2. 7. Измерение тока и напряжения в электрических цепях. Амперметр и вольтметр - ЗФТШ, МФТИ - услуги электромонтажа, строительства и ремонта

В данной задаче мы не будем рассматривать вопросы, связанные с особенностями конструкции электроизмерительных приборов, их компоновки и принципов работы. Остановимся только на требованиях к внутреннему сопротивлению амперметров и вольтметров. Важно, чтобы эти приборы, будучи включенными в измерительную цепь, вносили как можно меньше искажений в измеряемую величину.

Содержание

Как амперметр включается в электрическую цепь

2.7 Измерение тока и напряжения в электрических цепях. Амперметр и вольтметр

Амперметры и вольтметры используются для измерения токов и напряжений в электрических цепях, основным компонентом которых является гальванометр – прибор, предназначенный для измерения величины токов. Эти измерения могут быть основаны на одном из взаимодействий тока: тепловом, физическом, химическом. Гальванометр, откалиброванный по величине тока, называется амперметром. Согласно закону Ома (8), напряжение и ток прямо пропорциональны, поэтому гальванометр также может быть откалиброван по напряжению. Мы называем такой прибор вольтметром.

В данной задаче мы не будем касаться особенностей конструкции электроизмерительных приборов, их компоновки и принципов работы. Мы остановимся только на требованиях к внутреннему сопротивлению амперметров и вольтметров. Важно, чтобы они вносили как можно меньше искажений в измерительную цепь.

Амперметр подключен последовательно в цепь. Если сопротивление амперметра равно `R_”a` и он подключен к участку цепи с сопротивлением `R_”c` (рис. 7a), то эквивалентное сопротивление участка цепи и амперметра согласно (13) равно `R=R_”c` +R_”a` =R_”c(1+(R_”a)/(R_”c))`.

Из этого следует, что амперметр не будет заметно изменять сопротивление участка цепи, если его собственное (внутреннее) сопротивление мало по сравнению с сопротивлением участка цепи.

Для этого гальванометр оснащается шунтом (синоним – аддитивный путь): вход и выход гальванометра соединяются через некоторое сопротивление, обеспечивая дополнительный путь для тока, параллельного гальванометру (рис. 7 b). Поэтому внутреннее сопротивление амперметра меньше, чем сопротивление используемого в нем гальванометра. (Амперметр называется идеальным, если его внутреннее сопротивление можно принять равным нулю.

Вольтметр подключается к цепи параллельно измеряемому напряжению. Подключив, например, вольтметр с сопротивлением `R_”c”` параллельно лампочке с сопротивлением `R_”l”` (рис. 8 a), получим участок цепи, эквивалентное сопротивление которого рассчитывается по формуле (14) `R=R_”l” (R “в”)/(R_”л “+R_”в”)`.

Из этого следует, что чем больше сопротивление вольтметра по сравнению с сопротивлением лампочки, тем меньше будет разница между эквивалентным сопротивлением и сопротивлением лампочки. Вывод: Для того чтобы процесс измерения искажал измеряемое напряжение как можно меньше, собственное сопротивление вольтметра должно быть как можно выше. Поэтому в вольтметре последовательно с гальванометром подключается определенное сопротивление (рис. 8б). Внутреннее сопротивление такого вольтметра обычно во много раз больше, чем сопротивление гальванометра в нем. Вольтметр называется идеальным, если его внутреннее сопротивление можно считать бесконечно большим.

Каждый измерительный прибор рассчитан на определенный диапазон значений измеряемой величины. Весы калибруются соответствующим образом. Для расширения диапазона измерений в амперметре можно использовать дополнительный шунт, а в вольтметре – дополнительный резистор. Найдите значения тех резисторов, которые увеличивают максимальное измеряемое значение тока или напряжения в два раза.

Для постоянного тока не требуется специального приспособления – есть миллиамперметр, мощный шунт с сопротивлением в сотых и тысячных долях ома. Они соединяются параллельно – и вся система помещается в выключатель. Переменный ток, с другой стороны, требует метода с трансформатором тока, подключенным, как описано выше. Диодный выпрямитель используется для предотвращения колебаний иглы около нуля на шкале с частотой 50 герц и более. Он представляет собой один диод или диодный мост. Номинальное напряжение диода должно быть достаточно высоким. Это позволяет избежать электрического сбоя и, как следствие, выхода устройства из строя.

