Амперметр: виды, схемы подключения и принцип работы

Что такое амперметр

Амперметр — это измерительное устройство, предназначенное для измерения электрического тока в цепи. Название происходит от единицы измерения электрического тока — Ампер (А). Устройства, используемые для измерения более низкого уровня тока в миллиамперах или микроамперах, называются миллиамперами или микроамперами.

Определение

Амперметр подключается последовательно к тому участку электрической цепи, где предполагается измерять ток. Поскольку измеряемый ток зависит от сопротивления элементов схемы, сопротивление амперметра должно быть как можно меньшим (очень маленьким). Это позволяет снизить влияние устройства измерения тока на измеряемую цепь и повысить ее точность.

Шкала прибора откалибрована в мкА, мА, А и кА, и подходящий прибор выбирается на основе требуемой точности и пределов измерения. Увеличение измеряемой силы тока достигается включением в цепь шунтов, трансформаторов тока, магнитных усилителей. Это позволяет увеличить предел измеряемого значения тока.

Когда был изобретен амперметр?

Первые попытки измерить силу электрического тока были сделаны в начале 19 века. В то время к проводнику подносили обыкновенный компас, по которому протекал электрический ток. По величине угла отклонения магнитной стрелки можно было судить о величине электрического тока.

История происхождения

По названию устройства можно догадаться, кто приложил руку к его созданию. Андре-Мари Ампер был блестящим ученым своего времени, много лет посвятившим электродинамике. Он имеет много значительных открытий в этой области:

• взаимодействие магнитного поля и электрического тока;
• магнитный эффект катушки с током;
• введение в научную терминологию понятий кибернетики и кинематики.

Главная заслуга ученого — не разработка прибора, а подготовка научного обоснования самой возможности создания амперметра и вольтметра. Поэтому первые упоминания о счетчике относятся к 1820-м годам, когда самому Амперу было уже более 50 лет.

Речь шла о простейшем устройстве — гальваноскопе, состоящем из витой проволоки и магнитной иглы. Это позволило захватить соответствующие показатели по степени отклонения стрелки.

В последующие десятилетия конструкция была улучшена. В 1884 году отечественные ученые разработали более совершенные устройства, но патенты были переданы Германии из-за недостаточного развития электротехники. Только тогда были утверждены названия современных ценностей. В 1881 году в связи с течением было принято решение, как измерить силу — в Амперах.

Как работают амперметры сегодня? Корпус дисплея содержит измерительную катушку и постоянные магниты, которые выравнивают его при подаче электрического тока. Чем больше отклонение, тем больше показатель прибора. Есть несколько разновидностей, различающихся дизайном и сферой применения.

Довожу до вашего сведения. Классический вид — прибор со шкалой, деления которой указывают силу тока в амперах. В зависимости от размера подвижный элемент поворачивает стрелку на определенный угол.

Принцип действия

Устройство современного амперметра предполагает наличие нескольких катушек, между которыми находится одна, подвижная и фиксированная в одном положении. Они подключаются последовательно или параллельно. Когда токи проходят через катушки, они взаимодействуют, в результате движущаяся катушка отклоняется. Включая устройство амперметра в электрическую цепь, амперметр включается последовательно с током. В цепях с более высокой силой тока или высоким напряжением устройство подключается через трансформатор для стабилизации напряжения.

Принцип работы классического аналогового амперметра заключается в том, что параллельно постоянному магниту на оси закреплен стальной элемент со стрелкой. От магнита свойства передаются заданному якорю, и положение якоря и магнита находится на пути силовых линий. В этом положении якоря на шкале отображается положение стрелки прибора на нулевом значении.

Когда ток от батареи или генератора начинает течь по шине, вокруг нее появляется магнитный поток. А силовые линии в точке крепления анкера на оси перпендикулярны направлению силовых линий в постоянном магните. От электрического тока и под действием магнитного потока якорь пытается повернуться на 90 градусов, но этому препятствует магнитный поток в магните. Уровень взаимодействия двух противоположно направленных магнитных потоков зависит от величины и направления тока в шине. Непосредственно от этого значения стрелка отклоняется от нуля на шкале амперметра.

Отклоняющий крутящий момент (сила)

Неисправность любого амперметра определяется совокупным действием отклоняющего момента (силы), управляющего момента (силы) и демпфирующего момента (силы). Величина изгибающего момента должна зависеть от измеренного электрического сигнала; этот момент (сила) заставляет инструмент вращаться из нулевого положения.

