Лабораторная работа № 5 Расширение пределов измерения амперметра и вольтметра при помощи шунта и добавочного сопротивления

 Цель работы: Изучить методы расширения пределов измерения амперметра и вольтметра, оценить погрешность вводимую шунтом и добавочным сопротивлением

Оборудование: «Модуль питания», модули: «Нагрузка», «Приборы магнитоэлектрической системы», «Наборное поле», «Мультиметры»; соединительные проводники.

 

Теоретическая часть

Перед выполнением лабораторной работы, необходимо ознакомится с разделом «Основные сведения».

В практике электрических измерений встречается необходимость измерить токи, напряжения и другие величины в очень широком диапазоне их значений.

Для того чтобы использовать измерительные механизмы для различных пределов измерения токов, напряжений и других величин широко применяются масштабные измерительные преобразователи и в частности шунты (включаются параллельно измерительным механизмам) и добавочные сопротивления (включаются последовательно с измерительными механизмами).

Если сила тока, протекающего в цепи, превышает предельно допустимый ток амперметра, то для того, чтобы этот амперметр использовать в данной цепи, применяется метод шунтирования. Он заключается в подключении параллельно амперметру шунтирующего сопротивления R_ш. В этом случае часть тока пойдет через амперметр I_А, а часть – по шунтирующему сопротивлению I_Ш, а сумма этих токов равна полному току в электрической цепи I₀:

.

Отсюда следует формула расчета шунтирующего сопротивления:

,

где r_A – сопротивление амперметра.

Откуда:

(4)

где - n коэффициент, показывающий, во сколько раз ток в цепи превышает предельный ток амперметра.

Для расширения пределов измерения вольтметра используется последовательное подключение к нему добавочного сопротивления, которое вместе с сопротивлением вольтметра образует фиксированный делитель напряжения. Коэффициент деления n должен соответствовать отношению напряжения, которое необходимо измерить, к предельному напряжению вольтметра:

,

где U₀ – напряжение в измеряемой цепи;

U_V – предельное напряжение вольтметра.

Полное напряжение равно сумме напряжений на вольтметре и добавочном сопротивлении

,

где U_Д – падение напряжения на добавочном сопротивлении.

Напряжения на сопротивлении вольтметра и на добавочном сопротивлении пропорциональны величинам их сопротивлений:

,

, (5)

где R_V – внутреннее сопротивление вольтметра.

Амперметр с шунтирующим сопротивлением и вольтметр с добавочным сопротивлением следует рассматривать как новые приборы с расширенными диапазонами измерения.

Порядок выполнения лабораторной работы

 

1. Изучить теоретический материал достаточный для выполнения лабораторной работы. Ответить на контрольные вопросы и получить у преподавателя допуск к проведению лабораторной работы.

2. Собрать схему электрическую соединений лабораторного стенда для изучения расширения пределов измерения амперметра шунтирующим сопротивлением (рисунок 5.1). Монтаж схемы производить при отключенном питании.

Для монтажа использовать:

PA1 – амперметр магнитоэлектрической системы;

PA2 – мультиметр 2 в режиме измерения постоянного тока «mA», в данной схеме является образцовым прибором, для определения погрешности измерения;

R1 – резистор Rн1 модуля «Нагрузка»;

R_ш – шунт, в качестве которого использовать магазин сопротивлений.

Входы схемы «0…+15В» и «» подключить к соответствующим гнездам регулируемого канала «Модуля питания и измерений», повернуть регулятор настройки выходного напряжения этого канала против часовой стрелки до упора.

В данной лабораторной работе поверяемым прибором является амперметр магнитоэлектрической системы (PA1) с шунтом. За образцовый прибор принимается цифровой мультиметр (PA2), так как его класс точности намного выше.

Рисунок 5.1 Схема электрическая соединений лабораторного стенда для изучения расширения пределов измерения амперметра: «2» – гнездо «9,9» магазина сопротивлений; «3» – гнездо «0» магазина сопротивлений.

