Введение
Амперметр (сокращение от амперметра) — прибор, используемый для измерения электрического тока в цепи. Электрические токи измеряются в амперах (А), отсюда и название. Для непосредственного измерения амперметр подключается последовательно в цепь, в которой необходимо измерить ток. Амперметр обычно имеет низкое сопротивление, чтобы не создавать существенного падения напряжения в измеряемой цепи. Приборы для измерения малых токов, в диапазоне миллиампер или микроампер, называются миллиамметрами или микроамметрами. Первые амперметры были лабораторными приборами, работавшими на основе магнитного поля Земли. К концу XIX века были созданы усовершенствованные приборы, которые можно было устанавливать в любом положении и которые позволяли проводить точные измерения в системах электроснабжения. В схеме он обычно обозначается буквой "А".
An ammeter (abbreviation of Ampere meter) is an instrument used to measure the current in a circuit. Electric currents are measured in amperes (A), hence the name. For direct measurement, the ammeter is connected in series with the circuit in which the current is to be measured. An ammeter usually has low resistance so that it does not cause a significant voltage drop in the circuit being measured. Instruments used to measure smaller currents, in the milliampere or microampere range, are designated as milliammeters or microammeters. Early ammeters were laboratory instruments that relied on the Earth's magnetic field for operation. By the late 19th century, improved instruments were designed which could be mounted in any position and allowed accurate measurements in electric power systems. It is generally represented by letter 'A' in a circuit.
История
Связь между электрическим током, магнитными полями и физическими силами была впервые отмечена Хансом Кристианом Эрстедом в 1820 году, который заметил, что игла компаса отклоняется от направления на север при прохождении тока по расположенному рядом проводу. Тангентный гальванометр использовался для измерения токов, используя этот эффект, где сила восстановления, возвращающая указатель в нулевое положение, обеспечивалась магнитным полем Земли. Это делало эти приборы пригодными для использования только при выравнивании с магнитным полем Земли. Чувствительность прибора увеличивалась за счет использования дополнительных витков провода для усиления эффекта – эти приборы назывались "умножителями". Термин "реоскоп" как детектор электрического тока был введен сэром Чарльзом Уитстоуном около 1840 года, но в настоящее время не используется для описания электрических приборов. Словообразование этого термина схоже с образованием слова "реостат" (также введенного Уитстоуном), который представлял собой устройство для регулирования тока в цепи. Реостат – это исторический термин для переменного сопротивления, хотя, в отличие от реоскопа, он все еще может встречаться.
Типы
Некоторые приборы – это панельные измерители, предназначенные для установки на панели управления. Среди них плоские, горизонтальные или вертикальные измерители часто называют "боковыми" или "краевыми".
Двигательная катушка
Д'Арсонвальский гальванометр – это двигательный катушечный амперметр. Он использует магнитное отклонение, при котором ток, проходящий через катушку, помещенную в магнитное поле постоянного магнита, вызывает её перемещение. Современная форма этого прибора была разработана Эдвардом Вестоном и использует две спиральные пружины для создания восстанавливающей силы. Равномерный воздушный зазор между железным сердечником и полюсами постоянного магнита обеспечивает линейную пропорциональность отклонения прибора току. Эти приборы имеют линейную шкалу. Базовые механизмы приборов могут иметь полномасштабное отклонение для токов от примерно 25 микроампер до 10 миллиампер. Этот тип прибора реагирует как на постоянный, так и на переменный ток (в отличие от двигательного катушечного амперметра, который работает только на постоянном токе). Железный элемент состоит из подвижной пластины, прикрепленной к указателю, и неподвижной пластины, окруженной катушкой. Когда переменный или постоянный ток протекает через катушку и индуцирует магнитное поле в обеих пластинах, пластины отталкиваются друг от друга, и подвижная пластина отклоняется против восстанавливающей силы, создаваемой тонкими спиральными пружинами. Они также измеряют истинное среднеквадратичное (RMS) значение для переменного тока.
Цифровая
Точно так же, как аналоговый амперметр послужил основой для широкого спектра производных измерительных приборов, включая вольтметры, базовым механизмом цифрового измерительного прибора является механизм цифрового вольтметра, вокруг которого и строятся другие типы приборов. В конструкциях цифровых амперметров используется шунтовый резистор для создания откалиброванного напряжения, пропорционального протекающему току. Это напряжение затем измеряется цифровым вольтметром посредством аналого-цифрового преобразователя (АЦП); цифровая шкала калибруется для отображения тока, протекающего через шунт. Такие приборы часто калибруются для индикации среднеквадратичного (RMS) значения только для синусоидальной волны, но многие конструкции способны отображать истинное RMS в пределах ограничений коэффициента формы волны.
Интеграция
Существует также ряд устройств, называемых интеграционными амперметрами. В этих амперметрах ток интегрируется по времени, в результате чего получается произведение тока на время, которое пропорционально электрическому заряду, прошедшему через данный ток. Они могут использоваться для измерения энергии (для получения энергии заряд необходимо умножить на напряжение) или для оценки заряда батареи или конденсатора.