Управление крутящим моментом (силой)

Этот крутящий момент (сила) должен иметь значение, противоположное самому изгибающему моменту (силе). Следовательно, движение достигнет равновесия или определенного положения, когда крутящий момент отклонения и управляющий крутящий момент равны по величине. Винтовые пружины или сила тяжести обычно отвечают за обеспечение крутящего момента

Демпфирующий крутящий момент (демпфирующая сила)

Демпфирующая сила должна действовать в направлении, противоположном движению движущейся системы. Это приводит к тому, что движущаяся система довольно быстро останавливается в отклоненном положении без раскачивания или небольшого колебания. Это обеспечивается трением воздуха; жидкостное трение; вихревые токи.

Следует отметить, что любая демпфирующая сила не должна влиять на изгиб в уже установленном режиме, который создается заданной изгибающей силой или крутящим моментом. Демпфирующая сила увеличивается с угловой скоростью движущейся системы, так что, когда вращение быстрое, ее эффект больше и равен нулю, когда вращение системы равно нулю.

Есть несколько видов таких устройств. У каждого амперметра свой принцип работы.

Электродинамический амперметр

Это устройство аналогично применяется для измерения как переменного, так и постоянного тока. Точность устройства высока по сравнению с приборами PMMC и MI. Калибровка амперметра одинакова как для переменного, так и для постоянного тока. Если постоянный ток калибрует измеритель, для измерения переменного тока повторная калибровка не используется.

Выпрямительный амперметр

Устройство используется для измерения переменного тока. Это устройство для выпрямления волос, которое используется совместно с другими разновидностями. Он преобразует направление тока и передает его на PMMC.

Для повышения стабильности сопротивления амперметра вместо двух диодов в схему мостового типа следует включить постоянные резисторы сопротивлением около 100 или 1000 Ом. При включении резисторов R3 и R4, когда общее сопротивление счетчика меньше зависит от электрического тока в его цепи и внешних температурных условий, начальный нелинейный участок шкалы значительно расширяется. Включив эти резисторы по схеме, помимо выбора сопротивления R3 = R4 = r на мощности 20,5 (где r — прямое сопротивление диода), можно немного увеличить уровень напряжения в диодах. Это улучшает линейность шкалы. Использование как первой, так и второй схемы значительно снижает чувствительность амперметра.

Конструктивные особенности

Существует несколько типов устройств, конструктивно отличающихся друг от друга. Они используются для измерения постоянного и переменного тока. По принципу действия амперметры бывают:

• электромагнитный;
• магнитоэлектрический;
• термический;
• электродинамический;
• детектор;
• индукция;
• фото и термоэлектрический.

Из всех типов наиболее точными считаются электромагнитные и магнитоэлектрические устройства. Основа магнитоэлектрических устройств — постоянный магнит. Когда ток проходит через обмотку корпуса, между ним и магнитом создается крутящий момент.

К рамке прикреплена стрелка, которая перемещается по шкале амперметра и показывает значение силы тока. В электродинамическом устройстве основными частями являются подвижная и неподвижная катушки. Их можно подключать последовательно или параллельно.

Протекающие через них токи взаимодействуют друг с другом, и подвижная катушка, соединенная со стрелкой, отклоняется. Если амперметром измеряется большой ток, он подключается через трансформатор.

Технические характеристики

Помимо дизайна, характеристики и параметры могут сильно различаться в зависимости от производителя и модели.

На примере амперметра модели M42100 рассмотрены средние характеристики.

• Диапазон измерения: от 5 мА до 15 А (с методом прямого зажигания).
• От 15 A до 6000 A (в режиме включения внешнего шунта 75 мВ).
• Рабочая температура: от -50 до +60 градусов
• Размеры: 80×80 мм (проем панели 77,5 мм).
• Класс точности: 1,5.

Чувствительность амперметра определяется величиной тока, необходимой катушке измерителя для отклонения стрелки от полной шкалы. Чем меньше сила тока, необходимая для создания этого отклонения, тем выше чувствительность измерителя. Движение, которое требует всего 100 мкА для полного отклонения, имеет более высокую чувствительность, чем движение, требующее 1 мА для того же отклонения.

