Меню

Демонстрационный амперметр переменного тока

Амперметр — что это такое и устройство прибора

После открытия электрического тока возникла необходимость в его измерении. Несмотря на то, что первые прототипы устройств не отличались точностью, принцип их работы не изменялся уже несколько столетий. Сегодня для замеров используют амперметр – это прибор, измеряющий силу электрического тока.

Классический амперметр что такое

История происхождения

По названию устройства можно догадаться о том, кто приложил руку к его созданию. Андре-Мари Ампер – блестящий ученый своего времени, многие годы посвятивший электродинамике. Ему принадлежат многие знаковые открытия в этой области:

  • взаимодействие магнитного поля и электрического тока;
  • магнитный эффект катушки с током;
  • введение в научную терминологию понятия кибернетики и кинематики.

Основная заслуга ученого – не разработка прибора, а подготовка научного плацдарма для самой возможности создания амперметра и вольтметра. Поэтому первые упоминания измерительного устройства датируют 20-ми годами XIX века, когда самому Амперу было уже за 50.

Тогда речь шла о самом простом приборе – гальваноскопе, состоящем из закрученной проволоки и магнитной стрелки. Он позволял уловить относительные показатели по градусу отклонения стрелки.

Гальванометр – прототип амперметра

В течение следующих десятилетий конструкция совершенствовалась. В 1884 году отечественными учеными были разработаны более совершенные приборы, однако патенты были переданы в Германию, ввиду недостаточного развития электротехнического производства. Лишь к тому времени были утверждены названия современных величин. В 1881 г. в отношении тока приняли решение о том, в чем измеряется сила – в Амперах.

Как устроены амперметры сегодня? В корпусе с индикацией располагаются измерительная катушка и постоянные магниты, которые выравнивают ее при подаче электрического тока. Чем сильнее отклонение, тем выше показатель прибора. Существует несколько разновидностей, отличающихся конструкцией и областью применения.

К сведению. Классический вид – прибор со шкалой, деления которой обозначают силу тока в Амперах. В зависимости от величины, движущийся элемент поворачивает стрелку на определенный угол.

Виды амперметров

Классифицировать устройства можно по способу индикации. Наиболее широко распространены аналоговые амперметры – с градуированной шкалой, по которой движется стрелка. Современные приборы имеют цифровой дисплей, на котором отображается значение величины тока.

Стрелочные амперметры

Приборы со стрелочной головкой

Стрелочные амперметры постепенно исчезают. Они отличаются более сложным устройством, чем современные модели, и обладают ограниченной областью применения. Еще один недостаток – меньший срок работы из-за наличия большего количества механических деталей. При этом современные условия иногда требуют измерения меньших величин, чем требуется для отклонения стрелки даже на одно деление. Из-за этого стрелочные приборы приходится модифицировать усилителями сигнала.

Интересно. Долгое время эти приборы не имели аналогов – точность измерений была достаточно высокой. Однако развитие электротехнической промышленности позволило разработать более дешевые в изготовлении приборы.

Принцип действия стрелочной головки

Еще одна сложность при использовании стрелочного амперметра – принцип работы стрелки, отличающийся в разных системах измерения:

  1. Магнитоэлектрическая. Стрелка поворачивается по линейной шкале, пропорциональной силе тока. Вращающий момент задается током, проходящим через обмотку рамки.
  2. Электромагнитная. Стрелка закреплена на сердечнике из ферромагнита, который двигается внутри катушки.
  3. Электродинамическая. Используются две катушки с последовательным либо параллельным соединением. На подвижной – закреплена стрелка, поворачивающаяся от взаимодействия между токами катушек.

Во всех типах прибора используется корректор – специальный винт, соединенный с пружиной. Он необходим для установки стрелки в нулевое положение.

Игнорирование начальной регулировки может привести к неправильному отображению величины измеряемого тока, так как стартовое положение стрелки будет находиться левее нуля.

Приборы с цифровым индикатором

Цифровые устройства вытесняют аналоговые, благодаря ряду отличий:

  • простота изготовления – дешевле производить, легче собрать самостоятельно;
  • возможность измерения меньших величин;
  • отсутствие износа подвижных частей – дольше служат, не требуют замены элементов;
  • наглядная и удобная индикация;
  • меньший вес.