3. Рассчитать сопротивление шунта R_ш (по формуле (4)), увеличивающего диапазон измерений амперметра PA1 в n=3 раза. Установить это значение на магазине сопротивлений, соответствующими переключателями. Сопротивление амперметра было измерено в лабораторной работе №1 в пунктах 5 – 7.

4. Последовательно включить автоматический выключатель и устройство защитного отключения «Сеть». Включить мультиметр.

5. Увеличивая силу тока в цепи от 0 до 150 мА с шагом 10мА (контролируя значение тока амперметром PA2), заносить показания амперметров в таблицу 6.1.

6. Повторить измерения согласно пункту 5 при уменьшении силы тока в цепи от 150мА до 0 с шагом 10мА. Отключить питание стенда автоматом и устройством защитного отключения «Сеть».

 

Таблица 5.1 – Результаты измерений

№ опыта	1	2	…	N
IPA1ув, мA
IPA1ум, мA
IPA2ув, мA
IPA2ум, мA

7. Собрать схему электрическую соединений лабораторного стенда для изучения расширения пределов измерения вольтметра добавочным сопротивлением (рисунок 5.2). Монтаж схемы производить при отключенном питании.

Для монтажа использовать:

PV1 – вольтметр магнитоэлектрической системы;

PV2 – мультиметр 2 в режиме измерения постоянного напряжения «V»;

R_д – магазин сопротивлений, используемый в качестве добавочного сопротивления.

Входы схемы «0…+15В» и «» подключить к соответствующим гнездам регулируемого канала «Модуля питания и измерений», повернуть регулятор настройки выходного напряжения этого канала против часовой стрелки до упора.

В данной лабораторной работе поверяемым прибором является вольтметр магнитоэлектрической системы (PV1) с добавочным сопротивлением. За образцовый прибор принимается цифровой мультиметр (PV2), так как его класс точности намного выше.

Рисунок 5.2 – Схема электрическая соединений лабораторного стенда для изучения расширения пределов измерения вольтметра: «2» - гнездо «99999,9» магазина сопротивлений; «3» - гнездо «0» магазина сопротивлений.

 

8. Рассчитать добавочное сопротивление R_Д (по формуле (5)), увеличивающего диапазон измерений вольтметра PV1 в n=2 раза. Установить это значение на магазине сопротивлений. Сопротивление вольтметра PV1 было измерено в лабораторной работе №3 в пунктах 5-6.

9. Последовательно включить автоматический выключатель и устройство защитного отключения «Сеть». Включить мультиметр.

10. Увеличивая напряжение источника питания от 0 до 14 В с шагом 1 В (контролируя вольтметром PV1), заносить показания вольтметров PV1 и PV2 в таблицу 5.2.

11. Повторить измерения согласно пункту 10 при уменьшении напряжения от 14В до 0 с шагом 1В.

Таблица 6.2 – Результаты измерений

№ опыта	1	2	…	N
UPV1ув, В
UPV1ум, В
UPV2ув, В
UPV2ум, В

12. После завершения экспериментов и проверки результатов преподавателем необходимо разобрать схему, предоставить стенд в полной комплектности и исправности преподавателю или лаборанту.

Обработка результатов

 

13. По данным таблиц 5.1 – 5.2 рассчитать среднее значение силы тока и напряжения (измеренного цифровым и аналоговым вольтметрами) для каждого пункта измерения по формулам:

Полученные значения занести в таблицу 5.3.

14. Считая мультиметр образцовым прибором рассчитать относительную погрешность измерения тока δ_I и напряжения δ_V. Сравнить со значениями, полученными в лабораторных работах №2 и №3. Сделать вывод о погрешности, вводимой шунтирующим и добавочным сопротивлением.

Таблица 5.3 – Расчетные данные

№ п.п.	1	2	…	N
IPA1, мA
IPA2, мA
UPV1, В
UPV2, В
ΔU, В
ΔI, мА
δI, %
δV, %

Контрольные вопросы

1. Дайте определение диапазона измерений.

2. Назначение шунтов и добавочных сопротивлений.

3. Как определить параметры шунтов и добавочных сопротивлений?

4. Каким образом подключаются к измерительным приборам добавочное и шунтирующее сопротивления?