Амперметр - Ammeter

Демонстрационная модель амперметра подвижного железа. По мере увеличения тока через катушку плунжер втягивается дальше в катушку, и стрелка отклоняется вправо.

An амперметр (из амперметр) это измерительный инструмент используется для измерения Текущий в схема. Электрические токи измеряются в амперы (A), отсюда и название. Амперметр обычно подключается последовательно к цепи, в которой должен измеряться ток. Амперметр обычно имеет низкий сопротивление так что это не вызовет значительного падение напряжения в измеряемой цепи.

Инструменты, используемые для измерения малых токов в миллиамперном или микроамперном диапазоне, обозначаются как миллиамперметры или же микроамперметры. Ранние амперметры были лабораторными приборами, работа которых зависела от магнитного поля Земли. К концу 19 века были разработаны усовершенствованные инструменты, которые можно было устанавливать в любом положении и позволять точные измерения в электроэнергетические системы. Обычно он обозначается буквой «А» в цепи.

История

Амперметр из старого Penn Station терминальный сервисный завод в Нью-Йорк

Связь между электрическим током, магнитными полями и физическими силами была впервые отмечена Ганс Кристиан Эрстед в 1820 г., наблюдавший компас стрелка отклонялась от направления на север, когда в соседнем проводе протекал ток. В касательный гальванометр был использован для измерения токов с использованием этого эффекта, где возвращающая сила, возвращающая указатель в нулевое положение, обеспечивалась магнитным полем Земли. Это сделало эти инструменты пригодными для использования только тогда, когда они были выровнены по полю Земли. Чувствительность инструмента была увеличена за счет использования дополнительных витков провода для умножения эффекта - инструменты были названы «умножителями».[1]

Слово реоскоп как детектор электрических токов был изобретен сэром Чарльз Уитстон около 1840 г., но больше не используется для описания электрических инструментов. Слово макияж похоже на реостат (также придуманный Уитстоном), который был устройством, используемым для регулировки тока в цепи. Реостат - исторический термин для обозначения переменного сопротивления, хотя в отличие от реоскопа все еще можно встретить.[2][3]

Типы

Некоторые инструменты панельные счетчики, предназначенный для установки на какой-то панель управления. Из них плоский, горизонтальный или вертикальный тип часто называют измеритель кромки.

Подвижная катушка

Провод, по которому проходит ток, который необходимо измерить.
Пружина, обеспечивающая возвращающую силу
Эта иллюстрация концептуальна; в практическом измерителе стальной сердечник неподвижен, а передняя и задняя спиральные пружины проводят ток к катушке, которая поддерживается на прямоугольной бобине. Кроме того, полюса постоянного магнита представляют собой дуги окружности.

В Гальванометр Д'Арсонваль Амперметр с подвижной катушкой. Оно использует магнитный отклонение, где ток, проходящий через катушку, помещенную в магнитное поле постоянного магнита заставляет катушку двигаться. Современная форма этого инструмента была разработана Эдвард Вестон, и использует две спиральные пружины для обеспечения возвращающей силы. Равномерный воздушный зазор между железным сердечником и полюсами постоянного магнита делает отклонение измерителя линейно пропорциональным току. Эти счетчики имеют линейные шкалы. Основные движения измерителя могут иметь отклонение на полную шкалу для токов от 25 микроамперы до 10 миллиамперы.[4]

Поскольку магнитное поле поляризовано, стрелка счетчика действует в противоположных направлениях для каждого направления тока. Таким образом, амперметр постоянного тока чувствителен к тому, с какой стороны он подключен; большинство из них отмечены положительной клеммой, но у некоторых есть механизмы с нулевым центром[примечание 1] и может отображать токи в любом направлении. Измеритель с подвижной катушкой показывает среднее (среднее значение) переменного тока через него,[заметка 2] что равно нулю для AC. По этой причине измерители с подвижной катушкой могут использоваться только для постоянного тока, а не для переменного тока.

Этот тип движения измерителя чрезвычайно распространен как для амперметров, так и для других измерителей, производных от них, таких как вольтметры и омметры.

Движущийся магнит

Амперметры с подвижным магнитом работают по существу по тому же принципу, что и подвижная катушка, за исключением того, что катушка установлена ​​в корпусе измерителя, а постоянный магнит перемещает стрелку. Амперметры с подвижным магнитом способны пропускать большие токи, чем инструменты с подвижной катушкой, часто несколько десятков ампер, потому что катушка может быть сделана из более толстого провода, и ток не должен переноситься волосковыми пружинами. Действительно, некоторые амперметры этого типа вообще не имеют волосковых пружин, а вместо этого используют фиксированный постоянный магнит для обеспечения возвращающей силы.

