Меню

Расширение пределов измерения приборов по току по напряжению

Раздел 5. Средства расширения пределов измерения. Шунты и добавочные сопротивления

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, т. е. уменьшить чувствительность прибора, а в других случаях наоборот – повысить чувствительность, т. е. 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;

— делители напряжения и добавочные сопротивления – для расширения пределов измерения напряжения в сторону увеличения максимального значения;

— усилители тока и напряжения – для расширения пределов измерения тока или напряжения в сторону уменьшения максимального значения измеряемой величины;

— 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.

5.1. Шунты

Схема соединения однопредельного амперметра с шунтом показана на рис. 5.1.

Шунт имеет четыре зажима. Пара зажимов Л1, Л2 называются токовыми зажимами, к ним подключается линия с измеряемым током. Два других зажима П1, П2потенциальные, к ним подключается амперметр, собственное сопротивление которого показано на рис. 5.1 и обозначено через .

Потенциальные зажимы жестко соединены между определенными точками шунта путем сварки или другими методами, обеспечивающими высокую стабильность расположения этих точек и пренебрежимо малое и стабильное переходное сопротивление от этих точек к потенциальным зажимам. Непосредственное присоединение амперметра к токовым зажимам недопустимо, поскольку в этом случае нестабильность сопротивления контактов в токовых зажимах из-за различных усилий при винтовом соединении, попадания грязи и пыли при большой силе тока будет вызывать соответствующую нестабильность падения напряжения на этих контактах и погрешность измерения, которая не может быть гарантирована изготовителями амперметра и шунта и не может быть определена при измерении.

Сопротивление шунта между точками присоединения потенциальных зажимов обозначено через (рис. 5.1, а).

Пусть – ток полного отклонения стрелки, соответствующий верхнему пределу диапазона измерения амперметра А; – падение напряжения на сопротивлении амперметра при этом токе ( ); – верхний предел диапазона измерения силы тока, который желательно обеспечить с помощью шунта.

Очевидно, что при этой силе тока должно выполняться равенство . Если шунт рассматривать как делитель тока с коэффициентом деления , то его сопротивление

В двухпредельном амперметре (рис. 5.1, б), если принять , сопротивления шунта для пределов и соответственно равны:

где – коэффициенты шунтирования.

Совместно решая (5.1), можно определить сопротивления шунтов:

Аналогично можно рассчитать сопротивления для многопредельного ступенчатого шунта.

5.2. Добавочные сопротивления

Для расширения пределов измерения напряжения могут использоваться делители напряжения и добавочные сопротивления. Однако из-за того, что делитель напряжения должен потреблять от объекта ток, превышающий ток собственного потребления вольтметра, на практике для расширения пределов измерения вольтметров применяют добавочные сопротивления (рис. 5.2).

Добавочное сопротивление соединяется последовательно с вольтметром. Для изменения предела измерения напряжения с до величина при заданном значении тока полного отклонения стрелки вольтметра определяется из выражений

Читайте также:  Основной источник электрической энергии синусоидального тока

где – коэффициент расширения предела измерения вольтметра (множитель шкалы).

Для обеспечения совместимости добавочного сопротивления и вольтметра, к которому оно подключается, в документации на вольтметр и, как правило, на его шкале указывается ток полного отклонения стрелки. Подходящее добавочное сопротивление подбирается по следующим признакам:

— по коэффициенту расширения предела измерения;

— по максимально допустимому току через , который не должен быть больше, чем , чтобы добавочное сопротивление не перегревалось этим током;

— по характеристикам инструментальной погрешности созданного таким образом нового вольтметра, которая будет складываться из собственной погрешности вольтметра и погрешности добавочного сопротивления, в т. ч. возникающей в результате перегрева протекающим по нему током.

В многопредельных вольтметрах (рис. 5.2, б) используют ступенчатое включение резисторов и для соответствующих пределов измерения напряжений при заданном токе полного отклонения рамки сопротивления добавочных резисторов рассчитывают по формулам

где – коэффициенты расширения пределов.

Добавочные резисторы могут быть внутренними (до 600 В) и наружными (до 1500 В). Наружные добавочные резисторы, в свою очередь, могут быть индивидуальными и взаимозаменяемыми на номинальные токи 0,5; 1; 3; 7,5; 15 и 30 мА.

