Как подключить амперметр?

Амперметр – прибор, дополняющий вольтметр. Используется там, где нет возможности установить полноценный ваттметр либо воспользоваться мультиметром. Его назначение – облегчить обслуживание и ремонт электроустановок, находящихся под постоянной нагрузкой, вовремя выявить готовящиеся поломки и принять скорейшие меры к их устранению. Например, амперметр позволяет оценить состояние аккумулятора в автомобиле и спрогнозировать, когда потребуется замена изношенной аккумуляторной батареи на новую.

У стрелочных амперметров основа прибора – простейший электромагнитный (или иного типа) гальванометр или электроизмерительная головка.

Сам по себе гальванометр работает как нечто среднее между милливольтметром и микроамперметром. Включать его в цепь без нагрузки и балластных сопротивлений нельзя – обмотка катушек не рассчитана на значительную силу тока, что нужна силовым электроустановкам и потребителям, подключённым к ним: с большой долей вероятности его обмотка сгорит. Аналоговый гальванометр устроен следующим образом. В поле постоянных магнитов вращается катушка, по которой в момент подключения прибора начинает идти ток. Вырабатывая собственное магнитное поле, катушка поворачивается на определённый угол – пропорционально пропускаемому через неё току. А поворачиваться её заставляет вращательный момент, образующийся при взаимодействии поля постоянного магнита и поля катушки.

Помимо возвращающей пружины, на противовесе стрелки находится балансир – металлическая нить из мягкого и достаточно эластичного металла (например, платины), уравновешивающая стрелку и не дающая её концу задевать за шкалу – алюминиевую пластину с проградуированными делениями, закреплённую в качестве плоской рамки на лицевой части внутренностей гальванометра. В ряде случаев, чтобы не тратить дорогую платину, на противовес стрелки напаивается капля какого-нибудь легкоплавкого сплава (точно в миллиграммах или в сотнях микрограммов). Если балансир порвётся – результаты измерений будут неточными и прерывистыми либо вообще никакими. Правила обращения с гальванометрическим амперметром строго-настрого запрещают его бросать, подвергать жёсткой вибрации и сильным ударам – измерительные головки ломаются очень легко.

Наконец, стрелочный амперметр обладает плоским винтом, немного сдвигающим пружину стрелки в обе стороны. Благодаря повороту этого винта стрелка может находиться не строго на нуле шкалы, а в околонулевой точке. На сколько делений будет нарушен ноль – на столько же амперметр и «приврёт», сняв показание измеряемого тока. Завод-изготовитель после опробования гальванометра самостоятельно калибрует ноль – по шкале. Пользователь сам подстроит точность нуля на глаз с помощью плоской отвёртки – когда обнаружит, что стрелочный ноль сбился и не совпадает со шкальным.

Подпорки из проволоки с резиновыми прокладками, находящиеся по концам шкалы, удерживают стрелку на околонулевой и максимальной позиции, когда гальванометр «зашкаливает» или подключён «задом наперёд». Они не дают пружине перекрутиться, а концу стрелки – биться о края визуального измерительного поля, если измеряемый параметр по невнимательности пользователя окажется в разы больше, чем реальный, который способен отобразить сам прибор.

Удерживает постоянный ток малых значений. Измерительная головка – магнитоэлектрическая система со шкалой, содержащей определённую градуировку.

Создан для цепей быстропеременного тока с частотой в сотни и тысячи герц. Основа такого амперметра – магнитоэлектрическая головка. Он состоит из отрезка проводника, к которому подсоединена термопара. Ток, нагревающий проводник, приводит к выделению тепла, улавливаемого термопарой. Теплоизлучение отклоняет рамку со стрелкой на расчётный угол, линейно зависящий от величины проходного тока.

Его назначение – измерять ток в быстропеременных электроустановках, работающих на повышенной (до 200 Гц) частоте. Для электродинамических амперметров подойдёт помещение или отсек, где полностью отсутствуют лишние электромагнитные поля. Однако они высокоточны и применяются для регулярной поверки замерителей всех остальных типов.

