Многие знают, что в электрической розетке помимо напряжения есть еще и ток, который опасен для человеческой жизни. Но как его померять? Насколько сложно это сделать? Для измерения тока существует специальный прибор, который называется амперметр.
Итак, амперметр — это электроизмерительный прибор, предназначенный для измерения тока в электрической цепи. Электрический ток — это направленное движение заряженных частиц (электронов), измеряется он в Амперах и, соответственно, прибор который его измеряет носит название амперметр.
У идеального амперметра внутренне сопротивление равно нулю. Ну, где вы видели в нашем мире что-то идеальное? Поэтому и у реального амперметра внутреннее сопротивление хоть и минимально, но все же не равно нулю. Как и вольтметр, амперметр также может иметь диапазон измерения (например, 1, 2, 3, 5, 10 А), который зависит от внутреннего сопротивления электроизмерительного прибора. Как правило, добавочное сопротивление уже установлено в корпусе устройства и переключается с помощью специального переключателя.
Почему амперметр всегда подключается последовательно?
Амперметр ВСЕГДА подключается в измеряемую электрическую цепь последовательно. Все «направленно движущиеся» электроны проходят через измерительный прибор. А как же потери мощности, спросите вы? Да, в этом случае это неизбежно, но следует помнить, что амперметр имеет минимальное внутреннее сопротивление, соответственно потери мощности в нем будут незначительны.
Сопротивление амперметра должно быть минимальным по двум причинам:
- Весь измеряемый ток проходит через амперметр.
- Амперметр должен оказывать минимальное влияние на электрическую цепь в которую он подключен.
Как увеличить диапазон измерения амперметра?
Чтобы измерение тока было как можно более точным, нам необходимо использовать соответствующий диапазон измерений. Попытка считывания значений в несколько мА, когда шкала перекрывает измерения до 100 А закончится тем, что мы даже не заметим отклонения стрелки амперметра.
Разработчики амперметров используют различные технические решения для того, чтобы иметь возможность измерять силу тока в различных диапазонах. В некоторых случаях мы можем сами изменить диапазон измерения прибора. Если мы добавим к нему дополнительный резистор (так называемый шунт), как показано на рис. 6, мы сможем измерять более высокие токи, не подвергая хрупкую структуру амперметра разрушению.
Рис. 6. Расширение диапазона магнитоэлектрического амперметра путем добавления шунтирующего резистора
Предположим, что мы хотим увеличить диапазон измерения амперметра в n раз. Полный ток I, протекающий через устройство (рис. 6), тогда равен n*IA . Тогда уравнения первого и второго правил Кирхгофа будут следующими:
- n ⋅ IA = IA + IB
- IB ⋅ RB = IA ⋅ RA
Следовательно, сопротивление шунтирующего резистора можно будет рассчитать так:
RB = RA / (n-1)
По конструктивным соображениям шунтирующий резистор используется только для магнитоэлектрического амперметра.
Типы амперметров
Классификация амперметра зависит от их конструкции и рода тока, протекающего через него. Ниже приведены типы электроизмерительных приборов относительно конструкции.
- Амперметр магнитоэлектрической системы с постоянным магнитом.
- Электромагнитный амперметр.
- Электродинамический амперметр.
- Амперметр с выпрямительным мостом.
По роду тока амперметры делятся на:
- Амперметры постоянного тока;
- Амперметры переменного тока;
Магнитоэлектрический амперметр подвижной катушкой с постоянными магнитами (PMMC)
Магнитоэлектрический принцип лежит в основе работы такого устройства. Если совсем коротко — то суть его работы заключается в следующем: катушка измерительного прибора помещается в постоянное магнитное поле. При протекании через катушку тока будем создан вращающий момент, который и повернет стрелку прибора.
Электродинамический амперметр
Он используется для измерения как переменного, так и постоянного тока. Точность прибора достаточно высокая по сравнению с магнитоэлектрическим измерительным прибором. Калибровка прибора одинакова как для переменного, так и для постоянного тока, то есть если амперметр был откалиброван под постоянный ток, то его можно использовать для измерения переменного тока без повторной калибровки.
Амперметр детекторной системы (с выпрямительным мостом)
Используется для измерения переменного тока. Приборы используют выпрямительный мост, который преобразует переменный ток в постоянный, который измеряется с помощью магнитоэлектрического амперметра. Такой тип прибора используется для измерения тока в цепях управления и при использовании трансформаторов тока.