Электродинамический

Электродинамический амперметр использует электромагнит вместо постоянного магнита механизма д'Арсонваля. Этот прибор может реагировать как на переменный, так и на постоянный ток.[4] а также указывает истинное среднеквадратичное значение для AC. Видеть Ваттметр для альтернативного использования этого инструмента.

Подвижное железо

Циферблат старого подвижного железного амперметра с характерной нелинейной шкалой. Символ амперметра с подвижным железом находится в нижнем левом углу циферблата.

Амперметры с подвижным железом используют кусок утюг который движется под действием электромагнитной силы неподвижной катушки с проволокой. Счетчик подвижного железа был изобретен Австрийский инженер Фридрих Дрекслер в 1884 г.[5] Этот тип счетчика отвечает как на непосредственный и переменные токи (в отличие от амперметра с подвижной катушкой, который работает на постоянный ток Только). Железный элемент состоит из подвижной лопасти, прикрепленной к стрелке, и неподвижной лопасти, окруженной катушкой. Поскольку переменный или постоянный ток протекает через катушку и индуцирует магнитное поле в обеих лопастях, лопатки отталкиваются друг от друга, и движущаяся лопасть отклоняется против восстанавливающей силы, создаваемой тонкими винтовыми пружинами.[4] Отклонение движущегося железного счетчика пропорционально квадрату силы тока. Следовательно, такие измерители обычно имеют нелинейную шкалу, но железные части обычно изменяют форму, чтобы сделать шкалу достаточно линейной на большей части ее диапазона. Инструменты подвижного железа показывают RMS значение любой формы волны переменного тока. Амперметры с подвижным железом обычно используются для измерения тока в цепях переменного тока промышленной частоты.

Горячий провод

В термоэлектрическом амперметре ток проходит через провод, который расширяется при нагревании. Хотя эти инструменты имеют малое время отклика и низкую точность, они иногда использовались для измерения радиочастотного тока.[4] Они также измеряют истинное среднеквадратичное значение для приложенного переменного тока.

Цифровой

Примерно так же, как аналоговый амперметр лег в основу множества производных измерителей, включая вольтметры, базовым механизмом цифрового измерителя является механизм цифрового вольтметра, и другие типы измерителей построены на его основе.

В цифровых амперметрах используется шунтирующий резистор для создания откалиброванного напряжения, пропорционального протекающему току. Это напряжение затем измеряется цифровым вольтметром с использованием аналого-цифровой преобразователь (АЦП); цифровой дисплей откалиброван для отображения тока через шунт. Такие инструменты часто калибруются, чтобы показывать среднеквадратичное значение только для синусоидальной волны, но многие конструкции будут показывать истинное среднеквадратичное значение в пределах ограничений волны. пик фактор.

Интеграция

Интегрирующий измеритель тока, калиброванный в ампер-часах или зарядке

Существует также ряд устройств, называемых интегрирующими амперметрами.[6][7] В этих амперметрах ток суммируется во времени, давая в результате произведение тока и времени; который пропорционален электрическому заряду, переносимому этим током. Их можно использовать для измерения энергии (чтобы получить энергию, необходимо умножить заряд на напряжение) или для оценки заряда аккумулятор или же конденсатор.

Пикоамперметр

Пикоамперметр или пикоамперметр измеряет очень слабый электрический ток, обычно от пикоамперного диапазона на нижнем конце до миллиамперного диапазона на верхнем конце. Пикоамперметры используются для чувствительных измерений, когда измеряемый ток ниже теоретических пределов чувствительности других устройств, таких как Мультиметры.

Большинство пикоамперметров используют метод «виртуального короткого замыкания» и имеют несколько различных диапазонов измерения, которые необходимо переключать, чтобы охватить несколько десятилетия измерений. Другие современные пикоамперметры используют сжатие журнала и метод "стока тока", который исключает переключение диапазона и связанный скачки напряжения.[8] Следует соблюдать особые требования к конструкции и использованию, чтобы уменьшить ток утечки, который может затруднить измерения, такие как специальные изоляторы и управляемые щиты. Триаксиальный кабель часто используется для подключения датчиков.

Заявление

Большинство амперметров либо подключены последовательно с цепью, по которой проходит измеряемый ток (для малых дробных ампер), либо имеют свои шунтирующие резисторы, подключенные аналогично последовательно. В любом случае ток проходит через счетчик или (чаще всего) через его шунт. Амперметры нельзя подключать непосредственно к источнику напряжения, поскольку их внутреннее сопротивление очень низкое и может протекать избыточный ток. Амперметры рассчитаны на низкие падение напряжения через их клеммы намного меньше одного вольт; дополнительные потери в цепи, создаваемые амперметром, называются его «нагрузкой» на измеряемую цепь.

