Амперметр

Амперметр используемый (сокращение от Амперметр ) — это прибор, 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».

История

Связь между электрическим током, магнитными полями и физическими силами была впервые отмечена Гансом Христианом 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]

Типы

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 .

Подвижная катушка

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 положительным терминалом, но некоторые имеют механизмы с центром-нолем. ^[а]и может отображать токи в любом направлении. Счетчик с подвижной катушкой показывает среднее значение изменяющегося тока, проходящего через него. ^[б]что 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 .

Подвижный магнит

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.

Электродинамический

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 указывает истинное среднеквадратичное значение для переменного тока. См. «Ваттметр», чтобы узнать об альтернативном использовании этого прибора.

Движущийся утюг

В амперметрах с подвижным железом используется кусок железа , который перемещается под действием электромагнитной силы неподвижной катушки с проводом. Счетчик с подвижным железом 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 течет 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.

Горячая проволока

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.

Цифровой

Точно 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 .

Интеграция

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

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]Чтобы уменьшить ток утечки, который может затруднить измерения, например, при использовании специальных изоляторов и управляемых экранов , необходимо соблюдать особые требования к конструкции и использованию . триаксиальный кабель Для подключения датчиков часто используется .

Приложение

Амперметры необходимо включать последовательно с измеряемой цепью. При относительно небольших токах (до нескольких ампер) амперметр может пропускать весь ток цепи. При больших 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 резистор, называемый шунтом подключают параллельно счетчику . 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.

амперметра Поскольку шунт 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 на эффекте Холла датчиков магнитного поля . Портативный ручной амперметр с клещами — 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.

См. также

Примечания

^ Положение иглы в состоянии покоя находится в центре шкалы, а возвратная пружина может действовать одинаково хорошо в любом направлении.
^ Он показывает среднее значение при условии, что частота тока выше, чем может отреагировать счетчик.

Ссылки

^ Геддес, Луизиана (февраль – март 1996 г.). «Оглядываясь назад: как с течением времени совершенствовалось измерение электрического тока». Возможности IEEE . 15 : 40–42. дои : 10.1109/MP.1996.481376 . S2CID 11392090 .
^ Бауэрс, Брайан (2001) [1975]. Сэр Чарльз Уитстон, ФРС: 1802–1875 гг . Серия IEE «История технологий». Лондон, Великобритания: Институт инженеров-электриков / Музей науки . стр. 104–105. дои : 10.1049/PBHT029E . ISBN 0-85296-103-0 . OCLC 48111113 .
^ $ῥέος$ , $ἱστάναι$ . Лидделл, Генри Джордж ; Скотт, Роберт ; Греко-английский лексикон в проекте «Персей»
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д Спитцер, Фрэнк; Ховарт, Барри (1972). Принципы современного приборостроения . Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Холт, Райнхарт и Уинстон. глава 11. ISBN 0-03-080208-3 .
^ «Анкета из личной папки Фридриха Дрекслера» (на немецком языке). Венский технический музей. Архивировано из оригинала 29 октября 2013 г. Проверено 10 июля 2013 г.
^ Испытания радиационной стойкости постоянного магнита на линейном ускорителе 100 МэВ: предварительные результаты (PDF) . СЛАК (Отчет). Стэнфордский университет . 1 сентября 1992 года . Проверено 11 октября 2022 г.
^ Ли, Майк Тьен-Чен; Тивари, Вивек; Малик, Шарад; Фудзита, Масахиро (март 1997 г.). «Методы анализа мощности и минимизации для встроенного программного обеспечения DSP» (PDF) . Транзакции IEEE в системах очень большой интеграции (VLSI) . 5 (1): 123–135. дои : 10.1109/92.555992 . Архивировано из оригинала (PDF) 20 июля 2011 г. Проверено 2 декабря 2009 г.
^ «Теория работы амперметра PocketPico» (PDF) . Pocketpico.com . IX Инновации . Проверено 11 июля 2014 г.

Внешние ссылки

Куфальдт, Тони Р. (2000–2023). «Глава 8: Цепи измерения постоянного тока» . Уроки электрических цепей . Том. 1: DC (бесплатная электронная книга под ред.). {{cite book}}: |website= игнорируется ( помощь ) — с Уроки электрических цепей» . главной страницы серии «

[5] Положение иглы в состоянии покоя находится в центре шкалы, а возвратная пружина может действовать одинаково хорошо в любом направлении.

[6] Он показывает среднее значение при условии, что частота тока выше, чем может отреагировать счетчик.

[1] Геддес, Луизиана (февраль – март 1996 г.). «Оглядываясь назад: как с течением времени совершенствовалось измерение электрического тока». Возможности IEEE . 15 : 40–42. дои : 10.1109/MP.1996.481376 . S2CID 11392090 .

[2] Бауэрс, Брайан (2001) [1975]. Сэр Чарльз Уитстон, ФРС: 1802–1875 гг . Серия IEE «История технологий». Лондон, Великобритания: Институт инженеров-электриков / Музей науки . стр. 104–105. дои : 10.1049/PBHT029E . ISBN 0-85296-103-0 . OCLC 48111113 .

[3] $ῥέος$ , $ἱστάναι$ . Лидделл, Генри Джордж ; Скотт, Роберт ; Греко-английский лексикон в проекте «Персей»

[Spitzer72-4] Jump up to: ^а ^б ^с ^д Спитцер, Фрэнк; Ховарт, Барри (1972). Принципы современного приборостроения . Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Холт, Райнхарт и Уинстон. глава 11. ISBN 0-03-080208-3 .

[7] «Анкета из личной папки Фридриха Дрекслера» (на немецком языке). Венский технический музей. Архивировано из оригинала 29 октября 2013 г. Проверено 10 июля 2013 г.

[8] Испытания радиационной стойкости постоянного магнита на линейном ускорителе 100 МэВ: предварительные результаты (PDF) . СЛАК (Отчет). Стэнфордский университет . 1 сентября 1992 года . Проверено 11 октября 2022 г.

[9] Ли, Майк Тьен-Чен; Тивари, Вивек; Малик, Шарад; Фудзита, Масахиро (март 1997 г.). «Методы анализа мощности и минимизации для встроенного программного обеспечения DSP» (PDF) . Транзакции IEEE в системах очень большой интеграции (VLSI) . 5 (1): 123–135. дои : 10.1109/92.555992 . Архивировано из оригинала (PDF) 20 июля 2011 г. Проверено 2 декабря 2009 г.

[10] «Теория работы амперметра PocketPico» (PDF) . Pocketpico.com . IX Инновации . Проверено 11 июля 2014 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[а]

[б]

[5]

[6]

[7]

[8]

v т и Электрическое и электронное измерительное оборудование
Измерение	Амперметр Измеритель емкости Измеритель искажений Счетчик электроэнергии Частотомер Гальванометр LCR-метр Измеритель мощности микроволновой печи Мультиметр Мегомметр Омметр Пиковый счетчик Пиковый программный счетчик Псофометр Q-метр Рефлектометр во временной области Преобразователь времени в цифру Трансформаторный мостик с коэффициентом трансформации Тестер транзисторов Тестер для трубок Ваттметр Вольтметр волюметр
Анализ	Анализатор шины Логический анализатор Сетевой анализатор осциллограф Анализатор сигналов Анализатор спектра Монитор формы сигнала Вектороскоп Видеоскоп
Поколение	Генератор сигналов произвольной формы Генератор цифровых шаблонов Генератор функций Генератор развертки Генератор сигналов Генератор видеосигнала