5.3. Типовые примеры по расчету шунтов и добавочных резисторов

Пример 5.1.Определить пределы измерения токов I1 и I2 в схеме двухпредельного миллиамперметра (рис. 5.1, б) с током полного отклонения рамки измерительного механизма IA = 50 мкА, внутренним сопротивлением RA = 1,0 кОм. Значения сопротивлений резисторов ступенчатого шунта R1 = 0,9 Ом; R2 = 0,1 Ом.

Решение. Ток IA, протекающий через миллиамперметр, связан с измеряемым током I зависимостью

Отсюда .

На пределе измерения тока I1 Rш1 = R1 + R2, а на пределе измерения тока I2 резистор R1 включен последовательно с RA, а шунтом служит R2. Отсюда

Пример 5.2.Для расширения предела измерения амперметра в 50 раз с внутренним сопротивлением RA = 0,5 Ом необходимо подключить шунт. Определить сопротивление шунта, ток полного отклонения прибора и максимальное значение тока на расширенном пределе, если падение напряжения на шунте Uн= 75 мВ.

Решение.Сопротивление шунта Ом.

Ток полного отклонения прибора

Максимальное значение тока на расширенном пределе

Пример 5.3.Амперметр с пределом измерения 100 А имеет наружный шунт сопротивлением Rш = 0,001 Ом. Определить сопротивление измерительной катушки прибора, если ток полного отклонения IA = 25 мA. Определить наибольшую потребляемую амперметром мощность.

Решение.Сопротивление измерительной катушки прибора

RA = Rш(n – 1) = 0,001 Ом (I / IA – 1) = 0,001[(100 A / 25 10 – 3 ) – 1] = 4 Ом.

Потребляемая амперметром мощность

где R – эквивалентное сопротивление параллельно соединенных RA и Rш, рассчитываемое по формуле

Тогда потребляемая мощность РА=

Пример 5.4.Определить значения сопротивлений добавочных резисторов R1, …, R4 в цепи многопредельного магнитоэлектрического вольтметра (см. рис. 5.2, б), который предназначен для измерения напряжения в четырех диапазонах с верхними пределами U1 = 30 B, U2 = 50 B, U3 = 100 B и U4 = 200 B, если ток полного отклонения рамки измерительного механизма вольтметра равен 10 мА, а сопротивление рамки 400 Ом.

Решение. Величина добавочного резистора рассчитывается по формуле

Rд = RV(n – 1), где n = U / (IV RV).

Для первого диапазона измерения (30 В) Rд1 = R1; для второго диапазона измерения (50 В) Rд2 = R1 + R2; для третьего диапазона измерения (100 В) Rд3 = R1 + R2 + R3; для четвертого диапазона измерения (200 В) Rд4 = R1 + R2 + R3 + R4;

n1 = 30 B/( n2 = 50 B/4 B = 12.5; n3 = 100 B/4 B = 25; n4 = 200 B/4 B = 50.

Отсюда R1 = Rд1 = RV(n1 – 1) = 400(7,5 – 1) = 400 Ом; R2=Rд2Rд1 = 400(12,5 – 1) – 2600 = 4600 – 2600 = 2000 Ом; R3 = Rд3Rд2 = 400(25 – 1) – 4600 = 9600 – 4600 = 5000 Ом; R4 = Rд4Rд3 = 400(50 – 1) – 9600 = 19600 – 9600 = 10000 Ом.

Пример 5.5.Предел измерения вольтметра составляет 7,5 В при внутреннем сопротивлении RV = 200 Ом. Определить добавочное сопротивление, которое необходимо включить для расширения предела измерения до 600 В.

Rд = RV(n – 1); n = 600 B / 7,5 B= 80.

Rд = 200(80 – 1) = 15,8 кОм.

Источник



Как расширить пределы измерения приборов в цепях переменного тока

Измерительные трансформаторы тока

Для расширения пределов измерения переменного тока у амперметров и других приборов, имеющих токовые обмотки (счетчики, фазометры, ваттметры и т. д.), применяют измерительные трансформаторы тока. Они состоят из магнитопровода, одной первичной и одной или нескольких вторичных обмоток.

Первичная обмотка трансформатора тока Л1 — Л2 включается последовательно в цепь измеряемого тока, во вторичную обмотку И1 — И2 подключается амперметр или токовая обмотка другого прибора.

Вторичная обмотка трансформатора тока выполняется обычно на ток 5 А. Встречаются также трансформаторы с номинальным вторичным током в 1 А и 10 А. Первичные номинальные токи могут быть от 5 до 15 000 А.