Виды амперметров

Устройства можно классифицировать по способу индикации. Чаще всего используются аналоговые амперметры с градуированной шкалой, по которой движется стрелка. Современные устройства имеют цифровой дисплей, на котором отображается текущее значение

Приборы со стрелочной головкой

Постепенно исчезают игольчатые амперметры. Они сложнее существующих моделей и имеют ограниченную область применения. Еще один недостаток — более короткий срок службы из-за наличия большего количества механических деталей. В то же время современные условия иногда требуют измерения меньших величин, чем это необходимо для отклонения стрелки хотя бы на одно деление. По этой причине компараторы должны быть модифицированы усилителями сигнала.

Интересно. Долгое время у этих приборов не было аналогов — точность измерения была достаточно высокой. Однако развитие электротехнической промышленности позволило разработать более дешевые устройства для производства.

Принцип действия стрелочной головки

Еще одна сложность при использовании аналогового амперметра — принцип действия стрелки, который различается в разных системах измерения:

1. Магнитоэлектрический. Стрелка вращается по линейной шкале пропорционально силе тока. Крутящий момент задается током, проходящим через обмотку корпуса.
2. Электромагнитный. Стрелка прикреплена к ферромагнитному сердечнику, который движется внутри катушки.
3. Электродинамический. Используются две катушки с последовательным или параллельным подключением. На подвижном закреплена стрелка, поворачиваемая взаимодействием токов катушек.

Во всех типах устройств используется корректор — специальный винт, прикрепленный к пружине. Вам нужно установить указатель в нулевое положение.

Игнорирование начальной настройки может привести к неправильному отображению измеренного значения тока, так как начальное положение стрелки будет слева от нуля.

Приборы с цифровым индикатором

Цифровые устройства заменяют аналоговые из-за ряда отличий:

• простота изготовления — дешевле производить, проще собрать;
• возможность измерения меньших количеств;
• отсутствие износа движущихся частей: они служат дольше, не требуют замены элементов;
• понятная и удобная индикация;
• меньший вес.

Переход к цифровым технологиям сделал возможным более широкое использование устройств в повседневной жизни. Их проще использовать: вертикальное и горизонтальное расположение не влияет на производительность. Также они лучше защищены от внешних воздействий, например, от механических ударов по телу.

Магнитоэлектрические амперметры

Устройства, реагирующие на магнитные (магнитоэлектрические) явления, используются для измерения очень малых токов в цепях постоянного тока. В них нет ничего лишнего, кроме катушки, прикрепленной к ней стрелки и шкалы с делениями.

Термоэлектрические амперметры

Используется для измерения высокочастотных переменных токов. Внутри прибора установлен нагревательный элемент (высокоомный проводник) с термопарой. Из-за проходящего тока проводник нагревается и термопара фиксирует значение. Из-за выделяемого тепла рамка со стрелкой отклоняется на определенный угол.

Ферродинамические

Очень надежные устройства, которые отличаются высокой прочностью и мало подвержены влиянию магнитных полей, которые не создаются устройством. Амперметры этого типа устанавливаются в системах автоматического управления в качестве самописцев.

Бывает, что шкалы прибора не хватает и приходится увеличивать значения, которые стоит измерить. Для этого используется шунтирование (параллельно устройству подключается высокоомный провод). Например, чтобы установить значение силы в сто ампер, а устройство рассчитано только на десять, подключается шунт, сопротивление которого в девять раз меньше, чем у устройства.

На принципиальных схемах амперметры всегда указываются одинаково:

Основанные на электродинамике

Его можно использовать не только для измерения постоянного, но и переменного тока. Благодаря характеристикам устройства его можно использовать в сетях, где частота достигает двухсот герц. Электродинамический амперметр в основном используется в качестве контрольного измерителя для контроля приборов.
Они сильно реагируют на внешние магнитные поля и перегрузки. По этой причине их редко используют в качестве счетчиков.

Электромагнитные устройства

В отличие от магнитоэлектриков, они также могут применяться для сетей переменного тока, чаще всего в промышленных цепях с частотой пятьдесят герц. Электромагнитный амперметр можно использовать для измерений в цепях с высокой силой тока.

Внутреннее сопротивление амперметра

Для корректной работы значение внутреннего сопротивления амперметра должно быть на порядок ниже значения сопротивления цепи. В некоторых случаях эта информация недоступна. Затем следует измерить внутреннее сопротивление используемого амперметра. Для этого к источнику питания последовательно подключают нагрузочный резистор и амперметр, а к последнему параллельно подключают чувствительный вольтметр. После включения схемы снимаются показания приборов. Величина внутреннего сопротивления амперметра определяется как отношение показаний чувствительного вольтметра и амперметра.

