Электронные токовые шунты для измерений с высокой точностью
Современные токовые шунты (ТШ) позволяют проводить измерения в цепях постоянного и переменного тока и обеспечивают широкий частотный диапазон. В настоящее время для прецизионных измерений применяются шунты с диапазоном частот до 100 кГц и точностью, которую ранее не могли обеспечить коммерчески доступные технологии их производства.
Обычно шунты представляют собой набор низкоиндуктивных мер сопротивления и обеспечивают заявленную точность при номинальной нагрузке. Лабораторные ТШ характеризуются стабильным сопротивлением, низким температурным коэффициентом и широким диапазоном сопротивлений. С их помощью точные измерения можно выполнять в один этап. Ранее для этих целей требовались более сложные методы с использованием традиционных эталонов‑переносчиков переменного и постоянного тока. Типичная схема определения параметров источников питания с использованием ТШ приведена на рис. 1.
Электронная нагрузка, которая используется для задания определенного значения тока, не обеспечивает образцовой точности, поэтому в качестве образцового средства измерений используется ТШ. В этом случае действительное значение тока в измерительной цепи определяется соотношением:
Iизмi = UV2/RИ.
Так же, как и электронные нагрузки, которые пришли на смену механическим реостатам, электронные шунты представляют собой набор механических мер сопротивления, размещенных в одном лабораторном приборе и электронно-коммутируемых с измерительной цепью. Электронные шунты имеют индикаторы для отображения результатов измерений или выходы для подключения измерительного оборудования.
Рассмотрим несколько вариантов современных лабораторных ТШ.
АКИП‑7501 (рис. 2) выполнен в моноблочном корпусе с четырьмя входными терминалами на передней панели для подключения к измерительным шунтам. Два гнезда терминала CURRENT INPUT (красный/черный) обеспечивают последовательное подключение выбранного сопротивления измерительного шунта к нагрузке. Подключение может быть выполнено при помощи соединителя типа «банан» (4 мм) или винтовой клеммой типа «под зажим». Максимальное допустимое значение протекающего тока указано на передней панели прибора над соответствующим терминалом. Переключатель пределов RANGE при помощи пяти клавиш служит для выбора потенциальных выходных клемм VOLTAGE OUTPUT (пределы падения напряжения) и коммутации к цепи встроенного амперметра (4,5 разряда). В этом же поле панели осуществляется выбор режима шунта: АС (при активации загорается сигнальная лампа) или DC (лампа не горит). Текущее значение тока на шунте можно измерить с помощью встроенного цифрового амперметра, имеющего 4,5 разряда. Подключение ТШ к потенциальному выходу и встроенному амперметру производится при помощи кнопочного переключателя. При этом не обязательно отключать нагрузку от источника тока при переключении предела, так как все шунты изолированы друг от друга.
АКИП‑7501 обеспечивает прецизионную точность. Предел допускаемой основной погрешности ТШ по сопротивлению составляет 0,01–0,02% (в зависимости от предела) на постоянном токе и 0,1% на переменном (до 400 Гц). Такая точность обеспечивается передачей единицы измерения от Государственных первичных эталонов по поверочной схеме. Данные шунты внесены в Госреестр СИ и рекомендованы к применению в качестве эталонного оборудования.
Следующая модель электронного ТШ — PCS‑71000 (рис. 3) — является новой разработкой компании Good Will Instrument (Тайвань).
Этот электронный шунт сочетает в себе сразу три прибора — многозначную меру сопротивления, амперметр 6 1/2 разряда и вольтметр 6 1/2 разряда. Данный ТШ имеет тот же набор прецизионных мер сопротивления, что и его аналог АКИП‑7501, — пять эталонных мер 0,001, 0,01, 0,1, 1, 10 Ом, программно коммутируемых с измерительной цепью. Предел допускаемой основной погрешности шунта по сопротивлению также составляет 0,01–0,02% на постоянном токе и 0,1% на переменном (до 400 Гц). Однако есть ряд существенных отличий в метрологических и конструктивных параметрах. Например, шунт PCS‑71000 имеет более высокий верхний предел по току 300 А, который разбит на пять поддиапазонов — 300, 30 и 3 А, 300 и 30 мА. Диапазоны 3 А, 300 и 30 мА имеют один выход, на который программно коммутируются меры сопротивлений. Такое решение, казалось бы, повышает риск выбрать ошибочно диапазон и вывести прибор из строя, если подать ток, превышающий выбранный предел. Но разработчики предусмотрели ряд защитных функций, которые предотвращают ошибку оператора. Выбор предела по току прибор может осуществлять автоматически, переключая при этом требуемое сопротивление, если ток будет превышать допустимое значение. Высокоамперный выход выведен на заднюю панель. Подключение осуществляется стандартным способом: измерительный провод крепится к клеммам болтовым соединением (рис. 4).
В результате ТШ PCS‑71000 получился более компактным, чем АКИП‑7501. Разработчики сделали конструкцию ровно в половину 19″ стойки. Это позволяет сэкономить место на рабочем столе оператора (рис. 5).
PCS‑71000 оснащен полнофункциональными высокоразрядными амперметром и вольтметром. Для вольтметра предусмотрены отдельные входы, рассчитанные на напряжение 600 В для сигнала переменной частоты и до 1000 В постоянного напряжения. Индикаторы тока и напряжения имеют 6,5 разряда и могут использоваться для проведения комплексного тестирования параметров источников питания.
На рис. 6 представлена типовая схема подключения шунта в режиме тестирования источника питания.
Помимо встроенного амперметра, для проведения прецизионных измерений в PCS‑71000 предусмотрен потенциальный выход (аналогично с АКИП‑7501). Встроенные вольтметр и амперметр имеют настройки, как и более функциональные средства измерений — универсальные вольт-метры. При считывании показаний пользователь может задать число усреднений, выбрать разрядность индикатора, а также настроить скорость отображения результатов измерений на индикаторе.
Кроме того, большим плюсом этого ТШ является наличие интерфейсов дистанционного управления USB и GPIB, что позволяет его использовать в автоматизированных измерительных системах.
Все ТШ характеризуются коэффициентом мощности. С повышением протекающего через них тока изменяется его номинальное сопротивление. Конструктив и типы используемых компонентов в данных моделях разные, но зависимость изменения сопротивления от мощности в обеих моделях линейная и не превышает пределов допускаемой основной погрешности шунта по сопротивлению.
Для точных электроизмерений немаловажное значение имеют не только технические характеристики СИ, но и соединительные кабели — как самостоятельный элемент схем коммутации при тестировании. В области электроизмерений подход к конструкции кабельной сборки или перехода должен осуществляться исходя из специфики и условий его применения. Компания «ПриСТ» рекомендует пользоваться измерительными проводами только известных торговых марок, таких как Pomona (США). Компания Pomona, имеющая более чем 50‑летний опыт в производстве аксессуаров к измерительным приборам, учитывает все современные требования к такой продукции, а в производстве использует только высококачественные материалы. Для обеспечения предела диапазона по току до 250 А предлагается опция специального высокостабильного по сопротивлению кабеля.
Электронные ТШ АКИП‑7501 и PCS‑71000 являются новейшими разработками в области точных электроизмерений и обладают всеми достоинствами современных лабораторных средств измерений, такими как:
- высокая точность измерений;
- компактное исполнение;
- универсальность и многофункциональность;
- возможность дистанционного управления (PCS‑71000).