Лабораторная работа № 3 исследоване измерительных преобразователей тока и напряжения. Шунты и добавочные сопротивления

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Целью работы является ознакомление со способами расширения верхних пределов измерения амперметров и вольтметров постоянного тока, а также изучение методов расчета шунтов и добавочных сопротивлений.

ЗАДАНИЕ К РАБОТЕ

1. Рассчитать сопротивления шунтов для трех значений тока.

2. Расширить предел измерения миллиамперметра с помощью рассчитанных шунтов.

3. Определить погрешность миллиамперметра с шунтами.

4. Рассчитать добавочные сопротивления для трех значений напряжения.

5. Расширить предел измерения миллиамперметра с помощью рассчитанных добавочных сопротивлений. Определить погрешность прибора с добавочными сопротивлениями.

6. Сделать выводы по результатам работы.

ПОЯСНЕНИЕ К РАБОТЕ

Шунт является простейшим измерительным преобразователем тока в напряжение. Он представляет собой четырехзажимный резистор. Зажимы, к которым подводится ток I, называются токовыми, а зажимы, с которых снимается напряжение U – потенциальными.

Шунт характеризуется номинальным значением входного тока I_ном и номинальным значением выходного напряжения U_ном. Их отношение определяет номинальное сопротивление шунта R_ш = U_ном/I_ном. Шунты применяются для расширения пределов измерения амперметров, при этом большую часть измеряемого тока пропускают через шунт, а меньшую – через измерительный механизм (ИМ) прибора.

На рис. 7 показана схема соединения ИМ магнитоэлектрического измерительного прибора с шунтом R_ш.

Рис. 7

Ток I_и, протекающий через ИМ, связан с измеряемым током I зависимостью

где R_и – сопротивление ИМ.

Если необходимо, чтобы ток I_и, был в n раз меньше тока I, то сопротивление шунта должно быть

R_ш = R_и/(n-1),

где n = I/Iи – коэффициент шунтирования.

Номинальный ток может иметь значение от нескольких миллиампер, до нескольких тысяч ампер. Шунты на малые токи выполняются в виде катушек или спиралей из манганинового провода, шунты на большие токи – в виде манганиновых пластин.

Добавочные сопротивления являются измерительными преобразователями напряжения в ток. Они могут состоять из одного или нескольких резисторов и служат для расширения пределов измерения по напряжению вольтметров и других измерительных приборов (ваттметров, фазометров и т. д.). Добавочные сопротивления включают последовательно с ИМ (рис. 8).

Рис. 8

Ток I_и в цепи, состоящей из ИМ с сопротивлением R_и и добавочного резистора с сопротивлением R_д составит

I_и=U/( R_и+ R_д),

где U – измеряемое напряжение.

Пусть вольтметр имеет верхний предел измерения U_ном, и сопротивление R_и. Необходимо увеличить предел измерения вольтметра в n раз. Учитывая постоянство тока, протекающего через вольтметр, можно записать:

.

Отсюда находим выражение для вычисления значения добавочного сопротивления:

R_д=R_и·(n-1).

Добавочные сопротивления изготавливаются из изолированной манганиновой проволоки, намотанной на пластины или каркасы из изоляционного материала, и применяются для расширения пределов измерений вольтметров до 30 кВ.

ХОД РАБОТЫ

1. Собрать схему, показанную на рис. 9.

2. Определить внутреннее сопротивление исследуемого миллиамперметра, для этого изменением сопротивления реостата R₀ (500 Ом) и напряжения источника питания установить на приборе P₃ ток полного отклонения (I₃). Зафиксировать показания приборов Р₁ (I₁) и Р₂ (U₂). Данные занести в табл. 3.1.

3. Рассчитать значение внутреннего сопротивления прибора, используя формулу:

,

где R_V – внутреннее сопротивление прибора Р₂. Рассчитанное значение записать в табл. 3.1.

