Описание работы вольтметра и амперметра – принцип действия, измерение напряжения, выбор прибора и изготовление своими руками — groupnk.ru — Группа НК — комплексные поставки электрооборудования в Москве и регионах

Содержание

Устройство амперметра и вольтметра

Изначально вольтметры и амперметры были только механическими, и лишь спустя многие годы, с развитием микроэлектроники, начали выпускаться цифровые вольтметры и амперметры. Тем не менее, даже сейчас механические измерительные приборы пользуются популярностью. Они, по сравнению с цифровыми, устойчивы к помехам и дают более наглядное представление о динамике измеряемой величины. Их внутренние механизмы остаются практически теми же, что и канонические магнитоэлектрические механизмы первых вольтметров и амперметров.

В данной статье мы рассмотрим устройство типичного стрелочного прибора, чтобы каждый новичок мог бы понимать основные принципы работы вольтметров и амперметров.

В своей работе стрелочный измерительный прибор использует магнитоэлектрический принцип. Постоянный магнит с выраженными полюсными наконечниками закреплен неподвижно. Между этими полюсами расположен неподвижный стальной сердечник так, что в воздушном кольцеобразном зазоре между сердечником и полюсными наконечниками магнита формируется постоянное магнитное поле.

В зазор вставлена подвижная алюминиевая рамка, на которую очень тонким проводом намотана катушка. Рамка закреплена на полуосях, и может поворачиваться вместе с катушкой. К рамке спиральными пружинами прикреплена стрелка прибора. Через пружины к катушке подводится ток.

Устройство магнитоэлектрических измерительных приборов

Когда по проводу катушки проходит ток I, то, поскольку катушка помещена в магнитное поле, и ток в ее проводниках течет пересекая перпендикулярно магнитные силовые линии в зазоре, на нее будет действовать вращающая сила со стороны магнитного поля. Электромагнитная сила создаст вращающий момент М, и катушка вместе с рамкой и стрелкой станет поворачиваться на некоторый угол α.

Поскольку индукция магнитного поля в зазоре неизменна (магнит постоянный), то вращающий момент будет всегда пропорционален именно току в катушке, и величина его будет зависеть от тока и от неизменных конструктивных параметров данного конкретного прибора (с1). Этот момент будет равен:

Препятствующий повороту рамки момент противодействия, возникающий из-за наличия пружин, окажется пропорционален углу закручивания пружин, то есть углу поворота стрелки, связанной с подвижной частью:

Таким образом, поворот будет продолжаться до тех пор, пока момент М, создаваемый током в рамке не окажется равным моменту противодействия Мпр от пружин, то есть пока не наступит равновесие. В этот момент стрелка остановится:

Очевидно, угол закручивания пружин будет пропорционален току рамки (и измеряемому току), по этой причине приборы магнитоэлектрической системы обладают равномерной шкалой. Коэффициент пропорциональности k между углом поворота стрелки и единицей измеряемого тока называется чувствительностью прибора.

Обратная величина именуется ценой деления или постоянной прибора. Значение измеренной величины определяется как произведение цены деления на количество делений отсчета на шкале.

Чтобы избежать мешающих колебаний подвижной рамки при переходах стрелки от одного ее положения к другому, в данных приборах применяют магнитно-индукционные или воздушные демпферы.

Магнитно-индукционный демпфер представляет собой пластину из алюминия, которая закреплена на поворотной оси прибора, и всегда движется вместе со стрелкой в поле постоянного магнита. Возникающие вихревые токи тормозят катушку. Суть в том, что по правилу Ленца, вихревые токи а пластине, взаимодействуя с порождающим их магнитным полем постоянного магнита, препятствуют движению пластины, и колебания стрелки быстро затухают. Роль такого магнитно-индукционного демпфера и выполняет алюминиевый каркас, на который намотана катушка.

При повороте рамки, магнитный поток от постоянного магнита, пронизывающий алюминиевый каркас, изменяется, а значит в алюминиевом каркасе индуцируются вихревые токи, которые при взаимодействии с магнитным полем постоянного магнита оказывают тормозящее действие, и колебания стрелки прекращаются.

Воздушные демпферы магнитоэлектрических приборов представляют собой цилиндрические камеры с помещенными внутри поршнями, связанными с подвижными системами приборов. Когда подвижная часть приходит в движение, поршень в форме крыла тормозится в камере, и колебания стрелки затухают.

