Измерение тока и напряжения. вольтметр и амперметр

Советы по выбору

Выбирать миллиамперметр нужно, исходя из задач, которые должен решать прибор:

• диагностика электротехники на предмет выявления неисправностей и ремонта;
• использование в лабораторных условиях, при обучении в школах, учебных заведениях различного профиля;
• контроль и управление сложных систем на производстве;
• контроль работы сложных приборов в медицинских учреждениях;
• занятия радиолюбительством.

На выбор модели МА существенно влияет его цена. В средствах массовой информации, в том числе в интернете, публикуются предложения по продаже цифровых, щитовых, лабораторных миллиамперметров и универсальных мультиметров.

Примерный ценовой уровень на некоторые виды МА

Для точных измерений нужно приобретать МА с сопротивлением не выше 0,5 Ом. Корпус прибора должен быть абсолютно герметичен, выполнен из прочного химически стойкого пластика.

Если миллиамперметр нужен в мобильном исполнении, то лучше пользоваться универсальным измерительным устройством – цифровым мультметром.

Как правильно подключить вольтметр

Тот, кто не знает, но хочет проверить напряжение на каком-то участке электрической сети, должен задаться вопросом – как подключить вольтметр? Это на самом деле серьезный вопрос, в ответе которого лежит простое требование – подключение вольтметра необходимо проводить только параллельно нагрузке. Если будет произведено последовательное подключение, то сам прибор просто выйдет из строя, и вас может ударить током.

Все дело в том, что при таком соединении уменьшается сила тока, действующая на сам измерительный прибор. При этом сопротивлении его не меняется, то есть, остается большим. Кстати, никогда не путайте вольтметр с амперметром. Последний подключается к цепи последовательно, чтобы снизить показатель сопротивления до минимума.

И последний вопрос темы – как пользоваться вольтметром, изготовленным самостоятельно. Итак, в вашем приборе два щупа. Один подключается к нулевому контуру, второй к фазе. Так же можно проверить напряжение через розетку, предварительно определив, к какому гнезду запитан ноль, а к какому фаза. Или соединяете параллельно прибор к измеряемому участку. Стрелка измерительного блока покажет величину напряжения в сети. Вот так пользуются этим самодельным измерительным прибором.

Рассмотрены не сложные схемы цифровых вольтметра и амперметра, построенных без использования микроконтроллеров на микросхемах СА3162, КР514ИД2. Обычно, у хорошего лабораторного блока питания есть встроенные приборы, – вольтметр и амперметр. Вольтметр позволяет точно установить выходное напряжение, а амперметр покажет ток через нагрузку.

В старых лабораторных блоках питания были стрелочные индикаторы, но сейчас должны быть цифровые. Сейчас радиолюбители чаще всего делают такие приборы на основе микроконтроллера или микросхем АЦП вроде КР572ПВ2, КР572ПВ5.

Типы амперметров

Устройства для определения силы тока могут быть аналоговыми и цифровыми. Среди аналоговых моделей применяется в основном 4 типа приборов:

• Магнитоэлектрический
• Электромагнитный
• Электродинамический
• Ферродинамический

Есть и другие типы, но эти наиболее интересны, так как применяются чаще всего. Каждый работает по своему принципу. Рассмотрим их более подробно.

Магнитоэлектрический прибор

Принцип работы устройства основан на взаимодействии катушки подвижного типа и магнитного поля постоянного магнита, расположенных внутри корпуса.

1 — корректор; 2 — противодействующие пружины; 3 — подвижная катушка; 4 — полюсные наконечники; 5 — стрелка; 6 — сердечник

К достоинствам прибора относится малое потребление мощности во время работы и хорошая измерительная чувствительность с низким коэффициентом отклонений. Также стоит отметить, что все электромагнитные амперметры имеют равномерную шкалу отображения необходимой характеристики. Поэтому можно сделать ровные замеры силы тока с максимальной точностью.

