Расширение пределов измерения приборов. Шунты и дополнительные сопротивления

На практике встречается необходимость измерения электрических величин в очень широких пределах. Например, в цепях постоянного тока возникает необходимость измерять ток от 10^-11А до 10⁵А. поэтому часто возникает необходимость в расширении пределов измерения прибора.

Для расширения пределов измерения тока некоторым амперметром необходимо часть тока пропустить не через амперметр, а по параллельной ему части цепи, имеющей некоторое сопротивление . Такое сопротивление, которое позволяет расширить пределы измерения амперметра, называют шунтом. Схема амперметра с шунтом представлена на рисунке 3.

I

Iн

A

M

RA

N

Iш

Rш

Рис. 3

 

Через амперметр в этом случае проходит не весь измеряемый ток, а только часть его, другая часть тока пройдет через шунт.

Рассчитаем величину сопротивления шунта. Допустим, что измерительный механизм амперметра рассчитан на максимальный ток (номинальный ток) , а надо измерить ток , где . Тогда по закону параллельного соединения через амперметр будет проходить ток , а через шунт должен пройти ток:

(3)

К амперметру и шунту приложено одинаковое напряжение:

(4)

Отсюда следует, что величина сопротивления шунта определяется по формуле:

(5)

Таким образом, для увеличения предела измерения амперметра в раз параллельно ему надо присоединить шунт, сопротивление которого в раз меньше собственного сопротивления амперметра . Так как амперметр с шунтом может измерить силу тока в раз большую номинального тока, то и цена деления шкалы амперметра увеличивается в раз.

Для того чтобы расширить пределы измерения напряжения необходимо к вольтметру подключить сопротивление, на котором будет избыточное напряжение. Такое сопротивление называется дополнительным сопротивлением. Дополнительное сопротивление подключается последовательно к вольтметру, пределы измерения которого надо расширить. Схема включения дополнительного сопротивления приведена на рисунке 4.

M

N

UMN

Rн

I

IV

V

Rд

RV

Рис. 4

Рассчитаем величину дополнительного сопротивления. Пусть верхний предел измерения напряжения вольтметром (номинальное напряжение) равен , а сопротивление измерительного механизма вольтметра равно . Допустим, что с помощью этого вольтметра нужно измерить напряжение . Так как вольтметр и дополнительное сопротивление соединены последовательно, то измеряемое напряжение будет равно сумме напряжений на самом вольтметре и на дополнительном сопротивлении:

(6)

Из формулы (6) получаем:

(7)

Так как сила тока, протекающего через вольтметр, и сила тока, протекающего через дополнительное сопротивление, равны , то получаем:

(8)

Из формулы (8) следует, что для того чтобы расширить предел измерения вольтметра в раз надо последовательно с ним подключить добавочное сопротивление, которое в раз больше собственного сопротивления вольтметра . Цена деления вольтметра при этом также увеличится в раз.

 

Порядок выполнения работы

Экспериментальная часть этой работы состоит из выполнения следующих заданий:

· Расширение пределов измерения амперметра

· Расширение пределов измерения вольтметра

Для выполнения первого задания необходимо:

1. Собрать схему, которая изображена на рисунке 5.

Ak

Aи

K

R

Rш

Рис. 5

Здесь в качестве источника тока используется выпрямитель ВС – 24М, A_и – исследуемый амперметр, в качестве которого используется школьный гальванометр, A_к – контрольный амперметр, пределы измерения которого соответствуют значениям тока для измерения которого надо подобрать шунт к исследуемому амперметру, R_ш – сопротивление шунта, в качестве которого используется магазин сопротивлений Р – 33, R – ограничивающее сопротивление, в качестве которого также используется магазин сопротивлений Р – 33, K – ключ, которым является тумблер на выпрямителе.

2. Записать характеристики исследуемого амперметра – номинальный ток и сопротивление . Получить у преподавателя значение тока, до которого надо расширить предел измерения амперметра и вычислить величину . По формуле (5) рассчитать величину сопротивления шунта.

3. Установить регулятор выхода на выпрямителе на «0», а магазин сопротивлений R на максимальное значение. Ключ К разомкнут. Сопротивление шунта равно нулю.

4. После проверки схемы преподавателем или лаборантом выпрямитель включить в сеть, замкнуть ключ К и медленно увеличивать напряжение. Внимательно следить за показаниями всех приборов. Установить напряжение на выходе выпрямителя 4 В. Медленно уменьшать сопротивление R до тех пор, пока стрелка исследуемого амперметра (гальванометра) не отклонится на всю шкалу.

5. Записать значение тока по показаниям контрольного амперметра .

