Цифровые амперметры: характеристики, виды, принцип работы

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.

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.

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.

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

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%.

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).

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

Любая схема цифрового амперметра включает микроконтроллер со встроенным АЦП (аналогово-цифровым преобразователем). 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).

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.

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.

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.

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).

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).

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.