Rīgas Tehniskā Universitāte

DMZC

Vladimirs Bernatovičs

Kursa darbs

(Elektriskie mērījumi)

Līdzstrāvas mērīšana ar šunta palīdzību

2002

Saturs.

1. Ievads 3

2. Teoretiskā daļa 4

3. Aprēķinu daļa 13

4. Secinājums 16

5. Literatūra 17

6. Pielikūms 18

Ievads.

Dota uzdevuva man jāizmēra līdzstrāvu ar šunta palidzību. Šunts plaši izmantas, lai paplašināt mērāmo strāvas intervālu. Vēl man jāizdara statistisko apstrādi un un aprēķināt kļudas.

Измерение постоянных токов

Общие замечания. Измерение постоянных токов в подавляющем большинстве случаев производится посредством магнитоэлектрических амперметров и вольтметров. Для этой цели применяют также электромагнитные, электродинамические, ферро-динамические и электростатические приборы, а также потенцио­метры постоянного тока и цифровые приборы.

Магнитоэлектрические амперметры. Измеритель­ные механизмы магнитоэлектрических амперметров и вольтметров принципиально не различаются. В зависимости от назначения прибора (для измерения-тока или напряжения) меняется его изме­рительная цепь. В амперметрах измерительный механизм включа­ется в цепь непосредственно или при помощи шунта. В вольтметрах последовательно с измерительным механизмом включается доба­вочный резистор, и прибор подключается к тем точкам схемы, между которыми необходимо измерить напряжение.

Амперметр без шунта применяется в том случае, если весь измеряемый ток можно пропустить через токоподводящие пру­жинки (или растяжки) и обмотку рамки измерительного механизма. Обычно значение этого тока не превышает 20—30 мА, т. е. такая схема возможна только для микро- и миллиамперметров.

Характер измерительной цепи в значительной степени опреде­ляется также допустимой температурной погрешностью и преде­лом измерения прибора.

Изменение температуры прибора сказывается на его работе следующим образом.

1. При повышении температуры удельный противодействующий момент пружинок (или растяжек) уменьшается примерно на 0,2— 0,4% на каждые 10 К повышения температуры. Магнитный поток постоянного магнита падает приблизительно на 0,2% на каждые 10 К повышения температуры.

Так как ослабление пружинок и уменьшение магнитного потока вызывают одинаковые изменения противодействующего и вращаю­щего моментов по значению, но с разными знаками, то эти два яв­ления практически взаимно компенсируют друг друга. .. и

2. Изменяется- электрическое сопротивление обмотки рамки и пружинок. Это является основным источником температурной погрешности магнитоэлектрических приборов.

В большинстве случаев температурная погрешность вольтметров является незначительной. Это объясняется тем, что температурный коэффициент сопротивления (ТКС) цепи вольтметра определяется не только ТКС «медной» части обмотки измерительного механизма, но и добавочного резистора, выполняемого из материала с очень малым ТКС.

Наиболее неблагоприятным в отношении влияния температуры является амперметр с шунтом. При повышении температуры и неиз­менных значениях измеряемого тока и сопротивления шунта .R_ш (шунт, как указывалось выше, выполняется из манганина) ток /, протекающий через измерительный механизм, уменьшается и по­является отрицательная погрешность.

Для компенсации температурной погрешности часто применяются специаль­ные схемы. Наиболее широко используемые схемы для температурной компенсации представлены на рис. 3.23 и 3.24. Простейшим способом уменьшения температур­ной погрешности является включение последовательно с обмоткой рамки доба­вочного резистора R_a из манганина (рис. 3.23). Недостаток этой схемы заключается в том, что на рамку попадает только часть напряжения, снимаемого с шунта. Для прибора класса точности 0,2 напряжение, попадаемое на рамку, составляет всего 5%. Обычно этот способ применя­ется только для приборов класса точности не выше 1,0.

