Как работает амперметр и вольтметр

Амперметры и вольтметры

Измерительные механизмы магнитоэлектрических амперметров и вольтметров принципиально не различаются между собой. В зависимости от назначения прибора (для измерения тока или напряжения) меняется его измерительная цепь. В амперметрах измерительный механизм включается в цепь непосредственно или при помощи шнута. В вольтметрах последовательно с измерительным механизмом включается добавочное сопротивление, и прибор подключается к тем точкам схемы, между которыми необходимо измерить напряжение. Такого рода схемы показаны на рис. 10.

Амперметр без шунта применяется в том случае, если весь измеряемый ток можно пропустить через токоподводящие пружинки и обмотку рамки измерительного механизма. Обычно эта величина не превышает 20 — 30 ма, т.е. такая схема возможна только для микро- и миллиамперметров.

Характер измерительной цепи в значительной степени опреде­ляется также допустимой температурной погрешностью и пределом измерения прибора.

Изменение температуры прибора сказывается на его работе следующим образом.

1. При повышении температуры пружинки, создающие противодействующий момент, стремятся раскрутиться. Для компенсации этого явления ставятся две пружинки с разным направлением вит­ков. Одна из них при повороте подвижной части работает на закру­чивание, а вторая — на раскручивание.

2. Пружинки ослабевают примерно на 0,2—0,4% на каждые 10°С повышения температуры. Показания прибора при неизмен­ном значении измеряемой величины дол­жны были бы соответственно увеличиться.

3. Магнитный поток постоянного маг­нита падает приблизительно на 0,2% на каждые 10°С повышения температуры. Показания должны были бы уменьшиться.

Так как ослабление пружинок и умень­шение потока магнита вызывают темпера­турную погрешность, примерно одинако­вую по величине, но разных знаков, то эти два явления практически взаимно компен­сируют друг друга.

4. Изменяется электрическое сопро­тивление обмотки рамки и пружинок. Если обмотка рамки выполнена из медной проволоки, то при повышении температуры на 10°С сопротивление увеличится на 4%. Это является основным источником температурной погрешности магнитоэлектричес­ких приборов.

Рис.10 Схема амперметров и вольтметров: Рис.11 Схемы температурной компенсации

а – амперметр без шунта; б – амперметр с шунтом а – с добавочным сопротивлением; б – послед-

в – вольтметр ледовательно-параллельная; в – с термоком-

Рассмотрим схемы, приведенные на рис. 10, с точки зрения тем­пературной погрешности. Для амперметра без шунта (схема а) показания не зависят от температуры.

В большинстве случаев температурная погрешность является незначительной и для вольтметра (схема в). Это объясняется тем, что температурный коэффициент сопротивления цепи вольтметра определяется не только «медной» частью обмотки измерительного механизма, но и добавочным сопротивлением, выполняемым из материала с очень малым температурным коэффициентом сопротив­ления (манганина).

Чем больше отношение сопротивления манганина к сопротив­лению меди, т.е. чем выше предел измерения прибора, тем меньше температурная погрешность. Для вольтметров на пределы свыше 3 – 5в температурную погрешность можно уменьшить за счет добавочного сопротивления из манганина до величин, соответствующих классу 0,2.

Наиболее неблагоприятным в отношении влияния температуры является амперметр с шунтом (схема б). При повышении температуры и неизмененных значениях измеряемого тока и сопротивления шунта r (шунт, как указывалось выше, выполняется из манга­нина) ток I, протекающий через измерительный механизм, и показания прибора уменьшаются.

Для компенсации температурной погрешности часто применяются спе­циальные схемы. Наиболее широко и пользуемые схемы температурной компенсации представлены на рис. 11. Простейшим способом уменьшения температурной погрешности является включение последовательно с обмот­кой рамки добавочного сопротивле­ния г_д из манганина (схема а). Недо­статок этой схемы заключается в том, что на рамку попадает только часть напряжения, снимаемого с шунта. Для класса 0,2 эта часть составляет всего 5%. Следовательно, в этом слу­чае или не происходит существенного уменьшения температурной погреш­ности, или увеличивается потреб­ляемая прибором энергия. Обычно этот способ применяется только для приборов класса не выше 1,0.

