Типові приклади з розрахунку шунтів і додаткових резисторів

Розділ 5. Засоби розширення меж вимірювання. Шунти і додаткові опори

Розширення меж вимірювання приладів - це важлива техніко-економічне завдання, метою якої є зменшення обсягу приладового парку підприємства без шкоди для метрологічного забезпечення випробувань виробів та управління технологічними процесами. При наявності коштів розширення меж вимірювання виявляється можливим застосовувати один і той же зазвичай дорогий прилад для вимірювання величин різного розміру. У конкретних ситуаціях може знадобитися змінити межа вимірювання в бік збільшення верхньої межі вимірювань, т. Е. Зменшити чутливість приладу, а в інших випадках навпаки - підвищити чутливість, т. Е. Змінити межа вимірювання в сторону зменшення верхньої межі вимірювання. Можливі два варіанти вирішення цього завдання.

У першому варіанті кошти розширення меж вимірювання вбудовуються в вимірювальний прилад, який забезпечується ручним перемикачем меж. Такий прилад є багатограничні, і метрологічні характеристики цього приладу на різних межах можуть відрізнятися. Тоді вони нормуються для кожного межі вимірювання окремо. Про це споживачеві повідомляється написами на шкалі або в супровідній документації.

У другому варіанті використовуються зовнішні засоби розширення меж вимірювань. Цей варіант використовується там, де вимірювання на одному обраному межі виконуються протягом тривалого часу, наприклад в системах управління технологічним процесом.

Таке зовнішнє засіб розширення меж вимірювання є не що інше, як масштабуючий лінійний вимірювальний перетворювач. який змінює не вид вимірюваної величини, а лише її масштаб. Ці перетворювачі випускаються промисловістю як автономні засоби вимірювань. Кожна група таких перетворювачів має уніфіковані властивості, приєднувальні розміри і метрологічні характеристики. Тому при їх з'єднанні з однопредельним вимірювальним приладом фактично виходить новий прилад, метрологічні характеристики якого повинні бути розраховані по метрологічних характеристик з'єднаних компонентів.

В якості зовнішніх засобів розширення меж вимірювання використовуються:

- шунти - для розширення меж вимірювання сили струму в бік збільшення максимального значення;

- подільники напруги і додаткові опори - для розширення меж вимірювання напруги в бік збільшення максимального значення;

- підсилювачі струму і напруги - для розширення меж вимірювання струму або напруги в бік зменшення максимального значення вимірюваної величини;

- вимірювальні трансформатори струму і напруги - можуть застосовуватися для розширення меж вимірювання струму або напруги в обидві сторони, але найчастіше застосовуються для розширення меж вимірювання в бік збільшення максимального значення вимірюваної величини.

Схема з'єднання однопредельного амперметра з шунтом показана на рис. 5.1.

Шунт має чотири затиску. Пара затискачів Л1. Л2 називаються струмовими зажимами. до них підключається лінія з вимірюваним струмом. Два інших затиску П1. П2 - потенційні. до них підключається амперметр, власне опір якого показано на рис. 5.1 і позначено через.

Потенційні затискачі жорстко з'єднані між певними точками шунта шляхом зварювання або іншими методами, що забезпечують високу стабільність розташування цих точок і нехтує мала і стабільне перехідний опір від цих точок до потенційних затискачів. Безпосереднє приєднання амперметра до струмовим затискачів неприпустимо, оскільки в цьому випадку нестабільність опору контактів в струмових затисках через різних зусиль при гвинтовому з'єднанні, попадання бруду і пилу при великій силі струму буде викликати відповідну нестабільність падіння напруги на цих контактах і похибка вимірювання, не може бути гарантована виробниками амперметра і шунта і не може бути визначена при вимірюванні.

Опір шунта між точками приєднання потенційних затискачів позначено через (рис. 5.1, а).

Нехай - струм повного відхилення стрілки, відповідний верхній межі діапазону вимірювання амперметра А; - падіння напруги на опорі амперметра при цьому струмі (); - верхня межа діапазону вимірювання сили струму, який бажано забезпечити за допомогою шунта.

Очевидно, що при цій силі струму повинно виконуватися рівність. Якщо шунт розглядати як дільник струму з коефіцієнтом ділення. то його опір

У двухпредельном амперметр (рис. 5.1, б), якщо прийняти. опору шунта для меж і відповідно рівні:

де - коефіцієнти шунтування.

