Принцип действия магнитоэлектрического амперметра

а – схема прибора; б – схема подключения шунта

Электромагнитные амперметры предназначены для измерения силы тока в цепях постоянного и переменного тока. Чаще всего используются для измерения силы тока в цепях переменного тока промышленной частоты (50 Гц). Состоят из электромагнитного измерительного механизма, шкала которого проградуирована в единицах силы тока, протекающего по катушке прибора. Для изготовления катушки можно использовать провод большого сечения и, следовательно, измерять ток большой величины (свыше 200 А).

Термоэлектрические амперметры применяются в основном для измерения в цепях переменного тока высокой частоты (до 10(8) Гц). Они состоят из магнитоэлектрического прибора с контактным или бесконтактным термопреобразователем. Последний представляет собой проводник (нагреватель), к которому приварена термопара (она может находиться на некотором расстоянии от нагревателя и не иметь с ним непосредственного контакта). Измеряемый ток, проходя по нагревателю, вызывает его нагрев (за счет активных потерь), который регистрируется термопарой. Возникающая термоэдс воздействует на рамку магнитоэлектрического измерителя тока, и последняя отклоняется на угол, пропорциональный силе тока в цепи.

Электродинамические амперметры служат для измерения силы тока в цепях постоянного и переменного токов промышленной и повышенной (до 200 Гц) частот. Приборы чувствительны к перегрузкам и внешним магнитным полям. Применяются в качестве образцовых приборов для поверки рабочих измерителей силы тока. Состоят из электродинамического измерительного механизма, катушки которого в зависимости от величины максимально измеряемого тока соединены последовательно или параллельно, и шкалы, на которой нанесены значения силы тока. При измерении токов малой силы (миллиамперметры) катушки соединяются последовательно, а большой – параллельно.

Ферродинамические амперметры обладают большим вращающим моментом, прочны и надежны по конструкции, малочувствительны к воздействию внешних магнитных полей. Они состоят из ферродинамического измерительного механизма и применяются главным образом в системах автоматического контроля в качестве самопишущих амперметров.

Выпрямительные амперметры служат для измерения силы тока в цепях переменного тока (частота до 10(5) Гц). Они содержат магнитоэлектрический измеритель силы тока, присоединенный к выпрямительной схеме.

Одна параллельная ветвь с последовательно включенным магнитоэлектрическим измерителем и вентилем пропускает ток в одном направлении, т.е. через измеритель в течение каждого периода проходит одна полуволна переменного тока. Вторая параллельная ветвь с добавочным сопротивлением, включенным последовательно с вентилем, пропускает ток в обратном направлении. Средний (за период) вращающий момент и угол поворота подвижной рамки измерителя зависят от среднего значения силы тока и при синусоидальной его форме пропорциональны действующему значению этого тока.

Выпрямительные амперметры

Выпрямительные амперметры представляют собой сочетание магнитоэлектрического измерительного механизма с полупроводниковым выпрямителем

Схема выпрямительного амперметра и кривая тока в измерительном механизме

В течение одного полупериода ток идет по пути а-б-г-в, в течение второго полупериода по пути в-б-г-а. следовательно, через измерительный механизм в течение каждого полупериода переменного тока проходит полуволна тока одного и того же направления. Средний вращающий момент и угол поворота подвижной части зависят от среднего тока. А этот последний при синусоидальном токе пропорционален действующему значению тока, значения которого и наносятся на шкале амперметра.

Расширение предела измеряемого тока достигается применением шунтов.

Электроизмерительные приборы, используемые для измерения силы электрического тока, называются амперметрами, миллиамперметрами и микроамперметрами. Они включаются непосредственно в ту электрическую цепь, ток в которой нужно измерить, для чего замкнутая электрическая цепь разрывается и в место разрыва включается измерительный прибор. Электрическая цепь оказывается замкнутой через измерительный прибор (рис. а).

При этом к общему сопротивлению электрической цепи добавляется сопротивление измерительного прибора и ток, измеренный прибором, будет меньше истинного тока. Ошибка измерения тем меньше, чем меньше сопротивление измерительного прибора. Поэтому микроамперметры, миллиамперметры и амперметры конструируют таким образом, чтобы они имели возможно меньшие внутренние сопротивления.

Микроамперметром с током полного отклонения стрелки 100 мкА без какой-либо дополнительной доработки можно измерять электрический ток, не превышающий 100 мкА. При включении такого прибора в цепь с током, например 1 мА, произойдет «зашкаливание» стрелки вправо, в результате сильного броска она может согнуться, и если быстро не отключить прибор, в нем перегорит обмотка.

Но это еще не значит, что таким прибором нельзя измерить ток более 100 мкА. Для измерения токов, больших, чем ток полного отклонения стрелки прибора, надо к микроамперметру параллельно обмотке рамки подключить резистор называемый шунтом, сопротивление которого меньше сопротивления Ri обмотки (рис.б). Тогда большая часть полного тока I цепи будет протекать через этот резистор, а меньшая — через измерительный прибор. Так, если требуется с помощью микроамперметра М24 с пределом измерения 100 мкА и внутренним сопротивлением Ri = 670 Ом измерить ток до 1 мА, необходимо, чтобы при токе в цепи 1 мА через измерительный прибор протекал ток 100 мкА = 0, 1 мА, а через шунт — 0, 9 мА, т. е. в 9 раз больший. В связи с этим сопротивление шунта Rш должно быть в 9 раз меньше внутреннего сопротивления прибора Ri (Ом), т. е. Rш = Ri/9 = 670:9≈ 74, 5.

В общем случае, чтобы рассчитать сопротивление шунта, необходимого для увеличения предела измерения тока в n раз, можно использовать формулу:

Rш = Ri/ (n- 1).

В соответствии с этой формулой для измерения нашим микроамперметром тока силой до 10 мА (n = 10:0, 1 = 100) сопротивление шунта должно составлять 6, 7 Ом, так как 670:(100— 1)≈6, 7.

Из приведенных примеров видно, что чем больший ток необходимо измерить, тем меньше должно быть сопротивление шунта. Подобрать такие шунты из готовых резисторов очень трудно, поэтому их обычно изготавливают из высокоомной проволоки — константановой, никелиновой или манганиновой, наматывая ее на изоляционные каркасы. В качестве каркасов для шунтов можно использовать обычные нерегулируемые резисторы.

На электрических схемах микроамперметры, миллиамперметры и амперметры обозначают окружностью с единицей измерения силы тока (μА, mА или А) внутри. Рядом с окружностью пишется код этих приборов — латинские буквы РА, после которых ставится число, обозначающее порядковый номер прибора, например, РА1, РА2 и т. д.