Лабораторная версия магнитоэлектрического амперметра

Из минусов прибора отмечается его сложное устройство, а именно наличие подвижной катушки. К тому же он работает исключительно от постоянного тока, так что это устройство нельзя назвать универсальным. Но несмотря на такие недостатки, магнитоэлектрический прибор пользуется большой популярностью и часто используется в самых разных сферах: как в лабораториях, так и на крупных предприятиях.

Электромагнитный прибор

Это приспособление не имеет подвижной катушки, как у предыдущего вида. Его устройство очень простое. В нем расположен специальный механизм и сердечники. Но сердечник может быть всего один. Сердечники устанавливаются на ось.

Электромагнитный прибор обладает меньшим диапазоном чувствительности, в отличии от магнитоэлектрической модели. Соответственно, точность его замеров ниже. Но у него есть и преимущества, а именно работа как при переменном, так и при постоянном токе, поэтому им очень легко пользоваться.

Электродинамические амперметры

Принцип работы этих моделей основан на взаимодействии полей тока, протекающих по магнитным катушкам. В приборе имеется как подвижная, так и неподвижная катушки. Это основное его преимущество – универсальность.

Недостаток прибора в том, что он слишком чувствителен, поэтому улавливает любые магнитные поля, находящиеся в радиусе его работы. Такие поля могут создавать достаточно сильные помехи, поэтому прибор необходимо использовать только в экранированных зонах.

Ферродинамические амперметры

Этот амперметр является самым точным и эффективным. Сторонние магнитные поля на него практически не оказывают никакого влияния. Соответственно, он не нуждается в дополнительном экранировании. Устройство этого надежного и прочного приспособления состоит из ферримагнитного замкнутого провода. Также в нем расположены неподвижная катушка и сердечник. Такая схема позволяет получить максимально надежные показатели. Именно поэтому ферродинамический амперметр часто применяется в государственных оборонных учреждениях. Им легко пользоваться, он удобен, а главное — все получаемые им показатели наиболее точны, в отличие от предыдущих разновидностей.

Амперметры данного типа предназначены для профессиональных высокоточных измерений

Цифровые модели

Кроме аналоговых амперметров, описанных выше, есть и другая разновидность, впитавшая в себя все современные технологии – цифровые амперметры. Сегодня они завоевывают все больше популярности. Это связано с тем, что подобное приспособление крайне удобно в работе, им легко пользоваться, к тому же прибор имеет небольшие размеры и выдает точные показания. Плюс ко всему — он очень мало весит. Цифровой прибор можно применять в самых разнообразных условиях, он не боится ни тряски, ни вибрации. Механический прибор с такими условиями не справится и не даст точных показаний, в отличие от цифрового.

Стоит отметить, что цифровые модели устойчивы к ударам, поэтому с ними можно работать в непосредственной близи с различными механизмами без страха повреждения прибора. В отличие от механических моделей, его можно использовать в горизонтальном и вертикальном положениях. С помощью цифрового циферблата можно следить за изменениями всех величин с максимально допустимой точностью и с минимальными погрешностями. На такой прибор не оказывают влияние ни атмосферные, ни температурные давления, что позволяет использовать его в условиях улицы.

Что такое амперметр, его виды

Амперметром можно измерить ток в любой электрической цепи. Этот прибор несложно узнать, он обозначается латинской буквой А. Так как ток бывает разной величины, начиная от миллиампер и выше, существуют разные по мощности приборы или универсальные, в которых изменяется предел измерения. Причем для постоянного и нужны разные типы амперметров.

По принципу устройства приборы бывают:

• Электромагнитного исполнения.
• Магнитоэлектрические.
• Тепловые.
• Детекторного типа.
• Индукционные.
• Электродинамической системы.
• Фотоэлектрические.
• Термоэлектрические.

Магнитоэлектрическим устройством можно определить в цепях, подключенных к постоянному напряжению. Детекторного и индукционного типа — измерять переменные токи. Все остальные виды могут быть универсальными.

Высокой чувствительностью и точностью показаний обладают амперметры электродинамического и магнитоэлектрического исполнения.

