Измерение напряжения. Расширение пределов измерения вольтметра
§ 73. ИЗМЕРЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ. РАСШИРЕНИЕ ПРЕДЕЛОВ ИЗМЕРЕНИЯ
Для измерения напряжения служат вольтметры, милливольтметры и микровольтметры различных систем. Эти приборы включают параллельно нагрузке, а потому сопротивление их должно быть как можно больше. В связи с этим уменьшается достоверность про изведенного измерения.
Для расширения пределов измерения вольтметра к обмотке измерительного механизма последовательно присоединяют многоомное сопротивление, носящее название добавочного сопротивления (rд). Схема включения вольтметра с добавочным сопротивлением приведена на рис. 85.
При такой схеме из n частей напряжения, подлежащего измерению, на обмотку прибора приходится лишь одна часть, а остальные n-1 частей – на добавочное сопротивление. Это происходит потому, что сопротивление rд берется больше сопротивления вольтметра в n —1 раз, а при последовательном соединении напряжение распределяется пропорционально величине сопротивления.
Общее измеренное напряжение равно сумме падения напряжения на этих сопротивлениях.
Число n показывает, во сколько раз расширяют предел измерения вольтметра.
Пусть имеющийся у нас вольтметр позволяет измерять напряжение Uв = 30 в, а необходимо измерить этим прибором напряжение U=120 в. Значит, нужно расширить предел его измерения
Добавочное сопротивление, которое надо присоединить последовательно к вольтметру, можно определить по формуле
Если сопротивление вольтметра rв = 3000 ом, то для расширения предела измерения прибора в 4 раза необходимо, чтобы добавочное сопротивление
После присоединения к вольтметру добавочного сопротивления каждое деление шкалы прибора будет соответствовать величине, в n раз большей, чем указано на ней. Например, в нашем случае, если стрелка прибора установится на цифре 30, то это будет означать, что напряжение
Добавочные сопротивления изготовляют чаще всего из манганина или константана. Оба эти материала имеют большое удельное сопротивление и малый температурный коэффициент сопротивления.
Шунты и добавочные сопротивления могут быть установлены внутри корпуса прибора или подключаться к его зажимам на время измерений.
Источник
1. Расширение пределов измерения вольтметра.
Р
асширение пределов измерения вольтметра достигается путем включения добавочного сопротивления последовательно с имеющимся прибором (рис.5).
Согласно рис.5 имеем: 
. Отсюда получаем выражение для определения величины добавочного сопротивления: 
(6), где Uпр -максимальное напряжение, для которого определяется Rдоб, Iпр — ток отклонения стрелки прибора, rвн — внутреннее сопротивление прибора. Обычно добавочное сопротивление Rдоб изготовляется из магниновой или константановой проволоки, а так же из графитовых и металлизированных сопротивлений.
2. Расширение пределов измерения амперметров
Для расширения пределов измерения амперметров постоянного тока применяются шунты. Шунт — это сопротивление, которое включается параллельно рамке измерительного прибора (рис.. 6) Шунт отводит часть общего тока Iоб через себя и тем самым уменьшает ток, текущий через рамку прибора.
С
огласно рис.6 имеем: 
, или 
.
Отсюда после преобразования, получаем соотношение по которому определяется сопротивление шунта:
(7),
где rвн — сопротивление рамки прибора, 
, Iоб — величина тока, который необходимо измерить, Iвн — ток полного отклонения стрелки прибора.
3. Расширение пределов измерения амперметров
Д
ля измерения больших переменных токов применяются измерительные трансформаторы токов, которые не только позволяют расширить пределы измерения амперметров, но и позволяют хорошо изолировать их от цепей высокого напряжения, что важно из соображений безопасности. Трансформатор тока состоит (рис.7) из двух обмоток первичной, включаемой в сеть и обозначаемой буквамиЛ1 и Л2 (Л1,2 — включается в сторону генератора), и вторичной, обозначаемой буквами U1 и U2 и подключается к амперметру.