Для достижения нужной точности измерений, прибор не должен быть подвержен влиянию силы тяжести в процессе измерения, а отклонение стрелки должно быть связано лишь с вращающим моментом, возникающим при взаимодействии тока катушки с магнитным полем постоянного магнита и с торможением рамки пружинами.

Чтобы исключить вредное влияние силы тяжести и избежать связанных с ним погрешностей, к подвижной части прибора добавляют противовесы в виде грузиков, перемещающихся на стержнях.

Для снижения трения стальные наконечники выполняются из отполированной износостойкой стали или из вольфрамо-молибденового сплава, а подпятники изготавливают из твердого минерала (агат, корунд, рубин и т. д.). Зазор между наконечником и подпятником настраивают при помощи стопорного винта.

Для точной установки стрелки в нулевое исходное положение, прибор оснащается корректором. Корректором в стрелочном приборе служит винт, выведенный наружу, и соединенный поводком с пружиной. При помощи винта можно передвигать немного спираль на оси, регулируя таким образом исходное положение стрелки.

Большинство современных приборов имеют подвижную часть, подвешенную на паре растяжек в виде упругих металлических лент, служащих для подачи тока на катушку, и создающих противодействующий момент. Растяжки соединены с парой плоских пружин, расположенных взаимно перпендикулярно.

Справедливости ради отметим, что кроме классического механизма, рассмотренного выше, встречаются также и приборы с магнитами не только п-образной формы, но и с цилиндрическими магнитами, и с магнитами в форме призм, и даже с внутрирамочными магнитами, которые сами могут быть подвижными.

Для измерения тока или напряжения, магнитоэлектрический прибор включают в цепь постоянного тока по схеме амперметра или вольтметра, разница лишь в сопротивлении катушки и в схеме включения прибора в цепь. Разумеется через катушку прибора не должен проходить весь измеряемый ток при измерении тока, и не должна потребляться большая мощность при измерении напряжения. Для создания надлежащих условий служит добавочный резистор, встроенный в корпус измерительного прибора.

Сопротивление добавочного резистора в схеме вольтметра превосходит сопротивление катушки во много раз, и этот резистор изготовлен из металла с чрезвычайно малым температурным коэффициентом сопротивления, такого как манганин или константан. Резистор, включаемый параллельно катушке в амперметре, называется шунтом.

Сопротивление шунта напротив во много раз меньше сопротивления измерительной рабочей катушки, поэтому через провод катушки проходит только мизерная доля измеряемого тока, в то время как основной ток течет через шунт. Добавочный резистор и шунт позволяют расширить пределы измерения прибора.

Направление отклонения стрелки прибора зависит от направления тока через измерительную катушку, поэтому при включении прибора в цепь важно правильно соблюсти полярность, иначе стрелка будет двигаться в другую сторону. Соответственно, магнитоэлектрические приборы в каноническом виде непригодны для включения в цепь переменного тока, поскольку стрелка будет просто вибрировать оставаясь на одном месте.

Тем не менее, к достоинствам магнитоэлектрических приборов (амперметров, вольтметров) относятся высокая точность, равномерность шкалы и устойчивость к помехам, порождаемым внешними магнитными полями. К недостаткам — непригодность к измерению переменного тока (чтобы измерить переменный ток, нужно будет его сначала выпрямить), требование к соблюдению полярности и уязвимость тонкой проволоки измерительной катушки к перегрузкам.

Отличие вольтамперметра цифрового от вольтметра и амперметра: цифровая модель

Измерение любой величины выполняется её сравнением в ходе практического эксперимента с эталонной единицей. При использовании измерительных приборов непосредственного отсчета, таких как вольтамперметр, необходимость использовать эталон отпала. Шкала прибора при изготовлении уже отградуирована в нужных единицах. Пользователь получает результат, наблюдая за стрелкой, движущейся по шкале, или цифрами на электронном дисплее.

Вольтамперметр стрелочный

Определение и виды

При работе с электронными устройствами при определении силы тока и напряжения до сих пор применяют приборы магнитоэлектрической системы. Чем отличается амперметр от вольтметра, нужно чётко представлять.

Для измерения напряжения в электрической цепи или ЭДС применяется измеритель под названием вольтметр. Измерение силы тока осуществляют тестером, который называется амперметр. Для точности измерений учитывают собственные сопротивления этих двух устройств.