Метод непосредственной оценки

Чтоб реализовать такой метод необходимо применить омметр, схема которого ниже:

Данное устройство состоит из измерительного механизма ИМ (тип механизма магнитоэлектрический), шкала которого градуируется в омах. Также существует источник питания постоянным током U и резистор добавочный R_д. К выходным зажимам А и В производят подключения измеряемого сопротивления R_X. Соответственно в цепи будет протекать ток:

Где R_Д, R_И, R_Х – добавочный резистор и сопротивления измерительного механизма и соответственно объекта, который подлежит измерению. При этом угол отклонения стрелки прибора будет равен:

Где S₁ – чувствительность токового измерителя.

Если зажимы А и В разомкнуть () , то угол отклонения стрелки прибора будет равен нулю α=0, а если их закоротить (R=0), то угол отклонения будет максимален. Поэтому у омметра шкала обратная – ноль у него справа.

Омметры довольно таки удобны в практическом применении, но они имеют довольно высокую погрешность (класс точности 2,5). Это связано с нестабильностью источника питания и неравномерностью шкалы. Дабы устранить причину неравномерности шкалы в омметрах стали использовать логометрические измерительные механизмы:

Такие приборы получили название мегомметров. Для получения источника питания в мегомметрах используют небольшие генераторы напряжением до 2500 Вольт и приводящиеся в движение вручную. В электронных же мегомметрах в качестве источника могут быть использованы батарейки или же внешний источник питания, подключаемый через специальный блок питания устройства. Мегомметры применяют для измерений больших сопротивлений, таких как сопротивление изоляции проводников. Для измерений свыше 109 Ома применяют специальные электронные устройства, которые носят название тераомметров.

Детали

Пожалуй, самое труднодоставаемое – это микросхемы СА3162Е. Из аналогов мне известна только NTE2054. Возможно есть и другие аналоги, о которых мне не известно.

С остальным значительно проще. Как уже сказано, выходную схему можно сделать на любом дешифраторе и соответствующих индикаторах. Например, если индикаторы будут с общим катодом, то нужно КР514ИД2 заменить на КР514ИД1 (цоколевка такая же), а транзисторы VТ1-VТЗ перетащить вниз, подсоединив их коллектора к минусу питания, а эмиттеры к общим катодам индикаторов. Можно использовать дешифраторы КМОП-логики, подтянув их входы к плюсу питания при помощи резисторов.

Измерение тока. Амперметр.

И начнем мы с измерения тока. Прибор, используемый для этих целей, называется амперметр и в цепь он включается последовательно. Рассмотрим небольшой примерчик:

Как видите, здесь источник питания подключен напрямую к резистору. Кроме того, в цепи присутствует амперметр, включенный последовательно с резистором. По закону Ома сила тока в данной цепи должна быть равна:

I = \frac{U}{R} = \frac{12}{100} = 0.12

Получили величину, равную 0.12 А, что в точности совпадает с практическим результатом, который демонстрирует амперметр в цепи

Важным параметром этого прибора является его внутреннее сопротивление r_А

Почему это так важно? Смотрите сами – при отсутствии амперметра ток определяется по закону Ома, как мы и рассчитывали чуть выше. Но при наличии амперметра в цепи ток изменится, поскольку изменится сопротивление, и мы получим следующее значение:

I = \frac{U}{R_1+r_А}

Если бы амперметр был абсолютно идеальным, и его сопротивление равнялось нулю, то он бы не оказал никакого влияния на работу электрической цепи, параметры которой необходимо измерить, но на практике все не совсем так, и сопротивление прибора не равно 0. Конечно, сопротивление амперметра достаточно мало (поскольку производители стремятся максимально его уменьшить), поэтому во многих примерах и задачах им пренебрегают, но не стоит забывать, что оно все-таки и есть и оно ненулевое.

При разговоре об измерении силы тока невозможно не упомянуть о способе, который позволяет расширить пределы, в которых может работать амперметр. Этот метод заключается в том, что параллельно амперметру включается шунт (резистор), имеющий определенное сопротивление:

R = \frac{r_А}{n\medspace-\medspace 1}

В этой формуле n – это коэффициент шунтирования – число, которое показывает во сколько раз будут увеличены пределы, в рамках которых амперметр может производить свои измерения. Возможно это все может показаться не совсем понятным и логичным, поэтому сейчас мы рассмотрим практический пример, который позволит во всем разобраться.

