2.10. Изменение 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 Iг, а нам необходимо измерить силу тока I. Тогда ток I – Iг 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, Iг – максимальная сила тока, которую может измерить гальванометр. Тогда Iш = I – Iг – сила тока, которая должна протекать через шунт. Обозначим Rг – сопротивление гальванометра, Rш – сопротивление шунта. По законам параллельного соединения проводников Uш=Uг или Iш×Rш=Iг×Rг. Отсюда, с учетом силы тока через шунт, получим: Rш=( Iг×Rг)/ Iш=( Iг×Rг)/( I – Iг) = Rг/(n-1). (2.18)
Здесь n = I/Iг – 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, Uг – максимальное напряжение, которое может измерить гальванометр. Тогда Uд=U–Uг - напряжение, которое должно падать на добавочном резисторе. Обозначим Rг – сопротивление гальванометра, Rд – сопротивление добавочного резистора. По законам последовательного соединения проводников Iг=Iд или Uг/Rг=Uд/Rд.
Отсюда с учетом напряжения на добавочном резисторе получим:
Rд = Rг (U-Uг)/Uг = Rг (n – 1), (2.19)
где n = U/Uг.
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.