Устройство

В случае с циферблатным амперметром основой прибора является простой электромагнитный (или другого типа) гальванометр или электрическая измерительная головка.

Электромагнитный амперметр

Гальванометр работает как нечто среднее между милливольтметром и микроамперметром. Его нельзя подключать к цепи без нагрузки и пускорегулирующих аппаратов – обмотки катушки не рассчитаны на значительные силы тока, требуемые силовыми установками и подключенными к ним нагрузками: велика вероятность перегорания ее обмоток. Конструкция аналогового гальванометра выглядит следующим образом. Катушка вращается в поле постоянных магнитов, через которые начинает протекать ток при подключении устройства. Катушка вращается под воздействием собственного магнитного поля – пропорционально току, протекающему через нее. Катушка вращается под действием вращающего момента, возникающего при взаимодействии поля постоянного магнита и поля катушки.

Вместе с катушкой вращается и стрелка, жестко закрепленная на ней. Вся конструкция закреплена на неподвижной оси, расположенной в центре магнитного зазора. Плоская пружина, прикрепленная одним концом к жесткому основанию (раме) прибора, а другим – к оси со стрелкой, заставляет стрелку возвращаться в исходное положение после отключения гальванометра от электрической цепи.

Помимо возвратной пружины, указатель уравновешивает балансир – металлическая нить из мягкого и достаточно упругого металла (например, платины), балансирующая указатель и не позволяющая его концу зацепиться за шкалу – алюминиевую градуировочную пластину, закрепленную в виде плоской рамки на лицевой стороне внутренней части гальванометра. В некоторых случаях, чтобы сэкономить дорогую платину, к противовесу указателя припаивают каплю какого-нибудь сплава с низкой температурой плавления (точно в миллиграммах или сотнях микрограммов). Если балансир поврежден, результаты измерений будут неточными, нерегулярными или вообще отсутствовать. Правила обращения с гальванометрическими амперметрами строго запрещают ронять их, подвергать сильным вибрациям и сильным ударам – измерительные головки очень легко ломаются.

Наконец-то, Циферблатный амперметр имеет плоский винт, который слегка перемещает пружину стрелки в любом направлении.. При вращении этого винта указатель может находиться не точно в нулевой точке шкалы, а более или менее в нулевой точке. На сколько делений будет пробит ноль, на столько делений “ляжет” амперметр, снимая показания измеряемого тока. После проверки гальванометра производитель самостоятельно калибрует нулевую точку – в соответствии со шкалой. Пользователь регулирует точность нулевой точки на глаз, с помощью плоской отвертки, когда обнаруживает, что нуль циферблата не совпадает с нулем шкалы.

Резиновые опоры для проводов на концах шкалыОни удерживают стрелку вблизи нуля и в максимальном положении, когда гальванометр “выключен” или подключен “в обратную сторону”. Они предотвращают проворачивание пружины и удар кончика указателя о край оптического измерительного поля, если измеряемый параметр окажется во много раз больше фактического значения, которое способен отобразить прибор.

Магнитоэлектрический

Удерживает постоянный ток небольшой величины. Измерительная головка представляет собой магнитоэлектрическую систему со шкалой, содержащей определенную градуировку.

Термоэлектрический

Предназначены для высокоскоростных цепей переменного тока с частотой в сотни и тысячи герц. Этот амперметр основан на магнитоэлектрической головке. Он состоит из куска проводника, к которому подсоединена термопара. Ток, нагревающий проводник, выделяет тепло, которое улавливается термопарой. Тепловое излучение отклоняет рамку стрелки на расчетный угол, линейно зависящий от величины протекающего тока.

Электродинамический

Он предназначен для измерения тока в быстро меняющихся электроустановках, работающих на повышенных (до 200 Гц) частотах. Для электродинамических амперметров подойдет помещение или камера, где нет лишних электромагнитных полей. Однако они очень точны и используются для регулярной калибровки всех других типов счетчиков.

Ферродинамика

Каркас ферродинамического измерителя состоит из ферромагнита, железного сердечника и статической катушки. Он имеет такую же точность, как электродинамический амперметр, но нечувствителен к электромагнитным помехам (блуждающим полям).

Цифровой

Цифровой амперметр (предпочтительно мультиметр) не имеет гальванометрической измерительной головки. Вместо гальванометра используется целая система: датчики тока, АЦП, процессор с ПЗУ и ОЗУ, а также дисплей с контроллером дисплея для считывания значений. Для хранения показаний на внешнем устройстве хранения можно использовать порт microUSB или радиомодуль Wi-Fi/Bluetooth. – Таким образом, амперметр или мультиметр можно подключить к компьютеру, смартфону или планшету и использовать специальное приложение для работы с ним.

