Меню

Для расширения предела измерения амперметра с внутренним сопротивлением



Расширение пределов измерения амперметров и вольтметров

Для получения высокой точности и чувствительности магнитоэлектрических приборов их подвижные обмотки выполняют по возможности легкими из очень тонкой изолированной проволоки.

Такие обмотки допускают очень незначительные по величине токи, не превышающие 30 мА, при этом сопротивление самих обмоток получается равным примерно 5 Ом.

Таким образом, магнитоэлектрическим прибором можно измерять ток не более 30 мА, а напряжение – не выше 150 мВ, так как

U = I × R = 30 × 5 = 150 мВ

Для расширения пределов измерения амперметра применяют шунты, шунты имеют очень малое сопротивление (десятые, сотые доли ома) и включаются параллельно обмотке амперметра. Величина шунта RШ определяется по формуле:

где RШ – сопротивление шунта;

RA – сопротивление амперметра;

n – коэффициент расширения пределов измерения тока амперметром.

где I – измеряемый ток;

IA – максимально допустимый ток амперметра.

Для расширения пределов измерения вольтметров применяют добавочные сопротивления, которые имеют большое сопротивление (десятки килоом), и которые включают последовательно с обмоткой вольтметра. Величина добавочного сопротивления RД определяется по формуле:

где RД – добавочное сопротивление;

RV – сопротивление вольтметра;

n – коэффициент расширения пределов измерения напряжения вольтметром.

где U – измеряемое напряжение;

UV – максимально допустимое напряжение вольтметра.

Источник

Расширение пределов измерения амперметра

Лекция Измерение электрического тока и напряжения, мощности и энергии, сопротивления

Измерение тока

Для измерения тока используется амперметр, включаемый в цепь последовательно с электроприемником. Показания амперметра позволяют судить с определенной погрешностью о токе IН протекающем через данный электроприемник–нагрузку RН.

При измерении переменного синусоидального токастрелкиприборов электромагнитной, электродинамической, выпрямительной и тепловой систем будут давать отклонения пропорционально действующему значению тока,и в этих значениях, как правило, градуируют шкалы таких приборов.

При измерении несинусоидального переменного токапоявляется дополнительная погрешность, вызванная влиянием высших гармоник в кривой тока на вращающий момент подвижной части и отклонение стрелки и, следовательно, на показания прибора.

Сопротивление измерительной катушки амперметра очень малои его последовательное включение с нагрузкой практически не вызывает увеличение сопротивления цепи и потери мощности. Так, внутреннее сопротивление амперметров колеблется от RА= 0,2 Ом (электромагнитные и электродинамические системы амперметров) до RА= 0,01 Ом (магнитоэлектрические приборы).

Расширение пределов измерения амперметра

Для расширения пределов измерения амперметров применяют шунты и измерительные трансформаторы тока.

Шунт представляет собой активное сопротивление (резистор) RШ сравнительно малой величины, включаемое параллельно к зажимам амперметра.

В том случае, когда сопротивление шунта RШ меньше сопротивления измерительной катушки амперметра RA, сравнительно большая часть измеряемого токаIН проходит через шунт, а в амперметр ответвляется только его небольшая часть IA, определяемая соотношением сопротивлений амперметра RA и шунта RШ:

Из этой формулы можно получить выражение для расчета необходимой величины сопротивления шунта:

Шкала амперметра с шунтом градуируется на полный ток IН, протекающий через нагрузку.

Таким образом, использование в амперметрах шунтов позволяет измерять большие постоянные или синусоидальные токи приборами, измерительные катушки которых рассчитаны на малые токи.

Измерение напряжения

Для измерения напряжения используются вольтметры. Зажимы этих приборов включаются параллельно нагрузке, как показано на рисунке ниже.

Чтобы включение вольтметра не приводило к изменению токов в цепи и режима работы нагрузки, его собственное сопротивление RB должно быть намного больше сопротивления нагрузки RH. Оно колеблется от 3–5 кОм (электромагнитные и электродинамические приборы) до 6–10 кОм (магнитоэлектрические приборы) и свыше 10 кОм (электронные приборы).

При включении вольтметра параллельно участку цепи отклонение его стрелки будет пропорционально напряжению на этом участке цепи. Вольтметры переменного тока указывают действующее значение измеряемого напряжения.

При ошибочном включении вольтметра, то есть последовательно с электроприемником, напряжение которого должно быть измерено, прибор не будет поврежден, так как через него будет протекать ничтожно малый ток из-за очень большого внутреннего сопротивления вольтметра. В то же время, показания вольтметра при таком включении будут неверны, так как напряжение на нагрузке значительно уменьшится (в сотни и тысячи раз), а вольтметр будет показывать напряжение, близкое к напряжению источника питания.