Цифровой амперметр

Переход к цифровому исполнению позволил шире применять приборы в быту. Они проще в использовании – вертикальное и горизонтальное расположение не влияет на работу. Также они лучше защищены от внешних воздействий, например, механических ударов по корпусу.

Включение амперметра в цепь

Существует два главных правила использования прибора:

  1. Подключать последовательно с элементом цепи, на котором необходимо измерить силу тока.
  2. Соблюдать полярность.

Схема включения амперметра в цепь

Амперметры со стрелкой – это приборы для измерения с ограниченным диапазоном. В случае превышения максимального значения шкалы при включении в цепь используют шунт.

Устройство амперметра

В основе устройства амперметра – взаимодействие между двумя элементами при прохождении электрического тока. В зависимости от того, что измеряет амперметр, используются свои варианты устройств. Замер сил разного типа тока предполагает особое строение и чувствительность. Существует несколько категорий:

  1. Магнитоэлектрические. В основе лежит подвижная катушка, закрепленная на оси между двумя магнитными полюсами.
  2. В электромагнитных амперметрах используется сердечник, отодвигаемый на пропорциональное силе тока расстояние.
  3. Термоэлектрические. Ключевой элемент – термопара, припаянная к проводке. Величина нагрева по мере подачи тока разной величины трансформируется в показатель его силы, после чего выводится на дисплей.
  4. Электродинамические. Подвижная и неподвижная катушки. В быту малоприменимы из-за высокой чувствительности к магнитным полям. Применяются для точных измерений либо в демонстрационных целях.
  5. Ферродинамические. Самые точные и дорогие из механических приборов. Благодаря замкнутому проводу, не реагируют на внешние магнитные поля.
  6. Цифровой. Используется интегратор, преобразующий величину тока в цифровой эквивалент. От его типа и настройки зависит то, как работают амперметры. Различают несколько классов точности по погрешности измерений.

Несмотря на разницу в конструкции, в основе всех механических приборов лежит общий принцип действия.

Принцип действия

Способ измерения основывается на работе нескольких элементов:

  1. На оси между постоянными магнитами располагается якорь со стрелкой.
  2. Благодаря воздействию магнитов, стальной якорь находится вдоль силовых линий, в нулевой позиции.
  3. При подаче тока появляется магнитный поток с силовыми линиями, перпендикулярными магнитам.
  4. Вследствие этого воздействия якорь стремится повернуться под прямым углом, чему мешает основное магнитное поле.
  5. Итоговое отклонение стрелки – результат взаимодействия двух потоков.
Читайте также:  Карта по току кабеля

Принцип работы амперметра

Благодаря простому принципу работы амперметра, механические устройства долгое время отличались лишь материалом изготовления элементов.

Как подключить амперметр

Для правильного подключения необходимо изучить схемы амперметра в разных типах цепей. Для разного тока существуют свои типы прибора – различают амперметры переменного тока и постоянного. Чтобы подключить амперметр постоянного тока, необходимо учитывать диапазон измерения, определив максимальный уровень тока.

Главное – не подключать устройство параллельно. В этом случае велика вероятность того, что оно перегорит. Это связано с низким значением внутреннего сопротивления амперметра.

Внутреннее сопротивление амперметра

Оно должно быть меньше сопротивления самой цепи. Рассчитывается показатель после замеров вольтметром, который подключают параллельно амперметру. Затем показания второго делят на показания первого, результатом будет внутреннее сопротивление. Малое значение необходимо для того, чтобы падение напряжения на приборе не влияло на точность измерений.

Этот прибор – один из самых простых и распространенных. О том, как пользоваться амперметрами, рассказывают еще на уроках физики, поэтому особых проблем при эксплуатации возникнуть не должно, особенно с приходом цифровых амперметров, которые значительно упростили нюансы работы с прибором и расширили область его применения.

Видео

Источник

Цифровые амперметры: характеристики, виды, принцип работы

  1. Устройство и принцип работы
  2. Технические характеристики
  3. Разновидности
  4. Схема цифрового амперметра
  5. Правила подключения

Цифровой амперметр (как и любой другой) предназначен для измерения силы тока в электрической цепи. Их включают в цепь, где электрическое поле генерируется источником постоянного или переменного тока последовательно с нагрузкой.

