Амперметр: назначение, схемы подключения, типы, характеристики

Приборы для измерения силы тока

Амперметр – это устройство для определения силы как постоянного, так и переменного тока в электрической цепи. Исходя из предназначения приборов для определенных величин тока, различают амперметры, миллиамперметры и микроамперметры.
В зависимости от принципа действия и особенностей применения, различают следующие виды амперметров. Рассмотрим детально их специфику и основные параметры:

• аналоговые амперметры, в которых предусмотрена магнитоэлектрическая система. Они производятся на базе катушки из тонкой проволоки, вращающейся между магнитными полюсами. В процессе прохода тока через катушку она фиксируется под воздействием вращающего момента, значение которого пропорционально величине тока. В устройстве предусмотрена специальная пружина, которая препятствует повороту катушки, а упругость пружины пропорциональна углу вращения. При установлении баланса данные моменты выравниваются, а стрелка устанавливается на значении, пропорциональном величине тока на данный момент.

Преимуществом аналоговых приборов является то, что нет необходимости в обеспечении независимого питания для определения результата, поскольку в процессе измерения используется питание непосредственно электроцепи, которая замеряется. Также плюсом выступает повышенная чувствительность. Среди минусов следует назвать длительное время для фиксации стрелки в устойчивом положении.

• электромагнитные – разработаны в виде механизмов с зафиксированной катушкой, по которой проходит ток. Также предусмотрено несколько сердечников на оси. Приборы предназначены для фиксации измерительными щупами постоянного тока. Элементами устройств являются измеритель и шкала с промаркированными делениями.

Несомненными плюсами такого типа приборов является возможность измерения силы переменного и постоянного тока, а также удобство использования. Недостатками считаются низкая чувствительность, вследствие чего они используются в сферах, где нет необходимости в сверхточных показателях;

• электродинамические приборы – их принцип действия базируется на взаимодействии магнитных полей напряжения, протекающего по зафиксированной и вращающейся катушками. В устройствах применяется одновременное и попеременное включение катушек, использоваться прибор может при повышенных частотах до 200 Гц. Приборы обладают чувствительностью к посторонним магнитным полям, поэтому измерения не отличаются высокой точностью, причем замеры рекомендуется проводить в отдалении от прочих источников магнитного поля;
• ферродинамические – являются одними из наиболее современных и используемых типов амперметров, поскольку практически не реагируют на прочие магнитные поля и отличаются прочностью. Элементами устройства выступают замкнутый магнитопроводник из ферромагнитного материала, сердечник в основании и зафиксированная катушка. Основная сфера использования приборов такого вида – оборона и комплексы обеспечения безопасности, поскольку они обеспечивают высокую точность полученного результата измерений;
• цифровые амперметры – современные модернизированные устройства, имеющие высокую популярность благодаря удобству использования и точности показателей. Благодаря устойчивости цифрового мультиметра к внешним условиям, температуре и изменениям давления, его можно использовать в условиях вибрации и тряски. Также они подлежат использованию в горизонтальном и вертикальном положениях, что не отражается на точности результата.

Полученные данные в цифровом виде позволяют отслеживать и контролировать показатели автоматически даже при отсутствии оператора.

Разбираясь в вопросе, для чего нужен прибор амперметр, следует отметить, что его ключевой и единственной функцией является измерение силы постоянного и переменного тока на конкретном участке электрической цепи. На основании полученных данных можно делать научные выводы, а на практике приборы применяются для повышения эффективности и производительности различных устройств на основании полученных данных.

Амперметры широко используются на промышленных предприятиях, осуществляющих выработку и распределение электро- и тепловой энергии. Также предназначение прибора немаловажно в сферах:

• электролаборатории;
• автомобилестроительная отрасль;
• точные науки;
• строительная сфера.

Также приборы широко используются в быту. К примеру, специалисты, занимающиеся ремонтом автомобилей, замеряют при помощи амперметра значения электропотребления различных устройств.