Читайте также:  Прибор для измерения мощности лампочек

Расширение пределов измерения вольтметра

Для расширения пределов измерения вольтметра используют добавочное активное сопротивление RД, включаемое последовательно с измерительной катушкой вольтметра.

Величина добавочного сопротивления RД рассчитывается, исходя из требуемой кратности расширения предела измерения nu:

по формуле: RД = RB (n-1),

где UН – измеряемое напряжение на нагрузке, UB – напряжение на вольтметре, RB – активное сопротивление измерительной катушки вольтметра.

С помощью разных добавочных сопротивлений можно получить многопредельный вольтметр с разной ценой деления шкалы.

Измерение мощности

Мощность РН, выделяемая в нагрузке с сопротивлением RН, может быть измеренакосвенным методом с помощью амперметра и вольтметра, так как РН = UI.

Более точно мощность можно измерить непосредственно электродинамическим ваттметром.

Вращающий момент подвижной катушки ваттметра пропорционален произведению токов в проводниках обеих катушек: МВР= К I IU,

где I – ток в неподвижной токовой катушке, практически равный току нагрузки; IU=U/RU – ток в подвижной катушке напряжения (причем IU >RН).

Следовательно МВР= К×I×U/RU=C×U×I = C×P, где С – коэффициент пропорциональности.

Таким образом, вращающий момент ваттметра пропорционален мощности Р и его шкала отградуирована непосредственно в ваттах или киловаттах.

Дляизмерения мощности в однофазной цеписинусоидального тока в основном используются электродинамические ваттметры, которые включают так же, как и при измерениях в цепи постоянного тока.

Ток IU в подвижной катушке пропорционален напряжению U и практически совпадает с ним по фазе, а ток I в неподвижной токовой обмотке равен току нагрузки. Поэтому вращающий момент ваттметра

МВР=CUIcosj = CP,

где j – угол сдвига фаз между U и I; С – коэффициент пропорциональности.

Зажимы токовой обмотки и обмотки напряжения ваттметра, помеченные звездочками (*) и называемыегенераторными,следует включать в электрическую цепь со стороны источника питания.

Дляизмерения активной мощности в трехфазной цепи переменного тока применяется несколько способов измерения мощности в зависимости от характера трехфазной нагрузки.

Присимметричной нагрузке активную мощность в трехфазной цепи можно измерить путемзамера мощности в одной фазе с помощью ваттметра.

После измерения мощности в одной из фаз РФ, соединенных звездой (U) или треугольником (D) показания ваттметра умножают на три, так как при симметричной нагрузке мощности всех трех фаз одинаковы:

где РYсим и РDсим – активная мощность в трехфазной симметричной нагрузке соединенной звездой и треугольником, соответственно.

В трехпроводной трехфазной цепи при любой нагрузке (симметричной или несимметричной) и любом способе соединения электроприемников (звездой или треугольником) общую активную мощность трехфазной нагрузки можно измерять с помощьюдвух ваттметров.

При этом алгебраическая сумма активных мощностей РW1 и РW2 2-х ваттметров W1 и W2 равна активной мощности РY,D в трехпроводной трехфазной цепи при соответствующем способе соединения фаз (Y или D):

Суммарная мощность двух ваттметров вычисляется с учетом знака мощностей этих ваттметров, как алгебраическая сумма. Практически, для отсчета отрицательной мощности по показаниям ваттметра необходимо изменить направление тока в обмотке напряжения, для чего переключатель направления тока на корпусе ваттметра надо переключить с «+» на «».

Измерить активную мощность в четырехпроводной трехфазной цепи при несимметричной нагрузке соединенной звездой можно тремя ваттметрами.

Поскольку, в этом случае каждый из ваттметров измеряет активную мощность одной фазы, то мощность в четырехпроводной трехфазной цепи:

где PA, PB, PC – активные мощности фаз А, В, С, соответственно.

Применяются также специальные ваттметры трехфазного тока.

При измерении мощности в трехфазных цепях высокого напряжения и с большими токами ваттметры включаются через измерительные трансформаторы напряжения и трансформаторы тока.