Измерительный шунт
Слишком большие токи, которые могут протекать в мощных силовых цепях, выведут измерительный прибой из строя при прямом подключении. Чтобы избежать этого используют измерительный шунт.
Шунт имеет очень малое активное сопротивление, что оказывает минимальное влияние на измеряемую цепь. Параллельно к нему подключается амперметр, который уже и проводит измерение тока.
Метод амперметра—вольтметра
Метод амперметра—вольтметра является одним из наиболее простых, но и менее точных методов измерений и может использоваться в цепях постоянного и переменного тока. Для реализации этого метода в цепях постоянного тока используют амперметры и вольтметры магнитоэлектрической системы, в цепях переменного тока промышленных частот — приборы электромагнитной и электродинамической систем, в цепях, питаемых звуковыми и высокими частотами, — приборы термоэлектрической системы. Во всех случаях использования приборы высокого класса точности дают меньшую погрешность измерения.
Метод амперметра—вольтметра является косвенным, так как (к поили на использовании закона Ома, по которому измеряемое сопротивление прямо пропорционально падению напряжения на нем и обратно пропорционально силе тока, протекающего по нему.
Измерение сопротивления резисторов
выполняется по одной из схем, приведенных на рис. 4.1.
Рис. 4.1. Схемы измерения сопротивления резисторов при измерении методом А—V (а)
и методом V—А (
6
)
Для первой схемы (см. рис. 4.1, а)
искомое сопротивление
Rx
находится по формуле
(4.1)
где R
в
— внутреннее
сопротивление вольтметра.
Для второй схемы (см. рис. 4.1. б) измеряемое сопротивление Rx
определяется по формуле
(4.2)
где R
A — внутреннее сопротивление амперметра.
При использовании обеих схем имеет место методическая погрешность, обусловленная собственным потреблением мощности приборами (рис. 4.2).
Из анализа формул (4.1) и (4.2), а также из графиков зависимости (см. рис. 4.2) следует, что метод амперметра-вольтметра (А—V) необходимо использовать при измерении малых сопротивлений резисторов, когда Rx
<<
R
B, а метод вольтметра-амперметра (V—А) — при измерении больших сопротивлений, когда
Rx
<<
R
A
.
Погрешность обоих методов достаточно велика (1,5…2%) и напрямую зависит от стабильности напряжения источника питания и от класса точности используемых приборов.
| Рис. 4.2. График зависимости погрешности измерения от сопротивления резистора при измерении методами А—V и V—А |
Измерение емкости конденсаторов
также возможно методами V—А и А—V. Для питания схем используется источник напряжения только переменного тока, так как в цепях постоянного тока реактивное сопротивление xL катушки индуктивности будет равно нулю, а реактивное сопротивление х
C
конденсатора стремится к бесконечности. Эти утверждения основываются на известных зависимостях:
xL=2πFL
;
xC=
1
/
2
πFC.
Измерение емкости конденсаторов выполняется по одной из схем, приведенных на рис. 4.3.
Рис. 4.3. Схема измерения емкости конденсаторов методом А—V (а
) и методом V-A
(б)
Если пренебречь влиянием сопротивления утечки конденсатора, то
откуда
(4.3)
Из формулы (4.3) следует, что при измерении емкости конденсаторов необходимо знать частоту источника питания схемы.
В зависимости от значения емкостного сопротивления измеряемого конденсатора можно уменьшить влияние внутреннего сопротивления вольтметра на результат измерения, используя первую схему (см. рис. 4.3. a),
а для конденсаторов большой емкости — вторую схему (см. рис. 4.3,
б).
Измерение индуктивности катушек
выполняется методом V—А при соотношении
R
L<<�х
L
(активное сопротивление катушки должно быть значительно меньше ее реактивного сопротивления). На рисунке 4.4 приведена схема измерения индуктивности катушек.
На основании закона Ома
Откуда
(4.4)
Измерение индуктивности на низких частотах будет приблизительным, так как не учтено активное сопротивление катушки RL,
а на высоких частотах погрешность измерения обусловлена влиянием собственной емкости
CL
катушки и входной емкости СВ вольтметра, которая, как известно, складывается с
CL
:
Собщ = СL + СB.
В результате образуется параллельный колебательный контур с собственной частотой колебаний:
При приближении частоты источника питания схемы к f
0сопротивление контура возрастает, что соответствует увеличению индуктивности катушки
L.
