Изменение чувствительности амперметра: шунты и трансформаторы

1. Теоретические основы изменения чувствительности электроизмерительных приборов. В практической электротехнике, метрологии и лабораторной практике часто возникает необходимость измерения широкого спектра величин электрического тока с помощью единого измерительного механизма. Базовые электроизмерительные приборы, обладающие высокой чувствительностью (такие как миллиамперметры и микроамперметры), рассчитаны на протекание весьма незначительных токов через их подвижную систему. Прямое включение чувствительных измерительных головок в силовые высокотоковые цепи неминуемо приводит к термическому разрушению рамки, повреждению токоведущих пружин и выходу оборудования из строя.

Для решения задачи варьирования диапазона измерений и эффективного изменения чувствительности амперметра (то есть адаптации одного и того же прибора для регистрации различной силы тока) применяются специализированные методики масштабирования. В цепях постоянного тока ключевым методом является шунтирование, заключающееся в параллельном подключении калиброванного сопротивления — шунта. В цепях переменного тока для аналогичной цели задействуются измерительные трансформаторы тока, обеспечивающие не только масштабирование измеряемой величины, но и гальваническую развязку измерительных приборов от высокого напряжения цепи.

2. Принцип работы и классификация шунтов в цепях постоянного тока. Математическая модель шунтирования опирается на основные законы Кирхгофа и закон Ома для разветвленной электрической цепи. Пусть I — общая сила тока в цепи, которую необходимо измерить, IA — предельный ток, протекающий через рамку амперметра с внутренним сопротивлением RA, а IШ — ток, ответвляющийся в параллельно подключенный шунт с сопротивлением RШ:

I = IA + IШ и IA · RA = IШ · RШ

Коэффициент расширения предела измерений (или коэффициент шунтирования) n = I / IA определяет, во сколько раз увеличивается верхний предел шкалы прибора. Из приведенных соотношений выводится классическая формула расчета сопротивления шунтирующего резистора:

RШ = RA / (n − 1)

В зависимости от конструктивного исполнения и сферы применения шунты подразделяются на две основные категории: постоянные (встроенные) и сменные (наружные).

Рис. 160. Встроенный постоянный шунт в корпусе амперметра

Встроенные шунты (Рис. 160) монтируются непосредственно внутри корпуса электроизмерительного прибора. Они жестко распаиваются на выводах измерительного механизма на заводе-изготовителе, формируя прибор с фиксированным диапазоном измерений. Сменные же шунты (Рис. 140—142) представляют собой внешние калиброванные резисторы, выполняемые из материалов с низким температурным коэффициентом электрического сопротивления (например, манганина). Они подключаются к внешним клеммам прибора с помощью специальной пары потенциальных и токовых зажимов, что сводит к минимуму погрешность от переходных сопротивлений контактов.

Изготовление шунтов представляет собой существенно более сложную научно-техническую и производственную задачу, чем расчет и подбор дополнительных сопротивлений к вольтметрам. Это обусловлено крайне малыми значениями сопротивления шунта (часто доли или единицы миллиом), а также необходимостью строгой компенсации термоэлектродвижущей силы (ТЭДС), возникающей в местах спая манганина с медными токоподводящими шинами. Однако эта задача вполне разрешима для терпеливого, аккуратного и квалифицированного преподавателя или исследователя в условиях оборудованной физической лаборатории.

3. Конструкция и эксплуатация многопредельных многодиапазонных приборов. В лабораторной практике и научных исследованиях широко распространены универсальные многопредельные амперметры постоянного тока и миллиамперметры. Данные приборы снабжаются несколькими встроенными или наружными шунтами, обеспечивая ступенчатое переключение диапазонов измерений.

Рис. 161. Миллиамперметр М-61 (МЭ СССР) с наружным шунтом для установки на распределительном щите

Типичным примером такого оборудования является миллиамперметр М-61 (Рис. 161), выпускавшийся для распределительных щитов и учебных лабораторий. На лицевой панели универсального прибора расположены коммутационные клеммы. Клемма со знаком «+» подключается к проводнику цепи, соответствующему положительному полюсу источника питания (генератора или выпрямителя). Для приборов с двусторонней шкалой, у которых нулевая отметка находится посередине, к клемме «+» допускается присоединять любой проводник измеряемой цепи.

Второй проводник цепи приключают к одной из оставшихся клемм в зависимости от выбранного номинального значения шкалы (1 mA, 10 mA, 100 mA и т. д.). В современных многопредельных приборах выбор диапазона часто осуществляется путем установки в соответствующее положение рукоятки многопозиционного переключателя диапазонов, встроенного в прибор. При работе с подобным оборудованием крайне важно строго соблюдать последовательность переключения: выбор предела следует производить от наибольшего к наименьшему во избежание зашкаливания стрелки и механического повреждения растяжек подвижной системы.