Для безопасного использования амперметра и ради сохранности его устройства необходимо понимать, что любой амперметр рассчитан на определённую силу тока.

Обычно на его корпусе указаны диапазоны, в которых он может работать. Каждому диапазону соответствуют отдельные резисторы, у каждого есть собственное сопротивление. Если включить амперметр в цепь со слишком большим напряжением, резистор может сгореть. В электронике и радиотехнике обычно используются приборы, которые измеряют токи в микроамперах или миллиамперах, реже в амперах.

Устройство и принцип работы

Внутри цифровой амперметр состоит из нескольких главных функциональных узлов. Это компаратор и преобразователь напряжения, а также резисторы, цифровой процессор и устройство вывода данных на дисплей.

Компаратор выполняет функцию аналогово-цифрового преобразователя, конвертируя аналоговые данные о силе тока в цифровой сигнал. После эти данные отображаются на экране.

У амперметров с таким устройством есть ряд преимуществ перед старыми аналоговыми моделями. У последних, использующих традиционный отсчётный механизм со стрелкой, есть неудобная черта – показывать значение силы тока не сразу, а спустя какое-то время после включения в цепь. Цифровое устройство, напротив, выводит информацию без задержки. Его быстродействие зависит от мощности компьютера, который обрабатывает сигнал.

К плюсам цифровых устройств можно отнести также помехоустойчивость и высокую точность. Поскольку амперметры этого типа сейчас пользуются популярностью и устанавливаются во многих типах сетей, разработаны простые, удобные и универсальные схемы их установки.

Отсутствие необходимости калибровать прибор также является важным достоинством устройств на основе микроконтроллеров. Ведь традиционные стрелочные индикаторы, как и любые устройства механического типа, нуждались в периодической проверке шкалы на точность, настройке и калибровке.

По этой причине современные модели, способные выполнять до 1000 операций в секунду, более удобны в эксплуатации и пользуются спросом.

Но их расширенные возможности имеют свою цену – эти амперметры требуют отдельного питания для электронных микросхем и дисплея, и стоят они дороже, чем аналоговые.

Технические характеристики

Цифровые амперметры имеют стандартизированные технические требования. Так, цифровая измерительная головка, используемая в их конструкции, соответствует классу 0,5 точности, то есть имеет максимум относительной погрешности 0,5%. Это относится к универсальным амперметрам и вольтметрам, в конструкцию которых входит компаратор с невысокой чувствительностью, к портативным мини-амперметрам, используемым в цепях с небольшим током. Более точные амперметры имеют порог погрешности до 0,2%.

В качестве АЦП в микроконтроллерах современных амперметров используется высокочувствительный (от 2,2 мк) компаратор. Для амперметров переменного тока рекомендуется использовать компараторы с чувствительностью 3 мк. Устройства постоянного, переменного и импульсного тока (последние, например, применяются при замерах силы тока в цепи электросварки) допускают погрешность в пределах 0,2%.

Разновидности

Существует несколько типов и конструкций амперметров на основе цифровых устройств, которые предназначены для разных целей и обладают соответствующими различными возможностями. Амперметры различаются по конструкции – например, в щитовом исполнении и устанавливаемые на DIN-рейку. Также они бывают адаптированы для работы в разных сетях.

Амперметры постоянного тока могут быть использованы, например, для контроля уровня силы тока в бортовой сети автомобиля и в других подобных сетях. Такие устройства обычно предназначены для определения силы тока в цепи с одной фазой, тогда как амперметры для промышленных сетей часто бывают трёхфазными.

Для определения и отображения на экране величины силы тока в трёхфазной сети обычно используются щитовые амперметры или более компактные и удобные модульные приборы, которые монтируются на DIN-рейку (специальный металлический профиль, предназначенный для крепления на нём таких устройств, как автоматический предохранитель или устройство защитного отключения).

У щитовых амперметров обычно имеется защита от вибраций, которые могут создавать помехи при измерении, от температурного воздействия или влаги.

В их конструкции может предусматриваться включение в цепь посредством трансформатора, если сила тока в сети достаточно большая.

Схема цифрового амперметра

Любая схема цифрового амперметра включает микроконтроллер со встроенным АЦП (аналогово-цифровым преобразователем). Также она подразумевает вывод на светодиодный экран на жидких кристаллах. В конструкции такого амперметра используются резисторы различного сопротивления (в зависимости от диапазона измеряемой силы тока) и стабилизаторы (для селективных устройств). Жидкокристаллический дисплей и микроконтроллер в составе амперметра обычно объединены в так называемую цифровую измерительную головку (ЦИГ).

Сейчас в продаже есть много конструкций такого устройства, на их основе можно собрать собственную схему амперметра или вольтметра.

Такая головка работает на измерение как силы тока, так и уровня напряжения. Их основное преимущество перед традиционными индикаторами, используемыми в старых аналоговых устройствах – высокая точность, хотя цифровая измерительная головка и требует дополнительного источника питания.

Для измерений используются шунты со стандартным номиналом сопротивлений: для обычных амперметров переменного тока и селективных устройств – не более 2 Ом, для универсальных обычно 3 Ом.

К отдельной категории амперметров относится демонстрационный прибор для лабораторий и классов научных заведений, который отличается широким диапазоном измерений (0,01–9,99 А) и обычно имеет режим гальванометра.

Читайте также:  Как рассчитать выходной ток транзистора

Правила подключения

Для получения правильных результатов измерения силы тока необходимо соблюдать определённые правила включения прибора в цепь и, конечно, технику безопасности. Например, ни в коем случае не подключайте амперметр напрямую к клеммам источника питания. Это вызовет короткое замыкание.

Силу тока всегда измеряют через последовательное подключение, причём в сильноточные сети амперметр включают с шунтом, трансформатором или магнитным усилителем.

Общая инструкция включения амперметра в цепь предусматривает установку правильного предела измерения и подбор соответствующего шунта или трансформатора. Номинал шунта должен соответствовать тому пределу измерения, который был выбран, например, посредством ручного селектора (на переносных моделях) или указан в маркировке прибора. Иначе резисторы амперметра могут перегореть (при превышении предела силы тока).

Перед включением прибора в цепь определите, какой в ней может быть максимальный ток.

Это значение можно рассчитать, например, по мощности потребителя или — как чаще всего делают — по закону Ома, имея в качестве исходных данных напряжение на клеммах источника тока и общее сопротивление цепи.

Затем вам нужно установить режим, в котором будет работать прибор. На моделях переносного типа это легко делается соответствующим ручным селектором, на программируемых модулях – с помощью специальных джамперов-перемычек. Суть в том, что в амперметре должны быть задействованы резисторы, способные выдержать соответствующий предел измеряемой силы тока. После этого вы можете подключить устройство к шунту или трансформатору (если измерение не предусматривает включение амперметра в цепь напрямую).

Здесь следует учесть, что использование шунта неверного номинала приведёт к ошибкам в измерениях.

Некоторые модели цифровых амперметров могут подразумевать какой-либо алгоритм настройки для подключения различных типов трансформаторов.

Следующий шаг – подача питания. С этого момента необходимо соблюдать осторожность при выполнении измерений, не прикасаться к любым незаизолированным частям проводников или микросхемы. После этого вы можете считать показания с дисплея.

В следующем видео представлен обзор цифрового амперметра и рассмотрен принцип его работы.

Источник

Демонстрационный амперметр переменного тока

Внешний вид школьных демонстрационных приборов (амперметра, вольтметра и ваттметра) изображен на рисунке 2-35.

По своему устройству и принципу работы демонстрационные амперметр и вольтметр одинаковы. Оба они магнитоэлектрической системы, а отличаются сопротивлением рамок, элементами схемы и начертанием шкал. На задние стенки приборов выведены корректоры для установки стрелки в начальное положение.

Демонстрационный амперметр используют для измерения постоянного и переменного токов, а также и как чувствительный гальванометр для обнаружения тока и его направления в различных опытах по физике.

Электрическая схема прибора изображена на рисунке 2-36. Рамка измерителя содержит 500 витков изолированного медного провода диаметром 0,05 мм. Сопротивление прибора на зажимах гальванометра — около 385 Ом. При подключении прибора к зажимам «Гальванометр» ток проходит непосредственно через измеритель и прибор используют как чувствительный к току гальванометр ( А/дел.). В этом случае устанавливают шкалу с нулем в середине Столь большое число витков рамки (при

большом сопротивлении ее) выбрано с тем, чтобы при малом токе получить должный вращающий момент.

При измерениях постоянных токов к зажиму «Общ.» подключают прилагаемые к прибору шунты 0—3 или 0—10 А, при измерениях переменных токов прибор подключают к зажимам с теми же шунтами, но с другими шкалами (0—3 и 0—10 А для переменного тока). В этом случае последовательно с измерителем И включены резистор и детектор (диод) Д. Последний пропускает ток только в одном направлении: от диода к измерителю (однополупериодное выпрямление).

Демонстрационный вольтметр служит для измерения напряжений в цепях постоянного (0—5 и 0—15 В) и переменного (0—15 и 0—250 В) токов, а также в качестве чувствительного гальванометра.

Электрическая схема прибора приведена на рисунке 2-37. Рамка измерителя содержит 40 витков медного изолированного провода диаметром 0,23 мм, сопротивление прибора на зажимах гальванометра — около 2,3 Ом. При подключении прибора к зажимам «Гальванометр» он используется как чувствительный к напряжению ( В/дел.) гальванометр со шкалой в условных единицах и с нулем в середине (5—0—5). Малое число витков рамки (при малом ее сопротивлении) выбрано с тем, чтобы при малых напряжениях получить достаточный ток для создания должного вращающего момента.

При измерениях в цепях постоянного тока (зажимы ) применяют прилагаемые к прибору дополнительные сопротивления с соответствующими шкалами (на 5 и 15 В соответственно). Дополнительные сопротивления при этом включаются последовательно с измерителем И через зажим «+».

При измерениях напряжений в цепях переменного тока прибор подключают к зажимам «Общ.» через дополнительные сопротивления со шкалами 0—15 и 0—250 В соответственно. Измеритель И при этом оказывается включенным через гасящий резистор R и через детекторы (диоды) и . Диод пропускает через измеритель И ток только в одном направлении (однополупериодное выпрямление): от диода к измерителю. Диод служит для замыкания цепи при отрицательных полупериодах измеряемого переменного напряжения. Такая схема шунтирует диод от большого обратного напряжения.

Читайте также:  Как определяется полное сопротивление цепи переменного тока ответ

Демонстрационный ваттметр служит для измерения активной мощности в цепях переменного тока в школьном физическом эксперименте. В приборе использован механизм ферродинамической системы. Электрическая схема ваттметра изображена на рисунке 2-38.

Токовая обмотка рассчитана на измеряемый ток до 1 А и имеет отвод на 5 А. Обмотку напряжения включают через добавочные резисторы на 30, 150 и 300 В, подключаемые к зажиму Зажимы и U (помеченные звездочками) являются генераторными. Для успокоения колебаний подвижной системы в ваттметре применен магнитоиндукционный успокоитель, состоящий из алюминиевой секторообразной пластины, колеблющейся в поле постоянного магнита.

Школьные демонстрационные приборы совместно с соответствующими учебными таблицами служат также для изучения принципов работы приборов магнитоэлектрической и ферродинамической систем.

Источник



Демонстрационные амперметр и вольтметр.

Амперметр с гальванометром демонстрационный (АГ)

Амперметр с гальванометром демонстрационный типа АГ предназначен для измерения силы постоянного и переменного тока, а также служит чувствительным гальванометром для обнаружения тока и определения его направления. Прибор может служить в качестве учебного пособия для изучения устройства и принципа действия электроизмерительных приборов магнитоэлектрической системы.

Применение сменных шунтов к амперметру дает возможность использовать прибор в качестве многопредельного электроизмерительного прибора. Шунт — электрическая цепь (обычно выполненная в виде проводника или металлической ленты из манганина на пластмассовом каркасе с контактами в форме клемм-угольников), включаемая параллельно гальванометру и служащая для расширения пределов измерения амперметра. Чем меньше сопротивление шунта, тем большая часть общего тока идет через него.

Пусть I — сила тока, который подлежит измерению, Iш и Iг — сила тока, текущего соответственно через шунт и гальванометр, R и r— сопротивления шунта и гальванометра.

Учитывая, что Iш R=Iг r и I= Iш + Iг, получим: .

Так как обычно R

Использование прибора в качестве амперметра постоянного тока:

Шунт на 3 А или 10 А в зависимости от величины тока в измеряемой цепи подключается к правому верхнему зажиму (помечен символом « + ») и среднему (общему) зажиму. К зажимам на шунте подключаются провода измеряемой цепи, при этом соблюдается необходимая полярность.

В передний паз на крышке прибора надо опустить шкалу постоянного тока того же предела измерения, что и установленный шунт.

Головкой корректора устанавливают стрелку прибора на нуль шкалы.

Как амперметр постоянного тока прибор имеет два предела измерений: 3 А и 10 А. Соответственно в приборе имеются две рабочие шкалы, нанесенные на двух сторонах подшкальника, на пластмассовой планке которого ищется знак «-» (постоянный ток).

Шкала на 3 А имеет 15 делений , из них 3 оцифрованы. Цена одного деления — 0,2 А.

Шкала на 10 А имеет десять основных делений ценой 1 А. Остальные деления разделены пополам более короткой чертой; следовательно, эти деления имеют цену 0,5 А.

Использование прибора в качестве амперметра переменного тока:

Шунт на 3 А или 10 А в зависимости от величины тока в измеряемой цепи подключается к левому верхнему зажиму (обозначен знаком « » ) и среднему зажиму, являющемуся общим для переменного и постоянного тока. К зажимам на шунте подключаются провода измеряемой цепи.

В передний паз на крышке прибора надо опустить шкалу переменного тока того же предела измерения, что и установленный шунт.

Головкой корректора устанавливают стрелку на нуль шкалы. Как амперметр переменного тока прибор имеет два предела измерений: 3 А и 10 А. Соответственно в приборе имеются две рабочие шкалы переменного тока, нанесенные на двух сторонах подшкальника, на пластмассовой планке которого обозначен знак « » (переменный ток).

Шкала на 3 А имеет три оцифрованных деления: 1,2,3 А. Промежутки между делениями1-2 и 2-3 разделены еще на 5 делений, цена каждого деления — 0,2 А. Между делениями 0 и 1имеются два добавочных деления, отмечающие 0,4 и 0,6 А. Писала на 10 А имеет основные деления ценой 1 А. Эти деления разделены пополам более короткой чертой: следовательно, цена мелких делений 0,5 А. На шкале отсутствует деление для 1 А; первое деление — 2 А, второе — ЗА.

В связи с неравномерностью характеристики полупроводникового выпрямителя, рабочая часть шкалы 3 А начинается с 1 А, и шкалы 10 А – с 3 А. Эти деления на шкалах отмечены точкой.

Примечание: В демонстрационных амперметрах старой конструкции, встречающихся еще в школьной практике, выбор рода измеряемого тока осуществляется с помощью специального переключателя, расположенного с левого бока прибора. Принципиально приборы старой и новой конструкции не различаются.

Вольтметр демонстрационный с гальванометром (ВГ)

Назначение и технические данные:

Вольтметр с гальванометром демонстрационный типа ВГ предназначен для измерения напряжения в цепях постоянного и переменного тока, а также служит чувствительным гальванометром для обнаружения тока и определения его направления. Прибор может служить в качестве учебного пособия для изучения устройства и принципа действия электроизмерительных приборов магнитоэлектрической системы.

Применение сменных добавочных сопротивлений к вольтметру дает возможность использовать прибор в качестве многопредельного электроизмерительного прибора.

Принципиальная схема вольтметра.

Применяют прибор в качестве:

— гальванометра постоянного тока;

при выборе гальванометра (от амперметра или вольтметра) для работы следует руководствоваться правилом: если сопротивление элементов цепи велико и в цепи должен течь малый ток, то следует выбирать гальванометр от амперметра, если же сопротивление элементов цепи мало и необходимо измерять малые напряжения, то больший эффект дает применение гальванометра от вольтметра.

— вольтметра постоянного тока;

— вольтметра переменного тока.

Примечание: В демонстрационных вольтметрах старой конструкции, встречающихся еще в школьной практике выбор рода измеряемого напряжения осуществляется с помощью специального переключателя, расположенного с левого бока прибора. Принципиально приборы старой и новой конструкции не различаются. Меры безопасности при работе с приборами типа АГ И ВГ, а также требования к хранению и эксплуатации приведены в паспортах.

Источник