Рис. 3.23. Схемы для температурной

компен­сации амперметров с

добавочным резисто­ром Рис. 3.24. Последовательно-параллельная

схема для температур­ной компенсации

Последовательно-параллельная схема (рис. 3.24) широко используется в прибсрах высоких классов точности (0,5; 0,2; 0,1). В такой схеме последовательно с уедной рамкой включается резистор из манганина R_3. Эта цепь шунтируется резистором R₁ из материала с большим температурным коэффициентом (меди или никеля) и через последовательно включенный манганиновый резистор R₂ под­ключается к шунту R_m. При повышении температуры возрастают сопротивления рамки и R₁. Однако, поскольку последовательно с рамкой включен резистор R₃, имеющий практически нулевой температурный коэффициент, то по сравнению с цепью рамки увеличение сопротивления в цепи R₁ будет больше. Поэтому изме­нится распределение токов /₂ и I_t таким образом, что в обмотку рамки будет от­ветвляться несколько большая часть общего тока, чем раньше. Так как сопро­тивление между точками a и с увеличивается, а ток !_х не изменяется, напряже­ние U_ac между этими точками несколько увеличится. Выбором сопротивлений можно добиться того, чтобы при изменении температуры ток в обмотке рамки менялся в пределах, определяемых допускаемым значением температурной по­грешности.

При создании приборов для измерения очень малых напряжений (например, э. Д. с. термопар) желательно, чтобы всё напряжение подводилось непосредст­венно к цепи измерительного механизма. В этом случае температурная компен­сация осуществляется не с помощью схем, а посредством термомагнитного шунта. Такой шунт выполняется из специальных магнитных материалов (сплавов меди с никелем или железа с никелем), у которых магнитная проницаемость сущест­венно уменьшается при возрастании температуры. Конструктивно термомагнит­ный шунт представляет собой пластинки, которыми замыкаются полюсные на­конечники постоянного магнита. При повышении температуры магнитное сопрот тивление шунта возрастает, что приводит к увеличению индукции в воздушном зазоре и к малой зависимости показаний от температуры.

Магнитоэлектрические амперметры и вольтметры выпускают переносными и щитовыми. Переносные приборы в большинстве слу­чаев делают высокоточными (классов 0,1—0,5), многопредельными (до нескольких десятков пределов) и часто комбинированными (например, вольтамперметрами). В качестве многопредельного ком­бинированного прибора можно указать, например, милливольт-.миллиамперметр типа М1109 класса точности 0,2. Прибор имеет 15 пределов измерений: 8 — по напряжению (от 15 мВ до 3 В) и 7 — по току (от 0,15 до 60 мА). Щитовые приборы выпускают обычно однопредельными, чаще всего классов точности 1,0 и 1,5.

М

2

агнитоэлектрические гальванометры. Гальванометром на­зывается электроизмерительный прибор с неградуированной шка­лой, имеющий высокую чувствительность к току или напряжению.

Рис. 3.25. Схематическое

устройство гальванометра

на подвесе

Гальванометры широко используются в ка­честве нуль-индикаторов, а также для из­мерения малых токов, напряжений и коли­честв электричества, если известна посто­янная гальванометра.

Кроме магнитоэлектрических сущест­вуют и некоторые другие виды гальвано­метров, например электростатические, на­зываемые электрометрами. Однако их при­менение весьма ограничено.

Основное требование, предъявляемое к гальванометрам, — высокая чувствитель­ность, которая достигается, главным обра­зом, путем уменьшения противодействую­щего момента и использования светового указателя с большой длиной луча.

По конструктивному оформлению раз­личают: а) гальванометры переносные (со встроенной шкалой), в которых исполь­зуются как стрелочные, так и световые указатели; б) гальвано­метры зеркальные, с отдельной шкалой, требующие стационарной установки по уровню.

В переносных гальванометрах подвижная часть устанавливается на растяжках, а в зеркальных — на подвесе (рис. 3.25). В последнем случае токоподвод к обмотке рамки 1 осуществляется посредством подвеса 2 и безмоментной нити 4. Для измерения угла поворота рамки служит зеркальце 3, на которое фокусируется луч света от специального осветителя.

Постоянная зеркального гальванометра данной конструкции зависит от расстояния между зеркальцем и шкалой. Ее условились выражать для расстояния, равного 1 м, например: С₁ = 1,2*10^-6 А*м/мм. Для переносных гальванометров в паспорте указывают цену деления шкалы, например: 1 деление = 0,5*10^-6 А.

Наиболее чувствительные современные зеркальные гальвано­метры имеют постоянную до 10^-11 А*м/мм; у переносных гальвано­метров постоянная составляет примерно 10^-8 — 10^-9 А/дел.

Стандарт на гальванометры (ГОСТ 7324 — 68) допускает откло­нение постоянной (или цены деления) от указанной в паспорте на ±10%.