Важно! Сопротивление амперметра должно быть максимально ниже, а вольтметра как можно выше. Первый подключают последовательно с измеряемым участком, второй – параллельно источнику питания или нагрузке.
Для удобства пользователей оба приспособления объединили в один комбинированный вид. Он имеет две шкалы и переключатель режимов измерения.
Вольтамперметры подразделяются:
по назначению;
по принципу действия;
по конструкции.
По назначению
В зависимости от вида измеряемого тока, устройства подразделяются на измерители:
переменного тока;
постоянного тока;
импульсные;
универсальные.
Для более точных показаний лучше всего пользоваться измерителями с узким профилем работы. У них класс точности измерений выше, чем у универсальных.
Обратите внимание! Узнать, по каким критериям работает данный тестер, можно по условным знакам, нанесённым на его шкалу. Там могут быть указаны пределы его измерений, внутреннее сопротивление, класс точности и многое другое.

Шкала с нанесёнными условными обозначениями
По принципу действия
Если рассматривать принцип действия этих устройств, то подразделяют их уже не только, исходя от вида применяемой системы.
На сегодняшний день популярны два типа измерительных инструментов:
Электромеханические приборы. В их основе используются электромагнитные, электродинамические и магнитоэлектрические системы отклонения стрелки по шкале. Измеряемую величину определяют по показаниям стрелки, умноженным на цифру, соответствующую выбранному интервалу.
Электронные устройства. В них нет стрелки и шкалы, показания выводятся на дисплей в цифровом формате. Тут ничего умножать не нужно, на дисплее высвечиваются числа с точностью до сотых.
Конструкция таких приборов может быть аналоговой или цифровой. Это относится к схеме исполнения прибора, а не к индикатору.
Оба типа прекрасно справляются со своими задачами, выбор той или иной конструкции – дело вкуса.
Обязательно. Любой тестер должен проходить испытания в специализированной лаборатории для проверки точности измерений. Использовать не поверенный или тот, у которого срок поверки истёк, нежелательно.
По конструкции
От того, где используется прибор, каковы его габариты и способ подключения, зависит его конструкция. Можно выделить три основных параметра исполнения:
переносной;
щитовой;
стационарный.
Переносными измерителями пользуются при работах вне помещений. Их применяют тогда, когда нужно подключить и измерить параметры в «полевых» условиях. Компактные устройства удобны при транспортировке и не занимают много места.
Щитовой вариант исполнения применим на пультах управления технологическими процессами. Его устанавливают на фронтальной плоскости оборудования, где нужно постоянно контролировать параметры выходного тока и напряжения. Применяют не только на статичных конструкциях, но и передвижных устройствах. Это могут быть щиты дизельных или бензиновых генераторов однофазного переменного тока, сварочные инверторы и им подобные аппараты.
Стационарная установка вольтамперметра обоснована там, где нужны систематические точные измерения. Она входит в состав громоздких приспособлений, установленных в цехах или лабораториях.
Габаритные и установочные размеры
При приобретении или монтаже устройства нужно знать габариты его корпуса. Длина, ширина и высота должны соответствовать размерам ниши, отведённой для установки индикатора. Эти параметры указаны в паспорте и инструкции по эксплуатации.
Отличие от вольтметра, амперметра
Разница между двумя этими тестерами не всегда конструктивная. Принцип их работы основан на измерении величин тока и напряжения определённого участка электрической цепи.

Амперметр и вольтметр щитового исполнения
Амперметры и вольтметры имеют разную схему подключения при подготовке их к работе. Первый присоединяется последовательно, в искусственный разрыв. Это значит, что ток будет проходить непосредственно от одного щупа прибора к другому через его внутреннюю начинку. Отличие в подключении второго прибора в том, что его присоединяют при работе параллельно испытуемой цепи или вместо нагрузки.
Внимание! Номинальный ток и напряжение этих приборов должны быть больше измеряемых величин. Если на панели имеются переключатели диапазонов измерений, то необходимо выбрать нужный диапазон. Иначе приспособления выйдут из строя.
Электронный вольтамперметр
Это комбинированный измеритель с электронной схемой, для удобства пользования при мониторинге и контроле электрических процессов. Широко распространён вольтамперметр цифровой, на дисплей которого выводятся показания в виде готовых цифр. Они могут применяться в автомобилях, блоках питания, зарядных устройствах.

