8. Вольтметры и амперметры для измерения постоянных напряжений и токов.

Для измерения токов и напряжений (разности элек­трических потенциалов) используются амперметры и вольтметры.

 Это электромеха­нические или электронные приборы со стрелочным или цифровым способом отсчета. Шкалы приборов со стрелкой градуируют в значениях измеряемой величины (в вольтах или амперах).

 Амперметр включается в цепь последовательно с сопротивлением нагрузки R_Н, т.е. говорят, что амперметр включается в разрыв цепи.

 Рисунок 1 – Включение амперметра в цепь

 

 Сопротивление амперметра R_A должно быть очень малым по сравнению с полным сопротивлением измеряемой цепи. Включение амперметра не должно искажать режим работы электрической цепи.

  Вольтметр включается параллельно с сопротивлением нагрузки R_Н.

 

Рисунок 2 – Включение вольтметра в цепь

 

 Сопротивление вольтметра R_V должно быть большим, чтобы не искажался режим работы электрической цепи.

  В качестве вольтметров и амперметров чаще всего применяются приборы магнитоэлектрической системы, работа которых основана на взаимодействии поля постоянного магнита и поля, создаваемого током в подвижной рамке, вращающейся в магнитном поле.

 Достоинства приборов магнитоэлектрической системы:

 

1. большая точность (до 0,1%);

2. высокая чувствительность;

3. малое влияние внешних магнитных полей;

4. незначительное влияние температуры;

5. малая потребляемая мощность;

6. равномерная шкала.

Недостатки приборов магнитоэлектрической системы:

 

1. чувствительность к перегрузкам;

2. пригодны только для постоянного тока.

 

 Рассмотрим общую структурную схему простейшего аналогового вольтметра (амперметра) для измерения постоянного напряжения (тока).

 

Рисунок 3 – Структурная схема простейшего аналогового вольтметра (амперметра) для измерения постоянного напряжения (тока)

 

 Схема состоит из следующих блоков:

 

• электромеханический преобразователь (ЭЛМП);

• измерительный механизм (ИМ);

• стрелочный прибор (СП).

 

Электромеханический преобразователь предназначен для преобразования энергии электромагнитного поля в механическую энергию.

 Измерительный механизм состоит из подвижной и неподвижной частей.

 Под действием тока, протекающего через обмотку измерительного механизма за счет взаимодействия магнитных полей постоянного магнита и тока в рамке создается вращающий момент, который действует на подвижную часть ИМ.  Под действием механических сил, пропорциональных значению измеряемой электрической величины, подвижная часть ИМ отклоняется на некоторый угол.

Стрелочный прибор (указатель) показывает значение измеряемой величины.

     

9. Расширение пределов измерения вольтметров и амперметров.

Для получения высокой точности и чувствительности магнитоэлектрических приборов их подвижные обмотки выполняют по возможности легкими из очень тонкой изолированной проволоки.

  Такие обмотки допускают очень незначительные по величине токи, не превышающие 30 мА, при этом сопротивление самих обмоток получается равным примерно 5 Ом.

  Таким образом, магнитоэлектрическим прибором можно измерять ток не более 30 мА, а напряжение – не выше 150 мВ, так как

  U = I × R = 30 × 5 = 150 мВ

  Для расширения пределов измерения амперметра применяют шунты, шунты имеют очень малое сопротивление (десятые, сотые доли ома) и включаются параллельно обмотке амперметра. Величина шунта R_Ш определяется по формуле:

где R_Ш – сопротивление шунта;

R_A – сопротивление амперметра;

 n – коэффициент расширения пределов измерения тока амперметром.

где I – измеряемый ток;

  I_A – максимально допустимый ток амперметра

Для расширения пределов измерения вольтметров применяют добавочные сопротивления, которые имеют большое сопротивление (десятки кОм), и которые включают последовательно с обмоткой вольтметра. Величина добавочного сопротивления R_Д определяется по формуле:

 где R_Д – добавочное сопротивление;

  R_V – сопротивление вольтметра;

  n – коэффициент расширения пределов измерения напряжения вольтметром.

 

где U – измеряемое напряжение;

 U_V – максимально допустимое напряжение вольтметра.