Источник

Раздел 5. Средства расширения пределов измерения. Шунты и добавочные сопротивления

Расширение пределов измерения приборов – это важная технико-экономическая задача, целью которой является уменьшение объема приборного парка предприятия без ущерба для метрологического обеспечения испытаний изделий и управления технологическими процессами. При наличии средств расширения пределов измерения оказывается возможным применять один и тот же обычно дорогостоящий прибор для измерения величин различного размера. В конкретных ситуациях может потребоваться изменить предел измерения в сторону увеличения верхнего предела измерений, т. е. уменьшить чувствительность прибора, а в других случаях наоборот – повысить чувствительность, т. е. изменить предел измерения в сторону уменьшения верхнего предела измерения. Возможны два варианта решения этой задачи.

Читайте также:  Что можно измерить у ткани

В первом варианте средства расширения пределов измерения встраиваются в измерительный прибор, который снабжается ручным переключателем пределов. Такой прибор является многопредельным, и метрологические характеристики этого прибора на разных пределах могут различаться. Тогда они нормируются для каждого предела измерения по отдельности. Об этом потребителю сообщается надписями на шкале или в сопроводительной документации.

Во втором варианте используются внешние средства расширения пределов измерений. Этот вариант используется там, где измерения на одном выбранном пределе выполняются в течение длительного времени, например в системах управления технологическим процессом.

Такое внешнее средство расширения пределов измерения есть не что иное, как масштабирующий линейный измерительный преобразователь, который изменяет не вид измеряемой величины, а лишь ее масштаб. Эти преобразователи выпускаются промышленностью как автономные средства измерений. Каждая группа таких преобразователей имеет унифицированные свойства, присоединительные размеры и метрологические характеристики. Поэтому при их соединении с однопредельным измерительным прибором фактически получается новый прибор, метрологические характеристики которого должны быть рассчитаны по метрологическим характеристикам соединенных компонентов.

В качестве внешних средств расширения пределов измерения используются:

— шунты – для расширения пределов измерения силы тока в сторону увеличения максимального значения;

— делители напряжения и добавочные сопротивления – для расширения пределов измерения напряжения в сторону увеличения максимального значения;

— усилители тока и напряжения – для расширения пределов измерения тока или напряжения в сторону уменьшения максимального значения измеряемой величины;

— измерительные трансформаторы тока и напряжения – могут применяться для расширения пределов измерения тока или напряжения в обе стороны, но чаще всего применяются для расширения пределов измерения в сторону увеличения максимального значения измеряемой величины.

Схема соединения однопредельного амперметра с шунтом показана на рис. 5.1.

Шунт имеет четыре зажима. Пара зажимов Л1, Л2 называются токовыми зажимами, к ним подключается линия с измеряемым током. Два других зажима П1, П2потенциальные, к ним подключается амперметр, собственное сопротивление которого показано на рис. 5.1 и обозначено через .

Потенциальные зажимы жестко соединены между определенными точками шунта путем сварки или другими методами, обеспечивающими высокую стабильность расположения этих точек и пренебрежимо малое и стабильное переходное сопротивление от этих точек к потенциальным зажимам. Непосредственное присоединение амперметра к токовым зажимам недопустимо, поскольку в этом случае нестабильность сопротивления контактов в токовых зажимах из-за различных усилий при винтовом соединении, попадания грязи и пыли при большой силе тока будет вызывать соответствующую нестабильность падения напряжения на этих контактах и погрешность измерения, которая не может быть гарантирована изготовителями амперметра и шунта и не может быть определена при измерении.

Сопротивление шунта между точками присоединения потенциальных зажимов обозначено через (рис. 5.1, а).

Пусть – ток полного отклонения стрелки, соответствующий верхнему пределу диапазона измерения амперметра А; – падение напряжения на сопротивлении амперметра при этом токе ( ); – верхний предел диапазона измерения силы тока, который желательно обеспечить с помощью шунта.

Очевидно, что при этой силе тока должно выполняться равенство . Если шунт рассматривать как делитель тока с коэффициентом деления , то его сопротивление

В двухпредельном амперметре (рис. 5.1, б), если принять , сопротивления шунта для пределов и соответственно равны:

, (5.1)

где – коэффициенты шунтирования.

Совместно решая (5.1), можно определить сопротивления шунтов:

.

Аналогично можно рассчитать сопротивления для многопредельного ступенчатого шунта.

5.2. Добавочные сопротивления

Для расширения пределов измерения напряжения могут использоваться делители напряжения и добавочные сопротивления. Однако из-за того, что делитель напряжения должен потреблять от объекта ток, превышающий ток собственного потребления вольтметра, на практике для расширения пределов измерения вольтметров применяют добавочные сопротивления (рис. 5.2).

Читайте также:  Укажите основную единицу измерения работы электрического тока

Добавочное сопротивление соединяется последовательно с вольтметром. Для изменения предела измерения напряжения с до величина при заданном значении тока полного отклонения стрелки вольтметра определяется из выражений

где – коэффициент расширения предела измерения вольтметра (множитель шкалы).

