3. Масштабные измерительные преобразователи

Масштабным называется измерительный преобразователь, входная и выходная величины которого однородны и который осуществляет изменение значения электрической величины в заданное число раз.

К масштабным измерительным преобразователям относятся токовые шунты, добавочные сопротивления, делители напряжения, измерительные усилители, измерительные трансформаторы тока и напряжения. Применение этих преобразователей позволяет изготавливать приборы на разные пределы измерений, расширять пределы измерений уже существующих приборов.

3.1. Токовые шунты

Токовые шунты применяются для расширения пределов измерений электроизмерительных приборов по току путем уменьшения в определенное число раз значения силы электрического тока, проходящего через прибор. Это бывает необходимо, когда значение измеряемого тока превосходит диапазон измерений измерительного прибора (например, амперметра).

Шунт представляет собой резистор, включаемый параллельно входу измерительного прибора (рис. 3.1). В этом случае измеряемый ток I₁ распределится между шунтом и измерительным прибором обратно пропорционально значениям их сопротивлений: I_ш / I₂ = R_ип / R_ш , где R_ш –значение сопротивления шунта, R_ип – значение входного сопротивления измерительного прибора ИП, но так как I_{1 =} I_ш + I₂ , то I₁ = I₂ ( 1+ R_ип / R_ш )= n I₂ , где n = I₁/I₂ – коэффициент шунтирования, на который нужно умножить показание прибора, чтобы получить значение измеряемого тока I₁ .

Рис. 3.1

Шунты могут быть многопредельными. В амперметрах для измерения небольших значений токов (до 30 А) шунты помещают, как правило, в корпус прибора, для измерения же больших значений применяют наружные шунты как самостоятельные средства измерений, которые имеют две пары зажимов: токовые и потенциальные. Токовые зажимы служат для включения шунта в измерительную цепь, к потенциальным зажимам, сопротивление между которыми равно R_ш, подключают измерительный прибор. Классы точности выпускаемых шунтов лежат в пределах от 0,02 до 0,5. Они позволяют расширить пределы измерения токов до 15000 А и более.

Токовые шунты, выпускаемые как отдельное средство измерений, имеют нормированное номинальное значение падения напряжения между потенциальными зажимами, соответствующее номинальному значению тока. В соответствии с ГОСТ 8042-93 к эксплуатации рекомендованы шунты постоянного тока с номинальными значениями напряжения 30, 45, 150 мВ. По этой причине к токовому шунту можно непосредственно подключать не амперметр, а милливольтметр.

В основном шунты применяют в цепях постоянного тока. В цепях переменного тока возникает дополнительная составляющая погрешности, обусловленная реактивной составляющей сопротивления шунта, и с увеличением частоты значения сопротивления шунта и амперметра изменяются неодинаково.

Для измерения импульсных токов до 100 кА изготавливаются так называемые "безреактивные" шунты.

3.2. Добавочные сопротивления

Вольтметры, изготовленные на основе измерителей тока (например, магнитоэлектрические или электромагнитные), имеют встроенное добавочное сопротивление, включенное последовательно с измерительным механизмом. Обозначив через I_макс ток, вызывающий отклонение стрелки механизма на полную шкалу, увидим, что I_макс = U_макс /(R_ип +R_д ), где R_д – значение добавочного сопротивления. Отсюда находим верхний предел измерений полученного вольтметра: U_{макс =} I_макс (R_ип + R_д ). Из формулы видно, что механизм, стрелка которого отклоняется на полную шкалу при значении тока I_макс , можно использовать как вольтметр с верхним пределом измерений U_макс. Таким образом, подобрав соответствующее добавочное сопротивление, можно получить необходимый предел измерений по напряжению.

Переносные вольтметры, как правило, делают многопредельными. Это означает, что в их конструкции предусмотрены добавочные сопротивления на каждый предел измерений. Добавочные сопротивления встраивают в корпус вольтметра с верхним пределом измерений до 300 -1000 В. Для измерений более высоких напряжений (до 100 кВ и выше) добавочные сопротивления изготавливаются в виде отдельного средства измерений.

Для вольтметров переменного тока добавочное сопротивление должно иметь возможно меньшее значение реактивной составляющей, чтобы его полное сопротивление меньше зависело от частоты. Это достигается путем бифилярной намотки сопротивлений в виде катушки или на плоских пластинках.

Для намотки сопротивлений используют сплавы с высоким удельным сопротивлением и малым значением температурного коэффициента: манганин, нихром, константан и т.д. Для приборов невысокой точности применяют также серийные радиотехнические неметаллические резисторы.

Классы точности добавочных сопротивлений, изготовленных как отдельное средство измерений, лежат в пределах от 0,02 до 1,0. Номинальный ток, соответствующий номинальному напряжению, составляет 0,1 – 30 мА.

Добавочные сопротивления, изготовленные как отдельное средство измерений, как правило, применяют на постоянном токе и включают последовательно с милли- или микровольтметром.

Для добавочных сопротивлений и токовых шунтов класс точности обозначает предел допускаемой относительной погрешности по сопротивлению, выраженной в процентах.