Конструкция амперметра

Амперметры для измерения электрического тока

Измеритель, предназначенный для измерения электрического тока, обычно называют «амперметром», потому что единицей измерения является «ампер».

В конструкции амперметра внешние резисторы, добавленные для увеличения полезного диапазона движения, подключаются параллельно . с движением, а не последовательно, как в случае вольтметров. Это связано с тем, что мы хотим разделить измеренный ток, а не измеренное напряжение, идущее на движение, и потому, что цепи делителей тока всегда образованы параллельными сопротивлениями.

Разработка амперметра

Взяв то же движение измерителя, что и в примере с вольтметром, мы можем увидеть, что он сам по себе будет очень ограниченным прибором, полное отклонение которого происходит всего при 1 мА:

Как и в случае с расширением возможности измерения напряжения измерительным механизмом, нам пришлось бы соответственно изменить маркировку шкалы механизма, чтобы она показывала по-другому для расширенного диапазона тока. Например, если бы мы хотели спроектировать амперметр с диапазоном полной шкалы в 5 ампер с использованием того же движения измерителя, что и раньше (с внутренним диапазоном полной шкалы всего 1 мА), нам пришлось бы перемаркировать калибр механизма. шкала так, чтобы показывать 0 A в крайнем левом и 5 A в крайнем правом углу, а не от 0 мА до 1 мА, как раньше.

Какой бы расширенный диапазон ни обеспечивали резисторы, включенные параллельно, мы должны были бы отобразить его графически на лицевой стороне счетчика.

Используя 5 ампер в качестве расширенного диапазона для движения нашего образца, давайте определим величину параллельного сопротивления, необходимого для «шунтирования» или обхода большей части тока, чтобы только 1 мА прошел через движение с общим током 5 А:

Исходя из заданных значений тока движения, сопротивления движению и полного (измеренного) тока цепи, мы можем определить напряжение на движении измерителя (закон Ома, примененный к центральному столбцу, E =IR):

Зная, что цепь, образованная движением и шунтом, имеет параллельную конфигурацию, мы знаем, что напряжение на движущемся, шунтирующем и испытательном проводах (общее) должно быть одинаковым:

Мы также знаем, что ток через шунт должен быть разницей между общим током (5 ампер) и током через механизм (1 мА), потому что токи ответвления складываются в параллельной конфигурации:

Затем, используя закон Ома (R =E / I) в правом столбце, мы можем определить необходимое сопротивление шунта:

Конечно, мы могли бы рассчитать такое же значение чуть более 100 мОм (100 мОм) для шунта, рассчитав полное сопротивление (R =E / I; 0,5 В / 5 А =точно 100 мОм), а затем работая параллельно обратная формула сопротивления, но с арифметикой было бы сложнее:

Амперметр в реальных конструкциях

В реальной жизни шунтирующий резистор амперметра обычно заключен в защитный металлический корпус измерительного блока, скрытый от глаз. Обратите внимание на конструкцию амперметра на следующей фотографии:

Этот конкретный амперметр - автомобильный прибор, произведенный Stewart-Warner. Хотя сам механизм измерителя D’Arsonval, вероятно, имеет диапазон полной шкалы в миллиамперах, измеритель в целом имеет диапазон +/- 60 ампер. Шунтирующий резистор, обеспечивающий этот диапазон высоких токов, заключен в металлический корпус измерителя.

Также обратите внимание на этот конкретный измеритель, что стрелка центрируется на нуле ампер и может указывать либо «положительный» ток, либо «отрицательный» ток. Подключенный к цепи зарядки аккумулятора автомобиля, этот измеритель может указывать состояние зарядки (ток, протекающий от генератора к аккумулятору) или состояние разряда (ток, протекающий от аккумулятора к остальным нагрузкам автомобиля).

Увеличение полезного диапазона амперметра

Как и в случае с многодиапазонными вольтметрами, амперметрам может быть предоставлено более одного рабочего диапазона за счет включения нескольких шунтирующих резисторов, переключаемых с помощью многополюсного переключателя:

Обратите внимание, что резисторы диапазона подключаются через переключатель так, чтобы быть параллельно движению измерителя, а не последовательно, как это было в конструкции вольтметра. Разумеется, пятипозиционный переключатель одновременно контактирует только с одним резистором. Размер каждого резистора соответствует разному диапазону полной шкалы в зависимости от номинальной скорости движения измерителя (1 мА, 500 Ом).

В такой конструкции измерителя каждое значение резистора определяется одним и тем же методом с использованием известного полного тока, номинального отклонения движения и сопротивления движению. Для амперметра с диапазонами 100 мА, 1 А, 10 А и 100 А сопротивление шунта будет таким:

Обратите внимание, что значения этих шунтирующих резисторов очень низкие! 5,00005 мОм равно 5,00005 мОм, или 0,00500005 Ом! Чтобы добиться такого низкого сопротивления, шунтирующие резисторы амперметра часто должны быть изготовлены на заказ из проволоки относительно большого диаметра или твердых кусков металла.

