Измерительные приборы, такие как амперметры и вольтметры, предназначены для точного измерения электрических величин в цепях постоянного тока. Однако, для измерения более высоких значений силы тока или напряжения, чем те, которые способен измерить сам прибор, применяются специальные методы расширения диапазона измерений.
В этой статье мы подробно рассмотрим, как осуществляется расширение пределов измерения амперметров и вольтметров постоянного тока с использованием шунтов и дополнительных резисторов.
Принцип работы амперметра и вольтметра
Амперметр предназначен для измерения силы тока в цепи и подключается последовательно с нагрузкой. Вольтметр измеряет напряжение и подключается параллельно участку цепи. Оба прибора основаны на использовании измерительных механизмов, которые преобразуют электрические сигналы в механическое отклонение стрелки.
Классические электромеханические измерительные приборы, используемые для измерений постоянного тока, часто построены на основе гальванометра. Гальванометр реагирует на проходящий через него ток, отклоняя стрелку на определённый угол, соответствующий измеряемой величине.
Однако диапазон тока, который может пройти через такой прибор, ограничен конструктивными особенностями измерительного механизма. Обычно гальванометры рассчитаны на очень малые токи, порядка миллиампер.
Для того чтобы измерить большие токи и напряжения, необходимо адаптировать прибор к условиям эксплуатации, что и достигается с помощью шунтов и дополнительных резисторов.
Расширение предела измерения амперметра
Для увеличения предела измерения амперметра используется шунт — низкоомный резистор, включённый параллельно с прибором.
Шунт выполняет функцию отвода основной части тока, направляя лишь небольшую долю через измерительный механизм амперметра. Это позволяет измерять большие токи, не перегружая сам прибор.
Схема включения амперметра магнитоэлектрической системы с шунтом
Механизм работы шунта
Амперметр, как правило, рассчитан на измерение небольшого тока, например 10 мА. Для того чтобы измерять токи в диапазоне, скажем, до 10 А, большую часть этого тока необходимо пустить через шунт, и только малая его часть будет проходить через сам прибор.
Основное правило работы шунта заключается в том, что на его выводах падает такое же напряжение, как и на выводах амперметра, поскольку они подключены параллельно.
Сопротивление шунта подбирается таким образом, чтобы большая часть тока шла через него. Например, если амперметр рассчитан на 10 мА, а измеряемый ток — 10 А, сопротивление шунта должно быть в 1000 раз меньше сопротивления самого амперметра. В этом случае через амперметр будет протекать только 1/1000 измеряемого тока, а прибор сможет безопасно и точно измерять большие токи.
Формула расчета шунта
Сопротивление шунта Rш рассчитывается по формуле:
где: Rа — сопротивление амперметра; Iа — ток, который амперметр может безопасно измерить; Iизм — ток, который нужно измерить.
Этот подход позволяет гибко изменять пределы измерения амперметра, не изменяя конструкцию самого прибора.
Расширение предела измерения вольтметра
Для расширения предела измерения вольтметра применяются дополнительные резисторы, которые включаются последовательно с прибором.
Вольтметр измеряет напряжение, подаваемое на его клеммы, однако при высоких значениях напряжения его механизм может выйти из строя из-за чрезмерной нагрузки. Чтобы этого избежать, с прибором последовательно подключают резистор, который "гасит" избыточное напряжение.
Схема включения вольтметра магнитоэлектрической системы с добавочным сопротивлением
Механизм работы дополнительного резистора
Дополнительный резистор увеличивает общее сопротивление цепи, тем самым снижая ток, проходящий через вольтметр. Это позволяет прибору измерять напряжения значительно выше номинальных значений.
Принцип работы заключается в том, что напряжение делится между вольтметром и дополнительным резистором пропорционально их сопротивлениям.
Если, например, вольтметр рассчитан на измерение напряжений до 10 В, а измеряемое напряжение — 100 В, то сопротивление дополнительного резистора должно быть в 9 раз больше сопротивления самого вольтметра. Таким образом, только 1/10 всего напряжения будет подаваться на вольтметр, а оставшаяся часть поглотится резистором.
Формула расчета дополнительного резистора
Сопротивление Rдоп для расширения диапазона измерений вольтметра рассчитывается по формуле:
где: Rв — внутреннее сопротивление вольтметра; Uизм — измеряемое напряжение; U в — максимальное напряжение, которое может измерить вольтметр без дополнительного резистора.
Этот метод позволяет безопасно измерять высокие напряжения, не перегружая прибор и сохраняя точность измерений.
Пример применения
Предположим, необходимо измерить ток в 50 А при помощи амперметра, рассчитанного на 5 А. Для этого подключаем шунт с сопротивлением, которое в 10 раз меньше сопротивления амперметра. Теперь большая часть тока будет протекать через шунт, а прибор будет показывать 5 А при фактическом токе в 50 А.
Аналогично, если нужно измерить напряжение в 1000 В с вольтметром на 100 В, то необходимо использовать дополнительный резистор с сопротивлением в 9 раз больше сопротивления прибора.
Расширение пределов измерения амперметров и вольтметров постоянного тока — важная задача при работе с большими токами и напряжениями. Использование шунтов и дополнительных резисторов позволяет точно и безопасно измерять значения, превышающие номинальные возможности приборов, сохраняя их работоспособность и точность. Эти методы являются неотъемлемой частью электротехнических измерений и применяются повсеместно в различных областях, от промышленных систем до лабораторных исследований.