Последовательно-параллельная схема (схема б) широко использует­ся в приборах высоких классов точности (0,5; 0,2; 0,1). В такой схеме последовательно с медным сопротивлением r рамки вклю­чается сопротивление из манганина r₃. Эта цепь шунтируется сопротивлением r из материала с большим температурным коэффициентом (меди или никеля) и через последовательно включенное манганиновое сопротивление г₂ подключается к шунту r . При повышении температуры возрастают сопротивления r и r . Однако поскольку последовательно с рамкой включено сопротивление r₃ , имеющее практически нулевой температурный коэффициент, то по сравнению с цепью (r + r₃) увеличение сопротивления в цепи r будет больше. Поэтому изменится распределение токов I и I₃ таким образом, что в обмотку рамки будет ответвляться несколько большая часть общего тока, чем раньше. Но так как сопротивление между точками а и б увеличится, то при постоянном напряжении общая сила тока I₂ несколько уменьшится. Поскольку же со­противление r₂ с увеличением температуры не изменяется, то паде­ние напряжения на нем уменьшится, а между точками в и г увели­чится. Выбором сопротивлений можно добиться того, чтобы при изменении температуры ток в обмотке рамки менялся в пределах, определяемых допустимой величиной температурной погрешности.

В последнее время все чаще применяются схемы с полупровод­никовыми термосопротивлениями (схема в). Термосопротивление ТС обладает значительным отрицательным температурным коэф­фициентом порядка — (25—35)% на 10° С. Конструктивно такие термосопротивления, например типа ММТ-8, выпускаются в виде шайб в герметическом корпусе. Благодаря высокому значению температурного коэффициента величина термосопротивления в схеме компенсации может быть взята во много раз меньше, чем проволочного сопротивления из манганина в схеме а. При этом к обмотке измерительного механизма можно подвести значительно большее напряжение, т. е. к. п. д. схемы возрастает. Для подбора необходимой величины температурного коэффициента сопротивле­ния и уменьшения влияния разброса характеристик термосопротив­лений последние шунтируются манганиновым сопротивлением r . Такое сочетание (ТС и r ) называется термокомпенсатором. В настоя­щее время термосопротивления применяются в приборах самых высоких классов точности (например, в амперметре типа М1150, класса 0,1).

При создании приборой для измерения очень малых напряжений (например, э.д.с. термопар) желательно, чтобы все напряжение подводилось непосредственно к цепи измерительного механизма. В этом случае температурная компенсация осуществляется не с по­мощью схем, а посредством термомагнитного шунта. Такой шунт выполняется из специальных магнитных материалов (сплавов меди с никелем или железа с никелем), у которых магнитная проницае­мость существенно уменьшается при возрастании температуры. Конструктивно термомагнитный шунт представляет собой пла­стинки, которыми замыкаются полюсные наконечники постоянного магнита. При повышении температуры магнитное сопротивление шунта возрастает, что приводит к увеличению индукции в воздуш­ном зазоре. Можно так рассчитать шунт, что это увеличение индукции будет компенсировать действие уменьшения тока в обмотке за счет повышения сопротивления последней, и показания прибора будут мало зависеть от температуры.

18. Аналоговые электронные измерительные приборы. Устройство, принцип действия электронных вольтметров и ам­перметров.

Электроизмерительные приборы — класс устройств, применяемых для измерения различных электрических величин. В группу электроизмерительных приборов входят также меры, преобразователи, комплексные установки.

Классификация

Наиболее существенным признаком для классификации электроизмерительной аппаратуры является измеряемая или воспроизводимая физическая величина, в соответствии с этим приборы подразделяются на ряд видов:

амперметры — для измерения силы электрического тока;

вольтметры — для измерения электрического напряжения;

омметры — для измерения электрического сопротивления;

мультиметры (иначе тестеры, авометры) — комбинированные приборы

частотомеры — для измерения частоты колебаний электрического тока;

магазины сопротивлений — для воспроизведения заданных сопротивлений;

ваттметры и варметры — для измерения мощности электрического тока;

электрические счётчики — для измерения потреблённой электроэнергии

и множество других видов

Классификация по другим признакам:

по назначению — измерительные приборы, меры, измерительные преобразователи, измерительные установки и системы, вспомогательные устройства;

по способу представления результатов измерений — показывающие и регистрирующие (в виде графика на бумаге или фотоплёнке, распечатки, либо в электронном виде);

по методу измерения — приборы непосредственной оценки и приборы сравнения;

по способу применения и по конструкции — щитовые (закрепляемые на щите или панели), переносные и стационарные;

по принципу действия:

магнитоэлектрические; электромагнитные; электродинамические; электростатические;

ферродинамические; индукционные; магнитодинамические; электронные; термоэлектрические;

Обозначения

В состав обозначения входит прописная русская буква, соответствующая принципу действия прибора, и число — условный номер модели. Например: С197 — киловольтметр электростатический. К обозначению могут добавляться буквы М (модернизированный), К (контактный) и другие, отмечающие конструктивные особенности или модификации приборов.

В — приборы вибрационного типа (язычковые)

Д — электродинамические приборы

Е — измерительные преобразователи

И — индукционные приборы

К — многоканальные и комплексные измерительные установки и системы

М — магнитоэлектрические приборы

Н — самопишущие приборы

П — вспомогательные измерительные устройства

Р — меры, измерительные преобразователи, приборы для измерения параметров элементов электрических цепей

С — электростатические приборы

Т — термоэлектрические приборы

У — измерительные установки

Ф — электронные приборы

Х — нормальные элементы

Ц — приборы выпрямительного типа

Ш — измерительные преобразователи

Э — электромагнитные приборы

Электронные аналоговые вольтметры.