Пикоамметр
Пикоамметр, или пикоамперметр, измеряет очень слабые электрические токи, обычно в диапазоне от пикоампер до миллиампер. Пикоамметры применяются в тех случаях, когда измеряемый ток находится ниже предела чувствительности других приборов, таких как мультиметры. Большинство пикоамметров используют технику "виртуального замыкания" и имеют несколько диапазонов измерений, между которыми необходимо переключаться для охвата нескольких десятичных разрядов. Другие современные пикоамметры используют логарифмическое сжатие и метод "токового поглотителя", который устраняет необходимость переключения диапазонов и связанные с этим скачки напряжения. Для минимизации тока утечки, который может исказить результаты измерений, необходимо соблюдать специальные требования к конструкции и эксплуатации, например, использовать специальные изоляторы и экранирование с активным управлением. Для подключения щупов часто используется триаксиальный кабель.
Применение
Амперметры должны быть подключены последовательно с измеряемой цепью. Для относительно небольших токов (до нескольких ампер) амперметр может пропускать через себя весь ток цепи. Для больших токов постоянного тока шунтовый резистор пропускает большую часть тока цепи, а небольшая, точно известная доля тока проходит через измерительный механизм. Для цепей переменного тока может использоваться трансформатор тока для обеспечения удобного небольшого тока для привода прибора, например, 1 или 5 ампер, в то время как измеряемый первичный ток может быть значительно больше (до тысяч ампер). Использование шунта или трансформатора тока также позволяет удобно разместить указатель прибора без необходимости прокладывать толстые провода цепи до точки измерения. В случае переменного тока использование трансформатора тока также изолирует прибор от высокого напряжения первичной цепи. Шунтовый резистор не обеспечивает такой изоляции для амперметра постоянного тока, но при использовании высоких напряжений можно разместить амперметр на "возвратной" стороне цепи, которая может иметь низкий потенциал относительно земли. Амперметры нельзя подключать напрямую к источнику напряжения, так как их внутреннее сопротивление очень мало и потечет избыточный ток. Амперметры рассчитаны на малое падение напряжения на своих клеммах, значительно меньше одного вольта; дополнительные потери в цепи, создаваемые амперметром, называются его "нагрузкой" на измеряемую цепь. Обычные измерительные механизмы типа Уэстона могут измерять максимум миллиамперы, поскольку пружины и катушки могут выдерживать только ограниченные токи. Для измерения больших токов резистор, называемый шунтом, подключается параллельно измерительному механизму. Сопротивление шунтов обычно находится в диапазоне от целых до долей миллиома. Почти весь ток протекает через шунт, а лишь небольшая часть – через измерительный механизм. Это позволяет измерительному механизму измерять большие токи. Традиционно, измерительный механизм, используемый с шунтом, имеет полную шкалу отклонения (FSD) 50 мВ, поэтому шунты обычно проектируются для создания падения напряжения 50 мВ при протекании через них полного номинального тока. Для создания многопредельного амперметра можно использовать селекторный переключатель для подключения одного из нескольких шунтов к измерительному механизму. Это должен быть переключатель с предварительным замыканием, чтобы избежать скачков тока через измерительный механизм при переключении пределов. Более совершенным решением является шунт Айртона или универсальный шунт, изобретенный Уильямом Э. Айртоном, который не требует переключателя с предварительным замыканием. Он также исключает неточности из-за сопротивления контактов. На рисунке, предположим, например, измерительный механизм с полным напряжением 50 мВ и желаемыми диапазонами тока 10 мА, 100 мА и 1 А, значения сопротивлений будут следующими: R1 = 4,5 Ом, R2 = 0,45 Ом, R3 = 0,05 Ом. И если сопротивление измерительного механизма составляет, например, 1000 Ом, R1 необходимо отрегулировать до 4,525 Ом. Переключаемые шунты редко используются для токов выше 10 ампер. Амперметры с нулевой серединой используются в приложениях, требующих измерения тока обеих полярностей, что часто встречается в научном и промышленном оборудовании. Амперметры с нулевой серединой также часто подключаются последовательно с аккумулятором. В этом случае зарядка аккумулятора отклоняет стрелку в одну сторону шкалы (обычно в правую), а разрядка аккумулятора – в другую. Специальный тип амперметра с нулевой серединой для проверки высоких токов в автомобилях и грузовиках имеет поворотной магнитной планки, которая перемещает указатель, и фиксированной магнитной планки для удержания указателя в центре при отсутствии тока. Магнитное поле вокруг провода, по которому протекает измеряемый ток, отклоняет подвижную магнитную планку. Поскольку шунт амперметра имеет очень низкое сопротивление, ошибочное подключение амперметра параллельно источнику напряжения вызовет короткое замыкание, в лучшем случае перегорит предохранитель, возможно, повредит прибор и проводку и подвергнет наблюдателя опасности. В цепях переменного тока трансформатор тока может быть использован для преобразования большого тока в основной цепи в меньший ток, более подходящий для измерительного прибора. 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 может быть легко измерен прибором. Аналогичным образом, точные бесконтактные амперметры переменного/постоянного тока были созданы с использованием магнитных датчиков Холла. Портативный ручной зажимный амперметр является распространенным инструментом для обслуживания электрического оборудования промышленности и коммерции, который временно зажимается на провод для измерения тока. Некоторые современные типы имеют пару параллельных магнитомягких щупов, которые размещаются по обе стороны проводника.