I → h → f → m → α → n.

В результате угол поворота пропорционален силе тока:

α = k₁I (1)

Шкала линейная.

В электромагнитных амперметрах происходит перемещение ферромагнитного сердечника магнитным полем катушки, по которой протекает измеряемый ток. Поэтому угол поворота пропорционален квадрату тока.

α = k₂I² (2)

Шкала нелинейная. Можно измерить как постоянный, так и переменный токи.

В электродинамических амперметрах механический момент появляется в результате взаимодействия магнитных полей двух катушек с током, одна из которых подвижная. В результате угол поворота подвижной катушки пропорционален силе токов обеих катушек:

α = k₃I₁I₂ (3)

Если катушки включены последовательно, то I₁ = I₂ и верна формула (2). Расширение пределов измерения токов достигается введением шунтов. Амперметры включаются в измерительную цепь последовательно

(рис. 3).

Рис. 3

Схемы 3.1 и 3.2 эквивалентны, поскольку включен идеальный амперметр. В схеме 3.3 реальный амперметр представлен своей схемой замещения. Схемы 3.1 и 3.3 не эквивалентны. Для уменьшения R_i, а значит и приближения схем 3.1 и 3.3 друг к другу, используют электронные амперметры.

Внутреннее сопротивление амперметра конечно и должно быть учтено в низкоомных цепях или при высокоточных измерениях.

В электронных амперметрах происходит преобразование тока в ток (или напряжение) с помощью активного четырехполюсника. При этом существенно повышаются метрологические параметры ИП. Например, используя транзисторный каскад с общей базой или операционный усилитель на входе амперметра, можно в тысячи раз снизить его входное сопротивление.

Измерение напряжения. Напряжение - производная единица, она находится с помощью силы тока по закону Ома:

U = RI (4)

Поэтому вольтметр получается из амперметра с помощью добавочного сопротивления R. Схема замещения показана на рис. 4:

Рис. 4

Показания амперметра переводят в напряжение по формуле

U = (R1 + R₂) I (5)

Вольтметр подключается параллельно участку цепи, как показано на рис. 5.

Рис. 5

Подключение идеального вольтметра не изменяет цепь (R_i = ∞ ), поэтому схемы 5.1 и 5.2 эквивалентны, чего нельзя сказать о схеме 5.3, где реальный вольтметр представлен своей схемой замещения.

Входное сопротивление такого простейшего вольтметра определяется чувствительностью амперметра и оценивается коэффициентом

Ru_вх = R/U  10...100 кОм/В

Для увеличения входного сопротивления используют электронные вольтметры, в которых входное напряжение преобразовывается в ток или напряжение активным четырехполюсником - электронной лампой (катодный вольтметр), полевым транзистором (истоковый повторитель), операционным усилителем в схеме повторителя и т. д. Входное сопротивление электронных вольтметров составляет 2...1000 МОм.

Измерение переменного напряжения и силы тока

Строго говоря, постоянного тока не существует. Принято считать переменным ток, изменяющий свою величину и направление в течение эксперимента. Зависимости I(t) и U(t) могут быть любыми. В электронике особое значение имеют периодические сигналы. Наиболее распространены гармонические и импульсные переменные токи. Переменный ток не может быть охарактеризован только амплитудой. Физические процессы будут зависеть и от формы переменного тока. Если токи периодические (с периодом Т), то их принято характеризовать средним

, (6)

среднеквадратичным

, (7)

или действующим значениями. Действующее значение переменного тока I_d - это значение такого постоянного тока, который выделяет на сопротивлении одинаковую с ним активную мощность. Это относится и к напряжению. Ясно, что и I_ср и I_ск существенно зависят от вида функций I(t). Для гармонического тока I_ср = 2I_m/π, I_ск = I_d = I_m/, гдеI_m - амплитуда тока. Для переменного тока произвольной формы I_d = I_m/K_a , I_ср = I_d/K_f., где K_a – коэффициент амплитуды, K_f – коэффициент формы.

Электромагнитные приборы показывают среднеквадратичное значение. Для использования магнитоэлектрических приборов переменное напряжение необходимо выпрямить. Для этого амперметр включают последовательно с диодом (однополупериодная схема):

Магнитоэлектрический амперметр покажет среднее значение тока.

Тогда для гармонического тока I_a = I_d/(2K_f) = I_m/. Цепь VD2, R1 «замещает» цепь (VD1, A) во время отрицательного полупериода для того, чтобы схема оставалась эквивалентной.

Удобно включить амперметр в диагональ моста (двухполупериодная схема):

Здесь I_a = 2I_m/ (для гармонического тока).

В настоящее время повсеместно применяются электронные ИП, преобразующие параметры переменного тока (напряжения) в постоянные. Чаще всего это активный выпрямитель на базе операционных усилителей.

Применяются амперметры (вольтметры) максимальных значений. В них запоминается максимальное (амплитудное) значение сигнала за время измерения. Для этого используют устройства выборки и хранения (УВХ) и пиковые вольтметры, основанные на заряде конденсаторов.

При исследовании сигналов сложной формы используют электронно-лучевые приборы (осциллографы (см. разд. 2.3)), или специальные цифровые вольтметры со стробированием и численным интегрированием.

Класс точности измерительного прибора

Любое измерение ФВ не может быть проведено без ошибок (погрешностей). Погрешность измерения - это отклонение измеренного значения от истинного. Она характеризуется абсолютной ошибкой (отклонением):

X = x - X, (8)

где X - истинное значение ФВ, x - измеренное значение,

и относительной ошибкой:

X_r = X/x (9)

Различают случайные и систематические ошибки (погрешности).

ошибки