Если к электрической цепи подать рабочее напряжение, то через ее элементы будет протекать ток определенной величины. Его значение определяется величиной сопротивления отдельных участков цепи. Чтобы измерить текущее значение тока, на определенном участке используются специальные приборы, которые называются .
Возьмем например . Перед тем, как разобраться в вопросе, как работает это прибор, важно рассмотреть классификации.
Типы амперметров
- Магнитоэлектрические. Такие устройства подходят только для измерений постоянного тока. Они отличаются высокой чувствительностью и небольшой мощностью.
- Электромагнитные. Приборы могут использоваться для измерений постоянных и переменных токов. Их недостатком является низкая чувствительность и невысокая точность.
- Электродинамические. Устройства этого вида отличаются сильной чувствительностью к внешним магнитным полям, поэтому их применение для проведения высокоточных измерений нежелательно.
- Ферродинамические. Такие приборы отличаются повышенной устойчивостью к внешним магнитным полям и владеют высокими показателями прочности. Их широко применяют в сфере безопасности, а также в тех случаях, когда требуется провести высокоточные измерения.
- Цифровые. К примеру, не имеют подвижных механических деталей, а работают на основе платформы с микропроцессором, которая позволяет преобразовывать величину проходящего тока в цифровые сигналы, которые выводятся на ЖК-дисплей.
Рис.1 - Механические амперметры
Рис.2 - Цифровые амперметры
Конструкция амперметра
Чтобы разобраться, как работает амперметр, рассмотрим его конструкцию (рис.3). Приборы этого типа являются магнитоэлектрическими устройствами, в которых ток подводится к обмотке катушки, что приводит к генерированию магнитного потока, который взаимодействует с постоянным магнитом. Существует несколько модификаций измерительных систем – в одном случае измерительная стрелка-указатель крепится к подвижной катушке, а в другом варианте подвижным является постоянный магнит, который соединен со стрелкой. Измерительная катушка подключается к шунту, который расположен внутри прибора или вне его, с которого и снимаются показатели силы тока.
Рис.3 - Конструкция амперметра
Принцип работы амперметра
Как только к измерительной системе амперметра подается ток, величина, которого определяется, в катушке устройства генерируется магнитное поле. Оно взаимодействует с полем, создаваемым постоянным магнитом, что приводит к тому, что поворотная рамка со стрелкой-указателем будет отклоняться (рис.4). Угол отклонение пропорционален проходящему току и при определенной калибровке стрелка будет указывать на измерительной шкале прибора на текущее значение тока.
В цифровых амперметрах, таких как , величина тока определяется посредством специальных аналого-цифровых преобразователей, которые токовый сигнал превращают в последовательность цифровых кодов, отображаемых на экране прибора в виде числового значения.
Бывают случаи, когда следует измерять ток, величина которого больше максимального значения измерительного диапазона. В таком случае важно знать, как работает шунт для амперметра. Шунт представляет собой резистивный элемент с известной величиной электрического сопротивления, который включается параллельно к амперметру. Шунт рассчитывается под величину тока, которую нужно измерять амперметром с меньшим рабочим диапазоном.
Рис.4 - Принцип работы амперметра
Как подключать амперметр
Чтобы правильно пользоваться измерительными приборами, важно не только знать, как работает амперметр и вольтметр, а и как их подключать. Для измерения силы тока, который проходит через прибор или через определенную часть электрической цепи, амперметр нужно подключить последовательно с этим участком.
Рис.5 - Схема подключения амперметра через шунт
Практическое применение
Амперметры имеют широкое применение в процессе построения, обслуживания и ремонта различной радиоэлектронной аппаратуры. В качестве одного из примеров практического применения можно рассмотреть амперметр на зарядном устройстве – как работает этот прибор рассмотрим ниже. Такого типа зарядные устройства производят подзарядку аккумуляторов посредством тока постоянной величины, значение которого визуализируется с помощью амперметра. В процессе зарядки сила тока может падать и по амперметру можно будет определить потребность ее регулирования. Аккумулятор считается заряженным, если сила тока на амперметре не будет меняться на протяжении 1-2 часов.
Это только один из многочисленных примеров практического использования таких измерительных приборов, как амперметры.
Единицей измерения силы тока считается «Ампер», он получил такое название в честь известного физика Андре Ампера. Сила тока в проводнике равная один ампер эквивалентна проходящему заряд в один кулон за единицу времени. Или все свободные электроны прошедшие за одну секунду через поперечное сечение проводника в сумме эквивалентны заряду в один Кулон. Так как заряд одного электрона равен 1.6×10 -19 , то можно легко вычислить, сколько свободных электронов в одном Кулоне.
