Амперметр (сокращение от Амперметр ) — это прибор , используемый для измерения тока в цепи . Электрический ток измеряется в амперах (А), отсюда и название. При прямом измерении амперметр включают последовательно с цепью, в которой необходимо измерить ток. Амперметр обычно имеет низкое сопротивление , поэтому он не вызывает значительного падения напряжения в измеряемой цепи.
Приборы, используемые для измерения меньших токов в диапазоне миллиампер или микроампер, обозначаются как миллиамперметры или микроамперметры . Первые амперметры представляли собой лабораторные приборы, работа которых основывалась на магнитном поле Земли. К концу 19 века были разработаны улучшенные инструменты, которые можно было устанавливать в любом положении и которые позволяли проводить точные измерения в электроэнергетических системах . Обычно в схеме он обозначается буквой «А».
Связь между электрическим током, магнитными полями и физическими силами была впервые отмечена Гансом Кристианом Эрстедом в 1820 году, который заметил, что стрелка компаса отклонялась от направления на север, когда по соседнему проводу протекал ток. Для измерения токов с использованием этого эффекта использовался касательный гальванометр , где восстанавливающая сила, возвращающая указатель в нулевое положение, обеспечивалась магнитным полем Земли. Это сделало эти инструменты пригодными для использования только при согласовании с полем Земли. Чувствительность прибора повышали за счет использования дополнительных витков провода для усиления эффекта – приборы называли «умножителями». [1]
Слово «реоскоп» как детектор электрических токов было придумано сэром Чарльзом Уитстоном около 1840 года, но больше не используется для описания электрических инструментов. Слово «макияж» похоже на слово «реостат » (также придуманное Уитстоном), которое представляло собой устройство, используемое для регулировки тока в цепи. Реостат — это исторический термин, обозначающий переменное сопротивление, хотя, в отличие от реоскопа, его все еще можно встретить. [2] [3]
Некоторые приборы представляют собой панельные счетчики , предназначенные для установки на какой-либо панели управления . Из них плоский, горизонтальный или вертикальный тип часто называют ребристым счетчиком .
Гальванометр Д'Арсонваля представляет собой амперметр с подвижной катушкой. Он использует магнитное отклонение , при котором ток, проходящий через катушку, помещенную в магнитное поле постоянного магнита, заставляет катушку двигаться. Современная форма этого инструмента была разработана Эдвардом Уэстоном и использует две спиральные пружины для обеспечения восстанавливающей силы. Равномерный воздушный зазор между железным сердечником и полюсами постоянного магнита делает отклонение счетчика линейно пропорциональным току. Эти счетчики имеют линейную шкалу. Базовые движения счетчика могут иметь полномасштабное отклонение при токах от 25 микроампер до 10 миллиампер . [4]
Поскольку магнитное поле поляризовано, стрелка счетчика действует в противоположных направлениях для каждого направления тока. Таким образом, амперметр постоянного тока чувствителен к тому, к какой полярности он подключен; большинство из них отмечены положительной клеммой, но некоторые имеют механизм с нулевым центром [a] и могут отображать токи в любом направлении. Измеритель с подвижной катушкой показывает среднее значение изменяющегося тока через него, [b] которое равно нулю для переменного тока. По этой причине счетчики с подвижной катушкой можно использовать только для постоянного, а не переменного тока.
Этот тип движения счетчика чрезвычайно распространен как для амперметров, так и для других производных от них счетчиков, таких как вольтметры и омметры .
Амперметры с подвижным магнитом работают по существу по тому же принципу, что и подвижная катушка, за исключением того, что катушка установлена в корпусе счетчика, а постоянный магнит перемещает стрелку. Амперметры с подвижным магнитом способны выдерживать большие токи, чем приборы с подвижной катушкой, часто несколько десятков ампер, поскольку катушка может быть изготовлена из более толстой проволоки и ток не должен передаваться по волосковым пружинам. Действительно, некоторые амперметры этого типа вообще не имеют волосковых пружин, вместо этого используется фиксированный постоянный магнит для обеспечения восстанавливающей силы.