4. Рассчитать ток полного отклонения I3 по формуле:

I₃ = I₁ –U₂ / R_V

Рис. 9

Полученное значение записать в табл. 3.1.

5. Для трех значений тока, указанных преподавателем (обозначим их как I₃’), рассчитать сопротивления шунтов по формуле R_ш=R_и/(n-1), где n=I₃’/ I₃.

6. Собрать схему, представленную на рис. 10, в качестве шунтов использовать магазин сопротивлений.

7. На магазине сопротивлений поочередно установить значения рассчитанных сопротивлений шунтов. Для каждого из этих значений добиться с помощью источника напряжения отклонения указателя прибора P3 на конечную отметку шкалы и определить показания прибора Р₁ (I₁). Значения токов занести в табл. 3.1.

Рис. 10

Таблица 3.1

Ток полно-го откло-нения I3, мА	Внутр. сопро-тив- ление при-бора Р3, Rи, Ом	Пока-зание при-бора Р2, U2, В	Пока-зания при-бора Р1, I1, мА	Задан-ные пре-делы изме-рения I3’, мА	Сопро-тив-ление шунта Rш, Ом	Абсо-лютная погреш-ность Δ= =I3’- I1, мА	Отно-ситель-ная погреш-ность 3, %
				–	–

8. Рассчитать и занести в таблицу три значения интегральной относительной погрешности прибора Р₃ (с рассчитанными шунтами) по формуле:

.

9. Для трех значений напряжения, указанных преподавателем (обозначим их как U₃’), рассчитать три значения добавочного сопротивления по формуле R_д=R_и·(n-1), где n=U₃’/U₂.

10. Собрать схему, представленную на рис. 11, используя те же приборы, что и в предыдущем случае.

11. Установить поочередно на магазине сопротивлений рассчитанные значения R_д. Для каждого значения R_д с помощью источника напряжения добиться полного отклонения стрелки прибора P₃. Снять показания вольтметра Р₂ (U₂) и занести их в табл. 3.2.

12. Рассчитать и занести в таблицу три значения интегральной погрешности прибора Р₃ (с рассчитанными добавочными сопротивлениями) по формуле:

.

Сделать выводы по работе с обоснованием полученных результатов.

Рис. 11

Таблица 3.2

Заданные пределы измерения U3’, В	Расчетное значение Rд, Ом	Показания прибора Р2, U2, В	Абсолютная погрешность Δ= U3’-U2, В	Относительная погрешность , %

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Изложите принцип действия измерительного механизма аналоговых измерительных систем (электромагнитных, магнитоэлектрических, электродинамических, электростатических, индукционных).

2. Приведите формулу общего уравнения моментов аналоговых электромеханических измерительных систем. Какие моменты действуют на подвижную часть измерительного механизма? Почему большему току соответствует большое отклонение стрелки?

3. Как, исходя из заданного предела измерения амперметра или вольтметра, рассчитать добавочное сопротивление и шунт?

4. В чем заключается принцип действия омметра с измерительным механизмом магнитоэлектрической системы.

5. Как изменится режим работы измерительного механизма магнитоэлектрической системы, если рамку изготовить без металлического каркаса?

ЛИТЕРАТУРА

1. Метрология и радиоизмерения / Под ред. В. И. Нефедова. – М.: Высш. шк., 2003. – 526 с.

2. ГОСТ 30012.1-2002. Приборы аналоговые показывающие электроизмерительные прямого действия и вспомогательные части к ним. – М.: Изд-во стандартов, 2003.

3. Основы метрологии и электрические измерения / Под ред. Е. М. Душина. – Л.: Энергоатомиздат, 1987. – 536 c.

4. ГОСТ 8042-93. Приборы аналоговые показывающие электроизмерительные прямого действия и вспомогательные части к ним. Часть 8. Особые требования к вспомогательным частям. – М.: Изд-во стандартов, 1993.