Амперметр – это измерительное устройство предназначенное для измерения силы тока в цепи с протекающим током. Любой амперметр предназначен для измерения токов фиксированной величины. Различают микро и милли Амперметры.
Виды амперметров |
Аналоговые или стрелочные амперметры (смотри рисунок выше). Они обладают магнитоэлектрической системой, состоящей из катушки с тонкой проволокой, которая перемещается между полюсами постоянного магнита. Как только через катушку потечет ток, она переместиться под действием вращающего момента, величина которого пропорциональна протекающему току. Повороту катушки оказывает сопротивление специальная пружина с упругим моментом пропорциональным углу закручивания. При равновесии эти моменты равны, а стрелка покажет значение, пропорциональное идущему через нее току. Для увеличения пределов измерения, параллельно амперметру подключают шунтирующий резистор заданной величины, рассчитанной заранее по определенным формулам.
Любой амперметр при измерениях должен быть включен в разрыв цепи, поэтому его внутреннее сопротивление протекающему току минимально. Поэтому, сопротивление между его измерительными щупами должно быть очень низким. Иначе, для схемы амперметр будет аналогичен сопротивлению. А чем оно выше, тем меньший ток через него следует. Но не стоит заморачиваться, ведь любая измерительная техника разрабатывается с учетом этих и некоторых других особенностей.
Плюсами аналоговых амперметров: им не требуется отдельное питание для выдачи показаний, так как они используют ток замеряемой цепи, они достаточно удобны при выводе информации. На многих моделях присутствует подстроечный винт корректировки для повышения точности измерения. Но без недостатков тоже не обходится, во первых большая инертность, то есть для отклонения стрелки требуется какое-то время. Хоть он почти и незаметен, но он все-таки имеет место быть.
Цифровые амперметры состоят из аналого-цифрового преобразователя (АЦП) и преобразует протекающий ток в цифровые коды, который потом выводяться на ЖК-экране.
Цифровые амперметры лишены инертности свойственной аналоговым приборам, и выдача результатов зависит только от частоты процессора. В дорогих цифровых приборах он может выдать до 1000 и выше результатов измерений в секунду. Кроме того цифровые приборы изготавливаются меньших размеров, что очень критично в современной технике. Минусы тоже конечно присутствуют – им необходим автономный источник питания, обычно это батарейка.
Амперметры различают для измерения постоянного и переменного тока. Если у вас вдруг нет прибора, для фиксации результатов переменного тока можно использовать стандартный и прибор постоянного тока, а еще лучше приобрести мультиметр.
Упрощенная схема для измерения силы тока выглядит вот так:
Из схемы хорошо видно, что это измерительное устройство мы должны подсоединять последовательно нагрузке, в разрыв цепи. Итак перейдем к практике, в первом примере нам требуется измерить силу постоянного тока до 200 мА, поэтому нужно поставить щупы такого мультиметра в определенные клеммы и переключить его в нужный диапазон
Для измерения силу тока (постоянного или переменного) в диапазоне до 20 Ампер, необходимо переставить щуп в другую клемму мультиметра:
Никогда не подключайте этот прибор в розетку без нагрузки! Тем самым вы просто угробите его. Как уже сказано, амперметр обладает очень малым входным сопротивлением.
При измерении силы тока будьте осторожны и не касайтесь оголенных проводов и открытых частей измерительных щупов. Это защитит от электрического удара током.
Амперметр - это электроизмерительный прибор, предназначенный для фиксации силы постоянного либо переменного тока, протекающего в цепи - то есть устройство для измерения тока . Амперметр подключается последовательно, с тем участком электроцепи, где предполагается измерять ток. Так как ток, который он измеряет зависит от сопротивления элементов цепи, то сопротивление амперметра должно быть максимально низким (очень маленьким). Это позволяет уменьшить влияние устройства для измерения тока на измеряемую цепь и повысить их точность.
Шкалу прибора градуируют в мкА, мА, А и кА, и в зависимости от требуемой точности и пределов измерения выбирают подходящий прибор. Увеличение измеряемой силы тока добиваются путем включения в цепь шунтов, трансформаторов тока , магнитных усилителей. Это позволяет увеличить предел измеряемой величины тока.
Схемы подключения амперметра
Рисунок - Схема прямого включения амперметра
Рисунок - Схема косвенного включения амперметра через шунт и трансформатор тока
Сфера применения амперметров
Приборы для измерения тока нашли применение в различных сферах. Их активно используют на крупных предприятиях, связанных с генерацией и распределением электрической, тепловой энергии. Также их используют в:
Электролабораториях;
Автомобилестроении;
Точных науках;
Строительстве.