Пусть максимальное значение, которое может измерить амперметр составляет 1 А. А схема, силу тока в которой нам нужно определить имеет следующий вид:

Отличие от предыдущей схемы заключается в том, что напряжение источника питания на этой схеме в 100 раз больше, соответственно, и ток в цепи станет больше и будет равен 12 А. Из-за ограничения на максимальное значение измеряемого тока напрямую использовать наш амперметр мы не сможем. Так вот для таких задач и нужно использовать дополнительный шунт:

В данной задаче нам необходимо измерить ток I. Мы предполагаем, что его значение превысит максимально допустимую величину для используемого амперметра, поэтому добавляем в схему еще один элемент, который будет выполнять роль шунта. Пусть мы хотим увеличить пределы измерения амперметра в 25 раз, это значит, что прибор будет показывать значение, которое в 25 раз меньше, чем величина измеряемого тока. Нам останется только умножить показания прибора на известное нам число и мы получим нужное нам значение. Для реализации нашей задумки мы должны поставить шунт параллельно амперметру, причем сопротивление его должно быть равно значению, которое мы определяем по формуле:

R = \frac{r_А}{n\medspace-\medspace 1}

В данном случае n = 25, но мы проведем все расчеты в общем виде, чтобы показать, что величины могут быть абсолютно любыми, принцип шунтирования будет работать одинаково.

Итак, поскольку напряжения на шунте и на амперметре равны, мы можем записать первое уравнение:

I_А\medspace r_А = I_R\medspace R

Выразим ток шунта через ток амперметра:

I_R = I_А\medspace \frac{r_А}{R}

Измеряемый ток равен:

I = I_R + I_А

Подставим в это уравнение предыдущее выражение для тока шунта:

I = I_А + I_А\medspace \frac{r_А}{R}

Но сопротивление шунта нам также известно (R = \frac{r_А}{n\medspace-\medspace 1}). В итоге мы получаем:

I = I_А\medspace (1 + \frac{r_А\medspace (n\medspace-\medspace 1)}{r_А}\enspace) = I_А\medspace n

Вот мы и получили то, что и хотели. Значение, которое покажет амперметр в данной цепи будет в n раз меньше, чем сила тока, величину которой нам и нужно измерить

С измерениями тока в цепи все понятно, давайте перейдем к следующему вопросу, а именно определению напряжения.

Измерение переменного и постоянного тока

Приборы активно используются в радиотехнике. Ими замеряют слабые токи на различных участках схем печатных плат, тестируют радиодетали на пригодность для дальнейшего использования.

С помощью МА можно быстро выявить повреждённый участок электрической цепи, её обрыв или короткое замыкание. Прибором можно контролировать состояние литиевых аккумуляторных батареек.

Без миллиамперметра практически невозможно собрать любую радиосхему, починить радиотехническое устройство.

Для исследования слабых переменных и постоянных токов применяют разные типы стрелочных приборов. Универсальный мультиметр может измерять оба типа электрического тока.

Дополнительная информация. При замере уровня переменного тока необязательно соблюдать положение полярности клемм мультиметра, так как электрический поток движется в обоих направлениях.

Для измерения переменного тока применяют МА с обозначением на циферблате волнистой линии. На мультиметре для красного щупа выбирают гнездо, обозначенное тем же знаком. Затем указатель устанавливают в положение миллиамперметра в нужном диапазоне.

Чтобы сделать замер переменного тока, внутри измерительного прибора встроена схема из 4-х диодов. Диодные мостики не пропускают ток в обратном направлении. Поэтому МА измеряет уже постоянный ток, данные которого отражают параметры переменного напряжения в сети.

Прибор подключают в цепь последовательно с нагрузкой, то есть МА включают в разрыв цепи. Для замера постоянного тока прибор тоже подключают под нагрузкой, строго соблюдая полярность клемм щупов.

