ВОЛЬТМЕТРЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Лабораторная работа №2

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦЕПЯХ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Цель работы: изучить методы измерения электрических величин на постоянном токе и ознакомиться с приборами и преобразователями, которые используются при измерениях на постоянном токе.

В настоящей работе рассматриваются методы измерения электрических величин с помощью электромеханических измерительных приборов, использование которых имеет свою специфику по сравнению с электронными и цифровыми измерительными приборами.

На постоянном токе работают практически все типы элек­тромеханических измерительных механизмов, кроме индукционного, но предпочтение отдается магнитоэлектрическим приборам. Это объясняется следующими достоинствами магнитоэлектрических приборов:

- малое собственное потребление энергии;

- равномерность шкалы;

- высокая чувствительность;

- удобное и технически рациональное изменение чувствительности и пределов измерения.

Рассмотрим принципы построения амперметров и вольтметров, работающих на постоянном токе.

1. МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ АМПЕРМЕТРЫ

Амперметры - это приборы, предназначенные для измере­ния электрического тока. Магнитоэлектрические амперметры строятся на базе магнитоэлектрического измерительного механизма и имеют две схемы включения - непосредственное и посредством шунтов.

Непосредственное включение амперметра показано на рис.1, где r_и - измерительный механизм, r_н - сопротивление нагрузки.

Рис. 1. Непосредственное включение амперметра

Уравнение шкалы магнитоэлектрического измерительного механизма имеет вид

                                            (1.1)

где S - чувствительность измерительного механизма;

I_И - ток измерительного механизма;

α - угол отклонения подвижной части.

В приведенной схеме ток нагрузки и ток измерительного механизма - это один и тот же ток, то есть I_И = I. Следовательно, шкалу такого прибора можно градуировать непосредственно в значениях тока нагрузки.

Схема включения амперметра с шунтом представлена на рис.2.

Шунты позволяют расширять пределы измерения ампермет­ров. Если ток нагрузки I больше номинального тока измерительного механизма, то схему непосредственного включения амперметра использовать недопустимо. В схеме рис.2 часть тока нагрузки про­текает через шунт, минуя измерительный механизм.

Рис.2. Включение амперметра с шунтом

Расчет шунтов

При расчете шунтов рассматривают прямую и обратную за­дачи. В обоих случаях должны быть известны параметры измери­тельного механизма:

I_И - номинальный ток измерительного механизма;

r_И - сопротивление измерительного механизма.

В случае прямой задачи известно максимальное значение тока нагрузки или новый предел измерения. Необходимо определить сопротивление шунта для достижения нового предела измерения.

Поскольку шунт и измерительный механизм включены параллельно, то падение напряжения для них одинаково

.                                    (1.2)

Исходя их первого закона Кирхгофа, можно записать

.                                         (1.3)

Подставим это выражение в (1.2) и получим

,                                 (1.4)

откуда

,                        (1-5)

где п = I/I_И - коэффициент шунтирования.

Обратная задача состоит в том, чтобы найти новый предел измерения или коэффициент шунтирования, если известно сопротивление шунта. Для решения этой задачи используется выражение (1.5).

Взаимозаменяемые калиброванные шунты изготовляются на токи от 0,3 до 7500 А со стандартным номинальным падением напряжения 75 мВ. Допускается также номинальное падение напряжения 50, 100, 150 мВ и некоторые другие номиналы.

Из определения коэффициента шунтирования следует:

.                                            (1-6)

Подставив это выражение в (1.1), получим уравнение шкалы для амперметра с шунтом

.                                            (1.7)

Следовательно, шкалу амперметра с шунтом можно градуировать в значениях тока нагрузки и при этом чувствительность его уменьшается в  n раз по сравнению со схемой непосредственного включения. Шунты изготавливают из манганина круглого или прямоугольного сечения. Манганин - это специальный высокоомный сплав меди, марганца и никеля. Достоинством манганина является очень малая зависимость удельного электрического сопротивления от температуры, а также весьма малая термоЭДС при контакте манганина с медью.

Параллельное включение манганинового шунта и медной рамки измерительного механизма приводит к температурной погрешности, так как удельное сопротивление меди довольно сильно зависит от температуры (Т_кр=0,004 1/°С). При изменении температуры прибора и неизменном токе нагрузки происходит перераспределение токов I_И и I_Ш, что и приводит к изменению показаний прибора. Для устранения температурной погрешности применяют специальные схемы температурной компенсации. Например, для этой цели можно последовательно с медной рамкой измерительного механизма включить термокомпенсатор из полупроводникового термосопротивления. Как известно, термисторы имеют отрицательный температурный коэффициент удельного электрического сопротивления. При нагревании прибора (амперметра) сопротивление медной рамки будет увеличиваться, а сопротивление термокомпенсатора - уменьшаться. В результате ток измерительного механизма стабилизируется и температурная погрешность устраняется.

На рис. 1 и  2  видно, что амперметры включаются последовательно в разрыв исследуемой цепи. Последовательное включение амперметра с внутренним сопротивлением R_A в цепь с источником напряжения U и сопротивлением нагрузки r_н приводит к возрастанию общего сопротивления цепи.

Относительная погрешность измерения тока

,        (1.8)

где I - значение тока в цепи до включения амперметра;

  I_А - измеренное значение тока в цепи.

Отношение сопротивлений можно заменить отношением мощностей Р_А и Р потребления соответственно амперметра и измеряемой цепи.

.                                       (1.9)

Погрешность измерения тем меньше, чем меньше мощность потребления амперметра Р_А по сравнению с мощностью потребления цепи Р, в которой осуществляется измерение. Поэтому амперметры должны обладать малым сопротивлением и малым потреблением мощности. Особенно это важно для маломощных цепей промышленной электроники.

ВОЛЬТМЕТРЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА

В электромеханических вольтметрах и амперметрах используется один и тот же измерительный механизм. В вольтметрах постоянного тока чаще используется магнитоэлектрический измерительный механизм.

Вольтметры отличаются от амперметров, как схемой включения, так и внутренней схемой. Включаются они параллельно измеряемому напряжению, последовательно с рамкой измерительного механизма у них включается добавочное сопротивление. Если измерительное напряжение меньше или равно номинальному напряжению измерительного механизма, то применяют непосредственное включение. Номинальное напряжение измерительного механизма обычно не превышает несколько десятков милливольт.