Расширение пределов измерения амперметра и вольтметра

(расчет шунтов и добавочных резисторов)

В практике электрических измерений встречается необходимость измерять токи, напряжения и другие величины в очень широком диапазоне их значений. Для измерения малых токов и напряжений используется гальванометр. Рассмотрим, каким образом можно расширить его возможности (пределы измерения) для измерения токов и напряжений.

Допустим, гальванометр может измерять максимальную силу тока I_г, а нам необходимо измерить силу тока I. Тогда ток I – I_г необходимо пропустить не через гальванометр (микроамперметр), а рядом, по параллельной цепи (рис. 2.13 а). Такую электрическую цепь, включаемую параллельно гальванометру и служащую для расширения пределов измерения амперметра, называют шунтом. В этом случае возникает необходимость рассчитать сопротивление шунта и проградуировать шкалу гальванометра в новых значениях силы тока.

Пусть I – сила тока, которую необходимо измерить, I_г – максимальная сила тока, которую может измерить гальванометр. Тогда I_ш = I – I_г – сила тока, которая должна протекать через шунт. Обозначим R_г – сопротивление гальванометра, R_ш – сопротивление шунта. По законам параллельного соединения проводников U_ш=U_г или I_ш×R_ш=I_г×R_г. Отсюда, с учетом силы тока через шунт, получим: R_ш=(I_г×R_г)/ I_ш=(I_г×R_г)/(I – I_г) = R_г/(n-1). (2.18)

Здесь n = I/I_г – коэффициент шунтирования. Рассчитав по формуле (2.18) сопротивление шунта, подбираем шунт. Для изготовления шунтов на небольшие токи используют провод из манганина, а на большие – манганиновые пластины (манганин обладает малым температурным коэффициентом сопротивления и поэтому сопротивление шунта почти не изменяется при нагревании протекающим током). Схема подключения многопредельных шунтов на небольшие токи показана на рисунке 2.13 б.

Шунты на токи до 30 А обычно встраивают внутрь прибора. Для измерения больших токов (до 6000 А) используют приборы с наружными шунтами. Наружные шунты имеют массивные наконечники из красной меди, к которым подключаются токовые и потенциальные зажимы. Шунт представляет собой четырехзажимный резистор. Два зажима шунта, к которым подводится ток, называются токовыми, а два зажима, с которых снимается напряжение, называются потенциальными. К потенциальным зажимам шунта подключается измерительный механизм. Схема подключения четырехзажимного шунта показана на рисунке 2.14.

Наружные шунты делают взаимозаменяемыми. Шунты в соответствии с ГОСТ могут иметь номинальное падение напряжения на потенциальных зажимах 10, 15, 30, 50, 60, 75, 300 мВ.

Для расширения пределов измерения гальванометра при использовании его в качестве вольтметра последовательно с гальванометром включают добавочный резистор (рис. 2.15 а). Рассчитаем сопротивление добавочного резистора.

Пусть U – напряжение, которое надо измерить вольтметром, U_г – максимальное напряжение, которое может измерить гальванометр. Тогда U_д=U–U_г - напряжение, которое должно падать на добавочном резисторе. Обозначим R_г – сопротивление гальванометра, R_д – сопротивление добавочного резистора. По законам последовательного соединения проводниковI_г=I_д или U_г/R_г=U_д/R_д.

Отсюда с учетом напряжения на добавочном резисторе получим:

R_д = R_г (U-U_г)/U_г = R_г (n – 1), (2.19)

где n = U/U_г.

Рассчитав сопротивление добавочного резистора, выбирают соответствующий постоянный резистор с учетом его мощности рассеяния. Далее градуируют шкалу гальванометра в новых значениях напряжения. Добавочные резисторы бывают встраиваемые в корпус прибора и наружные. На рисунках 2.15б и 2.15в показаны различные способы подключения встроенных добавочных резисторов. Добавочные резисторы для работы на переменном токе должны иметь бифилярную намотку (проволочный резистор, имеющий бифилярную намотку, не обладает индуктивным сопротивлением).

Шунты и добавочные резисторы в основном применяют с магнитоэлектрическими измерительными механизмами.

«СОГЛАСОВАНО»