта к рассогласованию, поэтому не целесообразно увеличение значения > .

Рисунок 2.5. Реакция шунта на единичную ступень тока в зависимости от коэффициента рассогласования.