Ведущими среди всех типов измерительных инструментов считаются электромагнитные и магнитоэлектрические устройства, особенно отличающиеся высокой стоимостью. Магнитоэлектрические устройства строятся на основе постоянных магнитов. Когда электрический ток проходит через обмотку катушки, между этой катушкой и магнитом возникает вращательный момент, что и используется в таких измерительных приборов.
Амперметр. Назначение, типы амперметров, их устройство и принцип работы, как пользоваться и подключать
Амперметр является электроизмерительным инструментом, предназначенным для определения силы электрического тока, протекающего в определенной части электрической цепи. Сила тока измеряется в амперах, что непосредственно отразилось на названии прибора — «амперметр». На практике амперметры способны измерять электрические величины в диапазонах, начиная от микроампер (мкА) до килоампер (кА), позволяя работать с как очень низкими, так и с высокими токами.
Амперметры, по сути, схожи с токовыми клещами, но имеют при этом особенности, адаптирующие их конкретно под измерение электрического тока, причем их шкалы также измеряются в амперах.
В электрических схемах амперметр обозначается символом, представляющим собой круг с буквой A в центре.
Для измерения тока также можно воспользоваться мультиметром. Однако прежде, чем приступить к измерениям, важно ознакомиться с инструкцией по эксплуатации конкретной модели мультиметра, чтобы правильно настроить устройство и корректно подключить его к цепи.
Как функционируют амперметры?
Существует два основных типа амперметров: аналоговые и цифровые. Первые основаны на механическом уровне и отображают значение тока через отклонение стрелки на шкале, в то время как цифровые приборы используют более современную электронную начинку для отображения значений.
Аналоговые амперметры строят свои принципы работы на явлениях, которые напрямую зависят от величины протекающего тока. Чаще всего работа таких приборов связана с генерацией магнитного поля в проводнике, по которому течет ток. Чем больше сила тока, тем сильнее устройства реагируют на него.
Каждый аналоговый амперметр состоит из подвижных и неподвижных частей. Стрелка, которая отклоняется от нуля, перемещается по шкале, позволяя считывать показания прибора. Для устранения ошибок при считывании, вызванных параллактическим эффектом, необходимо смотреть на стрелку под прямым углом к шкале. Для этого в большинстве устройств предусмотрено специальное зеркало, расположенное рядом со шкалой (см. рис. 1).
Рис. 1. Индикаторный микроамперметр, укомплектованный зеркалом для минимизации параллактических искажений при измерении.
Типы амперметров, их устройство и принцип работы
Разные типы амперметров работают на основе различных физических явлений, которые связаны с прохождением электричества через проводники. Ниже приведены несколько наиболее распространённых типов амперметров.
Магнитоэлектрические амперметры.
- На проводники, по которым течет ток и которые помещены в магнитное поле, воздействуют электрические силы. Эти силы зависят от величины тока, его длины и величины магнитной индукции.
Магнитоэлектрический амперметр, использующий данное явление, представлен на рисунке 2. Вращающаяся катушка, по которой протекает измеряемый ток, выделена красным цветом. Часть катушки, которая перпендикулярна плоскости схемы, служит в качестве проводника.
Существующее магнитное поле формируется постоянными магнитами, которые расположены так, чтобы оно имело радиальную направленность. Внешний вид схемы также подразумевает, что каждая часть взаимодействующего проводника всегда взаимодействует перпендикулярно вектору индукции магнитного поля, независимо от положения катушки с указателем.
Рис. 2. Принципиальная схема магнитоэлектрического амперметра. Красным цветом обозначена катушка, через которую течёт ток; зеленым обозначена пружина.
Формула, описывающая силу магнитного взаимодействия, действующую на прямой проводник с током в магнитном поле, выглядит следующим образом: F = I * L * B (1). Здесь:
- L — это вектор, величина которого равна длине проводника и направлению его протекания тока.
- B — это вектор магнитного поля.
Согласно уравнению, когда ток течет по проводникам, на них воздействует сила, которая действует перпендикулярно (см. рис. 2) как к самим проводникам, так и вектору индукции магнитного поля. Эта сила приводит к вращению катушки. Согласно уравнению (1), величина этой силы записывается как F = I * L * B * sinα (2), где:
- α — угол между векторами L и B.
Если магнитное поле является радиальным, как упомянуто выше, этот угол всегда составляет 90°.
Зеленая пружина на рисунке 2 сопротивляется вращению катушки, позволяя ей достичь равновесия в ответ на передаваемый ток. По положению стрелки на шкале амперметра можно определить значение силы тока.
Таким образом, описанный амперметр показывает направление течения тока. Его можно использовать для измерения как постоянного, так и переменного тока, особенно в дизайне гальванометров.
Электрокинетический амперметр.
- Две катушки, по которым проходит ток, создают магнитное взаимодействие друг с другом.
Электрокинетические амперметры состоят из двух катушек: подвижной и неподвижной (см. рис. 3).
Рис. 3. Конструкция электрокинетического амперметра. 1 — неподвижная катушка; 2 — подвижная катушка; 3 — пружина.
Когда ток протекает через обе катушки, взаимодействие их магнитных полей приводит к смещению подвижной катушки и указателя (стрелки). Это взаимодействие не зависит от направления, в котором движется электрический ток. Таким образом, электрокинетические амперметры подходят для измерения как постоянного, так и переменного тока, включая быстро изменяющиеся токи. Этим они оправдают свою высокую цену, так как обычно используются как эталонные измерительные устройства в лабораторной практике.
Как пользоваться и подключать амперметр к цепи?
Для увеличения точности измерений в простейших электрических цепях необходимо сделать перерыв в цепи и подключить амперметр к этому разрыву (см. рис. 5). Это соединение называется последовательным. Например, для измерения тока в проводнике, амперметр подключается именно последовательно с ним. В этом случае через проводник и амперметр будет протекать одинаковый ток.
Рис. 5. Схема подключения амперметра к электрической цепи.
В замкнутой цепи, состоящей из источника электрического тока и последовательного ряда соединенных проводников, сила тока одинакова во всех участках. Это происходит потому, что количество нагрузки, которое проходит через любую часть проводников за одну секунду, остается незменным. Когда ток течет, заряд не накапливается нигде в проводниках цепи. Это аналогично тому, как, при течении воды в трубе, жидкость не задерживается в каких-либо отдельных зонах. Поэтому при измерениях амперметр может быть подключен в любой точке цепи, состоящей из последовательного соединения проводников, поскольку ток в любой его точке остается одинаковым. При этом, если один амперметр будет установлен до лампы, а другой — после лампы, оба устройства покажут одинаковое значение тока.
Предупреждение. Не подключайте амперметр к клеммам источника без активной负载, сконнектированной последовательно с амперметром, так как это может привести к его повреждению!
Каждый амперметр имеет установленный предел измерения, что означает, что на шкале устройства указаны максимальные значения тока, на которые этот амперметр способен реагировать. Не подключайте амперметры с высоким пределом к электрическим цепям, чтобы избежать их выхода из строя.
При подключении устройства крайне важно также проверять правильность полярности. Это подразумевает, что клемма с символом ‘+’ должна быть соединена с соответствующей клеммой, отмеченной также знаком ‘+’, на источнике питания. Если подключение выполнено корректно, амперметр будет пропускать ток по пути от клеммы ‘+’ к клемме ‘-‘.
При осуществлении подключения к электрической цепи амперметр, как и любой другой измерительный прибор, должен проявлять минимальное влияние на измеряемое значение. Поэтому конструкция амперметра предполагает, что при его введении в цепь ток не изменяется заметно. Известно, что любые измерительные приборы обладают определенным электрическим сопротивлением. Если амперметр подключен в последовательной цепи, то это сопротивление увеличивает общее сопротивление всей электрической цепи. Так или иначе, это приводит к нежелательному снижению значения тока. Чтобы минимизировать этот эффект, сопротивление амперметра должно быть низким, стремясь к нулю. Однако на практике добиться выполнения этого условия невозможно.
Каждый тип амперметра работает на основе различных физических принципов, связанных с электроэнергией и проводимостью через проводник. Ниже представлены некоторые из них.
Принцип работы
Первый амперметр был изобретен Швайгером в начале XIX века, и впоследствии это устройство получило название гальванометра. Простейшая модель амперметра содержит в себе стальную рамку со стрелкой, помещенную на оси, которая направлена параллельно постоянному магниту. Магнит воздействует на арматуру, наделяя её магнитными свойствами.
Силовые линии, проходящие вдоль магнита и стрелки, указывают на нулевую отметку шкалы. В момент, когда ток начинает течь по стержню, возникает магнитный поток, вектор которого перпендикулярен линиям постоянного магнитного поля.
В силу этого якорь стремится повернуться на 90°, в то время как магнитный поток препятствует возврату в исходное положение. Величина и направление протекающего тока, проходящими в стержне, оказывают прямое влияние на взаимодействие магнитного потока с этим током, что приводит к отклонению стрелки от нуля к измерительной шкале.
Применение приборов
Электромагнитные системы в большинстве случаев используются для работы с электрооборудованием, работающим на переменном токе с частотой 50 Гц. Магнитоэлектрические устройства, в свою очередь, обрабатывают небольшие значения постоянного тока. Все амперметры могут иметь визуальные счётчики:
- Стрелочный указатель.
- Механизмы регистрации.
- Электронные индикаторы с
- Цифровым дисплеем.
Термопары находят применение для измерения тока в высокочастотных электрических сетях, где они функционируют в роли датчиков. Эти приборы фиксируют уровень нагрева как признак утечки тока, поскольку температура пропорциональна силе протекающего тока.
Электродинамические устройства применяются для измерения токов в цепях, работающих на частотах до 200 Гц. Они чувствительны к перегрузкам и внешнему электромагнитному излучению. Благодаря высокой точности измерений, такие амперметры служат эталонами для контроля других токовых измерительных приборов.
Современные модели амперметров представляют собой цифровые измерительные устройства, сочетающие преимущества аналоговых приборов. Их использование позволяет проводить измерения в условиях, где возможны вибрации или колебания, не опасаясь искажения данных.
К бесконтактным приборам относятся токовые клещи, которые изготавливаются на основе трансформаторных головок. Они позволяют определять значения тока в любой части электрической схемы. Для этого достаточно поместить клешни вокруг измеряемого провода или кабеля.
Популярные модели
На рынок существуют как национальные, так и международные производители, предлагающие широкий ассортимент устройств в разных категориях. Особенно высоко ценятся цифровые приборы, необходимые для точного измерения. В этом контексте стоит упомянуть следующие модели:
- A-05 (DC-2) — этот прибор оснащен внешней цепью на 75 мВ, предназначенной для измерения постоянного тока. В зависимости от характеристик используемого трансформатора, он может работать в цепях с токами от 100 до 1000 А. Подразумеваемая единица измерения — ампер, с классом точности байпаса не менее 1.0 и потребляемой мощностью менее 5 Вт.
- VAR-M01-083 AC 20-450 V UHL4 — универсальный прибор, который может использоваться как вольтметр и амперметр. Этот инструмент подходит как для основных, так и для дополнительных измерений, питается от сети и имеет возможность запоминать минимальные и максимальные значения. Управление производится одним нажатием кнопки, что обеспечивает доступ ко всем функциям.
- TDM SQ 1102-0060 400A/5A — недорогой однофазный счетчик, корпус которого изготовлен из невоспламеняющегося пластика и полностью совместим со многими марками трансформаторов. Средний срок службы составляет примерно 12 лет.
- AM-1 — стационарный измерительный прибор, который монтируется на DIN-рейку. В комплекте имеется дополнительный трансформатор, погрешность измерения не превышает 0.5 А.
Дополнительно среди отмеченных моделей можно указать АМ-3, IEK E 47-1500/5 A, ACS 712 30ARD и другие. С целью минимизации погрешностей, следует выбирать устройства с электрическим сопротивлением менее 0,5 Ом. Корпус устройства должен быть герметичным, а материал — негорючим. Клеммы обычно имеют анти-коррозийное покрытие, что обеспечивает стабильный контакт.