Амперметр всегда подключается последовательно с цепью и только тогда, когда цепь обесточена! Потребители в неповрежденной цепи сами ограничат ток до рабочего значения.

Измерение тока с помощью амперметра

Амперметр используется для измерения силы тока (ампеража) в цепях постоянного и переменного тока. Амперметр подключен последовательно с источником тока.

Поскольку ток – это упорядоченное движение заряженных частиц по проводнику (по поперечному сечению проводника), для его измерения необходимо, чтобы измеряемый ток также проходил через амперметр. По этой причине амперметр подключается в разрыв проверяемой цепи, когда необходимо измерить ток, и никогда параллельно с ней.

В выходной цепи современного амперметра обычно имеется шунт – калиброванный резистор высокой точности и довольно низкого сопротивления (доли ома), на котором электронная схема измеряет падение напряжения, а по нему косвенно вычисляет силу тока (или как говорят – ампераж).

Амперметр, как отдельный прибор или как одна из функций мультиметра, имеет несколько диапазонов для измерения тока. Выбор диапазона осуществляется с помощью переключателя на передней панели прибора.

Обычно мультиметр может быть настроен на одно из следующих значений (максимальное значение для диапазона): 200 мА, 2 мА, 20 мА, 200 мА, 10 А и т.д. Кроме того, некоторые мультиметры имеют возможность измерять постоянный, переменный или как постоянный, так и переменный ток.

Тип тока также выбирается на шкале переключателя. Мультиметры имеют два отдельных гнезда для измерения тока и напряжения: одно гнездо для измерения напряжения, другое – для измерения тока. Третий – общий провод, который остается на месте независимо от того, измеряете ли вы ток или напряжение.

Подключите щупы к соответствующим гнездам мультиметра или амперметра. Включите прибор и переведите его в режим измерения тока, выбрав переключателем тип тока и диапазон. Если диапазон неизвестен, начните с самого высокого значения, доступного на шкале переключателя, а затем можете его уменьшить. Отключите напряжение в цепи, где будет измеряться ток.

Подсоедините щупы (осторожно!) так, чтобы прибор был подключен к цепи. Подайте ток в цепь. Через несколько секунд прибор отобразит текущее значение измеряемого тока.

Если диапазон составляет 10A или более, измеренный ток будет отображаться в амперах. Если диапазон составляет, например, 200 мА, 20 мА или 2 мА (это порядок величины, но в принципе значения на шкале могут отличаться от этих значений), на дисплее будет отображаться значение в миллиамперах. Если выбрано 200 мА (или тот же порядок величины), на дисплее будут отображаться микроамперы.

Амперметр никогда не следует подключать параллельно источнику тока, так как ток короткого замыкания будет проходить через шунт внутри прибора, и если ток превысит предел возможностей прибора, он немедленно перегорит.

Если источником тока является, напр. электрической розетки или другого источника с низким внутренним сопротивлением, это может закончиться трагически – смертельным исходом или, в лучшем случае, быстрым выходом прибора из строя.

Если вам нужно измерить ток короткого замыкания пальчиковой батарейки, это может быть безвредно для амперметра, но принцип работы амперметра никогда не следует игнорировать.

Амперметр всегда подключается последовательно с цепью и только тогда, когда цепь обесточена! Потребители в исправной цепи сами ограничат ток до рабочего значения.

Токовые клещи – это особый тип амперметров. Они имеют очень большой диапазон тока, и их невозможно включить неправильно. Зажимы просто подключаются к цепи, в которой измеряется ток, и немедленно показывают ток. Токовые клещи чаще всего используются для измерения переменного тока, но существуют также модели для измерения постоянного тока (на основе датчика Холла).

Если вам понравилась эта статья, пожалуйста, поделитесь ею в социальных сетях. Это поможет нашему сайту сильно вырасти!

Обрезка кабеля или шины может быть дорогостоящей или даже бессмысленной. В этом случае можно использовать клещи или трансформатор тока.

Другими словами, у вас есть провод, который проводит электрический ток от источника к потребителю, которым может быть электроприбор.

