Меню

Расширение пределов измерения приборов магнитоэлектрической системы по току



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 приборов магнитоэлектрической системы по току

Название работы: Расширение пределов измерений приборов магнитоэлектрической системы

Категория: Лабораторная работа

Предметная область: Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Описание: Для того чтобы на основе гальванометра сделать амперметр параллельно гальванометру подключают сопротивление называемое шунтом рис. Так как требовалось расширить предел измерения гальванометра по току в n раз то ; тогда и 5.4 Если цена деления гальванометра по току равна k1 цена деления амперметра стала равной k1n а чувствительность прибора при этом уменьшилась в n раз.

Дата добавления: 2013-10-29

Размер файла: 94 KB

Работу скачали: 61 чел.

Лабораторная работа № 5

Расширение пределов измерений приборов

Цель работы: изучить методы расчёта шунтов и добавочных сопротивлений; расширить пределы измерения гальванометра по току и напряжению; экспериментально проверить выполненные расчёты.

Оборудование: гальванометр, два магазина сопротивлений, реостат, амперметр, вольтметр, источник питания постоянного тока, ключ, трёхполюсный переключатель.

5.1. Краткие теоретические сведения

За основу измерительного прибора часто берут чувствительный гальванометр. Подключив к нему различным способом сопротивления, его применяют в зависимости от целесообразности для измерения напряжения или тока. Это возможно, так как по закону Ома напряжение и ток прямо пропорциональны друг другу. Амперметры и вольтметры отличаются внутренними сопротивлениями, ценой деления и шкалами.

Для того чтобы на основе гальванометра сделать амперметр, параллельно гальванометру подключают сопротивление, называемое шунтом (рис. 5.1).

При параллельном соединении напряжение на приборе и шунте одинаково, т.е.

а общий ток равен сумме токов, протекающих через шунт и прибор

Из (5.2) найдём и подставим его в (5.1):

Так как требовалось расширить предел измерения гальванометра по току в n раз, то ; тогда и

Если цена деления гальванометра по току равна k 1 , цена деления амперметра стала равной k 1 n , а чувствительность прибора при этом уменьшилась в n раз.

Для использования гальванометра в качестве вольтметра к гальванометру последовательно подключают добавочное сопротивление (рис. 5.2).

Пусть U n − напряжение на гальванометре, при котором его стрелка отклоняется на всю шкалу, и требуется этим прибором измерить напряжение U в n раз большее U n , т.е. .

При последовательном подключении к гальванометру добавочного сопротивления сопротивление полученного вольтметра , а напряжение на нём

Разделив левую и правую части на , получим искомое сопротивление . ; ;

Длину проволочных шунтов и добавочных сопротивлений можно определить так:

где S − площадь поперечного сечения проводника;  − удельное сопротивление проводника.

Класс точности шунтов и добавочных сопротивлений должен соответствовать классу точности прибора, пределы измерения которого расширяются. Для изготовления их используют проводники с малым коэффициентом температурного сопротивления и малым коэффициентом термоЭДС (например, манганин).

5.2. Порядок выполнения работы

Задание 1. Расширение предела измерения по току.

  1. Получить у преподавателя задание: во сколько раз нужно расширить предел измерения гальванометра, т.е. значение числа n .
  2. Собрать цепь по схеме рис. 5.3, где R 0 − магазин сопротивлений Р33; R ш − магазин сопротивлений Р32.

  1. С помощью ручек сопротивления R 0 установить максимальное сопротивление.
  2. Замкнуть ключ К 1 . Изменяя значение R 0 , добиться отклонения стрелки гальванометра на всю шкалу.
  3. Разомкнуть ключ К 2 .
  4. Рассчитать сопротивление шунта (5.4).
  5. Набрать с помощью ручек R ш найденное значение сопротивления шунта.
  6. Замкнуть ключ К 2 и подрегулировать точное положение стрелки на максимальное деление шкалы.
  7. Замкнуть ключ К 1 . Если расчёт и установка шунта выполнены верно, то стрелка гальванометра должна установиться на число делений в n раз меньшем, чем при разомкнутом ключе К 1 , т.е. при отсутствии шунта.
  8. Рассчитать длину проволоки, которую можно использовать в качестве шунта для того, чтобы расширить предел измерения гальванометра по току в то же число раз (5.7).
Читайте также:  Измерение напряжения мостовая схема измерения

Задание 2. Расширение предела измерения гальванометра по напряжению.

1. Собрать цепь по схеме (рис. 5.4)

2. Рассчитать добавочное сопротивление по формуле (5.6), где все значения оставлены прежними, и выставить его с помощью ручек магазина сопротивлений.

3. Поставить ключ К 2 в положение 1.

4. Включить ключ К 1 и изменением сопротивления потенциометра добиться максимального отклонения стрелки гальванометра.

5. Перевести ключ К 2 в положение 2. Если значение дополнительного сопротивления рассчитано и установлено верно, то показание гальванометра будет в n раз меньше, чем первоначальное.

6. Рассчитать длину добавочного сопротивлении.

  1. Что называется ценой деления прибора? чувствительностью?
  2. Смысл и назначение множителей шунта и добавочного сопротивления?
  3. Как расширить предел измерения амперметра? вольтметра?
  4. Каково соотношение между внутренним сопротивлением амперметра и сопротивлением цепи, в которую он включается? Почему?
  5. Каково соотношение между внутренним сопротивлением вольтметра и сопротивлением участка, на котором измеряется напряжение? Почему?
  6. Как и почему изменяется чувствительность амперметра при использовании шунта?
  7. Как и почему изменяется чувствительность вольтметра при подключении добавочного сопротивления?
  8. Какие требования предъявляются к материалам, используемым для изготовления шунтов? добавочных сопротивлений?
  9. Почему приборы магнитоэлектрической системы имеют равномерную шкалу?

Источник

Опыт 2. Расширение пределов измерения магнитоэлектрического прибора по току

Для расширения пределов измерения магнитоэлектрических приборов по току применяют шунты (см. рис.2.1,б). Шунт представляет собой четырехзажимный резистор, который при помощи токовых зажимов Т включается в цепь измеряемого тока I, а к его потенциальным зажимам П подключается магнитоэлектрический ИМ. Наличие двух пар зажимов позволяет избавиться от влияния сопротивлений контактов, которое сильно сказывается в случае малого сопротивления шунта (сотые и тысячные доли Ома). Если задан коэффициент шунтирования K = I/Iим и сопротивление катушки Rим (см. рис.2.1,б), величину сопротивления шунта Rш можно рассчитать следующим образом:

откуда .

Шунты изготавливают из манганина, обладающего ничтожно малым температурным коэффициентом сопротивления (ТКС=0). При повышении температуры сопротивление катушки (медь) прибора существенно увеличивается, сопротивление шунта практически не меняется, в результате чего показания прибора уменьшаются и появляется дополнительная погрешность:

,

где βM = 0,004 град –1 – температурный коэффициент сопротивления (ТКС) – меди; ∆t – отклонение температуры от нормальной.

В соответствии с требованием ГОСТа дополнительная погрешность от изменения температуры на каждые 10°С в пределах рабочих температур, на которые рассчитан прибор, не должна превышать основную погрешность прибора. Если же дополнительная погрешность превышает величину основной, то класс прибора устанавливается не по основной, а по дополнительной погрешности.

Основная погрешность прибора с шунтом больше погрешности прибора без шунта и зависит от точности выполнения сопротивлений прибора и шунта. Учитывая малую погрешность (не более 0,2 %) указанных сопротивлений по сравнению с погрешностью измерительного механизма, которая составляет 2,5–4 %, можно приближенно считать, что основная погрешность прибора с шунтом равна погрешности прибора без шунта, т.е. измерительного механизма.

Порядок выполнения опыта

1 Рассчитать величину сопротивления шунта для измерения тока I, величина которого задается руководителем (в диапазоне от 200 до 1000 мкА).

2 Собрать схему, показанную на рис.2.3

В качестве шунта использовать магазин RM на котором установить величину Rш. Движок резистора R1 установить в положение, соответствующее максимальному сопротивлению. По образцовому прибору установить необходимый предел измерения постоянного тока.

3 Получив разрешение руководителя, включить образцовый прибор, а также питание макета. Изменяя R1, установить по образцовому прибору величину тока I, заданную руководителем. Стрелка магнитоэлектрического прибора должна дать номинальное отклонение по шкале.

4 Отключить питание макета и образцового прибора. Основные характеристики прибора с шунтом привести в табл.2.2.

Читайте также:  Датчики для измерения электрической мощности

Источник

Метрология_1 / расширение пределов измерения м агнитоэлектрических измеритель ных механизмов

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ (МИИТ)

Кафедра электротехники, метрологии и электроэнергетики

Г.Г. Рябцев, И.В. Семенов, И.А. Ермаков

РАСШИРЕНИЕ ПРЕДЕЛОВ ИЗМЕРЕНИЯ

Рекомендовано редакционно-издательским советом университета в качестве методических указаний к лабораторным работам по дисциплине «Методы и средства измерений, испытаний и контроля» для студентов специальностей «Метрология и метрологическое обеспечение» и «Управление качеством»

УДК 621.317 Р 98

Рябцев Г.Г., Семенов И.В., Ермаков И.А. Расширение пределов измерения магнитоэлектрических измерительных механизмов: Методические указания к лабораторным работам по дисциплине «Методы и средства измерений, испытаний и контроля». – М.: МИИТ, 2010 г. – 24 с.

Даны теоретические сведения о принципе действия и методах расчета измерительных цепей для расширения пределов измерения по току и напряжению магнитоэлектрических измерительных механизмов; изложен порядок выполнения лабораторных работ.

Московский государственный университет путей сообщения (МИИТ), 2010

Св. план 2010 г., поз. 34

Подписано к печати —

127994, Москва, ул. Образцова, д.9, стр. 9. Типография МИИТа

Изучение принципа действия и методов расчета измерительных цепей для расширения по току и напряжению пределов измерения магнитоэлектрических измерительных механизмов.

2. КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

2.1. Принцип действия магнитоэлектрического

Принцип действия магнитоэлектрического измерительного механизма основан на взаимодействии магнитного поля постоянного магнита 1 (рис. 1) с магнитным полем подвижной катушки 2, к которой через упругие пружинки 3 подводится измеряемый ток I И . В

результате взаимодействия магнитных полей создается вращающий момент М ВР , пропорциональный силе измеряемого тока I И :

где k − постоянный коэффициент, определяемый конструкцией измерительного механизма.

Под действием вращающего момента подвижная катушка 2 перемещается по направлению хода часовой стрелки.

Упругие пружинки 3, закрепленные на оси подвижной катушки 2, создают противодействующий момент М ПР , направленный встречно вращающему моменту М ВР и пропорциональный жесткости G

упругих пружинок и углу α поворота подвижной катушки:

При равенстве моментов М ВР и М ПР подвижная катушка останавливается. Угол α поворота подвижной катушки, соответствующий этому состоянию, определяется из условия

Угол α поворота подвижной катушки, пропорциональный силе

измеряемого тока I И , фиксируется указательной

закрепленной на подвижной катушке 2 и перемещающейся по шкале 5

измерительного механизма, отградуированной в единицах

измеряемого тока I И .

Достоинством магнитоэлектрического измерительного механизма является высокая точность преобразования измеряемого тока I И в механическое перемещение стрелки отсчетного устройства,

а недостатком – малые значения допустимого тока в обмотке подвижной катушки. В целях использования магнитоэлектрических измерительных механизмов в приборах для измерения больших

значений силы тока и напряжения разработаны соответствующие методы расширения их пределов измерения.

Расширение предела измерения измерительного механизма – это технический прием, заключающийся в снижении силы воздействия измеряемой величины на измерительный механизм с помощью подключаемых к нему дополнительных элементов электрической цепи и последующей переградуировке шкалы измерительного механизма в более высоких единицах измерения, соответствующих силе измеряемой величины.

Расширение предела измерения измерительного механизма применяют в случае, если его верхний предел измерения меньше уровня величины, которую необходимо этим механизмом измерить.

2.2. Расширение предела измерения измерительного механизма

2.2.1. Принцип действия измерительной цепи

Расширение предела измерения магнитоэлектрического измерительного механизма по току осуществляют с помощью шунта.

Шунт – это четырехзажимный низкоомный резистор с калиброванным сопротивлением. Шунт R Ш (рис. 2) подключают параллельно измерительному механизму И , предел измерения которого необходимо расширить. В этой цепи измеряемой величиной является ток I X нагрузочного резистора R Н (ток нагрузки),

максимальное значение I X .max которого больше верхнего предела измерения I И .max измерительного механизма И . На участке цепи с измерительным механизмом и шунтом, ток I X разделяется на ток измерительного механизма I И и ток шунта I Ш обратно пропорционально их сопротивлениям R И и R Ш . То есть шунт забирает

на себя часть тока нагрузки I X , ослабляя

Таким образом, если максимальное

значение I X .max тока

нагрузки больше верхнего предела измерения

механизма, то подбором соответствующего сопротивления R Ш шунта можно уменьшить силу тока в измерительном механизме до значения его верхнего предела измерения I И .max , и затем отградуировать его шкалу в единицах, соответствующих силе тока I X в нагрузке R Н .

Читайте также:  Solidworks как измерить площадь

Расчет такого сопротивления шунта ведется на основании первого и второго законов Кирхгофа для электрической цепи (см. рис. 2):

I X .max = I И .max + I Ш

I И .max × R И = I Ш × R Ш .

Решая систему уравнений (1), находим

Пропорциональность между значениями тока нагрузки I X и

тока I И измерительного механизма, определяемая коэффициентом шунтирования k Ш , сохраняется во всем диапазоне их изменения (от 0

до I и от 0 до I И .max ). Следовательно, шкалу измерительного

механизма можно переградуировать в единицах, соответствующих силе тока нагрузки I X , т.е. цену деления шкалы по току и верхний предел измерения измерительного механизма с шунтом принять в k Ш

раз больше его исходных значений C I и

C I . Ш = C I × k Ш

I ИШ .max = I И .max × k Ш = I X .max

2.2.2. Метрологические характеристики шунта

Основными метрологическими характеристиками

∙ номинальное значение тока;

∙ номинальное значение падения напряжения;

∙ основная относительная погрешность (класс точности) сопротивления шунта.

Стандартные шунты выпускают на номинальные токи от 300 мА до 7500 А и номинальные напряжения от 30 до 300 мВ. Отсюда видно, что номинальные значения сопротивления шунтов составляют сотыедесятые доли Ома.

Основные относительные погрешности сопротивления стандартных шунтов нормированы значениями от 0,02 до 0,5%.

2.2.3. Конструкция шунтов

Шунты на небольшие токи (до 30 А) могут быть встроены в корпус прибора. Такие шунты называют встроенными. Наружные шунты используют при измерении как малых, так и больших значений силы тока.

Конструкция наружного шунта показана на рис. 3. Шунт выполняют в виде токопроводящих пластин А, к которым припаяны медные наконечники В с четырьмя зажимами (1-4).

Токопроводящие пластины А являются элементами шунта, воспроизводящими его сопротивление R Ш . Они выполняются из специального материала – манганина (сплав меди, никеля и марганца). Достоинствами манганина являются малый температурный коэффициент удельного сопротивления (порядка 10 -5 ºС -1 ) и высокое удельное сопротивление (порядка 10 -6 Ом × м ). У меди, например, эти параметры имеют следующие значения: 400 × 10 −5 O С −1 и 0,017 × 10 −6 Ом × м .

За счет малого температурного коэффициента удельного сопротивления манганина сопротивление шунта практически не зависит от температуры его нагрева. Высокое удельное сопротивление манганина позволяет изготавливать токопроводящие пластины шунта малых размеров.

Медные наконечники В с четырьмя зажимами 1-4 являются соединительными элементами шунта. Зажимы 1 и 4 выполняют под болт, и через них шунт включают в цепь измеряемого тока нагрузки I Н . Их называют «токовыми». Зажимы 2 и 3 выполнены при помощи винтов, через них падение напряжения (потенциал напряжения) на

сопротивлении R Ш шунта подается на измерительный механизм И .

Их называют «потенциальными».

Четырехзажимная конструкция шунта снижает влияние переходных электрических сопротивлений в зажимах на распределение токов между шунтом и измерительным механизмом. Значения переходного электрического сопротивления зажимов зависят от момента затяжки их резьбовых соединений и составляют сотые-десятые доли Ом, т.е. они соизмеримы с основным сопротивлением R Ш шунта и несоизмеримо меньше сопротивления

R И измерительного механизма магнитоэлектрической системы,

которое составляет десятки Ом. При четырехзажимной конструкции (см. рис. 3) шунта переходные сопротивления токовых зажимов 1 и 4 остаются за пределами основного сопротивления R Ш шунта, и не влияют на распределение токов I И и I Ш . Переходные сопротивления потенциальных зажимов 2 и 3 оказываются включенными последовательно с измерительным механизмом И , но так как они несоизмеримо меньше сопротивления R И , то их влияние будет практически незаметным.

2.2.4. Погрешности измерительного механизма с шунтом

Погрешность результата измерения силы тока нагрузки I Н в

рассматриваемой цепи (см. рис. 2) определена суммарной погрешностью измерительного механизма и шунта. Суммирование абсолютных значений этих погрешностей не представляется возможным, так как они имеют различные единицы измерения (для измерительного механизма – единицы силы тока; шунта – в единицы сопротивления). В силу этого, оценку суммарной погрешности

измерительного механизма и шунта начинают выполнять в относительных единицах (безразмерных или в %), а затем определяют абсолютное значение погрешности результата измерения силы тока в цепи.

Относительные значения δ И и δ Ш погрешностей, вносимых измерительным механизмом и шунтом, определяются их классами

Источник