Принцип действия. В электронных вольтметрах конструктивно объединены электронный преобразователь и измерительный механизм. Электрон­ный преобразователь может быть ламповым или полупроводнико­вым. Измерительный механизм обычно магнитоэлектрический. Элект­ронные аналоговые вольтметры позволяют производить измерения в широком диапазоне напряжений и частот.

Электронные вольтметры постоянного тока выполняются по схеме, представленной на рис. 2.28.

Измеряемое напряжение U, подается на входное устройство, представляющее собой многопредельный высокоомный делитель на резисторах. С делителя напряжение поступает на уси­литель постоянного тока и далее — на измерительный механизм. Де­литель и усилитель постоянного тока ослабляют или усиливают напряжение до значений, необходимых для нормальной работы измерительного механизма. Одновременно усилитель обеспечивает согласование высо­кого сопротивления входной цепи прибора с низким сопротивлением катушки измерительного механизма. Входное сопротивление электрон­ного вольтметра составляет обычно несколько десятков мегаом. Это позволяет производить измерения в высокоомных цепях без заметного потребления мощности от объекта измерения. Диапазон, измеряемых напряжений постоянного тока — от десятков милливольт до несколь­ких киловольт.

Электронные вольтметры переменного тока выполняются по двум структурным схемам, представленным на рис. 2.29.

В первой из этих схем измеряемое переменное напряжение сначала преобразуется в по­стоянное при помощи детектора, а затем усиливается усилителем по­стоянного тока и воздействует на измерительный механизм. Во второй схеме усиление производится на переменном токе (для этого служит усилитель переменного тока) и лишь затем предварительно усиленный сигнал выпрямляется детектором и отклоняет стрелку измерительного механизма. Эти схемы дополняют друг друга. Каждая из них обладает своими преимуществами и недостатками. По первой схеме могут строиться вольтметры, обладающие широким частотным диапазоном (10 Гц — 1000 МГц), но обычно не способные измерять напряжения меньше нескольких десятых долей вольта: детектор выпрямляет только достаточно большие напряжения.

Вторая схема позволяет строить чувствительные вольтметры, нижний предел измерения которых составляет всего лишь единицы микровольт. Однако эти приборы имеют меньший частотный диапазон, поскольку частотный диапазон усилителя переменного тока трудно сделать до­статочно большим.

2. Электромеханические амперметры и вольтметры

Амперметры, измеряющие постоянный ток, имеют обозначение А2. В простейшем случае они являются электромеханическими приборами магнитоэлектрической системы. Их достоинства: выдерживают кратковременную перегрузку, слабо реагируют на внешние магнитные поля, характеризуются малым потреблением мощности, имеют линейную шкалу. Внутреннее сопротивление прибора составляет несколько десятков Ом. Амперметры на основе электромеханических приборов позволяют непосредственно измерять токи I_x величиной до 100 мА (миллиамперметры). Поэтому для расширения диапазона измеряемой величины тока в них используют шунты (рис. 1).

Исходя из соотношения измеряемого тока и тока допустимого для миллиамперметра , определяют коэффициент шунтирования

и вычисляют необходимое сопротивление шунта

Вольтметр, как измеритель постоянного напряжения, имеет обозначение V2. Его создают на основе амперметра магнитоэлектрической системы, так как значение тока, протекающего через прибор пропорционально исследуемому напряжению U_X. Поэтому шкала такого прибора имеет размерность единиц напряжения (Вольт). Для проведения измерения вольтметр подключают параллельно элементу или некоторому участку цепи. С целью расширения пределов измерения последовательно с измерительным механизмом включают добавочные резисторы (рис. 2).

Их рассчитывают так:

Так как собственное сопротивление магнитоэлектрического измерителя R₀ не превосходит несколько десятков Ом, то вольтметры без добавочного резистора могут применяться только в качестве микровольтметров или милливольтметров. Добавочные резисторы классифицируются, как и шунты в соответствии с ГОСТ 8623-78.

Выше рассмотренные измерители могут использоваться как самостоятельные измерительные приборы, так и входить в состав более сложных комбинированных измерителей, например Ц 4313.

Для измерения постоянных напряжений можно использовать вольтметры электромагнитной, электродинамической систем. Они являются более универсальными, так как позволяют измерять напрямую и постоянные, и переменные напряжения. Но уступают в чувствительности и имеют нелинейные шкалы, а так же требуют магнитостатического экранирования из-за влияния внешних магнитных полей.