Важной характеристикой гальванометра является постоянство, нулевого положения указателя, под которым понимают невозвра­щение указателя к нулевой отметке при плавном его движении от крайней отметки шкалы. По этому параметру гальванометры делят на разряды постоянства. Условное обозначение разряда постоян­ства нулевого положения указателя гальванометра, состоящее из цифрового обозначения разряда постоянства, заключенного в ромб, наносят на шкалу гальванометра при маркировке.

Многие гальванометры снабжают магнитным шунтом. Регули­руя положение шунта посредством выведенной наружу ручки, можно менять значение магнитной индукции в рабочем зазоре. При этом изменяется постоянная, а также ряд других параметров гальвано­метра. По требованию стандарта, магнитный шунт должен изменять постоянную по току не менее чем в 3 раза. В паспорте гальванометра и в его маркировке указывают значения постоянной при двух край­них положениях шунта — полностью введенном и полностью вы­веденном.

Гальванометр должен иметь корректор, перемещающий при круговом вращении указатель в ту или другую сторону от нулевой отметки. Гальванометры с подвижной частью на подвесе должны быть снабжены арретиром (приспособлением для механической фиксации подвижной части), который включают, например, при переноске прибора.

Гальванометры ввиду высокой чувствительности необходимо защищать от помех. Так, от механических сотрясений гальвано­метры защищают, устанавливая их на капитальные стены или спе­циальные фундаменты; от токов утечек — электростатическим экранированием и т. п.

Характер движения подвижной части гальванометра при изме­нении измеряемой величины зависит от его успокоения, которое определяется сопротивлением внешней цепи. Для удобства работы с гальванометром это сопротивление подбирают близким к так называемому внешнему критическому сопротивлению R_к, указанному в паспорте гальванометра. Если гальванометр замкнут на внеш­нее критическое сопротивление, то указатель плавно и за минималь­ное время подходит к положению равновесия, не переходит его и не совершает около него колебаний (см. § 3.10).

Баллистический гальванометр позволяет измерять малые коли­чества электричества (импульс тока), протекающие в течение корот­ких промежутков времени — долей секунды. Таким образом, баллистический гальванометр предназначен для импульсных из­мерений. Теория баллистического гальванометра (см. § 3.10) пока­зывает, что если принять допущение о том, что подвижная часть начинает свое движение после окончания импульса тока в обмотке подвижной рамки, то количество электричества Q, протекшее в цепи, пропорционально первому максимальному отклонению указателя a_lm, т. е.

Q = C₆a_1m, (3.36)

где С_б — баллистическая постоянная гальванометра, выражаемая в кулонах на деление.

Следует отметить, что С_б не остается неизменной для данного гальванометра, а зависит от сопротивления внешней цепи, что требует обычно ее определения в процессе измерений опытным путем.

Указанное выше допущение выполняется тем точнее, чем больше момент инерции подвижной части гальванометра и, следовательно, больше период свободных колебаний Т₀. Для баллистических галь­ванометров Т₀ составляет десятки секунд (для обычных гальвано-,метров — единицы секунд). Это достигается увеличением момента {инерции подвижной части гальванометра с помощью дополнитель-|ной детали в виде диска.

Магнитоэлектрические измерительные механизмы. В магнито­электрических измерительных механизмах вращающий момент со­здается в результате взаимодействия магнитного поля постоянного магнита и магнитного поля 'проводника с током, выполняемого обычно в виде катушки — рамки.

Обратимся к рассмотрению принципа действия магнитоэлектри­ческих измерительных механизмов.

На рис. 3.1 показана подвижная рамка измерительного меха­низма, находящаяся в равномерном радиальном магнитном поле. При протекании по обмотке рамки тока возникают силы F, стре­мящиеся повернуть рамку так, чтобы ее плоскость стала перпенди­кулярной к направлению О_х — 0₂. При равенстве вращающего и противодействующего моментов подвижная часть останавли­вается.

Для получения зависимости между углом отклонения и током в рамке обратимся к уравнению (3.1), которое применительно к на­шему случаю представляется так:

(3.5) где Ф — поток, сцепляющийся с обмоткой рамки; I — ток в обмотке рамки.

Величина Ф может быть подсчитана как произведение индукции В в воздушном зазоре, числа витков w обмотки рамки и суммы площадей двух боковых поверхностей, опи­санных активными сторонами подвиж­ной катушки при ее повороте на угол а я от нейтрального положения (оси О₁ — O₂).

В соответствии с рис. 3.1 активными сторонами обмотки рамки будут являть­ся стороны, расположенные в плоско­сти, перпендикулярной рисунку. Сто­роны рамки, находящиеся в плоскости рисунка, при своем движении скользят