Для обеспечения совместимости добавочного сопротивления и вольтметра, к которому оно подключается, в документации на вольтметр и, как правило, на его шкале указывается ток полного отклонения стрелки. Подходящее добавочное сопротивление подбирается по следующим признакам:

— по коэффициенту расширения предела измерения;

— по максимально допустимому току через , который не должен быть больше, чем , чтобы добавочное сопротивление не перегревалось этим током;

— по характеристикам инструментальной погрешности созданного таким образом нового вольтметра, которая будет складываться из собственной погрешности вольтметра и погрешности добавочного сопротивления, в т. ч. возникающей в результате перегрева протекающим по нему током.

В многопредельных вольтметрах (рис. 5.2, б) используют ступенчатое включение резисторов и для соответствующих пределов измерения напряжений при заданном токе полного отклонения рамки сопротивления добавочных резисторов рассчитывают по формулам

или ;

или ,

где – коэффициенты расширения пределов.

Добавочные резисторы могут быть внутренними (до 600 В) и наружными (до 1500 В). Наружные добавочные резисторы, в свою очередь, могут быть индивидуальными и взаимозаменяемыми на номинальные токи 0,5; 1; 3; 7,5; 15 и 30 мА.

5.3. Типовые примеры по расчету шунтов и добавочных резисторов

Пример 5.1.Определить пределы измерения токов I1 и I2 в схеме двухпредельного миллиамперметра (рис. 5.1, б) с током полного отклонения рамки измерительного механизма IA = 50 мкА, внутренним сопротивлением RA = 1,0 кОм. Значения сопротивлений резисторов ступенчатого шунта R1 = 0,9 Ом; R2 = 0,1 Ом.

Решение. Ток IA, протекающий через миллиамперметр, связан с измеряемым током I зависимостью

Отсюда .

На пределе измерения тока I1 Rш1 = R1 + R2, а на пределе измерения тока I2 резистор R1 включен последовательно с RA, а шунтом служит R2. Отсюда

Пример 5.2.Для расширения предела измерения амперметра в 50 раз с внутренним сопротивлением RA = 0,5 Ом необходимо подключить шунт. Определить сопротивление шунта, ток полного отклонения прибора и максимальное значение тока на расширенном пределе, если падение напряжения на шунте Uн= 75 мВ.

Решение.Сопротивление шунта Ом.

Ток полного отклонения прибора

Максимальное значение тока на расширенном пределе

Пример 5.3.Амперметр с пределом измерения 100 А имеет наружный шунт сопротивлением Rш = 0,001 Ом. Определить сопротивление измерительной катушки прибора, если ток полного отклонения IA = 25 мA. Определить наибольшую потребляемую амперметром мощность.

Решение.Сопротивление измерительной катушки прибора

RA = Rш(n – 1) = 0,001 Ом (I / IA – 1) = 0,001[(100 A / 25 10 – 3 ) – 1] = 4 Ом.

Потребляемая амперметром мощность

РА = ,

где R – эквивалентное сопротивление параллельно соединенных RA и Rш, рассчитываемое по формуле

Тогда потребляемая мощность РА=

Пример 5.4.Определить значения сопротивлений добавочных резисторов R1, …, R4 в цепи многопредельного магнитоэлектрического вольтметра (см. рис. 5.2, б), который предназначен для измерения напряжения в четырех диапазонах с верхними пределами U1 = 30 B, U2 = 50 B, U3 = 100 B и U4 = 200 B, если ток полного отклонения рамки измерительного механизма вольтметра равен 10 мА, а сопротивление рамки 400 Ом.

Решение. Величина добавочного резистора рассчитывается по формуле

n1 = 30 B/( n2 = 50 B/4 B = 12.5; n3 = 100 B/4 B = 25; n4 = 200 B/4 B = 50.

Отсюда R1 = Rд1 = RV(n1 – 1) = 400(7,5 – 1) = 400 Ом; R2=Rд2Rд1 = 400(12,5 – 1) – 2600 = 4600 – 2600 = 2000 Ом; R3 = Rд3Rд2 = 400(25 – 1) – 4600 = 9600 – 4600 = 5000 Ом; R4 = Rд4Rд3 = 400(50 – 1) – 9600 = 19600 – 9600 = 10000 Ом.

Пример 5.5.Предел измерения вольтметра составляет 7,5 В при внутреннем сопротивлении RV = 200 Ом. Определить добавочное сопротивление, которое необходимо включить для расширения предела измерения до 600 В.

Источник