Теоретический материал

В практике электрических измерений часто встречается необходимость измерить ток или напряжение, значения, которых превосходят номинальные величины измерительных приборов. Необходимо знать, что для расширения пределов измерения по току в цепях постоянного тока используются шунты, а в цепях переменного тока – трансформаторы тока.

Расширение пределов измерения по напряжению в цепях постоянного тока осуществляется при помощи добавочных сопротивлений, а цепях переменного тока – при помощи добавочных сопротивлений и трансформаторов напряжения.

Расширение пределов измерения при помощи шунтов практически возможно лишь в цепях постоянного тока, поэтому при переменном токе распределение тока зависит от частоты и от частоты зависит индуктивное сопротивление прибора и шунта.

Идея шунтирования электроизмерительных приборов основана на использовании свойства параллельного соединения резисторов, а идея расширения пределов измерения приборов по напряжению – на использовании свойства последовательного соединения.

Для уменьшения температурной погрешности шунты и добавочные сопротивления изготавливаются из сплава с большим удельным сопротивлением – манганина, так как его сопротивление мало зависит от температуры.

Необходимо научиться производить расчет и выбор шунтов и добавочных сопротивлений. Возможность шунтирующих и добавочных резисторов для расширения пределов измерения приборов ограничена.

Увеличение напряжения, особенно в цепях переменного тока, связано с увеличением габаритных размеров шунтов и добавочных резисторов и нестабильностью их сопротивлений.

Поэтому в цепях переменного тока возможности приборов расширяют при помощи измерительных трансформаторов.

Использование измерительных трансформаторов основано на преобразовании по величине тока, текущего в его первичной обмотке, или напряжения, приложенного к ней.

Следует научиться производить выбор измерительных трансформаторов и определять искомые величины по показаниям приборов и коэффициентам трансформации.

Пример выполнения расчета.

Измеритель с постоянной С, сопротивление которого r_ш имеет шкалу с N делениями. Определите сопротивление шунта r_ш, с помощью которого измерителем можно измерить величину тока I. Определите величину добавочного сопротивления r_д, с помощью которого этим измерителем можно измерить величину напряжения U.

Покажите схемы включения измерителя с шунтом и с добавочным сопротивлением.

Определите величину токов, проходящих через измеритель и через шунт, и падения напряжений на измерителе и добавочном сопротивлении. Целесообразно ли использовать измеритель для измерения напряжения?

Объясните почему.

Дано: r_и= 0,03 Ом; N = 75 дел., C = 0,04 А/дел., I = 12 A, U = 36 B.

Определить: r_ш, r_д, I_и, I_ш, U_и, U_ш.

Решение.

Схема включения измерителя с шунтом имеет вид:

Рис. 1.1 Схема включения измерителя с шунтом

1. Номинальный ток измерителя:

I_и= C·N = 0,04 ·75 = 3 A,

где С – постоянная измерителя А/дел.; N – число делений шкалы измерителя.

2. Используя первое правило Кирхгофа для точки 1, определяем ток, протекающий через шунт:

I_ш= I – I_и = 12-3 = 9 A.

3. Определяем сопротивление шунта.

Первый способ:

где n – шунтирующий множитель, показывающий во сколько раз расширяется предел измерения измерителя по току.

Второй способ: Сопротивление шунта можно определить, используя положение параллельного соединения, рис. 1.1.:

I_ш· r_ш = I_и· r_и;

отсюда

Третий способ.

Сопротивление шунта можно определить, используя формулу распределения тока в неразветвленной части цепи (рис. 1.1.) по известным сопротивлениям:

отсюда

Схема включения измерителя с добавочным сопротивлением имеет вид (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Схема включения измерителя с добавочным сопротивлением

4. Определяем добавочное сопротивление:

Первый способ.

Наибольшая величина тока, протекающего по обмотке измерителя, нами уже определена.

Чтобы при напряжении 36В ток, протекающий по обмотке измерителя, оставался прежним, необходимо

отсюда

Второй способ.

При последовательном соединении сопротивления напряжения распределяются по участкам прямо пропорционально сопротивлениям этих участков, поэтому

отсюда

U_и= I_и· r_и = 3 · 0,03 = 0,09 B ― падение напряжения на измерителе, В.

U_д= U ― U_и = 36 ― 0,09 = 35,91 B ― падение напряжения на добавочном сопротивлении, В.

Третий способ.

Находим, во сколько раз необходимо расширить предел измерения измерителя по напряжению

Определяем величину добавочного сопротивления

R_д = r_и (n―1) = 0,03 · (400 ― 1) = 0,03 · 399 = 11,97 Ом

О целесообразности использования прибора судят по влиянию его на режим работы электрической цепи.

ВОПРОСЫ САМОКОНТРОЛЯ

1. Объясните, в каком случае применяется шунтирование электроизмерительных приборов, а в каком – добавочное сопротивление?

2. Объясните, почему шунт должен иметь обязательно четыре зажима?