Метод V—А (А—V) реализуется с помощью широко распространенных приборов в условиях, соответствующих режиму работы элементов цепи. К недостаткам метода следует отнести его косвенность, трудоемкость измерений, большую погрешность измерений (единицы процентов), ограниченный диапазон измерения параметров. В связи со столь существенными недостатками этот метод не получил широкого распространения.
| Рис. 4.5. Принципиальная схема электронного омметра |
Лучшие результаты при измерении сопротивления резисторов показывают электронные омметры
(Е6), которые выполняются на основе УПТ, охваченного отрицательной обратной связью и имеющего очень большое входное сопротивление (рис. 4.5).
Напряжение на выходе усилителя омметра
(4.5)
где kU —
коэффициент усиления УПТ без цепи обратной связи;
β — коэффициент передачи пени обратной связи:
При большом коэффициенте усиления kU,
произведение(
kU •
β)
>>
1 и выходное напряжение
(4.6)
В результате шкала аналогового прибора получается равномерной и практически не зависит от внешних элементов, подключенных к усилителю. Погрешность измерения аналоговых омметров большая — примерно 1…4%.
В тераомметрах
резисторы
R
1 и
Rx
меняются местами и шкала аналогового индикатора становится обратной (нуль шкалы — справа).
(4.7)
Погрешность тераомметров при измерении достигает 10%.
К достоинствам электронных омметров следует отнести прямой отсчет и широкий диапазон измерения сопротивления резисторов.
Метод амперметра—вольтметра является одним из наиболее простых, но и менее точных методов измерений и может использоваться в цепях постоянного и переменного тока. Для реализации этого метода в цепях постоянного тока используют амперметры и вольтметры магнитоэлектрической системы, в цепях переменного тока промышленных частот — приборы электромагнитной и электродинамической систем, в цепях, питаемых звуковыми и высокими частотами, — приборы термоэлектрической системы. Во всех случаях использования приборы высокого класса точности дают меньшую погрешность измерения.
Метод амперметра—вольтметра является косвенным, так как (к поили на использовании закона Ома, по которому измеряемое сопротивление прямо пропорционально падению напряжения на нем и обратно пропорционально силе тока, протекающего по нему.
Измерение сопротивления резисторов
выполняется по одной из схем, приведенных на рис. 4.1.
Рис. 4.1. Схемы измерения сопротивления резисторов при измерении методом А—V (а)
и методом V—А (
6
)
Для первой схемы (см. рис. 4.1, а)
искомое сопротивление
Rx
находится по формуле
(4.1)
где R
в
— внутреннее
сопротивление вольтметра.
Для второй схемы (см. рис. 4.1. б) измеряемое сопротивление Rx
определяется по формуле
(4.2)
где R
A — внутреннее сопротивление амперметра.
При использовании обеих схем имеет место методическая погрешность, обусловленная собственным потреблением мощности приборами (рис. 4.2).
Из анализа формул (4.1) и (4.2), а также из графиков зависимости (см. рис. 4.2) следует, что метод амперметра-вольтметра (А—V) необходимо использовать при измерении малых сопротивлений резисторов, когда Rx
<<
R
B, а метод вольтметра-амперметра (V—А) — при измерении больших сопротивлений, когда
Rx
<<
R
A
.
Погрешность обоих методов достаточно велика (1,5…2%) и напрямую зависит от стабильности напряжения источника питания и от класса точности используемых приборов.
| Рис. 4.2. График зависимости погрешности измерения от сопротивления резистора при измерении методами А—V и V—А |
Измерение емкости конденсаторов
также возможно методами V—А и А—V. Для питания схем используется источник напряжения только переменного тока, так как в цепях постоянного тока реактивное сопротивление xL катушки индуктивности будет равно нулю, а реактивное сопротивление х
C
конденсатора стремится к бесконечности. Эти утверждения основываются на известных зависимостях:
xL=2πFL
;
xC=
1
/
2
πFC.
Измерение емкости конденсаторов выполняется по одной из схем, приведенных на рис. 4.3.
Рис. 4.3. Схема измерения емкости конденсаторов методом А—V (а
) и методом V-A
(б)
Если пренебречь влиянием сопротивления утечки конденсатора, то
откуда
(4.3)
Из формулы (4.3) следует, что при измерении емкости конденсаторов необходимо знать частоту источника питания схемы.
В зависимости от значения емкостного сопротивления измеряемого конденсатора можно уменьшить влияние внутреннего сопротивления вольтметра на результат измерения, используя первую схему (см. рис. 4.3. a),
а для конденсаторов большой емкости — вторую схему (см. рис. 4.3,
б).