Но не только средние и крупные предприятия используют этот прибор: они востребованы и среди обычных людей. Практически любой опытный автоэлектрик имеет в арсенале подобное устройство, позволяющее проводить замеры показателей электропотребления приборов, узлов автомобилей и пр.
Типы амперметров
Исходя из вида отсчетного устройства амперметры делятся на приборы с:
Со стрелочным указателем;
Со световым указателем;
С пишущим устройством;
Электронные устройства.
По принципу действия амперметры разделяются на:
1. Электромагнитные - предназначены для использования в цепях постоянного, переменного тока. Обычно используются в привычных электроустановках переменного тока с частотой 50 Гц.
2. Магнитоэлектрические - предназначены для фиксации силы тока малых значений постоянного тока. Они имеют магнитоэлектрическое измерительное устройство и шкалу с проградуированными делениями.
3. Термоэлектрические приборы предназначены для измерения силы тока в цепях высоких частот. В состав таких приборов входят магнитоэлектрический механизм, выполненный в виде проводника, к которому приваривается термопара. Протекающий по проводку ток вызывает его нагрев, который фиксируется термопарой. Формирующееся излучение своим влиянием вызывает отклонение рамки на угол, который пропорционален силе тока.
4. Ферродинамические приборы - состоят из замкнутого магнитопровода, выполненного из ферромагнитного материала, сердечника и неподвижной катушки. Характеризуются высокой точностью измерения, надёжностью конструкции и низкой чувствительностью к воздействию электромагнитных полей .
5. Электродинамические устройства предназначены для замеров величины силы тока в цепях постоянного / переменного токов повышенных частот (до 200 Гц). Они чувствительны к перегрузкам и внешним электромагнитным полям. Но из-за высокой точности замеров их используют в роли контрольных приборов для поверки действующих амперметров.
6. Цифровые амперметры - современная модель приборов, сочетающая преимущества аналоговых приборов. На сегодня такие устройства завоевывали лидирующие позиции. Это объясняется удобством в работе, легкостью использования, небольшими размерами и высокой точностью получаемых результатов измерений. Кроме того, цифровые приборы можно использовать в разнообразных условиях: он не боится тряски, вибрации и пр. воздействий.
Рассмотрим несколько амперметров разных производителей и разных типов:
1. амперметры Ам-2 DigiTOP
Технические характеристики:
Количество входов 1
Измеряемый переменный ток 1 ...50 А
Погрешность измерения 1%
Дискретность индикации 0,1 А
- напряжение питания -100...-400 В, 50 (+1) Гц Габаритные размеры 90x51x64 мм
Работоспособность и долговечность бытовой электротехники зависят от качества получаемой электроэнергии. Как правило, к выходу из строя электронной техники, будь то холодильники, телевизоры или стиральные машины, приводит повышение напряжения выше допустимых пределов. Наиболее опасно длительное повышение напряжения выше допустимой отметки. При этом выходят из строя блоки питания электронной техники, перегреваются обмотки электродвигателей, нередко происходит возгорание.
2. амперметр лабораторный Э537
Данный прибор (амперметр Э537) предназначается для точного измерения силы тока в цепях переменного и постоянного тока.
Класс точности 0,5.
Диапазоны измерения 0,5 / 1 A;
Масса 1,2 кг.
Технические характеристики амперметра Э537:
Конечное значение диапазона измерений 0,5 А/1 А
Класс точности 0,5
Область нормальных частот (Гц) 45 - 100 Гц
Область рабочих частот (Гц) 100 - 1500 Гц
Габаритные размеры 140 х 195 х 105 мм
Цифровое устройство амперметр базовой модели выпускается в нескольких типовых модификациях в зависимости от базового значения параметров замеряемого тока. При заказе данной модели цифрового амперметра, требуется заявить, с каким базовым параметром силы тока Вам придётся работать: 1 А, 2 А или 5 А.