Чтобы измерить ток амперметром, нужно отключить питание (вынуть вилку из розетки). Тогда вам нужно разорвать цепь – в прямом и переносном смысле. Грубо говоря, перережьте провод.

Теперь у нас есть два провода. Возьмите амперметр, соедините две половинки разрезанного провода с прибором. Учтите, что ток, протекающий в цепи, должен быть меньше максимального тока, измеренного измерителем. Максимальный измерительный ток прибора должен быть указан на приборе или в его документации.

Максимальный ток в цепи можно рассчитать исходя из напряжения, нагрузки и сечения проводника. Провода должны быть изолированы (покрыты изоляцией) и зачищены на концах.

После подключения проводов и присоединения их к амперметру можно включить питание, и измерительный прибор покажет величину тока в цепи, который будет проходить через амперметр.

Но никто этого не делает, потому что перерезанные провода ничего не дают.

Амперметр имеет низкое внутреннее сопротивление, поэтому он оказывает минимальное влияние на величину измеряемого тока. Когда амперметр подключен к цепи переменного тока, не имеет значения, куда он подключен.

При подключении амперметра к цепи постоянного тока, если стрелка смещена в другую сторону или указывает на ноль, измените полярность, поменяв местами выводы.

Подключение амперметра через шунт

Если ток в цепи больше, чем ток измерительного прибора, можно рассчитать и использовать шунт для измерения большего тока. В этом случае цепь разделится на две ветви. Один из них будет иметь низкое сопротивление амперметра, а другой – высокое сопротивление согласованного шунта. Большой ток разделится пропорционально сопротивлению, и амперметр будет проводить малый ток, а шунт – большой. (Более подробно об этом явлении).

Измерение тока амперметром через трансформатор тока или зажимы

Бывают случаи, когда необходимо измерить ток в кабеле, на шине изолированная шина. Шина – это полоса меди с определенным сечением, по которой течет ток, а не колесо автомобиля…..

Трансформатор тока имеет две обмотки – верхнюю и нижнюю, которые не соединены вместе. Ток течет по высшей обмотке, затем возникает ЭДС (подробнее о принципе работы ТТ) и во вторичной обмотке течет ток, пропорциональный количеству витков обмотки. Поэтому, если необходимо измерить ток, к кабелю подключается “ключ”, или ТТ. А амперметр подключен к трансформатору тока. Самое главное – правильно пройти инструктаж и не наделать беспорядка. То есть мы берем ток из вторичной обмотки от амперметра, преобразованный вниз и безопасный для измерения и амперметра.

Тот же принцип используется в клеммном измерителе, за исключением того, что амперметр и ТТ находятся в одном корпусе. Кроме того, первичная обмотка клеммного измерителя отключается кнопкой на корпусе, а затем замыкается накоротко.

Эти два описанных решения гораздо удобнее, чем отрезать провод и надеть его на амперметр. Самое главное – следить за диапазонами приборов и токами, протекающими в цепях.

Мультиметры могут измерять постоянный ток до 10 ампер. Но они часто обжигаются, потому что неправильно подключают клеммы к устройству, не учитывают величину тока в проводах… Но в основном это молодые люди. Часто, чтобы “исправить” такую неисправность, достаточно заменить предохранитель в приборе.

Наконец, я хотел бы повторить главную мысль всего повествования:

Разница в том, что амперметр измеряет ток в цепи, а вольтметр – напряжение. Амперметр подключается последовательно, а вольтметр – параллельно.

Магнитоэлектрические устройства основаны на постоянном магните. Когда ток проходит через катушку рамки, между рамкой и магнитом возникает вращающий момент. К рамке подключена стрелка, которая перемещается по шкале амперметра и указывает значение силы тока.

Амперметр подключается последовательно, чтобы через него проходил весь измеряемый ток. Амперметр (от вольт и греческого metron – измерять, metreo – измерять), прибор для измерения электродвижущей силы или напряжения (в мкВ, мВ, В, кВ) в электрических цепях.

Эти устройства характеризуются минимальным энергопотреблением, что обеспечивает соответствующий уровень чувствительности и минимальный коэффициент отклонения. Такие амперметры имеют единую шкалу, на которой расстояние между метками всегда одинаково. Долгое время такие приборы были лучшими, но теперь их стало проще изготавливать, поэтому магнитоэлектрический амперметр начал сдавать позиции.

2. 7. Измерение тока и напряжения в электрических цепях. Амперметр и вольтметр – ЗФТШ, МФТИ