Каркас ферродинамического замерителя исполнен из ферромагнетика, железного сердечника и статичной катушки. Он обладает классом точности, присущим электродинамическому амперметру, но нечувствителен к электромагнитным помехам (паразитным полям).

Цифровой амперметр (в идеале – мультиметр) лишён гальванометрической измерительной головки. Вместо гальванометра используется целая система: датчики подаваемого на измерение тока, АЦП, процессор с ПЗУ и оперативной памятью, дисплей с контроллером вывода значений снимаемых показаний. Для записи показаний на внешний носитель может прилагаться microUSB-порт или Wi-Fi/Bluetooth-радиомодуль – это позволяет подключить амперметр или мультиметр к ПК, смартфону или планшету, и использовать специальное приложение для работы с ним.

В простейшем амперметре, рассчитанном на один диапазон измерений – например, 0… 10 А, – параллельно гальванометру подключён шунт. Это низкоомный резистор с сопротивлением 0,01… 1 Ом. Грубый расчёт производится по закону Ома – сила тока равна частному от деления ЭДС (напряжения) сети (цепи) питания на значение сопротивления.

Имея представление о сопротивлении шунта амперметра, вы уже знаете, как его правильно подключить.

Прибор всегда включается последовательно, а не параллельно нагрузке. Если вы рискнёте подключить прибор параллельно – сработает предохранитель, и прибор отключится. При токе от нескольких ампер сгорают катушка гальванометра и шунт. Сгоревшая стрелочная головка восстановлению не подлежит. Вначале обесточьте линию. При низкой ЭДС — до 12 В — источника питания можно обойтись и без обесточивания. Включите амперметр в разрыв цепи. Убедитесь, что пропускная способность амперметра по току (например, прибор рассчитан на 10 А) общая токовая нагрузка не превышает предел измерений, на который и рассчитан амперметр. Если прибор не «двусторонний» (например, -10 и +10 А с нулём посередине) – соблюдайте полярность. После включения он покажет, сколько (мили) ампер в час потребляет ваш электроприбор или электрическая цепь.

Для авто применяется «двусторонний» амперметр, у которого ноль находится не в начале, а в середине шкалы. «Минусовой» ток (отрицательное показание прибора) – это сила тока, потребляемая бортэлектроникой авто. «Плюсовой» – когда ток течёт в обратную сторону – зарядный ток, поступающей от автогенератора. Точно так же подсоединяются и работают амперметры в спецтехнике (автокран, трактор, экскаватор и т. д.).

Сопротивление шунта равно внешнему сопротивлению подключаемой нагрузки (например, мощного светильника или фары), умножаемому на отношение тока, проходящего через сам амперметр, к разности общего тока в цепи и тока самого амперметра. Ток, протекающий через шунтирующий резистор, во много раз больше тока, следующего через обмотку гальванометра. Обратное верно для сопротивления гальванометра и шунта.

В простейшем случае шунт – это короткая катушка или полосковая линия из толстого медного, стального или алюминиевого провода. К её выводам и подключается гальванометр. Это как бы «громоотвод» для больших токов, позволяющих сохранить катушку прибора в целости и сохранности – через неё пройдут, возможно, десятитысячные доли того тока, что пропустит сам шунт. На практике гальванометр превратится в милливольтметр – он воспринимает лишь то небольшое падение напряжения на полоске или резисторе шунта. Величина шунтирования – кратное 10 единицам число.

Для измерения силы тока постоянного напряжения или низкого переменного напряжения можно обойтись лишь одним шунтом. Если речь идёт о замерах переменного тока с высоким потенциалом, то, кроме выпрямительного диодного моста, прибору требуются измерительные трансформаторы по току. Зная, какое напряжение в электрической цепи (например, 1 кВ), вы можете воспользоваться повышающим напряжение трансформатором. Его первичная обмотка, имеющая низкое сопротивление, намотанная толстым проводом, включается последовательно с подающей питание линией (в её разрыв). Вторичная же, вырабатывающая высокую ЭДС, подключена к амперметру. Благодаря низкому сопротивлению самого прибора, трансформатор переходит в режим замыкания, т. е. максимально нагружен.

