CC BY
3А.К. Зарипов, Э. Т. Дзидзава
АНАЛИЗ СХЕМ ПОДКЛЮЧЕНИЯ ШУНТОВ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТОКА
В современном мире измерительные приборы приобретают все большее значение, производство выходит на новый уровень. С каждым годом возрастает потребность на более качественные измерительные средства, а важнейшими чертами является точность и стабильность. Основополагающей величиной измерения в любом приборе является сила тока.
Ключевые слова: шунт, погрешность, сопротивление.
Схемы подключения:
Существует 3 основных вида подключения шунтированных резисторов.
2-проводная схема подключения.
С одной стороны, двухпроводная схема является самой надежной из-за своей простоты. Минусом данной схемы является высокая погрешность, особенно на длинных линиях и при малых номиналах сопротивлений сенсора-измерителя (50 Ом, 100 Ом). Это происходит из-за влияния сопротивления проводов.
3-проводная схема подключения.
Трехпроводная схема подключения - это компромисс между надежностью и точностью (между двухпроводной и четырехпроводной схемами). В данной схеме удается устранить дополнительную погрешность проводов за счет компенсации напряжения ип на соединительных проводах. При этом должно выполняться условие, что подключаемые провода обладают одинаковыми свойствами: имеют одно и тоже сопротивление и температурную зависимость.
4-проводная схема подключения.
Данная схема является самой точной, но и менее надежной. Ведь вероятность обрыва хотя бы одного из проводов увеличивается. Особенностью данной схемы является то, что питание осуществляется с помощью одних проводов на схеме, а измерение разности потенциалов на измерителе с помощью других.
В таком случае при измерении напряжения ток через пару проводников не протекает, как следствие, дополнительная погрешность из-за сопротивления проводов исключается полностью. Такой вариант подходит для тех применений, где основным критерием является точность измерений.
Исследование:
Для изучения данного вопроса проведем исследование на примере МЯ-114С1 модуль для измерения силы постоянного тока, рассмотрим схему подключения шунтов.
Схема подключения токоизмерительных шунтов. Эквивалентная схема измерительного канала модуля МЯ-114 с субмодулем ММ-117С1 приведена на рисунке 1, где и Я2-сопротивление печатных проводников, включенных последовательно с токоизмерительным шунтом Яш.
MR-114C1
Рис. 1. Эквивалентная схема измерительного канала модуля МЯ-114 (с субмодулем ММ-117)
© А.К. Зарипов, Э.Т. Дзидзава, 2022.
Сопротивление применяемых токоизмерительных шунтов ^ш на рисунке 1) составляет 4,99±0,00499 Ом.
С температурным коэффициентом сопротивления (ТКС) ±15 ррт/°С (±0,00007485 Ом/°С).
Суммарная длина L проводников на ПП, включенных последовательно с токоизмерительными шунтами каналов приведена в таблице ниже. Сечение данных проводников составляет S=0,018 мм*0,508 мм=0,00914 мм, где 0,018 мм-толщина медной фольги, а 0,508 мм-ширина проводников.
Электрическое сопротивление проводника.
5
где р-удельное сопротивление, для меди - от 0,0171 до 0,018 Ом*мм2/м при 20°С.
Сопротивление проводника при температуре 1
№ = Д20 * (1 + а • (Ь - 20°С))
где R20-сопротивление проводника при температуре 20°С, а-ТКС, для меди К от 0,0038 до 0,0040 1/°С. Расчетные значения сопротивлений R проводников (Д1 и R2 на рисунке 1) при температуре 20°С, 25°С, 50°С, абсолютная погрешность при изменении температур 50°С и уровне тока 20 мА на входах каналов и соответствующая величина приведенной погрешности приведены в таблице ниже.
Таблица 1
Расчетные значения
Канал ь, мм R(20oC), Ом R(25°C), Ом R(50°C), Ом Расчеты. абс. погр-ть при t 50°С Расчетн. погрешность, приведенная к диапазону, %
1 112 0,2110 0,2150 0,2350 0.0172 0,086
4 108 0,2044 0,2083 0,2277 0.0167 0,084
9 160 0,3025 0,3083 0,3370 0,0238 0,119
11 193 0,3647 0,3716 0,4063 0,0280 0,140
16 116 0,2190 0,2232 0,2440 0,0178 0,089
Было предложено разработать версию субмодуля ММ-117С1 с реализацией четырехпроводного подключения токоизмерительных шунтов и балансной топологии для пар проводников (см. рисунок 2).
Рис. 2. Эквивалентная схема с четырехпроводным подключением измерительного канала модуля MR-114 (с субмодулем ММ-117)
Выводы
Четырехпроводная схема подключения - это наиболее распространённый метод повышения точности. Аналогичный принцип используется для измерения силы тока с помощью вольтметра и шунтирующего резистора. Шунтирующий резистор в этом случае будет определять, сколько вольт или милливольт напряжения будет приходиться на ампер тока. Иными словами, резистор «преобразует» величину тока в пропорциональную величину напряжения.
Таким образом, сила тока может быть точно определена путем измерения напряжения на шунтирующем резисторе.
Рис. 3. Схема измерения силы тока с помощью вольтметра и шунтирующего резистора
Измерение тока при помощи вольтметра и шунтирующего резистора особенно актуально в цепях с токами большой величины. В таких цепях сопротивление шунта будет, вероятно, в пределах милли- или микроом, чтобы падение напряжения при полном токе было минимальным.
Сопротивление такой малой величины можно сравнить с сопротивлением соединительных проводов, а это значит, что замер напряжения на шунтирующем резисторе нужно произвести так, чтобы избежать измерения падения напряжения на токонесущих проводах. Для того, чтобы вольтметр измерял только напряжение на шунте, без всяких паразитных напряжений, возникающих из проводов и т.д., шунт оснащают четырьмя контактами.
Библиографический список:
1.Михаил Юрьевич Гук, Аппаратные интерфейсы ПК. Энциклопедия, Издательство «Питер»,2002. - 673с, ил.
2.Хоровиц П., Хилл.У. Искусство схемотехники: В 3-х томах: Т. 2. Пер. с англ.-4-е изд., перераб. и доп.-М.: Мир, 1993. - 371 с.
3.Бахтиаров, Г. Д. Аналого-цифровые преобразователи / Г.Д. Бахтиаров, В.Д. Малинин, В.П. Школин. - М.: Советское радио, 1980. - 280 c
4. WEB портал для разработчиков электроники [электронный ресурс]: База данных содержит информацию о способах измерения тока: https://www.terraelectronica.ru/ (дата обращения 10.12.2022)
ЗАРИПОВ АРТЕМ КАМИЛЕВИЧ - магистрант, Мытищинский филиал Московский государственный технический университет им Н.Э. Баумана, Россия.
ДЗИДЗАВА ЭВЕЛИНА ТИМУРОВАНА - бакалавр, Мытищинский филиал Московский государственный технический университет им Н.Э. Баумана, Россия.