Читайте также:  Схема переключателя ток напряжение

Измерительные трансформаторы токаПри включенной первичной обмотке Л1 — Л2 вторичная обмотка И1 — И2 должна быть обязательно замкнута на токовую обмотку прибора или закорочена. В противном случае во вторичной цепи возникает большая электродвижущая сила (1000 — 1500 В), опасная для жизни людей и изоляции вторичной обмотки.

У трансформаторов тока один конец вторичной обмотки и кожух заземляются.

Измерительный трансформатор тока выбирают по следующим данным:

а) по номинальному первичному току,

б) по номинальному коэффициенту трансформации. Он указан в паспорте трансформатора в виде дроби: в числителе — номинальный первичный ток, в знаменателе — номинальный вторичный ток, например, 100/5 А, т. е. кт = 20,

в) по классу точности, который определяется величиной относительной погрешности при номинальной нагрузке. При увеличении нагрузки вторичной цепи трансформатора тока выше номинальной погрешности сильно возрастают. По степени точности трансформаторы тока делятся на пять классов: 0,2, 0,5, 1,0, 3,0, 10. Для уменьшения погрешности, вносимой трансформатором тока в процессе измерения, необходимо вторичную цепь трансформатора тока выполнять проводами относительно большого сечения и по возможности меньшей длины,

г) по номинальному напряжению первичной цепи.

Измерительные трансформаторы токаТрансформаторы тока имеют сокращенные обозначения: Т — трансформатор тока, П — проходной, О — одновитковый, Ш — шинный, К — катушечный, Ф — с фарфоровой изоляцией, Л — с изоляцией из синтетической смолы, У — усиленный, В — встроенный в выключатель, Б — быстронасыщающийся, Д, 3 -наличие сердечника для защиты дифференциальной и от коротких замыканий, К — для схем компаундирования синхронных генераторов, А — с алюминиевой первичной обмоткой.

Измерительные трансформаторы напряжения

Измерительные трансформаторы напряженияИзмерительные трансформаторы напряжения применяют для расширения пределов измерения напряжения у вольтметров и других приборов, имеющих обмотки напряжения (счетчики, ваттметры, фазометры, частотомеры и т. д.).

Первичная обмотка трансформатора А — Х включается параллельно под полное напряжение сети, вторичная обмотка а-х присоединяется к вольтметру или обмотке напряжения более сложного прибора.

Все трансформаторы напряжения обычно имеют вторичное напряжение 100 В. Номинальные мощности трансформаторов напряжения 200 — 2000 ВА. Чтобы избежать ошибок при измерениях, к трансформатору необходимо подключить такое количество приборов, при котором потребляемая прибором мощность в сумме не была бы выше номинальной мощности трансформатора.

Опасным режимом для трансформатора напряжения является замыкание накоротко зажимов вторичной цепи, так как в этом случае возникают большие сверхтоки. Для защиты трансформатора напряжения от сверхтоков в цепи первичной обмотки устанавливают предохранители.

Измерительные трансформаторы напряжения выбирают но следующим данным:

Измерительные трансформаторы напряженияа) по номинальному напряжению первичной сети, которое может быть равным 0,5, 3,0, 6,0, 10, 35 кВ и т. д.,

б) по номинальному коэффициенту трансформации. Он обычно указан на паспорте трансформатора в виде дроби, в числителе которой указано напряжение первичной обмотки, в знаменателе — напряженке вторичной обмотки, например, 3000/100, т. е. Кт=30,

в) по номинальному вторичному напряжению,

г) по классу точности, который определяется величиной относительной погрешности при номинальной нагрузке. Трансформаторы напряжения делятся на четыре класса точности: 0,2, 0,5, 1,0, 3,0.

Трансформаторы напряжения бывают сухие или маслонаполненные, однофазные и трехфазные. При напряжении до 3 кВ они выполняются с сухим (воздушным) охлаждением, свыше 6 кВ — с масляным охлаждением.

Источник

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.

Читайте также:  Расчет магнитного поля для прямолинейного проводника с током

Источник

Тема 3.2 Расширение пределов измерения

date image2015-09-06
views image7174

facebook icon vkontakte icon twitter icon odnoklasniki icon

Студент должен

знать:

— шунты, дополнительные сопротивления, измерительные трансформаторы;

— основные параметры измерительных трансформаторов;

уметь:

— рассчитать параметры шунта;

— рассчитать параметры дополнительного сопротивления;

— выбрать измерительный трансформатор;

— рассчитать новую цену деления и определить показания прибора.

Расширение пределов измерения в цепях постоянного тока: шунты, дополнительные сопротивления, расчет, схемы подключения. Расширение пределов измерения в цепях переменного тока: измерительные трансформаторы тока и напряжения, выбор, подключение. Режимы работы измерительных трансформаторов.

