Токочувствительные компоненты и методы измерения тока

Измерение тока и напряжения

Измерения в цепях постоянного тока

Измерения постоянного тока и напряжения производятся с помощью приборов магнитоэлектрической, электромагнитной, электродинамической систем, напряжение измеряется также электростатическими и электронными вольтметрами. Кроме этого, для более точных измерений используются компенсаторы постоянного тока.

Магнитоэлектрические измерительные механизмы непосредственно являются микро- и миллиамперметрами или милливольтметрами, а в сочетании с шунтами и добавочными сопротивлениями – соответственно амперметрами и вольтметрами.

Для измерения и обнаружения малых токов (10-11 — 10-5 А) и напряжений (меньших 10-4 В) применяют гальванометры – высокочувствительные измерительные механизмы обычно магнитоэлектрической системы. В отличие от приборов, шкалы которых градуируются в измеряемых величинах, гальванометры имеют неименованную шкалу, цена деления которой указывается в паспортных данных прибора или определяется экспериментально.

Измерение постоянных токов и напряжений можно производить с помощью амперметров и вольтметров электромагнитной и электродинамических систем. Они применяются в основном для измерений в цепях переменного тока.

Электростатические измерительные механизмы являются электростатическими вольтметрами, так как они могут непосредственно измерять напряжение. Диапазон измеряемых ими напряжений находится в пределах от десятка вольт до сотен киловольт. Для измерения напряжений до 3 кВ используют измерительные механизмы с изменяющейся активностью поверхности электродов. Изготавливают вольтметры однопредельными и многопредельными, переносными (до 30 кВ) и стационарными (для измерения высоких напряжений, свыше 30 кВ).

Класс точности современных электростатических вольтметров достигает 0,1 и даже 0,05 (С-71), однако чаще всего изготавливают приборы классов 1,5; 2 и 2.5. Для уменьшения влияния внешних электростатических полей применяют электростатическое экранирование. Пределы измерений расширяют с помощью резисторных делителей напряжения.

Основными достоинствами электростатических вольтметров являются: очень малое собственное потребление мощности (большое входное сопротивление, 1010 Ом), способность измерять постоянные и переменные напряжения, возможность непосредственно измерять большие напряжения. К недостаткам относятся малая чувствительность и неравномерность шкалы.

Измерение постоянных напряжений от долей вольта до нескольких киловольт может осуществляться с помощью электронных вольтметров, которые содержат измерительный механизм и ламповый или транзисторный усилитель постоянного тока. Существует несколько разновидностей электронных вольтметров постоянного тока, однако все они характеризуются структурной схемой, показанной на рисунке 6.1 рис. 6.1.

Рис. 6.1.
Структурная схема электронного вольтметра постоянного напряжения: а) со стрелочным отсчетом; б) с цифровым отсчетом

Входное устройство (делитель напряжения), на которое подается напряжение UX , позволяет изменять пределы измерения и обеспечивает высокое входное сопротивление прибора.

В качестве измерительного механизма используют обычно магнитоэлектрический микроамперметр с пределами измерения 50 500 мкА.

Усилители постоянного тока предназначаются для повышения чувствительности прибора, увеличения мощности измеряемого сигнала до уровня, при котором обеспечивается требуемое отклонение указателя измерительного механизма. Усилители имеют высокое входное и малое выходное сопротивление. Это обеспечивает согласование входного сопротивления вольтметра (10 — 20 МОм) с малым внутренним сопротивлением микроамперметра. Наиболее часто усилители выполняются в виде мостовых схем с обратной связью.

Электронные вольтметры со стрелочным отсчетом имеют следующие особенности: большое входное сопротивление и, следовательно, малое потребление мощности от объекта измерения; высокую чувствительность при большом диапазоне измерения; способность выдерживать перегрузки; сравнительно небольшую скорость измерений (из-за инерционности магнитоэлектрического измерительного механизма); необходимость питания (от сети или батареи); большие погрешности (основная приведенная погрешность 2 — 3 %).

В настоящее время, конечно, большее распространение получили цифровые вольтметры – приборы с цифровым отсчетным устройством и аналого-цифровым преобразователем, в котором напряжение (или другие физические величины; частота, сдвиг фаз и т.д.) автоматически преобразуются в цифровой код. Такие приборы имеют ряд преимуществ перед стрелочными: обладают широким диапазоном измеряемых напряжений (от 1 мВ до 1000 В), быстродействием, позволяют проводить измерения с малыми погрешностями (0,01 — 0,005), так как принцип действия большинства приборов основан на методе сравнения, а цифровой отсчет исключает погрешность считывания. Цифровые вольтметры позволяют также вводить данные измерений непосредственно в вычислительные машины, что позволяет в дальнейшем обрабатывать полученные данные более оперативно.

К недостаткам можно отнести сложность устройства, меньшую надежность и высокую стоимость.

Существуют различные принципы построения цифровых вольтметров постоянного тока:

• По типу используемых элементов в схемах они делятся на:
• электромеханические;

электронные;

• комбинированные.

Обобщенная структурная схема электронного цифрового вольтметра представлена на рисунке 6.2 рис. 6.2.

Рис. 6.2.
Обобщенная структура схема электронного цифрового вольтметра

Входное устройство представляет собой высокоомное сопротивление (порядка 10 МОм) или катодный (эмиттерный) повторитель с калиброванным делителем.

Сравнивающее устройство (нуль-орган) служит для сравнения измеряемого и образцового напряжения.

Управляющие устройства состоят из генератора импульсов, задающего циклы измерения и управляющего работой логических схем.

Преобразователь напряжения в код создает образцовое напряжение UОБР , которое подается в сравнивающее устройство.

Электронный ключ представляет собой устройство, которое включает или переключает выходное напряжение под действием одного или нескольких входных напряжений, называемых управляющими.

Электронные счетчики осуществляют отсчет измеряемого напряжения в цифровом коде (обычно в двоичной системе).

Как не травмироваться при замерах?

Чтобы перестраховаться, если имеются сомнения, лучше ознакомиться с инструкцией к электроприбору и проверить верность подсоединения. Выполняя замеры, важно помнить о мерах защиты при работе с электротоком. Травмирование может случиться даже при работе с незначительной токовой мощности аппаратами. Особенно в условиях с высокой влажностью. Необходимо работать в прорезиненной спецодежде.

Для исследования СТ, ученые придумали измеряющие электроприборы. Из-за незначительного внутреннего сопротивления, эти измерители не оказывают влияние на параметры электротока в измеряемой токовой цепи. Приборы активно применяются на промобъектах и дома.

Источник

Три сопротивления в одном шунтовом резисторе

Несмотря на их внешний вид, современные шунтовые резисторы не так просты, как кажутся. В частности, сопротивление шунтового резистора фактически состоит из трех частей (рис. 2). Во-первых, есть сопротивление самого шунтового резистора. Затем, есть сопротивления выводов этого резистора и дорожек на печатной плате, подключаемых к шунтовому резистору. Обычно сопротивления выводов и дорожек незначительные, но и сами шунтовые резисторы обычно имеют очень низкие значения сопротивления. При измерениях больших токов даже небольшие сопротивления выводов вносят в результаты измерения погрешность, поскольку они не учтены производителем в спецификациях шунтового резистора.

Рис. 2. Токовый шунтовый резистор с двумя контактами фактически состоит из трех последовательно соединенных сопротивлений: сопротивление самого шунтового резистора (Rshunt), сопротивление двух выводов резистора (Rlead) и сопротивление подводящих дорожек на плате, подключенных к резистору (не показано). Сопротивление выводов может вызвать ошибку измерений для большого тока.

Одним из способов, позволяющих избежать ошибок измерения, вносимых внешними сопротивлениями выводов, является создание соединения Кельвина, выполнив раздельные токоизмерительные дорожки к двухконтактному шунтовому резистору (рис. 3).

Рис. 3. Соединение Кельвина с двухконтактным токочувствительным резистором уменьшает погрешность измерения, вызываемую сопротивлением выводов резистора и дорожек печатной платы. Пример изображения двухконтактных токовых шунтовых резисторов показан справа.

В этой конфигурации ток, протекающий через резистор токового шунта, проходит через широкие подводящие дорожки на печатной плате. Гораздо более узкие дорожки, которые находятся не в основном канале протекающего тока, но расположены непосредственно рядом с резистивным элементом шунтового резистора, снимают падающее на нем напряжение и передают его на вход AFE. Разделение токоведущих и токочувствительных контактов характеризует соединение Кельвина.

Полученное в результате схематическое представление соединения Кельвина с использованием двухконтактного шунтирующего резистора показано на рис. 4.

Рис. 4. Использование соединения Кельвина с двухконтактным шунтовым резистором выводит линии измерения напряжения из основной цепи тока, что приводит к более точному измерению напряжения на шунтовом резисторе

Очень малый ток протекает через два токочувствительных резистора (Rsense), показанных на рис. 4, потому что они подключены к имеющим высокий импеданс входам усилителя либо АЦП, что делает их сопротивления намного менее критичными, чем значения сопротивления выводов, через которые протекает большой ток шунтового резистора. Следовательно, падение напряжения на резисторах Rsense довольно небольшое и не является значительным источником ошибки при измерении тока.

Что лучше, два вывода или четыре?

Как видно из монтажной схемы печатной платы на рис. 3, невозможно полностью исключить сопротивления выводов в двухконтактном шунтовом резисторе даже при использовании соединения Кельвина. Должен быть определен некоторый допуск для размещения печатной площадки, чтобы учесть ошибку позиционирования, когда шунтовый резистор устанавливается для впаивания на печатную плату.

Кроме того, ТКС медных дорожек печатной платы (3900 м.д. (миллионных долей)/ ?C) намного выше, чем ТКС резистивного элемента шунтового резистора (часто менее 50 м.д./ ?C). Эти параметрические различия приводят к тому, что изменение сопротивления в дорожках печатной платы намного больше, чем в токочувствительном резисторе, что дает более высокую температурную зависимость токочувствительной цепи.

При использовании двухконтактного шунтового резистора с соединением Кельвина, часто уровень точности для чувствительности по току может оказаться недостаточным во многих случаях с очень высоким током. Для таких случаев производители предлагают шунтовые резисторы с четырьмя контактами, в которых соединение Кельвина реализовано внутри резистора. Таким образом, производитель может полностью контролировать все допуски и температурные коэффициенты, относящиеся к соединению Кельвина (рис. 5).

Токочувствительный резистор с четырьмя контактами, использующий соединение Кельвина, имеет отдельные выводы для протекающего через резистор большого тока и для измерения напряжения, что помогает повысить точность измерений. Кроме того, использование четырехконтактного шунтового резистора с соответствующим соединением Кельвина снижает влияние ТКС, обеспечивая улучшенную температурную стабильность, по сравнению с двухконтактным шунтовым резистором, использующим компоновку печатной платы для реализации соединения Кельвина.

Bourns предлагает несколько четырехконтактных шунтовых резисторов из серии для поверхностного монтажа CSS4 (рис. 6).

Рис. 6. Шунтовые резисторы Bourns CSS4 для поверхностного монтажа используют четырехконтактное соединение Кельвина для максимальной точности измерения тока.

В состав серии Bourns CSS4 входят шунтовые резисторы CSS4J-4026R-L500F 0,5 мОм, 1%, 5 Вт, и CSS4J-4026K-2L00F 2 мОм, 1%, 4 Вт. Оба эти шунта имеют низкий ТКС, низкую тепловую ЭДС и занимают на плате площадку не более 10 мм × 7 мм.