Определение

Васильев Дмитрий Петрович

Профессор электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

Амперметр – это электроизмерительный прибор, предназначенный для фиксации силы постоянного либо переменного тока, протекающего в цепи — то есть устройство для измерения тока.

Амперметр подключается последовательно, с тем участком электроцепи, где предполагается измерять ток. Так как ток, который он измеряет зависит от сопротивления элементов цепи, то сопротивление амперметра должно быть максимально низким (очень маленьким). Это позволяет уменьшить влияние устройства для измерения тока на измеряемую цепь и повысить их точность.

Шкалу прибора градуируют в мкА, мА, А и кА, и в зависимости от требуемой точности и пределов измерения выбирают подходящий прибор. Увеличение измеряемой силы тока добиваются путем включения в цепь шунтов, трансформаторов тока, магнитных усилителей. Это позволяет увеличить предел измеряемой величины тока.

Конструктивные особенности

Существует несколько видов приборов, которые конструктивно отличаются друг от друга. Служат они для измерения переменного и постоянного тока. По своему принципу действия амперметры бывают:

• электромагнитными;
• магнитоэлектрическими;
• тепловыми;
• электродинамическими;
• детекторными;
• индукционными;
• фото- и термоэлектрическими.

Из всех видов наиболее точными считаются электромагнитные и магнитоэлектрические приборы. Основу магнитоэлектрических устройств составляет постоянный магнит. При прохождении тока через обмотку рамки, между ним и магнитом создается крутящий момент.

С рамкой соединена стрелка, которая перемещается по шкале амперметра и показывает значение силы тока. В электродинамическом приборе основными деталями считаются подвижная и неподвижная катушки. Они могут быть соединены между собой как последовательно, так и параллельно.

Проходящие через них токи взаимодействуют между собой, и подвижная катушка, соединенная со стрелкой, отклоняется. Если с помощью амперметра измеряется большая сила тока, то его соединяют через трансформатор.

Класс точности

Это основная характеристика амперметра, которая согласно еще советскому действующему ГОСТ 1845-59, определяет границы возможных погрешностей.

Для всех электроизмерительных приборов, к которым он относится, класс точности (Кл) обозначается в числовом виде по значению, соответствующему предельной допустимой приведенной погрешности δпр, в %.

Все электрические амперметры подразделяются по точности на 8 классов, а затем по группам, которые является важным признаком их классификации:

• Образцовые: 0.05–0.1–0.2;
• лабораторные: 0.5–0.1;
• технические: 1.5–2.0–4.0.

Обратить внимание! Все приборы, у которых погрешность превышает 4%, являются внеклассными.

Образцовые применяют в электроизмерительных процессах для определения класса точности технических и лабораторных амперметров. Лабораторные применяются в научно-технических процессах при электротехнических исследованиях контроля ведения режимов, например на котельных, ГЭС, ТЭЦ и АЭС.

Важно! На панели амперметра класс точности указывается в кружках, квадратах и звездочках. Если он имеет неравномерную шкалу измерения, Кл обозначается ломаной линией.

Принцип работы

Первый прибор в начале XIX века изобрел Швейгер, но он тогда назывался гальванометром. Рисунок простейшего амперметра выглядит так. На оси кронштейна расположен якорь из стали со стрелкой. Эта конструкция расположена параллельно постоянному магниту, который воздействует на якорь и придает ему магнитные свойства.

Вдоль магнита и стрелки проходят силовые линии, что соответствует нулевому положению на шкале. Как только начнет проходить электрический ток по шине, то произойдет образование магнитного потока. Его силовые линии будут расположены перпендикулярно линиям постоянного магнита.

Под таким воздействием якорь будет стараться повернуться на 90°, а магнитный поток воспрепятствует его возвращению в исходное положение. От величины и направления тока, который проходит по шине, зависит взаимодействие магнитных потоков. Соответственно этой величине стрелка отклонится от нуля по шкале.