6. Установить расчетное значение шунта и уменьшать сопротивление R до значений, при которых стрелка исследуемого амперметра при включенном шунте снова отклонится на всю шкалу.

7. Записать значение тока в этом случае по контрольному амперметру .

8. Рассчитать отношение . Если это значение соответствует значению, полученному при вычислении, то найденное сопротивление шунта позволяет расширить пределы измерения исследуемого амперметра до указанных преподавателем значений.

9. Рассчитать абсолютную и относительную погрешности для показаний контрольного амперметра.

Для выполнения второго задания необходимо:

1. Собрать схему, которая изображена на рисунке 6. Здесь в качестве источника тока используется выпрямитель ВС – 24М, V_и – исследуемый вольтметр, в качестве которого используется школьный гальванометр, V_к – контрольный вольтметр, пределы измерения которого соответствуют значениям напряжения для измерения которого надо подобрать дополнительное сопротивление к исследуемому вольтметру, R_д – дополнительное сопротивление, в качестве которого используется магазин сопротивлений Р – 33, R – ограничивающее сопротивление, в качестве которого также используется магазин сопротивлений Р – 33, K – ключ, которым является тумблер на выпрямителе, R_н – нагрузка, которая представляет собой сопротивление, примерно равное 100 Ом.

2. Записать характеристики исследуемого вольтметра – номинальное напряжение и сопротивление . Получить у преподавателя значение напряжения, до которого надо расширить предел измерения вольтметра и вычислить величину . По формуле (8) рассчитать величину дополнительного сопротивления.

K

R

Rн

Vи

Rд

Vк

Рис. 6

3. Установить регулятор напряжения на выпрямителе на «0», ключ К разомкнуть.

4. После проверки схемы преподавателем или лаборантом включить выпрямитель в сеть, замкнуть ключ К, установить вычисленное по формуле (8) дополнительное сопротивление и увеличивать напряжение до тех пор пока стрелка исследуемого вольтметра не отклонится на всю шкалу.

5. Записать показание контрольного вольтметра и по этому значению вычислить . Если полученное при вычислениях значение совпадет со значением, полученным по результатам измерений, то рассчитанное дополнительное сопротивление позволяет расширить предел измерения вольтметра до заданного значения.

6. Рассчитать абсолютную и относительную погрешности для показаний контрольного вольтметра.

Примечания:

1. В качестве добавочного сопротивления и шунта удобно использовать магазин сопротивлений. Однако и шунт, и дополнительное сопротивление можно изготовить из проволоки. Для этого реобходимо знать значение сопротивления шунта или дополнительного сопротивления и воспользоваться известной формулой зависимости сопротивления от длины проводника и площади поперечного сечения:

(9)

Здесь - удельное сопротивление материала проволоки, - длина проволоки, - площадь поперечного сечения проволоки. Для определения площади поперечного сечения проволоки ее диаметр измеряется микрометром. Из формулы (9) искомая длина проволоки, необходимая для получения нужного сопротивления, определяется выражением: . Для изготовления добавочного сопротивления лучше использовать проволоку из материала с большим удельным сопротивлением (нихром, константан и другие).

2. Для определения сопротивления исследуемых приборов нужно использовать информацию, которая приводится на лицевой стороне прибора. Очень часто на лицевой стороне прибора указывается его сопротивление. Однако часто на лицевой стороне указывается максимальное напряжение, на которое рассчитан измерительный механизм или максимальная сила тока, на которую рассчитан измерительный механизм. Тогда сопротивление прибора определяется по закону Ома для однородного участка цепи: .

 

Техника безопасности

 

1. Включение установки производится только после проверки ее преподавателем или лаборантом.

2. Во время работы запрещается касаться токоведущих частей установки.

3. По окончании работы уменьшить напряжение на выпрямителе до нуля и отключить источник питания от электрической сети.

 

4. Контрольные вопросы

1. Какие приборы используются для измерения силы тока в цепи? Как их включают в цепь?

2. Изобразить схему включения амперметра для измерения силы тока.

3. Как увеличить предел измерения амперметра?

4. Как подключить шунт к прибору? Изобразить схему включения шунта.

5. Выведите формулу для расчета сопротивления шунта.

6. Какие приборы используются для измерения напряжения?

7. Изобразить схему включения вольтметра для измерения напряжения на некотором сопротивлении.

8. Как увеличить предел измерения вольтметра?

9. Вывести формулу для расчета дополнительного сопротивления.

10. Изобразите схему включения дополнительного сопротивления.

11. Как изменяется цена деления шкалы при увеличении пределов измерения электроизмерительных приборов?

12. Как изменяется чувствительность электроизмерительных приборов при увеличении пределов измерения?

Лабораторная работа №3

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться: