Содержание
Изначально вольтметры и амперметры были только механическими, и лишь спустя многие годы, с развитием микроэлектроники, начали выпускаться цифровые вольтметры и амперметры. Тем не менее, даже сейчас механические измерительные приборы пользуются популярностью. Они, по сравнению с цифровыми, устойчивы к помехам и дают более наглядное представление о динамике измеряемой величины. Их внутренние механизмы остаются практически теми же, что и канонические магнитоэлектрические механизмы первых вольтметров и амперметров.
В данной статье мы рассмотрим устройство типичного стрелочного прибора, чтобы каждый новичок мог бы понимать основные принципы работы вольтметров и амперметров.
В своей работе стрелочный измерительный прибор использует магнитоэлектрический принцип. Постоянный магнит с выраженными полюсными наконечниками закреплен неподвижно. Между этими полюсами расположен неподвижный стальной сердечник так, что в воздушном кольцеобразном зазоре между сердечником и полюсными наконечниками магнита формируется постоянное магнитное поле.
В зазор вставлена подвижная алюминиевая рамка, на которую очень тонким проводом намотана катушка. Рамка закреплена на полуосях, и может поворачиваться вместе с катушкой. К рамке спиральными пружинами прикреплена стрелка прибора. Через пружины к катушке подводится ток.
Когда по проводу катушки проходит ток I, то, поскольку катушка помещена в магнитное поле, и ток в ее проводниках течет пересекая перпендикулярно магнитные силовые линии в зазоре, на нее будет действовать вращающая сила со стороны магнитного поля. Электромагнитная сила создаст вращающий момент М, и катушка вместе с рамкой и стрелкой станет поворачиваться на некоторый угол α.
Поскольку индукция магнитного поля в зазоре неизменна (магнит постоянный), то вращающий момент будет всегда пропорционален именно току в катушке, и величина его будет зависеть от тока и от неизменных конструктивных параметров данного конкретного прибора (с1). Этот момент будет равен:
Препятствующий повороту рамки момент противодействия, возникающий из-за наличия пружин, окажется пропорционален углу закручивания пружин, то есть углу поворота стрелки, связанной с подвижной частью:
Таким образом, поворот будет продолжаться до тех пор, пока момент М, создаваемый током в рамке не окажется равным моменту противодействия Мпр от пружин, то есть пока не наступит равновесие. В этот момент стрелка остановится:
Очевидно, угол закручивания пружин будет пропорционален току рамки (и измеряемому току), по этой причине приборы магнитоэлектрической системы обладают равномерной шкалой. Коэффициент пропорциональности k между углом поворота стрелки и единицей измеряемого тока называется чувствительностью прибора.
Обратная величина именуется ценой деления или постоянной прибора. Значение измеренной величины определяется как произведение цены деления на количество делений отсчета на шкале.
Чтобы избежать мешающих колебаний подвижной рамки при переходах стрелки от одного ее положения к другому, в данных приборах применяют магнитно-индукционные или воздушные демпферы.
Магнитно-индукционный демпфер представляет собой пластину из алюминия, которая закреплена на поворотной оси прибора, и всегда движется вместе со стрелкой в поле постоянного магнита. Возникающие вихревые токи тормозят катушку. Суть в том, что по правилу Ленца, вихревые токи а пластине, взаимодействуя с порождающим их магнитным полем постоянного магнита, препятствуют движению пластины, и колебания стрелки быстро затухают. Роль такого магнитно-индукционного демпфера и выполняет алюминиевый каркас, на который намотана катушка.
При повороте рамки, магнитный поток от постоянного магнита, пронизывающий алюминиевый каркас, изменяется, а значит в алюминиевом каркасе индуцируются вихревые токи, которые при взаимодействии с магнитным полем постоянного магнита оказывают тормозящее действие, и колебания стрелки прекращаются.
Воздушные демпферы магнитоэлектрических приборов представляют собой цилиндрические камеры с помещенными внутри поршнями, связанными с подвижными системами приборов. Когда подвижная часть приходит в движение, поршень в форме крыла тормозится в камере, и колебания стрелки затухают.
Для достижения нужной точности измерений, прибор не должен быть подвержен влиянию силы тяжести в процессе измерения, а отклонение стрелки должно быть связано лишь с вращающим моментом, возникающим при взаимодействии тока катушки с магнитным полем постоянного магнита и с торможением рамки пружинами.
Чтобы исключить вредное влияние силы тяжести и избежать связанных с ним погрешностей, к подвижной части прибора добавляют противовесы в виде грузиков, перемещающихся на стержнях.
Для снижения трения стальные наконечники выполняются из отполированной износостойкой стали или из вольфрамо-молибденового сплава, а подпятники изготавливают из твердого минерала (агат, корунд, рубин и т. д.). Зазор между наконечником и подпятником настраивают при помощи стопорного винта.
Для точной установки стрелки в нулевое исходное положение, прибор оснащается корректором. Корректором в стрелочном приборе служит винт, выведенный наружу, и соединенный поводком с пружиной. При помощи винта можно передвигать немного спираль на оси, регулируя таким образом исходное положение стрелки.
Большинство современных приборов имеют подвижную часть, подвешенную на паре растяжек в виде упругих металлических лент, служащих для подачи тока на катушку, и создающих противодействующий момент. Растяжки соединены с парой плоских пружин, расположенных взаимно перпендикулярно.
Справедливости ради отметим, что кроме классического механизма, рассмотренного выше, встречаются также и приборы с магнитами не только п-образной формы, но и с цилиндрическими магнитами, и с магнитами в форме призм, и даже с внутрирамочными магнитами, которые сами могут быть подвижными.
Для измерения тока или напряжения, магнитоэлектрический прибор включают в цепь постоянного тока по схеме амперметра или вольтметра, разница лишь в сопротивлении катушки и в схеме включения прибора в цепь. Разумеется через катушку прибора не должен проходить весь измеряемый ток при измерении тока, и не должна потребляться большая мощность при измерении напряжения. Для создания надлежащих условий служит добавочный резистор, встроенный в корпус измерительного прибора.
Сопротивление добавочного резистора в схеме вольтметра превосходит сопротивление катушки во много раз, и этот резистор изготовлен из металла с чрезвычайно малым температурным коэффициентом сопротивления, такого как манганин или константан. Резистор, включаемый параллельно катушке в амперметре, называется шунтом.
Сопротивление шунта напротив во много раз меньше сопротивления измерительной рабочей катушки, поэтому через провод катушки проходит только мизерная доля измеряемого тока, в то время как основной ток течет через шунт. Добавочный резистор и шунт позволяют расширить пределы измерения прибора.
Направление отклонения стрелки прибора зависит от направления тока через измерительную катушку, поэтому при включении прибора в цепь важно правильно соблюсти полярность, иначе стрелка будет двигаться в другую сторону. Соответственно, магнитоэлектрические приборы в каноническом виде непригодны для включения в цепь переменного тока, поскольку стрелка будет просто вибрировать оставаясь на одном месте.
Тем не менее, к достоинствам магнитоэлектрических приборов (амперметров, вольтметров) относятся высокая точность, равномерность шкалы и устойчивость к помехам, порождаемым внешними магнитными полями. К недостаткам — непригодность к измерению переменного тока (чтобы измерить переменный ток, нужно будет его сначала выпрямить), требование к соблюдению полярности и уязвимость тонкой проволоки измерительной катушки к перегрузкам.
Амперметр — прибор, предназначенный для измерения силы тока в электрической цепи. Подключение измерительного устройства в схему проводится последовательно с участком, который необходимо замерить. Чем ниже внутреннее сопротивление прибора, тем меньше погрешность измерения. Амперметр нельзя подключать как вольтметр, то есть непосредственно к источнику питания, так как произойдет короткое замыкание.
Конструктивные особенности
Существует несколько видов приборов, которые конструктивно отличаются друг от друга. Служат они для измерения переменного и постоянного тока. По своему принципу действия амперметры бывают:
- электромагнитными;
- магнитоэлектрическими;
- тепловыми;
- электродинамическими;
- детекторными;
- индукционными;
- фото- и термоэлектрическими.
Из всех видов наиболее точными считаются электромагнитные и магнитоэлектрические приборы. Основу магнитоэлектрических устройств составляет постоянный магнит. При прохождении тока через обмотку рамки, между ним и магнитом создается крутящий момент.
С рамкой соединена стрелка, которая перемещается по шкале амперметра и показывает значение силы тока. В электродинамическом приборе основными деталями считаются подвижная и неподвижная катушки. Они могут быть соединены между собой как последовательно, так и параллельно.
Проходящие через них токи взаимодействуют между собой, и подвижная катушка, соединенная со стрелкой, отклоняется. Если с помощью амперметра измеряется большая сила тока, то его соединяют через трансформатор.
Принцип работы
Первый прибор в начале XIX века изобрел Швейгер, но он тогда назывался гальванометром. Рисунок простейшего амперметра выглядит так. На оси кронштейна расположен якорь из стали со стрелкой. Эта конструкция расположена параллельно постоянному магниту, который воздействует на якорь и придает ему магнитные свойства.
Вдоль магнита и стрелки проходят силовые линии, что соответствует нулевому положению на шкале. Как только начнет проходить электрический ток по шине, то произойдет образование магнитного потока. Его силовые линии будут расположены перпендикулярно линиям постоянного магнита.
Под таким воздействием якорь будет стараться повернуться на 90°, а магнитный поток воспрепятствует его возвращению в исходное положение. От величины и направления тока, который проходит по шине, зависит взаимодействие магнитных потоков. Соответственно этой величине стрелка отклонится от нуля по шкале.
Применение приборов
Электромагнитные типы устройств обычно применяются в электрическом оборудовании, работающего в сетях переменного тока с частотой 50 Гц. Магнитоэлектрические приборы фиксируют малые значения силы постоянного тока. Все амперметры по отсчетным устройствам бывают:
- со стрелочным указателем;
- с записывающим механизмом;
- электронные;
- с цифровым показанием.
Для измерения силы тока в электрических сетях высоких частот применяются термоэлектрические устройства, в которых роль датчика играет термопара. Она фиксирует степень нагрева проводника, при протекании по нему тока. Рамка реагирует на температуру, которая пропорциональна силе тока.
Электродинамические приборы используются для замера силы тока в цепях частотой до 200 Гц. Отличаются чувствительностью к перегрузкам и посторонним электромагнитным волнам. Благодаря точности замеров, применяются в качестве контрольных приборов для проверки остальных устройств для измерения силы тока.
Более современными моделями считаются цифровые амперметры, которые по физическим показаниям сочетают преимущества аналоговых приборов. Пользователи могут делать замеры с их помощью в любых условиях, так как они не боятся тряски, вибрации и т. д.
К бесконтактным устройствам относятся клещи для измерения тока. Устроены они из головки трансформатора. С их помощью могут определяться значения в любых участках электрической цепи. Для этого следует клещами охватить замеряемый кабель или провод.
Популярные модели
Как отечественными, так и зарубежными производителями выпускается довольно большое количество приборов, разнообразной классификации. Особенно ценятся цифровые устройства, которые нужны для измерения показаний. К ним относятся:
А-05 (DC-2) — прибор устроен с внешним шунтом 75 мВ для измерения показаний в цепях постоянного напряжения. В зависимости от используемого трансформатора, амперметр используется в сетях с током от 100 до 1 тыс. А. Единицей измерения является ампер, замеры которого получают с погрешностью 1%, если класс точности шунта не менее 0,5. Потребляемая мощность не более 5 Вт.- ВАР-М01−083 AC 20−450 В УХЛ4 — универсальный прибор, применяемый как вольтметр, так и амперметр. Устройство может использоваться в качестве основного и дополнительного оборудования. Питается за счет проверяемой электрической цепи. Прибор обладает функцией сохранения в памяти минимального и максимального значения. Управление осуществляется одной кнопкой, переключением которой можно вызвать все функции.
- ТДМ SQ 1102−0060 400А/5А — недорогой стрелочный прибор, применяемый в однофазных сетях. Корпус выполнен из негорючего пластика и имеет полную совместимость со многими маркировками трансформаторов. Средний срок службы составляет около 12 лет.
- АМ-1 — стационарный измерительный прибор, устанавливаемый на DIN-рейку. В комплект входит дополнительный трансформатор. Погрешность измерения составляет не более 0,5 А.
Стоит отметить еще модели амперметров АМ-3, IEK Э 47−1500/5 А, ACS 712 30 А RD и др. Чтобы избежать больших погрешностей, следует выбирать устройства с сопротивлением до 0,5 Ом. Корпус устройств должен быть герметичным и состоять из негорючего материала. Клеммы обычно покрывают антикоррозийным слоем, назначение которых считается обеспечение более прочного контакта.
Процесс измерения
На практике амперметр используется гораздо реже, но иногда все-таки существует необходимость сделать замеры тока. Обычно такая процедура применяется для определения мощности электрического прибора, если нет соответствующих обозначений. Очень важно, что при измерении тока величина напряжения, приложенного к электрической цепи, не имеет значения. Замер прибором можно проводить, разорвав цепь в любом месте.
Источником может быть простая батарейка на 1,5 В, аккумулятор на 12 В или однофазная сеть 220 В. Перед началом измерений пользователи подготавливают оборудование, переводя ручки настройки в соответствующее начальное положение. Если примерное значение тока неизвестно, то переключатели устанавливаются на максимальное значение.
Когда все будет подготовлено, в одну из розеток подключается электрический прибор, а в другую провода амперметра. Если это бытовая сеть, то на измерительном устройстве следует выставить переменный ток и максимальное его значение. При измерении стрелочными приборами часто допускаются ошибки, так как сам процесс с ними проводить не очень удобно.
В этом случае гораздо удобнее использовать цифровые измерительные устройства. Очень популярны мультиметры M890G, в которых есть два диапазона для измерений как переменного, так и постоянного тока. Опытные электрики обычно примерно знают параметры электрической сети, поэтому они сразу устанавливают переключатели в нужное положение.
Если они не знают значения измеряемого тока, то устанавливают на мультиметре предельное значение равное 10 А. Далее, прибор перенастраивается на меньшее значение, соответствующее току сети.
Следует помнить, что переключение осуществляется при обесточивании проверяемой электрической цепи. Используя универсальный прибор, который выполняет задание вольтметра и амперметра, косвенно измеряют сопротивление подключенного прибора. Для этого дополнительно проводят расчеты, связанные с законом Ома.
Амперметр
Амперметр – это прибор, измеряющий и показывающий силу тока в цепи. В зависимости от предполагаемой нагрузки (А, мА, мкА) используются соответствующие приборы (РА1, РА2, РА3).
В зависимости от сферы применения амперметры могут работать с постоянным или с переменным током и делятся на два типа: аналоговые и цифровые.
Работа данного типа амперметров основана на действии магнитных полей. Стрелка, отображающая значение силы тока на шкале, приводится в действие катушкой, через которую проходит ток. Сама катушка расположена между постоянными магнитами и при появлении электромагнитного поля меняет свое положение. При этом, чем выше сила тока, тем больше отклонение катушки и, соответственно, стрелки.
Для увеличения предела измерения в цепь параллельно амперметру подключается резистор.
Преимущества аналогового амперметра:
– Питается от измеряемой цепи,
– Легкая читаемость показаний.
– Стрелке требуется время, чтобы успокоиться и показать правильное значение.
Цифровой амперметр вместо шкалы со стрелкой снабжен жидкокристаллическим дисплеем. Но это не единственное его отличие. Все измерения происходят с помощью аналого-цифрового преобразователя и обрабатываются процессором устройства.
– Ввиду отсутствия стрелки не нужно ждать, пока она успокоится,
– Процессор мгновенно регистрирует изменения в силе тока,
– Компактность и возможность модульной установки на din-рейку.
– Требуют отдельного питания для работы,
– Модели, питающиеся от измеряемой сети, достаточно дороги.
Вольтметр
Как можно понять из названия, данный измерительный прибор анализирует напряжение в сетях постоянного и переменного тока.
Как и амперметры, в зависимости от рабочих величин (В, мВ, мкВ) различают соответствующие вольтметры: PV1, PV2, PV3.
Для аналоговых моделей часто в схемах указывается максимальный уровень напряжения, чтобы можно было подобрать соответствующий измерительный прибор. Также при измерении постоянного тока иногда в схемах указывается полярность подключения устройства.
По принципу работы вольтметры также делятся на аналоговые и цифровые. Их конструкция схожа с конструкцией амперметров, поэтому мы не будем ее рассматривать.
