Тема: Определение измерительных шунтов и добавочных сопротивлений для расширения диапазона измерений
Цель: Формирование у студента компетенции ПК-17
Теоретическая часть
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, то есть уменьшить чувствительность прибора, а в других случаях наоборот, – повысить чувствительность, то есть изменить предел измерения в сторону уменьшения верхнего предела измерения. Возможны два варианта решения этой задачи.
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 измеряемой величины, то есть для уменьшения чувствительности,
– делители напряжения и добавочные сопротивления – для расширения пределов измерения напряжения в сторону увеличения максимального значения измеряемой величины, то есть для уменьшения чувствительности,
– усилители тока и напряжения – для расширения пределов измерения тока или напряжения в сторону уменьшения максимального значения измеряемой величины, то есть для увеличения чувствительности,
– 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, то есть для уменьшения чувствительности.
С помощью токового шунта на основе калиброванного высокоточного резистора 
решается вопрос расширения пределов измерения амперметра рА (рисунок 6.1 а). Выпускаемые промышленностью шунты имеют такое сопротивление , чтобы падение напряжения на нем от номинального тока шунта 
равнялось 75 mV, т. е. было равно 
= 75 mV.
а) б)
Рисунок 6.1
Общая функция преобразования измерительного прибора – амперметра с шунтом определяется выражением:
. (6.1)
Желательно, чтобы 
>> 
.
С помощью добавочных сопротивлений решается вопрос расширения пределов измерения вольтметра рV и повышения входного сопротивления измерительного прибора относительно зажимов а и b (рисунок 6.1 б). Для этих целей используется высокоточный добавочный резистор 
.
Функция преобразования измерительного прибора – вольтметра определяется выражением
, 
, (6.2)
где 
– показание прибора pV. Входное сопротивление относительно зажимов a и b равно 
. Прибор pV может быть проградуирован в значениях напряжения 
. Использование нескольких последовательно включенных добавочных сопротивлений позволяет выполнить многопредельный вольтметр.
Измерительные трансформаторы тока применяются для расширения пределов измерения характеристик переменного тока. Измерительные трансформаторы тока имеют существенное преимущество перед шунтами, которое заключается в том, что при их применении отсутствует гальваническая связь между первичной обмоткой, включенной в мощную электрическую цепь объекта, и вторичной обмоткой. Разрыв этой гальванической связи способствует обеспечению безопасности персонала, снижению действия помех и облегчает выполнение необходимых соединений во вторичной цепи. Кроме того, в ограниченном частотном диапазоне коэффициент преобразования (масштабирования) определяется только отношением числа витков обмоток трансформатора и мало зависит от внешних влияющих факторов. Схема включения измерительного трансформатора тока в линию с измеряемым током и присоединения амперметра ко вторичной обмотке представлена на рисунке 6.2.
Рисунок 6.2
Опасным режимом для трансформатора тока является режим холостого хода, при котором на вторичной обмотке развивается высокое напряжение, и возможен пробой изоляции. Напротив, благоприятным режимом для трансформатора тока является режим короткого замыкания вторичной обмотки. В связи с этим чрезвычайно важно выполнять следующие правила включения трансформатора тока с амперметром в линию. Перед включением первичной обмотки в линию вторичная обмотка обязательно должна быть замкнутой на амперметр или ключом К.
Измерительные трансформаторы напряжения применяются для расширения пределов измерения характеристик переменного напряжения. Применение измерительных трансформаторов напряжения дает те же преимущества перед применением добавочных сопротивлений, что и применение трансформаторов тока. В ограниченном частотном диапазоне коэффициент преобразования (масштабирования) определяется только отношением числа витков обмоток трансформатора и практически не зависит от действия внешних влияющих факторов. С увеличением частоты сверх этого диапазона начинают расти погрешности передачи амплитуды и фазы измеряемого напряжения. Схемы соединений трансформатора напряжения с участком электрической цепи и с вольтметром во вторичной обмотке особенностей не имеют.
Задачи
1. Предложить формулу расчета сопротивления шунта 
(рисунок 6.2) для расширения пределов измерения магнитоэлектрического микроамперметра с током полного отклонения 
и внутренним сопротивлением 
до значения тока 
.
3. Рассчитать значения сопротивлений 
и 
шунтов: (рисунок 6.2) для расширения пределов измерения магнитоэлектрического миллиамперметра с током полного отклонения = 5 мА: внутренним сопротивлением = 15 Ом до значений 
= 100 мА, 
= 5 А.
Рисунок 6.2
4. Предложить формулы расчетов сопротивлений резисторов 
и 
(рисунок 6.3) двухпредельного шунта для расширения пределов измерения магнитоэлектрического микроамперметра с током полного отклонения и внутренним сопротивлением . Новые пределы измерения токов и ( < ).
5. Определить предел измерения тока в схеме двухпредельного миллиамперметра (рисунок 6.3) с током полного отклонения рамки измерительного механизма = 50 мкА, внутренним сопротивлением = 1.0 кОм. Значения сопротивлений резисторов ступенчатого шунта = 0.9 Ом, = 0.l Ом.
 Рисунок 6.3 |  Рисунок 6.4 |
6. Рассчитать значения сопротивлений , , 
резисторов многопредельного шунта к щитовому микроамперметру типа М24 (рисунок 6.4) на пределы измерения тока = 100 мкА, = 10 мА 
= 10 А, если ток полного отклонения микроамперметра = 50 мкА, а его внутреннее сопротивление = 3000 Ом.
7. Можно ли измерить ток в 1500 мА магнитоэлектрическим милливольтметром с пределом измерения 
= 75мВ и внутренним сопротивлением 
= 5Ом (шкала имеет 150 делений)? Чему равна цена деления 
по току?
8. Определить значение сопротивления добавочного резистора 
,включенного последовательно в цепь магнитоэлектрического вольтметра с пределом измерения 30 В, внутренним сопротивлением = 1000 Ом и шкалой на 150 делений для расширения предела измерения напряжения до 300 В. Чему равна цена деления?
9. Определить значение входного сопротивления прибора при измерении напряжения постоянного тока на пределах: 75 мВ; 3; 30; 60; 300; 600 В, если комбинированный аналоговый прибор Ц4314 имеет магнитоэлектрический механизм, ток полного отклонения рамки измерительного механизма 
= 12 мкА; = 6250 Ом.
Вопросы к практическому занятию
1. Для чего при измерениях используются шунты?
2. Для чего при измерениях используются добавочные сопротивления?
3. Приведите формулу преобразования амперметра с шунтом?
4. Приведите формулу преобразования вольтметра с добавочным сопротивлением?
5. Для чего используется несколько добавочных сопротивлений?
6. Как определяется входное сопротивление амперметра?
7. Как определяется входное сопротивление вольтметра?
Практическое занятие 7