Сфера применения амперметров

Приборы для измерения тока нашли применение в различных областях. Их активно используют на крупных предприятиях, связанных с производством и распределением электрической и тепловой энергии.

Где используются амперметры: Электротехника — Энергетика Автомобильная инженерия Научная инженерия Строительство Электротехнические лаборатории

Но этим устройством пользуются не только средние и крупные компании: они востребованы обычными людьми. Практически все опытные автоэлектрики имеют в своем арсенале подобный прибор, позволяющий измерять показатели потребления электроэнергии приборами, группами автомобилей и т.д.

Как подключить амперметр

Амперметр необходимо подключать в строгой последовательности: он находится между источником питания и нагрузкой. Чтобы сделать правильные измерения, нужно четко знать тип напряжения в блоке питания — постоянный или переменный. Следует использовать только устройство, подходящее для определенного типа тока.

Мы подробно объясняем, как нужно подключить амперметр для получения точных и правильных показаний тока:

• необходимо выбрать требуемый шунт, максимальный ток которого меньше измеряемого тока;
• затем амперметр подключается к шунтам специальными гайками, размещенными на самом амперметре;
• амперметр подключается только после обесточивания измеряемого прибора путем размыкания электрической цепи;
• подключить амперметр к шунтирующей цепи;
• правильно подключите элементы, чтобы обеспечить четкое соблюдение полярности для правильного отображения данных;
• подключите питание, тогда вы можете прочитать результаты на амперметре.

В качестве меры предосторожности отметим, что амперметр ни в коем случае нельзя подключать к розетке без какой-либо нагрузки. Поскольку устройство имеет небольшой входной импеданс, оно просто сгорит, если подключено без нагрузки.

Сфера применения амперметров включает как крупные промышленные предприятия по производству и распределению электроэнергии, так и строительство, автомобилестроение и науку. Они также используются в бытовой сфере среди автовладельцев для самостоятельного измерения автомобильных приборов.

Схемы подключения амперметра

Рисунок — Схема прямого подключения амперметра

Рисунок — Схема непрямого подключения амперметра через шунт и трансформатор тока

Установка шунта

Сопротивление шунта равно внешнему сопротивлению подключенной нагрузки (например, мощной лампы или маяка), умноженному на отношение тока, проходящего через сам амперметр, к разнице между полным током в цепи и током сам амперметр. Ток, протекающий через шунтирующий резистор, во много раз превышает ток, протекающий через обмотку гальванометра. Обратное верно для сопротивления гальванометра и шунта.

В простейшем случае шунт представляет собой короткую катушку или полоску из толстой медной, стальной или алюминиевой проволоки. К его выводам подключается гальванометр. Это похоже на «громоотвод» для больших токов, сохраняющий катушку устройства в целости и сохранности — возможно, десятитысячных тока, который шунт пройдет через нее. На практике гальванометр превратится в милливольтметр — он определяет только небольшое падение напряжения на полоске или шунтирующем резисторе. Сумма сортировки кратна 10 единицам.

Использование трансформаторов

Один шунт можно использовать для измерения постоянного тока или низкого переменного напряжения. Если мы говорим об измерении переменного тока с высоким потенциалом, то, помимо выпрямительного диодного моста, устройству требуются трансформаторы для измерения тока. Зная, какое напряжение в электрической цепи (например, 1 кВ), можно использовать повышающий трансформатор напряжения. Его первичная обмотка, имеющая низкое сопротивление, намотанная толстым проводом, включена последовательно с линией питания (в ее разрыв). Вторичная обмотка, генерирующая высокую ЭДС, подключена к амперметру. Из-за низкого сопротивления самого устройства трансформатор переходит в режим короткого замыкания, то есть нагружается по максимуму.

Если вы правильно выбрали соотношение витков обеих обмоток, у вас будет возможность при небольшом токе, проходящем через само устройство, измерить ток больших значений во внешней цепи. Чтобы получить значение тока, протекающего через первичную обмотку, умножьте измеренное значение на коэффициент трансформации. В амперметрах, в которых трансформатор тока постоянно встроен и не отключается после окончания измерений, а остается в устройстве, весы уже оптимально откалиброваны. Чтобы никто из персонала не был случайно убит током высокого напряжения, заземляют один из выводов вторичной обмотки и магнитопровод (пластины) трансформатора.

Вторичная обмотка и магнитная цепь изолированы отдельно. Они расположены внутри ввода, по каналу которого проходит шунт с измеряемым в цепи током. Такие трансформаторы тока называются проходными.