Трансформаторы тока изготовляются переносными, а так же с разъемным сердечником, так называемые, токовые клещи, которые применяются для измерения тока без разрыва цепи, например, на линиях электросетей 220-380 В.
ИЗМЕРЕНИЯ ВОЛЬТМЕТРОВПЕРЕМЕННОГО ТОКА.
Д
ля расширения пределов измерения вольтметров переменного тока используются измерительные трансформаторы напряжения (рис.8).
Первичная обмотка трансформатора напряжения включается в сеть высокого напряжения, т.е. контролируемую цепь. Ко вторичной обмотке трансформатора напряжения подключается вольтметр, а так же параллельные катушки ваттметра, фазометра и других измерительных приборов.
Р
ассчитать по формуле (6) и подобрать на магазине сопротивлений номинальные добавочные сопротивления для вольтметра V2 с диапазонами измерения на 30 и 160В с целью расширения пределов его измерения до 220В.
Собрать цепь согласно рис.9, где V1 -контрольный вольтметр на 300В, a V2—испытываемый вольтметр. В качестве Rдоб используется магазин сопротивлений.
Изменяя входное напряжение, снять 10-15 показаний приборов V1 и V2, записать их в форме таблицы и построить график 
. По оси абсцисс отложить значения V1, а по оси ординат V2.
Рассчитать по формуле (7) Rш для амперметра на 5А с целью расширения пределов измерений до 25А.
С
обрать цепь согласно схеме рис.10. Амперметр A1 рассчитан на 10А, а A2 до 5А. Изменяя ток при помощи реостата R произвести 10-15 измерений, которые записать в форме таблицы и построить график зависимости
Подключить вольтметр к измерительному трансформатору согласно рис.11, сделать измерения и записать их.
1.Самостоятельно изучить устройство приборов магнитоэлектрической системы. Основное уравнение шкалы. Преимущества и недостатки приборов МЭ системы.
2.Объяснить устройство и принцип действия приборов электромагнитной и электродинамической систем.
Можно ли магнитным шунтом воздействовать на характер шкалы и почему?
Изменится ли электродинамическая постоянная прибора, если он используется не в качестве амперметра, а в качестве вольтметра?
5.Можно ли воздействовать на характер шкалы изменением противодействующего момента?
6. Для чего служат измерительные трансформаторы?
Можно ли прибором электромагнитной системы измерять постоянное напряжение?
Источник
5. Расширение пределов измерений амперметров и вольтметров
Расширение предела измерения амперметра производится с помощью шунта. Шунт – это резистор, подключенный параллельно зажимам амперметра в цепь измеряемого тока и обладающий малым омическим сопротивлением (рис.1.1).
Рис. 1.1. Схема включения шунта
Сопротивление шунта рассчитывается следующим образом.
, (1.8)
где 
,
– расширенный предел измерения,
– исходный предел измерения амперметра;
– внутреннее сопротивление амперметра;n – коэффициент расширения предела измерений.
Расширение предела измерения вольтметра производится с помощью добавочного резистора.
Добавочным называется резистор, включенный последовательно с вольтметром и обеспечивающий расширение предела измерения напряжения (рис.1.2).
Рис. 1.2. Схема включения добавочного резистора
Значение сопротивления добавочного резистора определяется по формуле
, (1.9)
где 
; 
– расширенный предел измерения; 
– исходный предел измерения вольтметра;RV – внутреннее сопротивление вольтметра; m – коэффициент расширения предела измерений.
6. Примеры решения задач
Задача 1.1. Выразить значения ФВ в дольных и кратных единицах:
а) тока 0,05 А и 0,086 мА в микроамперах,
б) частоты 410 8 Гц и 250 кГц в мегагерцах.
Решение. Используя множители, соответствующие кратным и дольным единицам физических величин, выразим:
а) I = 0,05 А = 5010 3 10 -6 А= 5010 3 мкА;
I = 0,086 мА= 8610 -6 А = 86 мкА;
б) f = 410 8 Гц = 40010 6 Гц = 400 MГц;
f = 250 кГц = 0,2510 6 Гц = 0,25 МГц.
Задача 1.2. Показания прибора равны Uпок = 73,7538 В. Абсолютная погрешность СИ составляет ∆ = ±2,623 В. Записать правильно результат измерений.
Решение. В соответствии с правилами округления произведем округление значения абсолютной погрешности. Первая значащая цифра – «2», поэтому необходимо оставить две значащих цифры, причем округление выполняем в сторону увеличения абсолютного значения (модуля), то есть
Число, выражающее результат измерений, округляем до того же десятичного знака, что и округленное значение абсолютной погрешности. При этом, так как округляемая цифра равна «5», но за ней следуют цифры отличные от нуля, то последнюю сохраняемую цифру увеличиваем на «1», то есть
.
Правильная запись результата: 
Задача 1.3. При измерении напряжения сигнала стрелка вольтметра установилась на отметке 50 В. Вольтметр имеет равномерную шкалу от 0 до 100 В. Класс точности прибора – 1,0. Определить максимальные значения абсолютной, относительной и приведенной погрешностей вольтметра. Считая, что погрешность измерения полностью определяется погрешностью средства измерения, записать результат измерения.
Решение. Класс точности вольтметра (согласно таблице 1.5) соответствует пределу допускаемой приведенной погрешности, то есть 
.
По определению 
, следовательно,
.
При равномерной шкале и нулевой отметке на краю диапазона измерений нормирующее значение XN определяется верхним пределом измерения (100 В).
Тогда 
.
Исходя из определения относительной погрешности,
Задача 1.4. Решить задачу 1.3, если класс точности вольтметра
Другие условия задачи сохраняются.
Решение. При указанном обозначении класс точности соответствует пределу допускаемой относительной погрешности, то есть 
Так как 
, то
,
где X − значение измеренного вольтметром напряжения.
.
Результат измерения: Ux = 50,0 В 0,5 В.
Задача 1.5. Решить задачу 1.3, если класс точности вольтметра обозначается
. Другие условия задачи сохраняются.
Решение. При указанном обозначении класса точности
=
Абсолютная погрешность равна 
.
,
Результат измерения Ux= 50,000 В 0,015 В.
Задача 1.6. Определить сопротивление шунта Rш к миллиамперметру со шкалой 050 мА и внутренним сопротивлением RA = 100 Ом для расширения предела измерения до 800 мА.
Решение. Сопротивление шунта определяется по формуле
, 
где 
– расширенный предел измерения, 
– исходный предел измерения миллиамперметра.
Подставив численные значения, получим
.
Задача 1.7. Определить добавочное сопротивление к милливольтметру со шкалой 030 мВ и сопротивлением Rд = 25 кОм для расширения его предела измерений до 6 В.
Решение. Добавочное сопротивление определяется по формуле
,
где 
;Uпp – расширенный предел измерения, UV – исходный предел измерения милливольтметра.
Подставив численные значения, получим
Задача 1.8. Определить внутреннее сопротивление амперметра методом вольтметра-амперметра, если: вольтметр В7-15 с классом точности 2,5 показал 15 В на пределе 30 В; амперметр с классом точности 1,5 показал 30 мА на пределе 50 мA. Оценить относительную погрешность косвенного метода измерения сопротивления данным методом.
Решение: Рассчитать сопротивление исследуемого прибора, зная значения силы тока и напряжения, можно по закону Ома
.
Подставив численные значения, получим
.
Погрешность измерений при косвенном измерении определяется погрешностью измерения значения напряжения и силы тока
,
где δA – относительная погрешность измерения тока; δV – относительная погрешность измерения.
Расчет относительной погрешности измерения напряжения вольтметром
; 
;
.
Расчет относительной погрешности измерения тока амперметром
Источник
