Амперметр (сокращение от амперметр ) — это прибор , используемый для измерения силы тока в цепи . Электрические токи измеряются в амперах (А), отсюда и название. Для прямого измерения амперметр подключается последовательно к цепи, в которой измеряется 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, называются миллиамперметрами или микроамперметрами . Ранние амперметры были лабораторными приборами, работа которых зависела от магнитного поля Земли. К концу 19 века были разработаны усовершенствованные приборы, которые можно было устанавливать в любом положении и которые позволяли проводить точные измерения в электроэнергетических системах . В схеме он обычно обозначается буквой «А».
Связь между электрическим током, магнитными полями и физическими силами была впервые отмечена Гансом Христианом Эрстедом в 1820 году, который наблюдал, как стрелка компаса отклонялась от направления на север, когда ток протекал по соседнему проводу. Тангенциальный гальванометр использовался для измерения токов с использованием этого эффекта, где восстанавливающая сила, возвращающая стрелку в нулевое положение, обеспечивалась магнитным полем Земли. Это делало эти приборы пригодными для использования только при совмещении с полем Земли. Чувствительность прибора увеличивалась за счет использования дополнительных витков провода для умножения эффекта – приборы назывались «мультипликаторами». [1]
Слово реоскоп как детектор электрического тока было придумано сэром Чарльзом Уитстоном около 1840 года, но больше не используется для описания электрических приборов. Слово состав похоже на слово реостат (также придуманное Уитстоном), которое было устройством, используемым для регулировки тока в цепи. Реостат — исторический термин для переменного сопротивления, хотя в отличие от реоскопа его все еще можно встретить. [2] [3]
Некоторые приборы представляют собой панельные измерители , предназначенные для установки на какой-либо панели управления . Из них плоский, горизонтальный или вертикальный тип часто называют измерителем Edgewise .
Гальванометр Д'Арсонваля — это амперметр с подвижной катушкой. Он использует магнитное отклонение , когда ток, проходящий через катушку, помещенную в магнитное поле постоянного магнита, заставляет катушку двигаться. Современная форма этого прибора 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 линейные шкалы. Основные движения счетчика могут иметь полное отклонение для токов от примерно 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, в какой полярности он подключен; большинство из них отмечены положительным выводом, но некоторые имеют механизмы с нулевым центром [a] и могут отображать токи в любом направлении. Счетчик с подвижной катушкой показывает среднее значение переменного тока через него [b], которое равно нулю для переменного тока. По этой причине счетчики с подвижной катушкой можно использовать только напрямую для постоянного тока, но не для переменного тока.
Этот тип движения счетчика чрезвычайно распространен как для амперметров, так и для других измерителей, созданных на их основе, таких как вольтметры и омметры .
Амперметры с подвижным магнитом работают по сути по тому же принципу, что и с подвижной катушкой, за исключением того, что катушка установлена в корпусе счетчика, а постоянный магнит перемещает стрелку. Амперметры с подвижным магнитом способны проводить большие токи, чем приборы с подвижной катушкой, часто в несколько десятков ампер, поскольку катушка может быть изготовлена из более толстой проволоки, и ток не должен переноситься волосковыми пружинами. Действительно, некоторые амперметры этого типа вообще не имеют волосковых пружин, вместо этого они используют фиксированный постоянный магнит для обеспечения восстанавливающей силы.
Электродинамический амперметр использует электромагнит вместо постоянного магнита механизма д'Арсонваля. Этот прибор может реагировать как на переменный, так и на постоянный ток [4] , а также показывает истинное среднеквадратичное значение для переменного тока. См. ваттметр для альтернативного использования этого прибора.
В амперметрах с подвижным сердечником используется кусок железа , который движется под действием электромагнитной силы неподвижной катушки провода. Амперметр с подвижным сердечником 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 лопасти, прикрепленной к указателю, и неподвижной лопасти, окруженной катушкой. Когда переменный или постоянный ток протекает через катушку и индуцирует магнитное поле в обеих лопастях, лопасти отталкиваются друг от друга, а подвижная лопасть отклоняется против восстанавливающей силы, создаваемой тонкими спиральными пружинами. [4] Отклонение подвижного сердечника пропорционально квадрату тока. Следовательно, такие счетчики обычно имеют нелинейную шкалу, но железные части обычно изменяются по форме, чтобы сделать шкалу довольно линейной на большей части ее диапазона. Приборы с подвижным сердечником показывают среднеквадратичное значение любой применяемой формы волны переменного тока. Электромагнитные амперметры обычно используются для измерения тока в цепях переменного тока промышленной частоты.
В амперметре с горячей проволокой ток проходит через провод, который расширяется по мере нагрева. Хотя эти приборы имеют медленное время отклика и низкую точность, их иногда использовали для измерения радиочастотного тока. [4] Они также измеряют истинное среднеквадратичное значение для приложенного переменного тока.
Подобно тому, как аналоговый амперметр лег в основу множества производных измерительных приборов, включая вольтметры, базовым механизмом цифрового измерительного прибора является механизм цифрового вольтметра, и другие типы измерительных приборов построены на его основе.