Если вы верно подобрали соотношение витков обеих обмоток – вам откроется возможность при малом токе, проходящем через сам прибор, измерять ток больших значений во внешней цепи. Чтобы получить значение тока, проходящего по первичной обмотке, умножьте измеренное значение на трансформирующий множитель. В амперметрах, где трансформатор тока постоянно встроен и не отсоединяется после окончания измерений, а остаётся в приборе и дальше, шкала уже оптимально проградуирована. Чтобы никого из персонала случайно не убило током высокого напряжения, один из выводов со вторичной обмотки и магнитопровод (пластины) трансформатора заземляют.

Нельзя размыкать вторичную обмотку трансформатора тока, отсоединяя от неё амперметр. Если это всё же случится – скачкообразное возрастание магнитного потока в магнитопроводе автоматически становится источником очень опасного для жизни «замерщика» напряжения в сотни или даже тысячи вольт. Подключение же невысокого омического сопротивления параллельно с амперметром (или шунта) снизит это напряжение, позволив измерить с помощью амперметра его остаток – он оценивается как проходящий через цепь прибора ток.

Измерительные токовые трансформаторы обладают своей погрешностью – по углу сдвига фаз токов и по коэффициенту трансформации. В первом случае считается сдвиг (поворот) фазы от положения в 180 градусов, становящийся причиной значительной погрешности в показаниях ваттметра, включённого в эту же цепь. Класс точности по трансформирующему множителю оценивается по потерям от номинала – 0,02… 1 и более.

50-амперные шунты не выходят за пределы корпуса прибора. Но если речь идёт о токе большем, чем 50 А – используются так называемые токоведущие крокодилы или токовые клещи. Во втором варианте калибруется уже не сам гальванометр, а шунт. Параллельно ему включается милливольтметр с напряжением в 45–150 милливольт. Цель – обеспечить отклонение стрелки прибора на расстояние, не больше, чем вся шкала.

Для постоянного тока не требуется никаких особых схем – есть миллиамперметр, мощный шунт с сопротивлением в сотые и тысячные доли Ома. Они включаются между собой параллельно – и вся установка помещена в разрыв цепи. Для переменного же тока требуется способ с трансформатором тока, включённым по вышеописанной схеме. Чтобы стрелка не колебалась около нуля шкалы с частотой в 50 и более герц, используют диодный выпрямитель. Это один диод или диодный мост. Номинал диода по напряжению должен быть достаточно высок. Таким образом вы избежите электрического пробоя и последующего выхода прибора из строя.

Градуировка шкалы гальванометра (не готового амперметра) условная – она зависит от следующих параметров:

• веса стрелки и катушки с эмальпроводом, увлекающей её за собой;
• силы магнита (или намагничивающей катушки-статора, если постоянный ферритовый магнит не ставился);
• жёсткости возвращающей пружины;
• чёткости работы балансира стрелки.

Например, чтобы проградуировать прибор при 15 вольтах (напряжение автомобильного генератора) на 15 же ампер, шунт должен иметь сопротивление 1 Ом. Если зарядный ток большой – на 75 А, то ставится мощный шунтирующий элемент на 0,2 Ом. Поправка на сопротивление обмотки гальванометра в этом случае окажется очень малой – само оно минимум в сотни раз выше, чем у шунтового соединения, и погрешность такого амперметра составит 0,2% и ниже. Точный расчёт можно провести и по вышеприведённой формуле, учтя сопротивление обмотки гальванометра. Если речь идёт о больших токах, не менее логично в разрыв цепи последовательно с амперметром включить плавкий или автоматический предохранитель – на случай «зашкаливания» прибора.

О том, как правильно подключить амперметр, смотрите в следующем видео.