6. Методические указания к выполнению работы

6.1. Для расчета длины проволоки, из которой изготовляется шунт, использовать формулу (3.2) из раздела 8.

7. Содержание отчета

Отчет должен содержать:

7.1. Цель работы.

7.2. Схемы исследований (рис. 3.1, 3.2, 3.3)

7.3. Таблицы 3.1, 3.2, 3.3.

7.4. Основные расчетные соотношения

7.5. Выводы о результатах выполненных исследований.

8 . Предварительные указания и элементы теории

Шунт представляет резистор R_ш, подключаемый параллельно измерительной рамке прибора (рис.3.4). Необходимость применения шунтов вызвана тем, что через рамку и противодействующие пружины магнитоэлектрического измерительного механизма нельзя пропускать ток более 100 мА, то есть шунты служат для расширения пределов измерения приборов по току. Сопротивление шунта должно быть рассчитано на ток I_ш, равный разности измеряемого тока I и максимально допустимого тока I_пр через прибор.

Как известно, сопротивление шунта определяется выражением:

, (3.1)

где: n =I/I_пр – коэффициент шунтирования.

Шкалу амперметра с шунтом градуируют с учетом коэффициента шунтирования, который обычно берут кратным 10.

Шунты изготавливаются внутренними (встроенными внутрь корпуса) и наружными (отдельно от прибора). Внутренние шунты делают на небольшие токи – до десятков ампер, а наружные – на токи до 10000 А.

Падение напряжения на шунтах стандартизовано и составляет 30, 50, 75, 100 и 150 мВ при номинальном значении измеряемого тока, это позволяет использовать для работы в комплекте с шунтами типовые милливольтметры на соответствующие пределы измерения.

Сопротивление шунтов весьма мало (часто сотые и тысячные доли Ом) и соизмеримо с сопротивлением контактов и проводов. Чтобы исключить влияние сопротивления контактов и соединительных проводов, шунты имеют две пары зажимов: наружные (токовые), к которым подключают цепь измеряемого тока и внутренние (потенциальные), к которым подсоединяют измерительный механизм.

По наибольшему допустимому отклонению (в процентах) сопротивления от номинального значения шунтирующие резисторы делятся на следующие классы точности: ) 0,02; 0,05: 0,1; 0,2; 0,5; 1,0.

Материалом для изготовления шунтов в основном служит манганин ( 85%-Си, 12%-Мп, 3%-Ni), обеспечивающий благодаря большому удельному сопротивлению = 4,3·10^-7 Ом·м, небольшие размеры шунтов и обладающий температурным коэффициентом сопротивления ТКС, равным 0,3·10^-4 1/С⁰ , т.е. его сопротивление практически не изменяется при изменении окружающей среды.

В данной лабораторной работе используется шунт, выполненный из медной или другой проволоки, сопротивление которой определяется по формуле:

R =  · l / S , l = R·S /  (3.2)

где: l – длина проводника, S – площадь поперечного сечения; - удельное сопротивление.

Главным условием правильности показаний амперметров с шунтами является постоянство отношения сопротивлений R_пр/ R_ш. Поскольку материалы шунта (манганин) и рамки (медь, алюминий) обладают различными температурными коэффициентами сопротивлений, изменение окружающей температуры может вызвать заметные погрешности измерения тока. Для исключения влияния окружающей температуры на показания амперметра с шунтом, применяют специальные схемы температурной компенсации (рис.3.5). В этой схеме последовательно с медной рамкой включаются резистор из манганина R₃. Параллельно R_пр и R₃ включают резисторы R₁ с большим положительным температурным коэффициентом сопротивления (медь, никель). Резистор R₂ также из манганина и служит для подгонки общего сопротивления прибора. При повышении температуры возрастают сопротивления рамки и R₁. Однако, поскольку последовательно с рамкой включен резистор R₃, имеющий практически нулевой ТКС, то по сравнению с цепью рамки увеличение сопротивления в цепи R₁ будет больше. Поэтому изменится распределение токов I₂ и I₃ таким образом, что в обмотку рамки будет ответвляться несколько большая часть общего тока I₁, чем раньше. Выбором сопротивлений резисторов R₁, R₂, R₃, можно добиться того, чтобы ток в обмотке рамки прибора при измерении температуры практически не менялся.

Шунты применяются практически только с магнитоэлектрическими измерительными механизмами на постоянном токе. Применять шунты для других измерительных механизмов нецелесообразно, поскольку эти приборы потребляют относительно большую мощность, что приводит к необходимости иметь значительные падения напряжения на шунте, а следовательно, и малые значения самих R_ш, приводящие в свою очередь к увеличению габаритов и массы шунтов. Кроме того, применение шунтов на переменном токе приводит к дополнительной погрешности, обусловленной перераспределением токов I_пр и I_ш, т.к. реактивные сопротивления измерительного механизма и шунта по-разному зависит от частоты.

Для расширения пределов измерения вольтметров используют добавочн ые резисторы, которые включают последовательно с катушки измерительных механизмом (рис.3.6)

Ток, протекающий в цепи в этом случае, не должен превышать максимально допустимого тока через прибор, т.е.: I_пр = U_пр/R_пр.

При введении добавочного резистора R_д ток в цепи не должен изменяется:

I =I_пр= U_х /(R_пр+R_д),

где: U_х – измеряемое напряжение.

Приравнивая точки I_пр и I, вводя множитель m= U_х/U_пр, показывающий во сколько раз измеряемое напряжение U_х больше напряжения на катушке прибора U_пр, получим:

U_пр/ U_пр = m· U_пр/ (U_пр+R_д),

Откуда: R_д = R_пр·(m-1) (3.3)

Добавочные резисторы изготовляют обычно из изолированной манганиновой проволоки (для уменьшения температурной погрешности), намотанной на каркас из немагнитного материала. Добавочные резисторы, предназначенные для работы на переменном токе, имеют бифилярную (двойным проводом) намотку для исключения влияния реактивных составляющих сопротивления.

Добавочные резисторы применяют со всеми измерительными механизмами за исключением электростатического (вращающий момент которого зависит от напряжения) и индукционного (имеющего очень большое индуктивное сопротивление).

Добавочные резисторы применяются для измерения напряжений до 30кВ постоянного и переменного тока с частотой до 20 кГц.

Помимо изменения пределов измерения, шунты и добавочные резисторы вносят в показания приборов дополнительные погрешности. Так как измеряемый ток или напряжение определяются перемножением соответствующего коэффициента n или m, то наибольшая относительная погрешность прибора с шунтом _а или добавочным резистором _v находится сложением наибольших относительных погрешностей самого прибора (ИП) _пр и шунта (добавочного резистора) _ш (_д):

_а = _пр +_ш

_v = _пр +_д (3.4)