История создания

Впервые о создании прибора заговорили в 19 веке. Измерять силу тока было принято по отклонению магнитной стрелки на компасе. На протяжении десятилетий конструкция прибора была усовершенствована. К концу 19 века были утверждены официальные величины измерения, тогда же и получил свое окончательное название прибор «амперметр». В начале 20 века амперметры стали использоваться в промышленности. В современном мире их внедрили в сферы услуг, в частности в ателье по ремонту радиоаппаратуры. Тем не менее, название устройство получило в честь известного ученого и изобретателя Ампера.

Изобретатель Андре-Мари Ампер

Многоканальный амперметр был применим достаточно широко в первой половине 20 века. Его применяли в различных отраслях промышленности, особенно в электротехнической сфере.

Схемы подключения амперметра

Рисунок — Схема прямого включения амперметра

Рисунок — Схема косвенного включения амперметра через шунт и трансформатор тока

Сфера применения амперметров

Приборы для измерения тока нашли применение в различных сферах. Их активно используют на крупных предприятиях, связанных с генерацией и распределением электрической, тепловой энергии. Также их используют в:

— электролабораториях;

— автомобилестроении;

— точных науках;

— строительстве.

Но не только средние и крупные предприятия используют этот прибор: они востребованы и среди обычных людей. Практически любой опытный автоэлектрик имеет в арсенале подобное устройство, позволяющее проводить замеры показателей электропотребления приборов, узлов автомобилей и пр.

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.

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.

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.

Магнитоэлектрические амперметры

Устройства, реагирующие на магнитные явления (магнитоэлектрические) применяют для того, чтобы замерить токи очень маленьких значений в цепях с постоянным током. Внутри них нет ничего лишнего, кроме катушки, подсоединенной к ней стрелки и шкалы с делениями.

Термоэлектрические амперметры

Используют для измерения переменного тока с высокой частотой. Внутри прибора установлен нагревательный элемент (проводник с высоким сопротивлением) с термопарой. Из-за проходящего тока нагревается проводник, и термопара фиксирует величину. Из-за возникающего тепла отклоняется рамка со стрелкой на определенный угол.

Ферродинамические

Очень надежные приборы, которые обладают высокой прочностью и мало подвергаются воздействию магнитных полей, возникающих не в приборе. Такого рода амперметры устанавливают в автоматические контролирующие системы как самописцы.

Бывает так, что шкалы прибора недостаточно и необходимо увеличить значения, которые стоит замерить. Чтобы этого достичь используется шунтирование (проводник с высоким сопротивлением присоединяется параллельно прибору). Например, чтобы установить значение силы в сто ампер, а прибор рассчитан всего на десять, то присоединяют шунт, у которого значение сопротивления в девять раз ниже, чем у прибора.

На схемах принципиальных амперметры всегда обозначаются подобным образом:

Основанные на электродинамике

Можно применять не только для замеров силы постоянного тока, но и переменного. Из-за особенностей прибора, его можно применять в таких сетях, где частота достигает двухсот герц. Электродинамический амперметр используется в основном как контрольный измеритель для проверки приборов.

Они сильно реагируют на сторонние магнитные поля и на перегрузки. Из-за этого в качестве измерителей используются редко.

Электромагнитные устройства

В отличие от магнитоэлектрических их можно применять и для сетей с переменным током, чаще всего в цепях промышленного назначения с частотой в пятьдесят герц. Электромагнитным амперметром можно пользоваться для замеров в цепях с большой силой тока.

Популярные модели

Как отечественными, так и зарубежными производителями выпускается довольно большое количество приборов, разнообразной классификации. Особенно ценятся цифровые устройства, которые нужны для измерения показаний. К ним относятся:

1. А-05 (DC-2) — прибор устроен с внешним шунтом 75 мВ для измерения показаний в цепях постоянного напряжения. В зависимости от используемого трансформатора, амперметр используется в сетях с током от 100 до 1 тыс. А. Единицей измерения является ампер, замеры которого получают с погрешностью 1%, если класс точности шунта не менее 0,5. Потребляемая мощность не более 5 Вт.
2. ВАР-М01−083 AC 20−450 В УХЛ4 — универсальный прибор, применяемый как вольтметр, так и амперметр. Устройство может использоваться в качестве основного и дополнительного оборудования. Питается за счет проверяемой электрической цепи. Прибор обладает функцией сохранения в памяти минимального и максимального значения. Управление осуществляется одной кнопкой, переключением которой можно вызвать все функции.
3. ТДМ SQ 1102−0060 400А/5А — недорогой стрелочный прибор, применяемый в однофазных сетях. Корпус выполнен из негорючего пластика и имеет полную совместимость со многими маркировками трансформаторов. Средний срок службы составляет около 12 лет.
4. АМ-1 — стационарный измерительный прибор, устанавливаемый на DIN-рейку. В комплект входит дополнительный трансформатор. Погрешность измерения составляет не более 0,5 А.

Стоит отметить еще модели амперметров АМ-3, IEK Э 47−1500/5 А, ACS 712 30 А RD и др. Чтобы избежать больших погрешностей, следует выбирать устройства с сопротивлением до 0,5 Ом. Корпус устройств должен быть герметичным и состоять из негорючего материала. Клеммы обычно покрывают антикоррозийным слоем, назначение которых считается обеспечение более прочного контакта.

Как подключить амперметр

Амперметр необходимо подключать в строгой последовательности – он располагается между источником электропитания и нагрузкой. Для проведения правильных измерений необходимо четко знать тип напряжения в источнике электропитания – постоянный или переменный ток. Использовать необходимо только соответствующий для конкретного типа тока прибор.

Разъясним детально, как необходимо подключить амперметр, чтобы получить точные и корректные показатели тока:

• требуется выбрать необходимый шунт, максимальный ток которого ниже тока, который нужно замерять;
• затем амперметр подключается к шунтам специальными гайками, расположенными на самом амперметре;
• подключение амперметра осуществляется только после обесточивания измеряемого прибора посредством разрыва электрической цепи;
• включите амперметр в цепь с шунтом;
• соедините элементы правильно, чтобы обеспечить четкое соблюдение полярности для корректного отображения данных;
• подключите электропитание, после чего можно считывать результаты на амперметре.

В качестве мер предосторожности отметим, что ни при каких обстоятельствах не следует подключать амперметр в розетку без какой-либо нагрузки. Поскольку устройство обладает небольшим входным сопротивлением, при подключении без нагрузки он просто сгорит.

Сферы применения амперметров включает как крупные промышленные предприятия по выработке и распределению электроэнергии, так и строительство, автомобилестроение, наука. Также они применяются в бытовой сфере среди владельцев автомобилей для проведения самостоятельных измерений автомобильных приборов.

Источники

• https://odinelectric.ru/wiring/tools/chto-takoe-ampermetr
• https://www.meratest.ru/articles/shto_takoe_ampermetr/
• https://rusenergetics.ru/praktika/princip-dejstviya-ampermetra
• https://pue8.ru/elektrotekhnik/813-ampermetr-naznachenie-skhemy-podklyucheniya-primenenie-tipy.html
• https://amperof.ru/instrument/ampermetr-ustrojstvo-pribora.html
• https://principraboty.ru/princip-raboty-ampermetra/
• https://ElectroInfo.net/instrumentarij/ustrojstvo-ampermetra-i-princip-ego-dejstvija.html

Конструкция

В самом начале использования амперметры были чисто механическими. Спустя время стали применяться цифровые измерительные приборы. Однако даже сейчас механические амперметры не менее популярны. Это происходит благодаря стойкости к помехам и более наглядному представлению измерений силы тока. Механизм конструкции не подвергся сильным изменениям по сравнению с первыми экземплярами.

Стрелочный тип прибора использует магнитоэлектрический принцип. Внутри находится неподвижно закрепленный постоянный магнит. Между выраженными полюсами магнита расположен сердечник таким образом, что между ним и полюсами образуется постоянное магнитное поле.