Обычные измерительные механизмы типа Weston могут измерять максимум только миллиампер, потому что пружины и практичные катушки могут пропускать только ограниченные токи. Для измерения больших токов резистор называется шунт помещается в параллельно со счетчиком. Сопротивления шунтов находятся в диапазоне от целых до дробных миллиомов. Почти весь ток проходит через шунт, и лишь небольшая его часть проходит через счетчик. Это позволяет измерителю измерять большие токи. Обычно измеритель, используемый с шунтом, имеет отклонение на полную шкалу (FSD) 50 мВ, поэтому шунты обычно рассчитаны на падение напряжения до 50 мВ при прохождении их полного номинального тока.

Принцип переключения шунта Айртона

Чтобы сделать многодиапазонный амперметр, можно использовать селекторный переключатель для подключения одного из нескольких шунтов к измерителю. Это должен быть переключатель, который замыкает перед размыканием, чтобы избежать повреждающих скачков тока из-за движения счетчика при переключении диапазонов.

Лучшее расположение - Шунт Айртона или универсальный шунт, изобретенный Уильям Э. Айртон, для которого не требуется прерывающий выключатель. Это также позволяет избежать неточностей из-за контактного сопротивления. На рисунке, допустим, например, движение с полномасштабным напряжением 50 мВ и желаемыми диапазонами тока 10 мА, 100 мА и 1 А, значения сопротивления будут: R1 = 4,5 Ом, R2 = 0,45 Ом, R3 = 0,05 Ом. А если сопротивление движения составляет, например, 1000 Ом, R1 необходимо настроить на 4,525 Ом.

Коммутируемые шунты редко используются при токах более 10 ампер.

Амперметр с нулевым центром

Амперметры с нулевым центром используются для приложений, требующих измерения тока с обеими полярностями, что является обычным для научного и промышленного оборудования. Амперметры с нулевым центром также обычно устанавливаются последовательно с аккумулятор. В этом случае зарядка батареи отклоняет иглу в сторону одной стороны шкалы (обычно это правая сторона), а разряд батареи отклоняет иглу в другую сторону. Особый тип амперметра с нулевым центром для проверки высоких токов в легковых и грузовых автомобилях имеет поворотный стержневой магнит, который перемещает указатель, и фиксированный стержневой магнит, чтобы удерживать указатель в центре без тока. Магнитное поле вокруг провода, по которому проходит измеряемый ток, отклоняет движущийся магнит.

Поскольку амперметр шунт имеет очень низкое сопротивление, ошибочное подключение амперметра параллельно источнику напряжения вызовет короткое замыкание, в лучшем случае перегоревший предохранитель, возможно, повредив прибор и проводку, и подвергнув наблюдателя травмам.

В цепях переменного тока трансформатор тока преобразует магнитное поле вокруг дирижер в небольшой переменный ток, обычно либо 1 А или же 5 А при полном номинальном токе, который можно легко измерить с помощью счетчика. Аналогичным образом были сконструированы точные бесконтактные амперметры постоянного и переменного тока с использованием эффект Холла датчики магнитного поля. Портативный портативный клещевой амперметр Это обычный инструмент для обслуживания промышленного и коммерческого электрического оборудования, который временно закрепляется на проводе для измерения тока. Некоторые современные типы имеют пару параллельных магнитомягких зондов, которые размещаются по обе стороны от проводника.

Смотрите также

Примечания

  1. ^ Положение покоя иглы находится в центре шкалы, и возвратная пружина может одинаково хорошо действовать в любом направлении.
  2. ^ при условии, что его частота выше, чем счетчик может реагировать на

Рекомендации

  1. ^ Л. А. Геддес, Оглядываясь назад: как измерение электрического тока улучшилось с течением времени, Возможности IEEE, Февраль / март 1996 г., страницы 40-42
  2. ^ Брайан Бауэрс (ред.), Сэр Чарльз Уитстон FRS: 1802-1875, ИЭПП, 2001 г. ISBN  0-85296-103-0 стр.104-105
  3. ^ ος, ἱστάναι. Лидделл, Генри Джордж; Скотт, Роберт; Греко-английский лексикон на Проект Персей.
  4. ^ а б c d Фрэнк Спитцер и Барри Ховарт, Принципы современного приборостроения, Холт, Райнхарт и Уинстон, Нью-Йорк, 1972, ISBN  0-03-080208-3 Глава 11
  5. ^ "Fragebogen aus der Personenmappe Фридрих Дрекслер (1858-1945)". Технический музей Вены. В архиве из оригинала от 29.10.2013. Получено 2013-07-10.
  6. ^ http://www-project.slac.stanford.edu/lc/local/notes/dr/Wiggler/Wigrad_BK.pdf
  7. ^ «Архивная копия» (PDF). Архивировано из оригинал (PDF) на 2011-07-20. Получено 2009-12-02.CS1 maint: заархивированная копия как заголовок (связь)
  8. ^ Икс Инновации, ООО. "Теория работы амперметра PocketPico" (PDF). Получено 2014-07-11.

внешняя ссылка