Мультиметр

Схемы подключения

Прибор для лабораторных измерений Э537

https://youtube.com/watch?v=D4PbBFvF3zc

https://youtube.com/watch?v=D4PbBFvF3zc

Перед тем как подключить амперметр важно учесть:

• постоянный или переменный ток в сети;
• соблюдается ли полярность прибора;
• стрелка амперметра должна находиться за серединой шкалы;
• предел измерения больше максимально возможного скачка тока в электросхеме;
• окружающая среда соответствует рекомендуемым параметрам;
• измерительное место находится без воздействия вибрации.

Стандартное подключение амперметра для измерения силы тока в цепи

Измерение силы тока в цепи с помощью шунта

Для гальванического разделения силовой и контрольной цепи используют измерительные трансформаторы тока. Амперметр подключается к специальным выводам. Используется такая схема для измерения токов, превышающих предел измерений прибора.

Создание гальванической развязки с помощью измерительного трансформатора

Производить измерения на цифровом амперметре гораздо проще. на него не воздействуют вибрация, правильное положение и магнитные поля. Не столь критично отреагирует прибор и на неправильно выбранную полярность. Превышать предел измерений не рекомендуется, так  как можно повредить устройство. Большинство высокотоковых выходов мультиметров не имеют защиты плавким предохранителем.

Выбор положения, требуемого для измерения тока с помощью цифрового мультиметра

Отличия амперметров различных конструкций

Магнитоэлектрическая система

В отличие от предыдущего прибора амперметр переменного тока в своей основе имеет электромагнитную систему. Наиболее часто такие устройства используются в сетях на 50-60 Герц. Устройство амперметра  предполагает наличие одного либо двух сердечников, соединенных с стрелочным механизмом. Преимуществом конструкции является универсальность, позволяющая помимо переменного измерять и постоянный ток. Сопротивление амперметра электромагнитного типа выше, чем у других моделей, что отражается в худшую сторону на точность результата. Шкала нелинейная, поэтому  показания амперметра считать затруднительно. В некоторых случаях в первой половине шкалы ставится точка, говорящая о невозможности измерить ток в данном диапазоне, сохраняя в норме погрешность.

Электромагнитный измеритель

Для уменьшения воздействия влияния внешних магнитных полей используются амперметры ферродинамического типа. Устройство характеризуется высокой точностью измерений. Это позволяет отказаться от установки в приборе дополнительных защитных экранов. В основе конструкции лежит замкнутый ферримагнитный провод. Стрелки амперметра показывает измеряемую величину на нелинейной шкале. Показания амперметра можно снять с требуемой погрешностью не во всем диапазоне измерений, а лишь начиная со значения, обозначенного точкой.

Ферродинамический высокоточный прибор

Цифровой амперметр

Цифровой измеритель силы тока наиболее удобен в пользовании, так как сразу показывает требуемое значение без необходимости получения данных с помощью стрелок амперметра.  Часто он входит в состав мультиметра или электронного вольтамперметра. Наиболее современные приборы имеют возможность автоматически выбирать предел измерений. Прибор не чувствителен к горизонтальному либо вертикальному положению. Точность измерений зависит от дискретизации и алгоритма, заложенного для  осуществления снятия показаний.

Мультиметр с функцией цифрового амперметра

Контроль тока заряда аккумуляторной батареи автомобиля

При использовании зарядного устройства существует необходимость замерять силу тока амперметром. Это позволяет контролировать процесс накопления энергии аккумулятором и избегать перезаряда с недозарядом.  В результате срок службы АКБ значительно увеличивается.

После включения цепи амперметр покажет ток заряда. Точность измерений и прочие характеристики амперметра не столь важны для контроля передачи энергии. Погрешность измерения тоже не столь важна, так как следить необходимо за уменьшением показаний стрелки амперметра. Прибор, показывающий через несколько часов одно и тоже значение, говорит об полном заряде аккумулятора.

При работе множества аппаратуры возникает необходимость контроля силы тока. Стрелки амперметров или цифры на экране дискретного прибора показывают пользователю эту физическую величину. Производимые измерения необходимы как для поддержания рабочего состояния так и для сигнализации об возникновении аварийной ситуации.