3. Измерение переменного напряжения и тока низкой частоты

Для измерения переменного напряжение и тока НЧ применяют приборы электромагнитной или электродинамической систем. Но шкала их имеет нелинейную градуировку. Кроме того они имеют и другие существенные недостатки. В силу этого, их используют для контроля только в цепях питания.

В связи с этим наиболее часто прибегают к предварительному преобразованию переменного напряжения в постоянное с последующим его измерением теми же методами и приборами, которые рассмотрены выше. Это преобразование выполняют выпрямители, как правило представляющие собой мостиковую схему из германиевых диодов (рис. 4).

При измерении тока микроамперметр помещен в диагональ моста, ток через него протекает в одном направлении в оба полупериода. Вследствие нелинейного характера вольтамперной характеристики диодов сопротивление амперметра R₀ будет зависеть от величины протекаемого тока. Прибор имеет высокую чувствительность. Для изменения пределов измерений применяют шунты, включаемые параллельно амперметру также между точками а и б.

Вольтметры на основе выпрямительных схем, выполняют так же, как и амперметры. Для повышения R₀ последовательно включают добавочные резисторы R_Д (рис. 5).

Тогда показания прибора: (8)

Для получения необходимого предела измерений варьируют значением R_Д.

Такие амперметры и вольтметры измеряют среднеквадратическое значение тока и напряжения; их используют в комбинированных приборах — Ц4313, а также в электронных вольтметрах В7-15.

Схема включения амперметра и вольтметра

В амперметрах ток, проходящий по прибору, создает вращающий момент, вызывающий отклонение его подвижной части на угол, зависящий от этого тока. По этому углу отклонения определяют величину тока амперметра.

Для того, чтобы амперметром измерить ток в каком-то приемнике энергии, необходимо амперметр соединить последовательно с приемником с тем, чтобы ток приемника и амперметра был один и тот же. Сопротивление амперметра должно быть мало по сравнению с сопротивлением приемника энергии, последовательно с которым он включен, с тем, чтобы его включение практически не влияло на величину тока приемника (на режим работы цепи). Таким образом, сопротивление амперметра должно быть малым и тем меньшим, чем больше его номинальный ток. Например, при номинальном токе 5 А сопротивление амперметра составляет r а= (0,008 — 0,4) ом. При малом сопротивлении амперметра мала и мощность потерь в нем.

Рис. 1. Схема включения амперметра и вольтметра

При номинальном токе амперметра 5 А мощность потерь P а = I а 2 r = (0,2 — 10) Ва . Напряжение, приложенное к зажимам вольтметра вызывает в его цепи ток. При постоянном ток зависит только от напряжения, т.е. I v = F(U v ). Этот ток, проходя но вольтметру, так же как и в амперметре, вызывает отклонение его подвижной части на угол, зависящий от тока. Та к им образом, каждому значению напряжения на зажимах вольтметр бу дут соответствовать вполне определенные значения тока и угла поворота подвижной части .

Для того чтобы по показанию вольтметра определить напряжение на зажимах приемника энергии или генератора, необходимо его зажимы соединить с зажимами вольтметра так, чтобы напряжение на приемнике (генераторе) было равно напряжению на вольтметре (рис. 1).

Сопротивление вольтметра должно быть большим по сравнению с сопротивлением приемника энергии (или генератора) с тем, чтобы его включение не влияло на измеряемое напряжение (на режим работы цепи).

Пример. К зажимам цепи с двумя последовательно соединительными приемниками (рис. 2), имеющими сопротивления r1 = 2000 ом и r2 = 1000 ом , приложено напряжение U =120 В.

Рис. 2. Схема включения вольтметра

При этом на первом приемнике напряжение U1 =80 В, а на втором U 2=40 В.

Если параллельно первому приемнику включить вольтметр с сопротивлением rv= 2000 ом для измерения напряжения на его зажимах, то напряжение как на первом, так и на втором приемниках будет иметь значение U ‘ 1 = U ‘ 2 =60 В.

Таким образом, включение вольтметра вызвало изменение напряжения на первом приемнике с U1= 80 В до U ‘ 1 = 60 В , т. е. погрешность в измерении напряжения, обусловленная включением вольтметра равна ((60 В — 80 В)/80 В) х 100% = -25%

Таким образом, сопротивление вольтметра должно быть большим и тем большим, чем больше его номинальное напряжение. При номинальном напряжении 100 В сопротивление вольтметра rv = (2000 — 50000) ом. Вследствие большого сопротивления вольтметра мала мощность потерь в нем .

При номинальном напряжении вольтметра 100 В мощность потерь Р v = ( Uv 2 /rv ) Ва.

Из изложенного следует, что амперметр и вольтметр могут иметь измерительные механизмы одинакового устройства, отличающиеся только своими параметрами. Но амперметр и вольтметр различным образом включаются в измеряемую цепь и имеют разные внутренние (измерительные) схемы.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети: