Лекция по теме «Масштабные измерительные преобразователи»

Масштабным называется измерительный преобразователь, входная и выходная величины которого однородны и который изменяет значение электрической ве­личины в заданное число раз.

К масштабным измерительным преобразователям относятся шунты, добавоч­ные сопротивления, делители напряжения, измерительные усилители, измери­тельные трансформаторы тока и напряжения. Применение этих преобразователей позволяет изготавливать приборы для разных пределов измерений, расширять пределы измерений уже существующих приборов.

Токовые шунты

Токовые шунты применяются для расширения пределов измерений амперметров путем уменьшения в определенное число раз силы электрического   тока,          проходящего через амперметр. Это бывает необходимо,          когда          значение          измеряемого тока превосходит диапазон измерений измерительного прибора (амперметра).

Шунт представляет собой резистор, включаемый параллельно входу измерительного прибора (рис. 2). В этом случае измеряемый ток 1₁ распределится между шунтом и измерительным прибором обратно пропорционально значениям их сопротивлений:

1_Ш / 1₂  = R_ИП / R_Ш,

Где  R_Ш —  значение сопротивления шунта,

R_ИП — значение входного сопротивления измерительного прибора (ИП).  Так как

I₁ = I_Ш + I₂, то

где п = I₁ / I₂ — коэффициент шунтирования, на который нужно умножить показание прибора, чтобы получить значение измеряемого тока 1₁.

Рис. 2 Схема включения шунта для расширения пределов измерения амперметра

Амперметры могут быть многопредельными.

• в амперметрах, предназначенных для измерения небольших значений токов (до 30 мА), шунты помещают, как правило, в корпус прибора;

— в приборах для измерения больших значений применяют на­ружные шунты как самостоятельные средства измерений, которые имеют две па­ры зажимов: токовые и потенциальные. Токовые зажимы служат для включения шунта в измерительную цепь, к потенциальным зажимам, сопротивление между которыми равно R_Ш, подключают измерительный прибор.

Классы точности вы­пускаемых шунтов лежат в пределах от 0,02 до 0,5. Они позволяют расширить пределы измерения токов до 15 000А и более.

Токовые шунты, выпускаемые как отдельное средство измерений, имеют нор­мированное номинальное значение падения напряжения между потенциальны­ми зажимами,  соответствующее номинальному значению тока.

В эксплуатации имеются шунты постоянного тока с номинальными значениями напряжения 60, 75, 150 мВ. По этой причине к токовому шунту можно непосредственно подклю­чать не амперметр, а милливольтметр.

Шунты применяют в основном в цепях постоянного тока. В цепях перемен­ного тока возникает дополнительная составляющая погрешности, обусловлен­ная реактивной составляющей сопротивления шунта, и с увеличением частоты значения сопротивления шунта и амперметра изменяются неодинаково.

Для измерения импульсных токов до 100 к А изготавливаются так называе­мые безреактивные шунты.

Добавочные сопротивления

Добавочные сопротивления служат для увеличения пределов измерения

вольтметров, рис. 3.

Рис. 3. Схема соединения измерительного механизма с добавочным сопротивлением

Вольтметры, изготовленные на основе измерителей тока (например, магнито­электрической или электромагнитной системы), имеют встроенное добавочное сопротивление, включенное последовательно с измерительным механизмом.

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

,   где U – измеряемое напряжение.

Если вольтметр имеет верхний предел измерений U_ном, сопротивлением R_и , то  при помощи добавочного сопротивления R_д надо расширить предел измерения в n раз, то, учитывая постоянство тока, протекающего через вольтметр, можно записать:

откуда.

Переносные вольтметры, как правило, делают многопредельными. Это озна­чает, что в их конструкции предусмотрены добавочные сопротивления для каждого предела измерений. Добавочные сопротивления встраивают в корпус вольтметра с верхним пределом измерений до 300-1000 В. Для измерений более высоких напряжений (до 100 кВ и выше) добавочные сопротивления изготавли­ваются в виде отдельного средства измерений.

Добавочное сопротивление для вольтметров переменного тока должно иметь как можно меньшее значение реактивной составляющей, чтобы его полное со­противление меньше зависело от частоты. Это достигается путем бифилярной намотки сопротивлений или намотки на плоских пластинках.

Для намотки сопротивлений используют сплавы с высоким удельным сопро­тивлением и малым значением температурного коэффициента: манганин, ни­хром, константан и т. д. Для приборов невысокой точности применяют также се­рийные радиотехнические неметаллические сопротивления.

Классы точности добавочных сопротивлений, изготовленных как отдельное средство измерений, лежат в пределах от 0,02 до 1,0. Номинальный ток, соответ­ствующий номинальному напряжению, составляет 0,1 – 30 мА. Добавочные сопро­тивления, изготовленные как отдельное средство измерений, как правило, при­меняют на постоянном токе и включают последовательно с милли- или микро- амперметром.

Для добавочных сопротивлений и токовых шунтов класс точности обозначает предел допускаемой относительной погрешности, выраженной в процентах.

Делители напряжения

Для уменьшения напряжения в определенное число раз применяются делители напряжения, представляющие собой в общем случае последовательное соедине­ние двух сопротивлений, подключаемых к двум точкам электрической цепи, напряжение между кото­рыми необходимо измерить (рис. 4).

Рис. 4. Определение напряжения с помощью делителя 

Для каждого резистора имеем:

Разделив выражение для  на выражение для  в итоге получаем:

Откуда:

Коэффициент деления определяется из выражения

К выходу делителя (к нижнему плечу) подключают вольтметр, по показаниям которого U₂  определяют искомое значе­ние измеряемого напряжения:

U = К_Д  .U₂

В зависимости от рода измеряемого напряжения делители могут быть выпол­нены на чисто активных, емкостных, индуктивных элементах или смешанного типа, изготовленные на комбинации активных, емкостных и индуктивных эле­ментов. Делители напряжения либо встраиваются в средства измерений, либо изготавливаются как отдельное средство измерений.