Базовые параметры замеряемого тока, Iн-1 Ампер (СА3020-1), 2 Ампер (СА3020-2) или 5 Ампер (СА3020-5);
Границы замеряемых токов от 0,01 Iн до 1,5 Iн;
Диапазон частот по замеряемым токам от 45 до 850 Герц;
Границы базовой допускаемой существующей погрешности ±0,2% к оптимальному значению параметров замеряемой силы тока;
напряжение по питанию - сеть переменного тока напряжением (85-260) Вольт и частотой (47-65) Герц или постоянное напряжение (120 - 300) Вольт;
Потребляемая устройством мощность не больше чем 4 ВА;
Размерные габариты 144x72x190 мм;
Масса не больше чем 0,55 кг;
Мощность, потребляемая измерительной цепью амперметров серии 3020, не превышает: для СА3020-1 - 0,12 ВA; для СА3020-2 - 0,25 ВA; для СА3020-5 - 0,6 ВA.
Напряжение и ток в сетях постоянного тока измеряют магнитоэлектрическими приборами (вольтметрами, амперметрами) (рис. 1.1, а). Для расширения пределов измерения вольтметров применяют добавочные сопротивления (Лдоб), а для амперметров - шунты. Схема включения приборов в сеть показана на рис. 1.1, б.
Измерение напряжения, тока и мощности в сетях переменного тока производится электродинамическими приборами (вольтметрами, амперметрами, ваттметрами).
Схема включения амперметра и вольтметра в однофазную сеть через трансформаторы тока и напряжения приведена на рис. 1.2.
Схема включения амперметра и вольтметра в трехфазную сеть через трансформаторы тока и напряжения приведена на рис. 1.3.
Для измерения напряжения и тока широко применяют также электромагнитные приборы.
Рис. 1.1. Схемы включения вольтметра и амперметра в электрическую цепь
Включение амперметров через трансформатор тока позволяет осуществлять замену приборов путем замыкания вторичной цепи трансформатора, не нарушая электроснабжения.
Эти приборы включаются в сеть через трансформаторы тока и напряжения.
Измерение напряжения и тока в сетях высокого напряжения производится электродинамическими и электромагнитным приборами, измерение мощности - электродинамическими приборами.
Рис. 1.3. Включение амперметров в вольтметров в трехфазную цепь
Рис. 1.2.
Измерение активной и реактивной энергии
Для учета активной и реактивной энергии в цепях однофазного и трехфазного переменного тока частотой 50 Гц промышленность изготовляет индукционные электрические счетчики следующих типов:
СО - счетчик (С) активной энергии однофазный (О) непосредственного включения или трансформаторный;
СОУ - счетчик активной энергии однофазный трансформаторный универсальный (У);
САЗ и СА4 - счетчики (С) активной (А) энергии непосредственного включения или трансформаторные для измерений в трехпроводных (3) и четырехпроводных (4) цепях трехфазного тока; СРЗ и СР4 - то же реактивной (Р) энергии;
счетчики активной (А) и реактивной (Р)
энергии, трансформаторные, универсальные (У) для измерений в трехпроводных (3) и четырехпроводных (4) цепях трехфазного тока.
Электрические счетчики изготовляют на различные номинальные токи и номинальные напряжения.
На рис. 1.44-1.20 приведены схемы включения активных и реактивных счетчиков электроэнергии. Учет энергии с помощью индукционных счетчиков возможен с сохранением класса точности только на синусоидальном токе при спокойном характере нагрузки. При наличии высших гармоник и нестационарных процессов эти счетчики дают значительную погрешность. Электронные счетчики позволяют учитывать энергию при несинусоидальном токе методом широтно-импульсной модуляции, когда токи и напряжения преобразуются в длительность и амплитуду импульсов. При этом получаются дискретные значения мгновенных мощностей р - UyIx. Последующее интегрирование и преобразование среднего значения в частоту, измеряемую счетчиком, позволяет учитывать энергию.
Рис. 1.5.
Рис. 1.4.
Рис. 1.6. 
Рис. 1.7.
Рис. 1.8. 
Рис. 1.9.
Рис. 1.10. 
Рис. 1.11.
Рис. 1.12. 
Рис. 1.13.
Рис. 1.14. 
Рис. 1.15.
Рис. 1.16.
Рис. 1.19. 
1- 2- 3- О-
Рис. 1.20.
Все счетчики, схемы включения которых показаны на рис. 1.4-1.20, имеют специальную маркировку зажимов обмоток напряжения и тока (Г - генератор; Н - нагрузка) для правильного включения.
Правильный учет расхода электроэнергии имеет существенное значение для систематического контроля электропотребления, анализа результатов использования электроэнергии, введения научно обоснованного нормирования, планирования и прогнозирования ее потребления. Учет расхода электроэнергии на различные производственные процессы помогает вскрыть новые резервы экономии и улучшить энергетические показатели предприятия.
На точность измерения электрической энергии велико влияние нагрузок с нелинейной вольтамперной характеристикой (вентильные электроприводы, дуговые электропечи и др.), которые являются источниками высших гармоник.