Электронный вольтамперметр – мультиметр
Как подключить вольтамперметр к зарядному устройству
Присоединение такого электронного устройства к источнику питания зависит от того, входит ли в его состав блок питания. Если имеется, то прибор можно включить прямо в сеть, если нет, то через внешний источник питания.
Обычно с прибором в комплекте поставки идут:
провода измерительные;
шунты;
провода питания;
инструкция и схема подключения.
Когда схемы не имеется, то можно придерживаться модели включения, как на картинке ниже.

Схема подключения прибора
Собранное своими руками зарядное устройство нуждается в обязательном подключении вольтамперметра цифрового. Это необходимо для того, чтобы контролировать процесс зарядки аккумулятора. Можно производить регулировку зарядного тока и контроль напряжения по окончании зарядки.
Существует несколько схем, они приведены на картинке ниже.

Схемы подключения к зарядному устройству на примере ТК1382
Применение вольтамперметра в современном исполнении позволяет получать точные показания. Его подключение и эксплуатация не требуют специальных знаний и углублённых навыков. Провода промаркированы цветом и обозначены на схемах, перепутать их сложно.
Видео
Вольтметры и амперметры
Физика > Вольтметры и амперметры

Изучите показания, схемы и сопротивление вольтметра и амперметра в цепи – устройства измерения напряжения и тока: рисунки, цифровой вольтметр и амперметр.
Вольтметры и амперметры в цепи используют для вычисления напряжения и тока.
Задача обучения
Сравнить подключение цепей амперметра и вольтметра.
Основные пункты
Вольтметр – устройство, с чьей помощью удается вычислить разность электрических потенциалов между двумя точками в электрической цепи.
Амперметр – устройство для вычисления тока в цепи.
Вольтметр связывается с устройством параллельно, а амперметр – последовательно.
В основе большинства аналоговых счетчиков лежит гальванометр – измеряет ток при помощи движения или отклонения иглы. На прогиб влияет магнитная сила, воздействующая на токопроводящую проволоку.
Термины
Шунтирующее сопротивление – небольшое сопротивление (R), расположенное параллельно гальванометру (G) для изготовления амперметра.
Гальванометр – аналоговый измерительный прибор (G), который для вычисления тока использует отклонение иглы.
Вольтметры и амперметры вычисляют напряжение и ток в цепи.
Вольтметры
Вольтметр – устройство для вычисления разницы в электрическом потенциале между двумя точками в электрической цепи. Аналоговый вольтметр смещает указатель по шкале пропорционально напряжению в цепи, в цифровом присутствует цифровой дисплей. Любое измерение вольтметра, которое можно трансформировать в напряжение, будет отображаться на счетчике. Здесь зафиксируется давление, температура и поток.
Демонстрационный прибор, используемый на уроках по физике
Чтобы вольтметр смог вычислить напряжение, он должен подключаться параллельно. Это важно, так как параллельные объекты ощущают единое различие потенциалов. Ниже представлена схема вольтметра и показания.
(а) – Чтобы вычислить отличие потенциалов в этом потоке, вольтметр (V) расположен параллельно по отношению к источнику напряжения или любому из резисторов. Отметьте, что напряжение клеммы вычисляется между точками а и b. Нельзя подключить вольтметр через ЭДС без добавления внутреннего сопротивления. (b) – Применение цифрового вольтметра
Амперметры
Амперметр измеряет электрический ток, а его наименование происходит из единицы измерения – Ампер. Чтобы прибор смог определить ток, его нужно присоединить последовательно. Это важно, так как объекты в последовательной цепи ощущают единый ток. Они не должны подключаться к источнику напряжения – амперметры функционируют при минимальной нагрузке. Можете рассмотреть схему амперметра.
Амперметр установлен в последовательной связи для определения тока. Весь ток в цепи проходит сквозь счетчик. Если амперметр находится между точками d и e или f и a, то приобретет такое же значение
Гальванометры (аналоговые счетчики)
Аналоговые счетчики располагают иглами, которые поворачиваются, чтобы отмечать на шкале цифры. Это и отличает их от цифровых приборов, выводящих цифровые символы прямо на экран. В центре большинства аналоговых приборов находится гальванометр (G). Ток проходит сквозь него и приводит к пропорциональному перемещению (отклонение иглы).