В электродинамическом амперметре вместо постоянного магнита механизма Дарсонваля используется электромагнит. Этот прибор может реагировать как на переменный, так и на постоянный ток [4] , а также показывает истинное среднеквадратичное значение для переменного тока. См. «Ваттметр» , чтобы узнать об альтернативном использовании этого прибора.
В амперметрах с подвижным железом используется кусок железа , который перемещается под действием электромагнитной силы неподвижной катушки с проводом. Счетчик с подвижной катушкой был изобретен австрийским инженером Фридрихом Дрекслером в 1884 году. [5] Этот тип счетчика реагирует как на постоянный , так и на переменный ток (в отличие от амперметра с подвижной катушкой, который работает только на постоянном токе ). Железный элемент состоит из подвижной лопатки, прикрепленной к указателю, и неподвижной лопатки, окруженной катушкой. Поскольку переменный или постоянный ток протекает через катушку и индуцирует магнитное поле в обеих лопастях, лопасти отталкиваются друг от друга, а движущаяся лопасть отклоняется под действием возвращающей силы, создаваемой тонкими винтовыми пружинами. [4] Отклонение движущегося железного счетчика пропорционально квадрату силы тока. Следовательно, такие счетчики обычно имеют нелинейную шкалу, но железные части обычно изменяются по форме, чтобы сделать шкалу достаточно линейной на большей части ее диапазона. Инструменты с движущимся железом показывают среднеквадратичное значение любого применяемого сигнала переменного тока. Амперметры с подвижным железом обычно используются для измерения тока в цепях переменного тока промышленной частоты.
В амперметре с горячей проволокой ток проходит по проводу, который расширяется при нагревании. Хотя эти приборы имеют медленное время отклика и низкую точность, иногда их использовали для измерения радиочастотного тока. [4] Они также измеряют истинное среднеквадратичное значение для приложенного переменного тока.
Во многом так же, как аналоговый амперметр лег в основу множества производных измерителей, включая вольтметры, базовым механизмом цифрового измерителя является механизм цифрового вольтметра, и на его основе построены другие типы измерителей.
В цифровых амперметрах используется шунтирующий резистор для создания калиброванного напряжения, пропорционального протекающему току. Затем это напряжение измеряется цифровым вольтметром с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП); цифровой дисплей откалиброван для отображения тока через шунт. Такие приборы часто калибруются так, чтобы показывать среднеквадратичное значение только для синусоидальной волны, но многие конструкции будут показывать истинное среднеквадратичное значение в пределах ограничений коэффициента амплитуды волны .
Существует также ряд устройств, называемых интегрирующими амперметрами. [6] [7] В этих амперметрах ток суммируется по времени, получая в результате произведение тока на время; который пропорционален электрическому заряду, передаваемому этим током. Их можно использовать для измерения энергии (чтобы получить энергию, заряд необходимо умножить на напряжение) или для оценки заряда батареи или конденсатора .
Пикоамперметр или пикоамперметр измеряет очень слабый электрический ток, обычно от диапазона пикоампер на нижнем конце до диапазона миллиампер на верхнем конце. Пикоамперметры используются там, где измеряемый ток находится ниже пределов чувствительности других устройств, например мультиметров .
Большинство пикоамперметров используют метод «виртуального короткого замыкания» и имеют несколько различных диапазонов измерения, между которыми необходимо переключаться, чтобы охватить несколько десятилетий измерений . Другие современные пикоамперметры используют сжатие логарифма и метод «приемника тока», который исключает переключение диапазона и связанные с ним скачки напряжения . [8] Для уменьшения тока утечки, который может затруднить измерения, такие как специальные изоляторы и управляемые экраны, необходимо соблюдать особые требования к конструкции и использованию . Для подключения датчиков часто используется триаксиальный кабель .
Амперметры необходимо включать последовательно с измеряемой цепью. При относительно небольших токах (до нескольких ампер) амперметр может пропускать весь ток цепи. При более высоких постоянных токах шунтирующий резистор проводит большую часть тока цепи, а небольшая, точно известная часть тока проходит через механизм счетчика. В цепях переменного тока можно использовать трансформатор тока , чтобы обеспечить удобный малый ток для управления прибором, например 1 или 5 ампер, в то время как измеряемый первичный ток намного больше (до тысяч ампер). Использование шунта или трансформатора тока также позволяет удобно расположить измерительный прибор без необходимости прокладки тяжелых проводников цепи до точки наблюдения. В случае переменного тока использование трансформатора тока также изолирует счетчик от высокого напряжения первичной цепи. Шунт не обеспечивает такой изоляции для амперметра постоянного тока, но при использовании высоких напряжений можно разместить амперметр на «обратной» стороне цепи, которая может иметь низкий потенциал по отношению к земле.
