Лабораторная №5

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИСТЕТ»

Инженерная школа энергетики

Отделение электроэнергетики и электротехники

Лабораторная работа №5

РАСШИРЕНИЕ ПРЕДЕЛОВ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ ПРИ ПОМОЩИ ШУНТОВ И ДОБАВОЧНЫХ СОПРОТИВЛЕНИЙ

Вариант 16

Выполнил студент группы 5А8Д Нагорнов А.В.

(подпись)

________________

(дата)

Проверил канд. физ.-мат. наук, _______________ Кац М.Д.

доцент ОЭЭ ИШЭ (подпись)

_______________

(дата)

Томск-2021

Цель работы: изучение методов измерения больших значений силы тока и напряжения, определение зависимости верхнего предела измерения электроизмерительных приборов от значения шунтирующего сопротивления.

Краткая теория:

Увеличение предела измерения электроизмерительного прибора связано с необходимостью выдерживания высоких значений силы тока Большие токи вызывали бы увеличение сечения проводов обмотки катушки (обычно диаметр проводов не превышает 0,2 мм), а, следовательно, массы и момента инерции подвижной части прибора. Кроме того, приборы обладают внутренним сопротивлением, наличие которого приводит к тому, что подключение измерительных приборов к цепи влияет на её параметры. При этом наличие внутреннего сопротивления у амперметра приводит к тому, что общее сопротивление участка цепи возрастает, и поэтому сила тока в цепи с амперметром меньше, чем сила тока без него. Чем меньше внутреннее сопротивление амперметра, тем меньшее изменение силы тока происходит на том участке цепи, куда включается амперметр. Поэтому пределы измерения по току расширяют с помощью шунтов, а по напряжению – с помощью добавочных резисторов.

Шунтирование – подключение параллельно амперметру с внутренним сопротивлением R_A сопротивления R_ш, называемого шунтом. Схема подключения приведена на рисунке 1. При этом часть тока I_ш проходит через шунт, а общий измеряемый ток I'_m становится больше, чем предел измерения амперметра I'_m. Такое соединение можно рассматривать как амперметр с новым пределом измерения, равным I'_m.

Рисунок 1 – Схема подключения шунта к амперметру

По законам Кирхгофа

Решение данной системы уравнений относительно будет иметь вид:

Из выражения следует, что, чем меньше будет сопротивление шунта, тем больше буден новый предел измерения.

Сопротивление определяется выражением

Где – коэффициент шунтирования.

Вольтметры предназначены для измерения разности потенциалов на участке цепи. Для однородного участка цепи разность потенциалов равна напряжению на участке. Для того чтобы при подключении вольтметра токи в схеме изменялись мало, необходимо, чтобы его внутреннее сопротивление R_V было как можно большим. Поэтому к вольтметру последовательно включается добавочное сопротивление, схема включения показана на рис. 2.

Рисунок 2 – Схема подключения шунта к вольтметру

Для изменения предела измерения вольтметра последовательно с ним включаю т добавочное сопротивление R_д. При этом измеряемое напряжение U'_m равно:

где U_д – напряжение на добавочном сопротивлении. Так как ток через вольтметр равен току через добавочное сопротивление, напряжение на добавочном сопротивлении будет равно:

Шунты встраивают в прибор или выполняют отдельными от прибора. Их изготавливают из манганина, обладающего малым температурным коэффициентом электрического сопротивления.

Ход работы:

Задание 1. Расширение предела измерения амперметра.

На рисунке 3 изображаем схему для измерения тока, и прямым методом, и с помощью шунтирования.

Рисунок 3 – Схема экспериментальной цепи

Таблица 1 – Исходные данные

Вариант	Показания образцового амперметра, мА	Показания амперметра с шунтом, мА	Коэффициент шунтирования	Сопротивление шунта, Ом
16	10,4	2,3	4.52	5.68
	24,4	4,4	5.54	4.4
	43,8	6,5	6.74	3.48
	64,8	8,3	7.81	2.94

Рассчитываем коэффициенты шунтирования:

Рассчитываем сопротивление шунта при значении внутреннего сопротивления амперметра R_A=20 Ом.

Рассчитываем математическое ожидание, дисперсию и среднеквадратическое отклонение для значений коэффициентов шунтирования по стандартным выражениям.

Математическое ожидание:

Дисперсия:

Среднеквадратичное отклонение:

Построим график зависимостей амперметра с шунтом от значений образцового амперметра.

Рисунок 4 – Зависимость значений образцового и шунтирующего амперметра

Задание 2. Расширение предела измерения вольтметра.

Изобразим схему измерения напряжения обоими методами: и прямым, и с использованием шунта.

Рисунок 5 – Схема экспериментальной цепи

Таблица 2 – Исходные данные

Вариант	Показания образцового вольтметра, В	Показания вольтметра с шунтом, В	Коэффициент изменения пердела измеряемого напряжения	Сопротивление шунта, Ом
16	59	8	7.37	95.55
	62	10	6.2	78
	65	11	5.9	73.5
	67	12	5.58	68.7

Рассчитаем коэффициенты изменения предела измеряемого напряжения по формуле

Рассчитываем добавочное сопротивление при значении внутреннего сопротивления вольтметра R_V=15 Ом.

Рассчитываем математическое ожидание, дисперсию и среднеквадратическое отклонение для значений коэффициентов шунтирования по соответствующим выражениям.

Математическое ожидание:

Дисперсия:

Среднеквадратичное отклонение:

Построим в одной системе координат график зависимостей вольтметра с добавочным сопротивлением от значений образцового вольтметра.

Рисунок 6 – Зависимость значений напряжения при прямом измерении и с шунтом

Вывод: если значение измеряемой величины превышает измерительные возможности прибора, то мы можем расширить придел измерения введением шунтирующего сопротивления.

При этом чем выше значение величины при прямом измерении, тем выше показания прибора с шунтирующим сопротивлением, а само шунтирующее сопротивление, что для амперметра, что для вольтметра, становиться меньше.

Ответы на контрольные вопросы:

1. Почему шунт для расширения предела измерения амперметра включается параллельно амперметру, а шунт для расширения предела измерения вольтметра – последовательно вольтметру?

Это связано с особенностями параллельной и последовательной работе цепи для вольтметра и амперметра. Ток, подключённый параллельно амперметру распределяемся между ветвями в то время, как при последовательном соединении он будет одинаков на всех элементах цепи, поэтому шунтирование не будет иметь смысла; то же самое происходит и с вольтметром: при последовательном подключении напряжение разделяется между элементами, а при параллельном одинаково на всех элементах цепи, и шунт, в таком случае, был бы бесполезен.

2. Шунт с каким сопротивлением необходимо использовать при измерении силы тока до 1000 мА амперметром с верхним пределом измерения 200 мА?

Так как внутреннее сопротивление амперметра не дано, примем его равным , как до этого в отчёте.

Находим коэффициент шунтирования:

Необходимо использовать шунт с сопротивлением 5 Ом.

3. Определите действительное значение напряжения в цепи, если вольтметр показывает 125 В, величина добавочного сопротивления – 150 кОм, m = 1.57.

Определим величину внутреннего сопротивления вольтметра: