Токовый шунт (ТШ), в соответствии с ГОСТ 30012.1-2002 — это устройство, представляющее собой сопротивление, включаемое параллельно измерительной цепи прибора (в контексте измерительных приборов таких как стрелочный вольтметр или амперметр).
Если же рассматривать шунт именно как метрологический специализированный первичный измерительный преобразователь (преобразователь первичной величины (тока) в удобно измеряемую величину (напряжение)), то он может работать в связке не только со стрелочными приборами, но и как элемент схемы, посредством которого можно контролировать величину тока (используя закон Ома). Именно с этой точки зрения и рассмотрим данное изделие.
Принцип работы
Принцип работы токового шунта (далее в тексте также будет использоваться дополнительный термин — измерительное сопротивление (ИС)) основан на законе Ома для участка цепи:
Инструмент включается последовательно с нагрузкой (то есть в разрыв цепи). И когда через него протекает ток, на нём же падает некоторое напряжение. Заранее знаем сопротивление изделия, измеряем падение напряжения — можно вычислить величину искомого тока по формуле выше.
Токовый шунт в мультиметре
Яркий пример применения ТШ — токоизмерительный канал в составе мультиметра (тестера). У большинства бюджетных моделей есть два диапазона измерения: до 400 мА и до 10 А (есть модели до 20 А). Если вскрыть корпус мультиметра, то можно увидеть ИС, которое используется для диапазона до 20 А (представляет собой проводник с относительно большой площадью сечения):
Для защиты измерительного прибора последовательно с ИС ставят плавкий предохранитель. Но чаще всего бюджетные устройства снабжаются предохранителями только для канала 400 мА. Модели подороже могут комплектоваться предохранителями и для диапазона 10 (20) А.
На рисунке 2 представлены «внутренности» мультиметра UT61C. Справа видно, что имеется два установленных предохранителя, один из которых рассчитан на максимальные 10 ампер. Данный предохранитель установлен в цепь с мощным ТШ (на рис. 3 обозначен как R28).
На рисунке 4 представлена упрощённая схема измерения тока посредством тестера. Батарея GB1 питает нагрузку — лампочка накаливания EL1. Встроенный аналого-цифровой преобразователь мультиметра (на схеме обозначен как вольтметр) осуществляет измерение падения напряжения на ИС. Контроллер производит расчёт искомой величины, используя заранее известное значение сопротивления.
Промышленные метрологические шунты
В зависимости от уровня измеряемой величины, ТШ изготавливаются разных размеров. Чем больше ток, тем крупнее и, соответственно, тяжелее изделие. Это связано с тем, что в процессе работы инструмент нагревается. А это влияет на величину сопротивления, что крайне нежелательно, поскольку закономерно влияет на точность измерений. Таблица 1 представляет соответствие сопротивления номинальному току, а также указана масса прибора, что говорит о его габаритах.
Ниже представлено несколько моделей промышленных ТШ, рассчитанных на различные рабочие диапазоны.
Практически все промышленные варианты ИС имеют примерно одинаковую конструкцию:
— основой является пластина (или набор пластин), которая изготовленная из манганина. Манганин — это прецизионный сплав, состоящий из меди (примерно 85 %) с добавлением марганца (11,5…13,5 %) и никеля (2,5…3,5 %). Этот материал используется для изготовления высокоточных измерительных приборов, поскольку обладает очень малым температурным коэффициентом сопротивления (ТКС). Пластины являются основным резистивным элементом всего изделия, и в процессе изготовления для подгонки номинала на пластинах делают технологические насечки;
— манганиновые пластины устанавливаются между двумя медными шинами (соединение пластины с шиной осуществляется пайкой), к которым подключаются силовые цепи посредством резьбового соединения;
— для снятия потенциала (измерения падения напряжения) на медных шинах также присутствуют отдельные места под резьбовое соединение.
Зачастую, промышленные варианты изготавливаются так, что определённому диапазону тока соответствует своё номинальное сопротивление. К примеру, ИС, рассчитанное на измерение (0…75) А, имеет номинальное сопротивление 1000 микроом (мкОм). Таким образом, при протекании 75 А на ИС будет падать 75 милливольт (мВ). Причём это значение является одним из стандартов при изготовлении этих инструментов.
Рассмотрим на конкретном примере изделие модели 75ШСМ.М3-75-0,5.
Расшифровка маркировки следующая:
75ШСМ.М3-75-0,5
75 — число, определяющее номинальное падение напряжения (милливольты);
ШСМ — шунт измерительный стационарный модернизированный;
М3 — климатическое исполнение «М» категории размещения «3» для макроклиматических районов с умеренно-холодным морским климатом;
75 — число, указывающее на номинальное значение (амперы);
0,5 — класс точности.
Пример использования (эксперимент)
Рассмотрим работу с ТШ на конкретном практическом примере. Предположим, необходимо контролировать ток заряда аккумулятора. Для этой цели воспользуемся инструментом на 5 А — 75ШСТ2-5-0,5:
Расшифровка маркировки следующая:
75ШСТ2-5-0,5
75 — число, определяющее номинальное падение напряжения (милливольты);
ШС — шунт измерительный стационарный;
Т2 — климатическое исполнение «Т» категории размещения «2» для макроклиматических районов с тропическим климатом;
5 — число, указывающее на номинальное значение (амперы);
0,5 — класс точности.
Данное изделие имеет сопротивление 0,015 Ом, и при протекании 5 А на нём будет падать 75 мВ.
На рисунках 10 и 11 представлены принципиальная схема для нашего эксперимента и фотография собранного макета:
Зарядное устройство E1 подключено к свинцовому аккумулятору через мультиметр PA1 (в режиме амперметра, расположен справа на фото) и измерительный шунт, которые включены последовательно друг за другом в одну цепь. Мультиметр PV1 в режиме вольтметра (на фото расположен слева) подключен к потенциальным зажимам.
Зарядное устройство настроено на подзарядку величиной 0,9 А. Показания амперметра соответствующие. На ИС падает 13,65 мВ:
Вычислим значение тока через ТШ, воспользовавшись либо законом Ома, либо пропорцией:
или
Расчётные значения достаточно близки к показаниям амперметра.
Выводы
Токовый шунт является относительно простым, но надёжным и эффективными инструментом для измерения электрического тока с высокой точностью.
Недостатком таких изделий является отсутствие гальванической развязки от силовой цепи, в отличие от датчиков Холла. Тем не менее, ТШ широко используются в метрологических приборах и лабораторных установках.