Цифровые амперметры используют шунтирующий резистор для создания калиброванного напряжения, пропорционального протекающему току. Затем это напряжение измеряется цифровым вольтметром с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП); цифровой дисплей калибруется для отображения тока через шунт. Такие приборы часто калибруются для указания среднеквадратичного значения только для синусоиды, 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 с течением времени, давая в результате произведение тока и времени; которое пропорционально электрическому заряду, передаваемому этим током. Их можно использовать для измерения энергии (заряд необходимо умножить на напряжение, чтобы получить энергию) или для оценки заряда батареи или конденсатора .
Пикоамперметр, или пикоамперметр, измеряет очень слабый электрический ток, обычно от пикоамперного диапазона на нижнем конце до миллиамперного диапазона на верхнем конце. Пикоамперметры используются там, где измеряемый ток ниже пределов чувствительности других приборов, таких как мультиметры .
Большинство пикоамперметров используют технику «виртуального замыкания» и имеют несколько различных диапазонов измерений, между которыми необходимо переключаться, чтобы охватить несколько декад измерений . Другие современные пикоамперметры используют сжатие логарифма и метод «токовой нагрузки», который устраняет переключение диапазонов и связанные с этим скачки напряжения . [8] Необходимо соблюдать особые требования к конструкции и использованию, чтобы уменьшить ток утечки, который может затмить измерения, такие как специальные изоляторы и управляемые экраны . Триаксиальный кабель часто используется для подключения зондов.
Амперметры должны быть подключены последовательно к измеряемой цепи. Для относительно небольших токов (до нескольких ампер) амперметр может пропускать весь ток цепи. Для больших постоянных токов шунтирующий резистор проводит большую часть тока цепи, а небольшая, точно известная часть тока проходит через механизм счетчика. Для цепей переменного тока трансформатор тока может использоваться для обеспечения удобного небольшого тока для управления прибором, например, 1 или 5 ампер, в то время как первичный ток, который необходимо измерить, намного больше (до тысяч ампер). Использование шунта или трансформатора тока также позволяет удобно расположить показывающий счетчик без необходимости прокладывать тяжелые проводники 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 амперметр можно поместить на «обратную» сторону цепи, которая может иметь низкий потенциал по отношению к земле.
Амперметры нельзя подключать напрямую через источник напряжения, поскольку их внутреннее сопротивление очень низкое, и будет протекать избыточный ток. Амперметры рассчитаны на низкое падение напряжения на их клеммах, намного меньше одного вольта; дополнительные потери в цепи, создаваемые амперметром, называются его «нагрузкой» на измеряемую цепь (I).
Обычные счетчики типа Weston могут измерять максимум только миллиамперы, поскольку пружины и практические катушки могут проводить только ограниченные токи. Для измерения больших токов параллельно счетчику помещается резистор, называемый шунтом . Сопротивление шунтов находится в диапазоне от целого до дробного миллиома. Почти весь ток протекает через шунт, и только небольшая часть протекает через счетчик. Это позволяет счетчику измерять большие токи. Традиционно счетчик, используемый с шунтом, имеет отклонение полной шкалы (FSD) 50 мВ , поэтому шунты обычно проектируются так, чтобы создавать падение напряжения 50 мВ при прохождении их полного номинального тока.
Чтобы сделать многодиапазонный амперметр, можно использовать селекторный переключатель для подключения одного из нескольких шунтов через счетчик. Он должен быть переключателем с функцией замыкания перед разрывом, чтобы избежать повреждения бросками тока через движение счетчика при переключении диапазонов.
Лучшей компоновкой является шунт Айртона или универсальный шунт, изобретенный Уильямом Э. Айртоном , который не требует переключателя «замкнуть-прервать». Он также позволяет избежать неточности из-за сопротивления контакта. На рисунке, если предположить, 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 движения составляет, например, 1000 Ом, R1 необходимо отрегулировать до 4,525 Ом.
Коммутируемые шунты редко используются для токов свыше 10 ампер.
Амперметры с нулевым центром используются для приложений, требующих измерения тока с обеих полярностей, что распространено в научном и промышленном оборудовании. Амперметры с нулевым центром также обычно подключаются последовательно с батареей . В этом приложении зарядка батареи отклоняет стрелку в одну сторону шкалы (обычно в правую сторону), а разрядка батареи отклоняет стрелку в другую сторону. Специальный тип амперметра с нулевым центром для проверки высоких токов в автомобилях и грузовиках имеет поворотный стержневой магнит, который перемещает указатель, и фиксированный стержневой магнит, чтобы удерживать указатель в центре при отсутствии тока. Магнитное поле вокруг провода, по которому проходит 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, возможному повреждению прибора и проводки, а также к травме наблюдателя.
В цепях переменного тока трансформатор тока может использоваться для преобразования большого тока в главной цепи в меньший ток, более подходящий для счетчика. Некоторые конструкции трансформатора способны напрямую преобразовывать магнитное поле вокруг проводника в небольшой переменный ток, обычно 1 А или 5 А при полном номинальном токе, который может быть легко считан счетчиком. Аналогичным образом были сконструированы точные бесконтактные амперметры переменного/постоянного тока с использованием датчиков магнитного поля на эффекте Холла . Портативный ручной токоизмерительный амперметр является распространенным инструментом для обслуживания промышленного и коммерческого электрооборудования, который временно закрепляется на проводе для измерения тока. Некоторые последние типы имеют параллельную пару магнитно-мягких зондов, которые размещаются по обе стороны проводника.