невозможно открыть вторичную обмотку трансформатора тока отключением от нее амперметра. Если это происходит, резкое увеличение магнитного потока в магнитопроводе автоматически становится источником напряжения в сотни и даже тысячи вольт, что очень опасно для жизни «манометра». Подключение низкоомного резистора параллельно с амперметром (или шунтом) уменьшит это напряжение, что позволит измерить остальную его часть с помощью амперметра — он оценивается как ток, проходящий через цепь устройства.

Измерительные трансформаторы тока имеют свою погрешность — по фазовому углу токов и коэффициенту трансформации. В первом случае учитывается фазовый сдвиг (поворот) от положения на 180 градусов, что вызывает значительную погрешность показаний ваттметра, включенного в эту же цепь. Класс точности по коэффициенту трансформации оценивается по потерям от номинала — 0,02… 1 и выше.

Применение токовых клещей

шунты на 50 А не выступают за пределы корпуса прибора. Но если речь идет о токе выше 50 А, то используются так называемые токоведущие крокодилы или токовые клещи. Во втором варианте калибруется не сам гальванометр, а шунт. Параллельно включается милливольтметр с напряжением 45-150 милливольт. Цель — обеспечить отклонение стрелки прибора на расстояние, не превышающее полной шкалы.

В цепь постоянного тока

Постоянный ток может проходить по нескольким электрическим цепям. Например, можно упомянуть всевозможные зарядные устройства, блоки питания. Для ремонта таких устройств мастер должен иметь представление о том, как амперметр подключается к электрической цепи.

Даже в домашних условиях такие навыки не будут лишними. Они помогают человеку, не слишком увлекающемуся радиоэлектроникой, определить, например, время, на которое аккумулятора камеры хватит для зарядки.

Для проведения эксперимента вам понадобится полностью заряженный аккумулятор с номинальным напряжением, например, 3,5 В. Кроме того, нужно использовать лампу такой же мощности для создания последовательной цепи:

• аккумулятор;
• амперметр;
• лампочка.

Запись, сделанная на измерительном приборе, зафиксирована. Например, осветительный прибор потребляет 150 миллиампер электроэнергии, а аккумулятор имеет емкость 1500 миллиампер-часов. Таким образом, он проработает 10 часов, обеспечивая ток 150 мА.

Включение амперметра в цепь

Есть два основных правила использования устройства:

1. Соедините последовательно с элементом цепи, на котором вы хотите измерить ток.
2. Соблюдайте полярность.

Стрелочные амперметры — это инструменты для измерения с ограниченным диапазоном. Если максимальное значение шкалы превышено при подключении к цепи, используется шунт.

Меры безопасности

Перед использованием амперметра или вольтметра обязательно ознакомьтесь с правилами безопасной эксплуатации рассматриваемых устройств. Основные меры безопасности при работе с оборудованием:

• Перед началом работ необходимо проверить целостность изоляционного материала на проводах, который поврежден из-за длительного использования. В таких ситуациях чрезвычайно высок риск поражения электрическим током.
• Нельзя забывать, что работы ведутся с электричеством, поэтому принимаются все необходимые меры, чтобы избежать повреждений и поражения электрическим током. Для этих целей необходимо проводить работы в сухом месте, чтобы исключить попадание влаги в электрическую цепь и измерительный прибор.
• запрещается подключать счетчик к электросети дома, например, к контактам распределительного щита.
• Перед работой необходимо убедиться, какой тип электрической цепи измеряется (переменного или постоянного тока), так как от этого зависит, где подключаются положительный и отрицательный провода устройства. При постоянном токе обязательно подключать плюс к плюсу и минус к минусу. Когда пользователь работает с переменным током, порядок подключения не имеет значения.
• Во время измерений прибор замыкает электрическую цепь, по ней течет ток. Чтобы получить правильные измерения, нужно убедиться, что каждый контакт подключен правильно.
• Во избежание поражения электрическим током необходимо использовать зонды, заключенные в резиновую оболочку.
• В случае поражения электрическим током пострадавшему требуется экстренная помощь. Поэтому рекомендуется проводить замеры с партнером, который сможет подстраховаться в экстренных случаях.

Устройства, называемые амперметрами, используются для измерения тока в электрической цепи. Они последовательно подключаются к электрической цепи. Когда необходимо измерить напряжение, используют вольтметр. При использовании рассматриваемых устройств обязательно соблюдение правил безопасности.