4. Трансформаторы тока в цепях переменного тока: физические принципы и схемы включения. В цепях переменного тока использование омических шунтов для измерения больших токов становится экономически и технически нецелесообразным из-за высокого тепловыделения, а также возникновения фазовых погрешностей, вызванных индуктивностью шунта. В связи с этим для измерения сильных переменных токов применяются специальные измерительные трансформаторы тока (Рис. 162—163).

Рис. 162. Измерительный трансформатор тока

Первичная обмотка T1 такого трансформатора состоит из одного или нескольких витков весьма толстой проволоки либо представляет собой прямую медную/алюминиевую шину. Она включается в исследуемую цепь последовательно с электроприемником (Рис. 164). Вторичная обмотка T2, напротив, выполняется из большого числа витков тонкой проволоки и замкнута на измерительный прибор — амперметр A.

Рис. 164. Схема последовательного включения первичной обмотки измерительного трансформатора тока в цепь нагрузочного приёмника

Принципиальный физический механизм работы обусловлен явлением электромагнитной индукции: переменный ток I1, протекающий по первичной обмотке T1, создает в замкнутом ферромагнитном сердечнике переменное магнитное поле. Под действием этого поля во вторичной обмотке T2 наводится переменная электродвижущая сила (ЭДС), вызывающая протекание вторичного тока I2 через подключенный амперметр. Отношение токов определяется коэффициентом трансформации, обратно пропорциональным числу витков обмоток w1 и w2:

I1 / I2 = w2 / w1 ⇒ I1 = I2 · (w2 / w1)

Измерительный прибор (амперметр) градуируется непосредственным образом так, что его показания на шкале сразу соответствуют реальным значениям силы тока, текущего через первичную обмотку T1.

5. Измерительные клещи Дитце: бесконтактная диагностика токов. Значительный научно-практический и инженерный интерес представляют собой специализированные переносные трансформаторы тока — токовые щипцы (клещи Дитце) (Рис. 163). Данный конструктивный тип приборов позволяет проводить оперативные измерения силы тока в любом из изолированных или неизолированных проводов переменного тока без разрыва рабочей электрической цепи.

Рис. 163. Измерительные щипцы Дитце (токовые клещи) с разъёмным магнитопроводом

В клещах Дитце, представляющих собой модифицированный трансформатор тока, в полной мере используются индуктивные свойства переменного магнитного поля, существующего вокруг любого проводника с переменным током. Конструкция прибора включает в себя разъемный магнитопровод О, шарнирно соединенный с рукоятками B и C.

При сближении рукояток B и C магнитопровод О разнимается на две части P, что позволяет охватить исследуемый провод цепи без его демонтажа. После разведения рукояток пружинный механизм смыкает магнитопровод О вокруг проводника. Этот проводник начинает выполнять роль одновитковой первичной обмотки. Магнитный поток замыкается по сердечнику и наводит ЭДС во вторичной обмотке, намотанной на магнитопровод и соединенной со встроенным миллиамперметром. Стрелка прибора моментально указывает силу текущего в проводе тока.

6. Методические и практические аспекты применения трансформаторов тока. Применение трансформаторов тока в учебном процессе и лабораторной практике представляет для преподавателя существенно более сложную методическую и организационную задачу, чем использование трансформаторов напряжения. Это связано с жесткими требованиями безопасности: вторичная цепь трансформатора тока ни в коем случае не должна размыкаться под нагрузкой. При размыкании вторичной обмотки размагничивающий поток исчезает, магнитный поток в сердечнике резко возрастает, что приводит к перегреву железа и наведению на разомкнутых клеммах опасного для жизни высокого напряжения (до нескольких киловольт).

Кроме того, постановка сложных лабораторных работ с измерительными трансформаторами тока в школьных условиях не имеет глубокого практического значения, поскольку в типовых школьных физических лабораториях обычно не приходится измерять силы тока, превышающие несколько ампер (порядок свыше десятков ампер практически не встречается). Тем не менее, теоретическое понимание принципов шунтирования и трансформации тока остается фундаментальной базой для освоения курса общей физики, электротехники и метрологии.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Д. Д. Галанин, Е. Н. Горячкин, С. Н. Жарков, А. В. Павша, Д. И. Сахаров.

Источник: Физический эксперемент в школе. т. 3

Данные материалы будут полезны преподавателям физики и электротехники, студентам инженерно-технических специальностей, учащимся старших классов, а также всем, кто интересуется вопросами практической электродинамики и методиками наглядного моделирования физических процессов.