Спільно вирішуючи (5.1), можна визначити опору шунтів:

Аналогічно можна розрахувати опору для багатограничні ступеневої шунта.

Для розширення меж вимірювання напруги можуть використовуватися подільники напруги і додаткові опори. Однак через те, що дільник напруги повинен споживати від об'єкта струм, що перевищує струм власного споживання вольтметра, на практиці для розширення меж вимірювання вольтметрів застосовують додаткові опори (рис. 5.2).

Додатковий опір з'єднується послідовно з вольтметром. Для зміни меж вимірювання напруги з до величина при заданому значенні струму повного відхилення стрілки вольтметра визначається з виразів

де - коефіцієнт розширення меж вимірювання вольтметра (множник шкали).

Для забезпечення сумісності додаткового опору і вольтметра, до якого воно підключається, в документації на вольтметр і, як правило, на його шкалі вказується струм повного відхилення стрілки. Відповідне додатковий опір підбирається за такими ознаками:

- за коефіцієнтом розширення меж вимірювання;

- по максимально допустимому току через. який не повинен бути більше, ніж. щоб додатковий спротив не перегрівалося цим струмом;

- за характеристиками інструментальної похибки створеного таким чином нового вольтметра, яка буде складатися з власної похибки вольтметра і похибки додаткового опору, в т. ч. виникає в результаті перегріву протікає по ньому струмом.

У многопредельних вольтметрах (рис. 5.2, б) використовують ступеневу включення резисторів і для відповідних меж вимірювання тиску при заданому струмі повного відхилення рамки опору додаткових резисторів розраховують за формулами

де - коефіцієнти розширення меж.

Додаткові резистори можуть бути внутрішніми (до 600 В) і зовнішніми (до 1500 В). Зовнішні додаткові резистори, в свою чергу, можуть бути індивідуальними і взаємозамінними на номінальні струми 0,5; 1; 3; 7,5; 15 і 30 мА.

Типові приклади з розрахунку шунтів і додаткових резисторів

Приклад 5.1. Визначити межі вимірювання струмів I1 і I2 в схемі двухпредельного миллиамперметра (рис. 5.1, б) з струмом повного відхилення рамки вимірювального механізму IA = 50 мкА, внутрішнім опором RA = 1,0 кОм. Значення опорів резисторів ступеневої шунта R1 = 0,9 Ом; R2 = 0,1 Ом.

Рішення. Струм IA. протікає через міліамперметр, пов'язаний з вимірюваним струмом I залежністю

Приклад 5.2. Для розширення меж вимірювання амперметра в 50 разів з внутрішнім опором RA = 0,5 Ом необхідно підключити шунт. Визначити опір шунта, струм повного відхилення приладу і максимальне значення струму на розширеному межі, якщо падіння напруги на шунт Uн = 75 мВ.

Рішення .Сопротівленіе шунта Ом.

Струм повного відхилення приладу

Максимальне значення струму на розширеному межі

Приклад 5.3. Амперметр з межею вимірювання 100 А має зовнішній шунт опором Rш = 0,001 Ом. Визначити опір вимірювальної котушки приладу, якщо струм повного відхилення IA = 25 мА. Визначити найбільшу споживану амперметром потужність.

Рішення .Сопротівленіе вимірювальної котушки приладу

Споживана амперметром потужність

де R - еквівалентний опір паралельно з'єднаних RA і Rш. розраховується за формулою

Тоді споживана потужність РА =

Приклад 5.4. Визначити значення опорів додаткових резисторів R1. ..., R4 в ланцюзі багатограничні магнітоелектричного вольтметра (див. Рис. 5.2, б), який призначений для вимірювання напруги в чотирьох діапазонах з верхніми межами U1 = 30 B, U2 = 50 B, U3 = 100 B і U4 = 200 B, якщо ток повного відхилення рамки вимірювального механізму вольтметра дорівнює 10 мА, а опір рамки 400 Ом.

Рішення. Величина додаткового резистора розраховується за формулою

Приклад 5.5. Межа вимірювання вольтметра становить 7,5 В при внутрішньому опорі RV = 200 Ом. Визначити додатковий опір, яке необхідно включити для розширення меж вимірювання до 600 В.