Несимметричные нагрузки (например, осветительная, однофазная тяговая), потребляя энергию из системы, частично преобразовывают ее и передают обратно в сеть, но уже ухудшенного качества. В результате этих свойств несимметричной нагрузки возникают составляющие энергии обратной и нулевой последовательностей, которые практически не используются, создают потери и ухудшают качество электроэнергии.
Нередко на практике встречаются одновременно несимметричные и несинусоидальные режимы.
В связи с этим проблема точного учета электрической энергии не может быть решена с помощью индукционных счетчиков, необходимо использование более современных, электронных и микропроцессорных средств учета.
В последнее время появились электронные счетчики ABB ВЭИ "Метроника"-"Альфа", основанные на микропроцессорных комплектах специального назначения, предназначенные для промышленного учета электроэнергии. Счетчик имеет высокую стоимость, требует специального обслуживания и доступен специально подготовленному персоналу для квалифицированной эксплуатации. Класс точности счетчика 0,2.
Если счетчик "Альфа" является автономным средством коммерческого учета с получением графиков энергопотребления за различные временные периоды, то измерительная интегральная автоматизированная система управления энергосбережением (ИАСУЭ) ЗАО ЭНЭЛЭКО, разработанная для промышленного и бытового учета энергии различных видов, имеет иерархическую структуру, позволяющую вести коммерческий учет электроэнергии, тепловой энергии, воды, газа, а также передавать сигналы пожарной, охранной сигнализации и оповещения. Она обеспечивает передачу данных на радиочастоте между 4095 пунктами. Дальность связи - до 60 км при использовании штыревых антенн. На нижнем уровне для передачи сигналов от 127 абонентов используют двухпроводные линии длиной до 1,2 км.
Для учета электроэнергии используют электронные двухтарифные счетчики однофазные СЭБ-2, СЭБ-512 и трехфазные ПСЧ-ЗТ с автономным блоком переключения тарифов БПТ-250. Счетчики имеют класс точности 1, напряжение 220 В, диапазон токов 50 мА -г- 50 А и напряжение 380 В.
Всякий вольтметр включается параллельно тому участку цепи, напряжение на котором мы хотим измерить (рис. 89), и поэтому на него ответвляется некоторый ток от основной цепи. При его включении и ток и напряжение в основной цепи несколько изменяются, так как теперь мы имеем уже другую цепь проводников, состоящую из прежних проводников и вольтметра. Присоединив, например, вольтметр с сопротивлением параллельно лампочке, сопротивление которой равно , мы найдем по формуле (50.5) их общее сопротивление :
. (54.1)
Чем больше сопротивление вольтметра по сравнению с сопротивлением лампочки , тем меньше отличается общее их сопротивление от и тем меньше искажение, вносимое вольтметром. Мы видим, что вольтметр должен иметь большое сопротивление. Для этого последовательно с его измерительной частью (рамкой, нагревающейся нитью и т. д.) нередко включают дополнительный резистор, имеющий сопротивление несколько тысяч Ом (рис. 90).
Рис. 90. К вольтметру присоединяется последовательно дополнительное сопротивление
В противоположность вольтметру, амперметр всегда включают в цепь последовательно (§ 44). Если сопротивление амперметра равно , а сопротивление цепи равно , то при включении амперметра сопротивление цепи становится равным
. (54.2)
Для того чтобы амперметр не изменял заметно общего сопротивления цепи, собственное его сопротивление, как следует из формулы (54.2), должно быть малым по сравнению с сопротивлением цепи. Поэтому амперметры делают с очень малым сопротивлением (несколько десятых или сотых долей Ома).
54.1. Сопротивление амперметра равно 0,1 Ом. Чему равно напряжение на амперметре, если он показывает силу тока 10 А?
54.2. Сопротивление вольтметра равно 12 кОм. Какой ток проходит через вольтметр, если он показывает напряжение 120 В?
54.3. Вольтметр со шкалой 0-120 В имеет сопротивление 12 кОм. Какое сопротивление и каким способом нужно подключить к этому вольтметру, чтобы им можно было измерять напряжение до 240 В? Начертите схему включения. Изменится ли чувствительность вольтметра в предыдущей задаче, если указанное сопротивление включить параллельно вольтметру?
54.4. Вольтметр, присоединенный к горящей лампочке накаливания, показывает 220 В, а амперметр, измеряющий силу тока в лампочке, -0,5 А. Чему равно сопротивление лампочки? Начертите схему включения вольтметра и амперметра.