При выборе размеров шунтирующих резисторов амперметра следует учитывать фактор рассеиваемой мощности. В отличие от вольтметра, резисторы диапазона амперметра должны пропускать большой ток. Если эти шунтирующие резисторы не имеют соответствующего размера, они могут перегреться и получить повреждения или, по крайней мере, потерять точность из-за перегрева. В приведенном выше примере расходомера рассеиваемая мощность при полномасштабном показании равна (двойные волнистые линии в математике представляют «приблизительно равные»):

Резистор на 1/8 Вт подойдет для R ₄ . , резистора на 1/2 Вт будет достаточно для R ₃ и 5 Вт для R ₂ (хотя резисторы, как правило, лучше сохраняют свою долговременную точность, если они не работают вблизи их номинальной рассеиваемой мощности, поэтому вы можете захотеть завысить номинал резисторов R ₂ и R ₃ ), но прецизионные резисторы на 50 Вт действительно редкие и дорогие компоненты. Для R ₁ может потребоваться изготовить нестандартный резистор из металлической заготовки или толстой проволоки. чтобы соответствовать требованиям низкого сопротивления и высокой номинальной мощности.

Иногда шунтирующие резисторы используются вместе с вольтметрами с высоким входным сопротивлением для измерения тока. В этих случаях ток, протекающий через движение вольтметра, достаточно мал, чтобы его можно было считать незначительным, а сопротивление шунта может быть рассчитано в зависимости от того, сколько вольт или милливольт будет выпадать на один ампер тока:

Если, например, шунтирующий резистор в приведенной выше схеме имел номинал ровно 1 Ом, на каждый ампер тока, проходящего через него, на нем падал бы 1 вольт. Тогда показания вольтметра можно рассматривать как прямую индикацию тока через шунт.

Для измерения очень малых токов можно использовать более высокие значения сопротивления шунта для создания большего падения напряжения на данную единицу тока, тем самым расширяя полезный диапазон (вольтметра) до более низких значений тока. Использование вольтметров в сочетании с маломощными шунтирующими сопротивлениями для измерения тока часто встречается в промышленных приложениях.

Использование шунтирующего резистора и вольтметра вместо амперметра

Использование шунтирующего резистора вместе с вольтметром для измерения тока может быть полезным приемом для упрощения задачи частого измерения тока в цепи. Обычно, чтобы измерить ток через цепь с помощью амперметра, цепь должна быть разорвана (прервана) и амперметр вставлен между разделенными концами проводов, например:

Если у нас есть цепь, в которой необходимо часто измерять ток, или мы просто хотели бы сделать процесс измерения тока более удобным, между этими точками можно разместить шунтирующий резистор и оставить там постоянно, а показания тока снимать с помощью вольтметра по мере необходимости. без нарушения целостности цепи:

Конечно, необходимо соблюдать осторожность при выборе достаточно низкого размера шунтирующего резистора, чтобы он не оказывал отрицательного воздействия на нормальную работу схемы, но, как правило, это несложно. Этот метод также может быть полезен при компьютерном анализе цепей, где мы могли бы захотеть, чтобы компьютер отображал ток через цепь с точки зрения напряжения (с SPICE это позволило бы нам избежать идиосинкразии чтения отрицательных значений тока):

 пример схемы шунтирующего резистора v1 1 0 rshunt 1 2 1 rload 2 0 15k .dc v1 12 12 1 .print dc v (1,2) .end 

 v1 v (1,2) 1.200E + 01 7.999E-04 

Мы бы интерпретировали показание напряжения на шунтирующем резисторе (между узлами схемы 1 и 2 в моделировании SPICE) непосредственно как ампер, при этом 7.999E-04 составляет 0,7999 мА или 799,9 мкА. В идеале, напряжение 12 В, приложенное непосредственно к 15 кОм, даст нам ровно 0,8 мА, но сопротивление шунта немного снижает этот ток (как это было бы в реальной жизни).

Однако такая крошечная ошибка, как правило, находится в приемлемых пределах точности либо для моделирования, либо для реальной схемы, и поэтому шунтирующие резисторы можно использовать во всех приложениях, кроме самых требовательных для точного измерения тока.

ОБЗОР:

• Диапазоны амперметра создаются путем добавления параллельных «шунтирующих» резисторов в цепь движения, что обеспечивает точное деление тока.
• Шунтирующие резисторы могут иметь большую рассеиваемую мощность, поэтому будьте осторожны при выборе деталей для таких измерителей!
• Шунтирующие резисторы можно использовать в сочетании с вольтметрами с высоким сопротивлением, а также с механизмами амперметра с низким сопротивлением, обеспечивая точное падение напряжения при заданной величине тока. Шунтирующие резисторы следует выбирать с максимально низким значением сопротивления, чтобы минимизировать их влияние на тестируемую цепь.

СВЯЗАННЫЕ РАБОЧИЕ ТАБЛИЦЫ:

• Рабочая таблица по проектированию амперметра