Амперметры нельзя подключать непосредственно к источнику напряжения, поскольку их внутреннее сопротивление очень низкое и может протекать избыточный ток. Амперметры рассчитаны на низкое падение напряжения на клеммах, намного меньше одного вольта; Дополнительные потери в цепи, создаваемые амперметром, называются его «нагрузкой» на измеряемую цепь (I).
Обычные измерительные механизмы типа Вестона могут измерять максимум только миллиамперы, поскольку пружины и практичные катушки могут проводить лишь ограниченные токи. Для измерения больших токов параллельно счетчику подключают резистор , называемый шунтом . Сопротивления шунтов находятся в диапазоне целых и дробных миллиом. Почти весь ток протекает через шунт, и лишь небольшая часть проходит через счетчик. Это позволяет измерителю измерять большие токи. Традиционно счетчик, используемый с шунтом, имеет полное отклонение (FSD) 50 мВ , поэтому шунты обычно проектируются так, чтобы производить падение напряжения 50 мВ при прохождении полного номинального тока.
Чтобы сделать многодиапазонный амперметр, можно использовать селекторный переключатель для подключения одного из нескольких шунтов к счетчику. Это должен быть автоматический выключатель, чтобы избежать вредных скачков тока из-за движения счетчика при переключении диапазонов.
Лучшим вариантом является шунт Айртона или универсальный шунт, изобретенный Уильямом Э. Айртоном , который не требует размыкающего выключателя. Это также позволяет избежать неточностей из-за контактного сопротивления. На рисунке, предполагая, например, движение с полным напряжением 50 мВ и желаемыми диапазонами тока 10 мА, 100 мА и 1 А, значения сопротивления будут следующими: R1 = 4,5 Ом, R2 = 0,45 Ом, R3 = 0,05 Ом. А если сопротивление движению составляет, например, 1000 Ом, R1 необходимо отрегулировать на 4,525 Ом.
Коммутируемые шунты редко используются при токах выше 10 ампер.
Амперметры с нулевым центром используются в приложениях, требующих измерения тока с обеих полярностей, что часто встречается в научном и промышленном оборудовании. Амперметры с нулевым центром также обычно включаются последовательно с батареей . В этом приложении заряд батареи отклоняет стрелку в одну сторону шкалы (обычно в правую сторону), а разряд батареи отклоняет стрелку в другую сторону. Специальный тип амперметра с нулевым центром для проверки больших токов в легковых и грузовых автомобилях имеет поворотный стержневой магнит, который перемещает указатель, и фиксированный стержневой магнит, удерживающий указатель в центре при отсутствии тока. Магнитное поле вокруг провода, по которому протекает измеряемый ток, отклоняет движущийся магнит.
Поскольку шунт амперметра имеет очень низкое сопротивление, ошибочное подключение амперметра параллельно источнику напряжения приведет к короткому замыканию , в лучшем случае перегоранию предохранителя, что может привести к повреждению прибора и проводки и подвергнуть наблюдателя травмам.
В цепях переменного тока можно использовать трансформатор тока для преобразования большого тока в основной цепи в меньший ток, более подходящий для счетчика. Некоторые конструкции трансформаторов способны напрямую преобразовывать магнитное поле вокруг проводника в небольшой переменный ток, обычно 1 А или 5 А при полном номинальном токе, который можно легко измерить с помощью измерителя. Аналогичным образом были созданы точные бесконтактные амперметры переменного/постоянного тока с использованием датчиков магнитного поля на эффекте Холла . Портативный ручной амперметр с зажимом — это обычный инструмент для обслуживания промышленного и коммерческого электрооборудования, который временно закрепляется на проводе для измерения тока. Некоторые современные типы имеют параллельную пару магнитомягких щупов, которые расположены по обе стороны проводника.