Измерение индуктивности катушек
выполняется методом V—А при соотношении
R
L<<�х
L
(активное сопротивление катушки должно быть значительно меньше ее реактивного сопротивления). На рисунке 4.4 приведена схема измерения индуктивности катушек.
На основании закона Ома
Откуда
(4.4)
Измерение индуктивности на низких частотах будет приблизительным, так как не учтено активное сопротивление катушки RL,
а на высоких частотах погрешность измерения обусловлена влиянием собственной емкости
CL
катушки и входной емкости СВ вольтметра, которая, как известно, складывается с
CL
:
Собщ = СL + СB.
В результате образуется параллельный колебательный контур с собственной частотой колебаний:
При приближении частоты источника питания схемы к f
0сопротивление контура возрастает, что соответствует увеличению индуктивности катушки
L.
Метод V—А (А—V) реализуется с помощью широко распространенных приборов в условиях, соответствующих режиму работы элементов цепи. К недостаткам метода следует отнести его косвенность, трудоемкость измерений, большую погрешность измерений (единицы процентов), ограниченный диапазон измерения параметров. В связи со столь существенными недостатками этот метод не получил широкого распространения.
| Рис. 4.5. Принципиальная схема электронного омметра |
Лучшие результаты при измерении сопротивления резисторов показывают электронные омметры
(Е6), которые выполняются на основе УПТ, охваченного отрицательной обратной связью и имеющего очень большое входное сопротивление (рис. 4.5).
Напряжение на выходе усилителя омметра
(4.5)
где kU —
коэффициент усиления УПТ без цепи обратной связи;
β — коэффициент передачи пени обратной связи:
При большом коэффициенте усиления kU,
произведение(
kU •
β)
>>
1 и выходное напряжение
(4.6)
В результате шкала аналогового прибора получается равномерной и практически не зависит от внешних элементов, подключенных к усилителю. Погрешность измерения аналоговых омметров большая — примерно 1…4%.
В тераомметрах
резисторы
R
1 и
Rx
меняются местами и шкала аналогового индикатора становится обратной (нуль шкалы — справа).
(4.7)
Погрешность тераомметров при измерении достигает 10%.
К достоинствам электронных омметров следует отнести прямой отсчет и широкий диапазон измерения сопротивления резисторов.
Влияние температуры на измерение тока
Амперметр — чувствительное устройство, на которое существенно влияет температура окружающей среды. Изменение температуры вызывает ошибку в показаниях. Вы можете использовать добавочное сопротивление (балластное сопротивление). Сопротивление с нулевым температурным коэффициентом называют добавочным сопротивлением (swamping resistance). Оно подключается последовательно с катушкой электроизмерительного прибора. Балластное сопротивление уменьшает влияние температуры на показания прибора.
Амперметр имеет встроенный предохранитель, который защищает его от скачков тока (неправильное подключение). Если через амперметр протекает значительный ток, предохранитель перегорит, тем самым разорвав электрическую цепь и сохранив измерительную систему прибора. Соответственно прибор нельзя будет использовать, пока не будет заменена плавкая вставка.
Расширение пределов измерения амперметров и вольтметров
Для получения высокой точности и чувствительности магнитоэлектрических приборов их подвижные обмотки выполняют по возможности легкими из очень тонкой изолированной проволоки.
Такие обмотки допускают очень незначительные по величине токи, не превышающие 30 мА, при этом сопротивление самих обмоток получается равным примерно 5 Ом.
Таким образом, магнитоэлектрическим прибором можно измерять ток не более 30 мА, а напряжение – не выше 150 мВ, так как
U = I × R = 30 × 5 = 150 мВ
Для расширения пределов измерения амперметра применяют шунты, шунты имеют очень малое сопротивление (десятые, сотые доли ома) и включаются параллельно обмотке амперметра. Величина шунта RШ определяется по формуле:
где RШ – сопротивление шунта;
RA – сопротивление амперметра;
n – коэффициент расширения пределов измерения тока амперметром.
где I – измеряемый ток;
IA – максимально допустимый ток амперметра.
Для расширения пределов измерения вольтметров применяют добавочные сопротивления, которые имеют большое сопротивление (десятки килоом), и которые включают последовательно с обмоткой вольтметра. Величина добавочного сопротивления RД определяется по формуле:
где RД – добавочное сопротивление;
RV – сопротивление вольтметра;
n – коэффициент расширения пределов измерения напряжения вольтметром.
где U – измеряемое напряжение;
UV – максимально допустимое напряжение вольтметра.
Источник: vitta201.jimdo.com