Материал для изучения

Шунты.

Для расширения пределов измерения по току электроизмерительных приборов при замерах в сетях постоянного тока применяются шунты. Непосредственно, т.е. без шунтов, включают в измерительную сеть только микроамперметры и миллиамперметры, пределы измерения которых не превышают 15 – 30 мА. При больших токах весь измеряемый ток пропустить через обмотку катушки измерительного механизма нельзя. Кроме того, при больших токах возможен нагрев токопроводящих спиральных пружин и изменение их упругих свойств. Поэтому при практических измерениях токов, превышающих ток, допустимый в рамке прибора, амперметры шунтируют, т.е. включают их таким образом, чтобы через них не протекал весь измеряемый ток.

Рис. 3.2.1. Схема включения приборов в цепь постоянного тока с измерительными преобразователями

Шунты представляют собой сопротивления, включаемые в цепь измеряемого тока. Параллельно сопротивлению шунта присоединяется амперметр. Шунт имеет очень небольшое сопротивление, и по нему проходит почти весь ток, тогда как к амперметру подводится лишь падение напряжения на зажимах шунта. Параллельно шунту подключается электроизмерительный прибор. Таким образом, вместо большого тока прибором измеряется небольшое падение напряжения. Включение в цепь измеряемого тока амперметра и параллельное подключение к нему шунта запрещается, так как в случае неисправности шунта через обмотку амперметра пойдет ток большой силы, что приведет к ее перегоранию.

Сила измеряемого тока равна Iизм = IШ + IА,

где IШ – сила тока, протекающая через шунт, IА – сила тока, протекающая через амперметр (см. рис. 3.2.1). При сохранении между сопротивлениями шунта Rш и амперметра RА известного соотношения

по показаниям амперметра можно будет определять значение измеряемого тока. Решая эти уравнения, получим: .

Отношение измеряемого тока к току, протекающему через амперметр, численно равное , называется шунтирующим множителем (или коэффициентом шунтирования) и показывает, во сколько раз расширяются пределы измерений амперметров при включении шунта. Сопротивление шунта можно выразить через шунтирующий множитель . Из этого равенства следует, что для расширения пределов измерения силы тока в р раз сопротивление шунта должно быть в (р – 1) раз меньше сопротивления амперметра.

Шунты делятся на внутренние и наружные.

Сопротивление шунта сравнительно мало (0,01 – 0,0001 Ом), и поэтому по сравнению с ним существенное значение имеет переходное сопротивление контактов и сопротивление соединительных проводов. Чтобы устранить влияние переходных сопротивлений контактов на показания электроизмерительных приборов, в шунтах применяют специальные зажимы: токовые – для включения шунта в измеряемую сеть (одна пара) и потенциальные – для подключения к шунту электроизмерительных приборов (одна или несколько пар). Присоединение амперметров к шунтам должно производиться калиброванными проводами с определенным сопротивлением (обычно 0,035 Ом), проверенными совместно с шунтов, а не случайно подобранными. Если по условиям размещения шунта и амперметра расстояние между ними превышает длину соединительных проводов, приданных амперметру, эти провода следует заменить более длинными, обязательно сохранив значение их сопротивления (увеличивая сечение проводов), иначе погрешность приборов увеличится.

Шунты применяют на судах в магнитоэлектрических приборах на постоянном токе. Применять шунты для электродинамических и других измерительных механизмов нецелесообразно, поскольку эти механизмы потребляют относительно большую мощность, что приводит к необходимости иметь значительные UШ, а следовательно, и RШ, что приводит, в свою очередь, к увеличению габаритов и массы шунта. Кроме того, применение шунтов на переменном токе тоже приводит к погрешности, обусловленной перераспределением токов IА и IШ при разных частотах из-за влияния реактивных сопротивлений измерительного механизма и шунта.

Необходимо измерить ток потребителя в пределах 20 – 25 А. Имеется микроамперметр с пределом измерения 200мкА, внутренним сопротивлением 300 Ом и максимальным числом делений 100. Определить сопротивление шунта для расширения предела измерения до 30 А и определить относительную погрешность измерения на отметке 85 делений, если класс точности прибора 1,0.

Решение. Необходимо вначале определить коэффициент шунтирования:

Определим показание амперметра, соответствующее 85 делениям, для чего цену деления 0,3 А/дел умножим на число делений 85, тогда прибор покажет I = 25,5 А.

Источник