5. Масштабные измерительные пРеобразователи

Масштабными называются преобразователи, которые, не изменяя природы измеряемой величины, изменяют ее масштаб в заданное число раз. К ним относятся шунты, добавочные резисторы, делители напряжения, измерительные трансформаторы напряжения и тока.

5.1. Шунты

Назначение и устройство. Шунты предназначены для расширения пределов измерения приборов по току и используются, в основном, с магнитоэлектрическими приборами.

Устройство шунта понятно из рис. 5.1, а.

Резистивный элемент 1 представляет собой пластину или проволоку (в малоамперных шунтах) из манганина. Он надежно прикреплен с двух сторон к контактным площадкам 2 из меди. На каждой из площадок имеются пары зажимов: токовые (Т) служат для включения шунта в цепь измеряемого тока, к потенциальным (П) подключают измерительный прибор.

Рис. 5.1. Измерительный шунт: а – устройство; б – схема включения

Расчет и использование. Как видно из рис. 5.1, б, измеряемый ток I разветвляется: I_ш протекает через шунт, I_п – по измерительной цепи прибора.

Введем понятие о коэффициенте шунтирования

(5.1)

который показывает, во сколько раз расширяется предел измерения. Имеем очевидные соотношения

(5.2)

Решив систему (5.2) с учетом (5.1) относительно R_ш, получим

(5.3)

Итак, чтобы расширить предел измерения в n раз необходим шунт с сопротивлением в n–1 раз меньшим сопротивления прибора.

В амперметрах с пределом измерения до 10 А шунты могут размещаться внутри корпуса прибора (внутренние шунты). Шкалы прибора в этом случае градуируют с учетом коэффициента шунтирования. В многопредельных амперметрах используют несколько шунтов, которые обычно включаются последовательно, как это показано на рис. 5.2.

При больших величинах измеряемых токов размеры шунтов не позволяют размещать их в корпусе прибора, и они используются отдельно. Это так называемые наружные шунты. Их изготовляют на токи, соответствующие стандартному ряду номинальных токов: 10, 15, 20, 25, …А. Сопротивление резистивных элементов делаются такими, чтобы при номинальном токе напряжение между потенциальными зажимами было равно 75 мВ. Током измерителя (несколько миллиампер) можно пренебречь, при этом измеритель измеряет не ток, а падение напряжения на шунте, пропорциональное измеряемому току. Шкалу прибора, однако, градуируют не в милливольтах, а в амперах. Чтобы предупредить о невозможности использования такого прибора без шунта, на его шкале делают надпись «НШ 75 мВ».

Рис. 5.2. Амперметр на два предела измерения с внутренними шунтами

Погрешность и ее нормирование. Погрешность шунта как средства измерения обусловлена отклонением действительного сопротивления резистивного элемента от номинального:

. (5.4)

Для наружных шунтов номинальное сопротивление

,

где I_ном – номинальный ток шунта, А.

Класс точности шунта соответствует пределу допустимой относительной погрешности. Отечественные шунты имеют классы точности от 0,02 до 0,5.

5.2. Добавочные резисторы и делители напряжения

Добавочные резисторы используют для расширения пределов измерения по напряжению, включая их последовательно с измерительными цепями приборов, как это показано на рис. 4.5, б.

Конструктивно добавочные резисторы не отличаются от резисторов, используемых в радиоэлектронике. Они бывают проволочные и непроволочные, с допуском по сопротивлению от ±0,01 до ±1%.

Чтобы расширить предел измерения в n раз, добавочный резистор, включенный последовательно с прибором, должен иметь сопротивление

R_д = R_п(n–1), (5.5)

где R_п – сопротивление измерительной цепи прибора (вольтметра, ваттметра).

Когда сопротивление прибора порядка нескольких десятков мегаом, как у электронных вольтметров, расширять предел измерения путем добавочного сопротивления становится затруднительно. В этих случаях используют делитель напряжения на резистивных или емкостных элементах. Схема резистивного делителя показана на рис. 5.3.

Рис. 5.3. Резистивный делитель напряжения

Полагая, что R_v→∞, для коэффициента расширения предела измерения имеем

. (5.6)

Входное сопротивление прибора в этом случае определяется делителем:

R_вх = R₁ + R₂.