Гальванометр характеризуется сопротивлением и текущей чувствительностью. Последнее – ток, осуществляющий значительное отклонение иглы гальванометра (максимальный ток). К примеру, гальванометр, чья токовая чувствительность составляет 50 мкА достигает максимального прогиба в 50 мкА.
Если подобный прибор обладает сопротивлением в 20 Ом, то только напряжение V = IR = (50 мкА) (25 Ом) = 1.25 мВ создает полномасштабное считывание. Объединив с ним резисторы, можно рассматривать его в качестве вольтметра или амперметра.
Гальванометры в качестве вольтметров
Катушка гальванометра способена функционировать как вольтметр, когда расположена в последовательной связи с серьезным сопротивлением (R). Это значение вычисляется максимальным напряжением. Допустим, вам нужно, чтобы 10В создавало полномасштабное отклонение вольтметра, вмещающего гальванометр с 25 Ом и чувствительностью 50 мкА. Полное сопротивление:
R_полное = R + r = V/I = 10В/50мкA = 200кОм,
или
R = R_полное— R = 200кОм – 25 ОМ ≈ 200кОм (R настолько велико, что сопротивление гальванометра почти незначительное).
Заметьте, что приложенные 5В создают отклонение в половину шкалы, отправляя ток всего в 25 мкА сквозь счетчик, так как показание вольтметра располагается пропорционально. В случае с другими диапазонами, напряжение устанавливают последовательно с гальванометром.
Гальванометр в качестве амперметра
Гальванометр можно использовать как амперметр, если прибор установлен в параллельной связи с небольшим сопротивлением, именующимся шунтирующим. Дело в том, что сопротивления шунта маленькое, из-за чего амперметр может вычислять ток намного четче.
Допустим, нам нужен амперметр, фиксирующий полномасштабное отклонение для 1 А и содержит тот же гальванометр на 25 Ом с чувствительностью 50 мкА. Так как R и r параллельны, напряжение на них одинаково.
IR = I_Gr
Так что: IR = I_G/I = R/r.
Решая для R и отмечая, что I_G составляет 50 мкА, а I – 0.999950 А, получим:
Чем отличается амперметр от вольтметра
Электрический ток обладает разными характеристиками, для измерения которых используются соответствующие приборы. Поговорим подробней об этих устройствах, а точнее, выясним, чем отличается амперметр от вольтметра.
Определение
Амперметром называют прибор, позволяющий зафиксировать параметры силы тока.
Амперметр
Вольтметр – устройство для получения показателей напряжения тока.
Вольтметр
Вольтметрк содержанию ↑
Сравнение
Итак, каждый вид оборудования предназначен для проведения конкретных измерительных действий. Причем по названиям устройств понятно, какие именно характеристики тока они фиксируют: в амперах выражается его сила, в вольтах – напряжение. Надо сказать, оба прибора (если рассматривать их стрелочные варианты) используют в работе один и тот же принцип. Показания на табло появляются при взаимодействии электрического поля и созданного магнитного поля.
Но есть и детали, составляющие отличие амперметра от вольтметра.Они связаны с тем внутренним сопротивлением, которое имеется в каждом случае. У амперметра оно является предельно низким. Для обеспечения этого условия предусмотрен резистор, относительно такого прибора называемый «шунтом». Указанный элемент устроен так, что забирает на себя нагрузку от электричества, обеспечивая наиболее точное измерение амперметром силы тока.
У вольтметра, наоборот, внутреннее сопротивление, за которое отвечает резистор, максимально повышено, что необходимо для замеров напряжения без существенного искажения действительных значений.
Еще один ответ на вопрос, в чем разница между амперметром и вольтметром, можно получить, рассмотрев способ подключения того и другого устройства к электрической цепи. Так, амперметр работает при последовательном подсоединении. Причем не следует допускать прямого контакта подобного оборудования с источником питания или выводами тока. Результатом этого становится короткое замыкание или поломка измерительного приспособления.
В случае с вольтметром описанный контакт допустим. Прибору этого типа в электротехнике соответствует параллельный способ подключения к участку цепи, выбранному для осуществления измерительных операций.
к содержанию ↑
Таблица
Амперметр Вольтметр
Фиксирует силу тока Измеряет напряжение
Минимальное внутреннее сопротивление Высокое внутреннее сопротивление
Подключается последовательным способом Подсоединяется параллельно цепи
Недопустим контакт с источником питания Может подключаться непосредственно к источнику тока