Амперметры аналоговые

Амперметры аналоговые: принцип действия, конструкция, классификация и применение

Аналоговый амперметр — это электроизмерительный прибор магнитоэлектрической, электромагнитной, электродинамической или иной системы, предназначенный для измерения силы постоянного или переменного тока в электрической цепи. Результат измерения отображается посредством отклонения стрелки (указателя) относительно проградуированной шкалы. Несмотря на активное развитие цифровых технологий, аналоговые амперметры сохраняют свою актуальность в силу высокой надежности, наглядности отображения динамики изменения тока, отсутствия необходимости в источнике питания (для большинства систем) и устойчивости к электромагнитным помехам.

Принцип действия и основные измерительные системы

Работа аналогового амперметра основана на преобразовании электрической энергии в механическую, вызывающую угловое отклонение подвижной части прибора. Характер этого преобразования определяется измерительной системой.

1. Магнитоэлектрическая система (МЭ)

Принцип действия основан на взаимодействии магнитного поля постоянного магнита и проводника с током. Подвижная часть — рамка из тонкого провода, помещенная в поле постоянного магнита. При протекании тока через рамку возникает вращающий момент, пропорциональный силе тока. Противодействующий момент создается спиральными пружинами, которые также служат для подвода тока. Характерные особенности:

Высокая чувствительность и точность.
Равномерная (линейная) шкала.
Низкое собственное потребление энергии.
Пригодность только для измерения постоянного тока (без выпрямителей).
Чувствительность к перегрузкам.

2. Электромагнитная система (ЭМ)

Принцип действия основан на втягивании ферромагнитного сердечника, связанного со стрелкой, в катушку с током. Вращающий момент возникает за счет энергии магнитного поля катушки. Противодействующий момент создается пружиной или растяжками. Особенности:

Простота и надежность конструкции.
Пригодность для измерения постоянного и переменного тока (на переменном токе стрелка показывает действующее значение).
Неравномерная (квадратичная) шкала в базовом исполнении, но может быть линеаризована специальным профилированием сердечника.
Меньшая точность и чувствительность по сравнению с МЭ системой.
Влияние внешних магнитных полей (требуется экранирование).

3. Электродинамическая система (ЭД)

Состоит из двух катушек: неподвижной (токовой) и подвижной (катушки напряжения, соединенной через добавочное сопротивление). Вращающий момент создается в результате взаимодействия магнитных полей обеих катушек. Особенности:

Высокая точность для измерений на переменном токе в широком диапазоне частот.
Пригодность для измерения постоянного и переменного тока (действующее значение).
Более высокая стоимость и сложность.
Чувствительность к внешним магнитным полям (обязательное экранирование).
Используется преимущественно в качестве эталонных и лабораторных приборов.

4. Ферродинамическая система (ФД)

Разновидность электродинамической системы, где катушки размещены на замкнутом магнитопроводе из ферромагнитного материала. Это значительно усиливает магнитный поток и увеличивает вращающий момент, а также защищает от влияния внешних полей. Особенности:

Высокий вращающий момент и устойчивость к вибрациям.
Применение в условиях сильных внешних магнитных полей и в цепях переменного тока промышленной частоты (щитовые приборы).

Конструктивные особенности и расширение пределов измерения

Подвижная часть амперметра рассчитана на протекание сравнительно небольших токов (обычно от 10 мкА до 100 мА в зависимости от системы). Для измерения больших токов используются дополнительные элементы.

Шунты для амперметров постоянного тока (системы МЭ)

Шунт — это резистор с очень малым, точно известным сопротивлением (R_ш), который включается в цепь измеряемого тока параллельно амперметру. Основная часть тока (I_изм) протекает через шунт, а через измерительный механизм (ИМ) — лишь небольшая, строго определенная его часть (I_им).

Коэффициент шунтирования (или множитель шкалы) n определяется отношением: n = I_изм / I_им = 1 + (R_им / R_ш), где R_им — сопротивление измерительного механизма. Шунты изготавливаются из материалов с малым температурным коэффициентом сопротивления (манганин, константан) и могут быть внутренними (в корпусе прибора) или наружными (для очень больших токов, часто с собственными клеммами).

**Примеры стандартных номиналов шунтов для амперметров магнитоэлектрической системы**
Ток полного отклонения ИМ, мА	Номинальный ток шунта, А	Падение напряжения на шунте, мВ	Тип исполнения
5	10	75	Внутренний
	50	75	Наружный
	300	75	Наружный
15	30	75	Внутренний
15	150	75	Наружный

Измерительные трансформаторы тока для амперметров переменного тока

Для измерения больших переменных токов (в силовых цепях) используются измерительные трансформаторы тока (ТТ). Первичная обмотка ТТ включается последовательно в цепь измеряемого тока, а вторичная обмотка на номинальный ток 5 А (реже 1 А) замыкается на измерительный прибор. Амперметр градуируется с учетом коэффициента трансформации ТТ (K_I = I_1ном / I_2ном). Например, при использовании ТТ 200/5 А (K_I=40) и амперметра со шкалой 0-5 А, показания прибора умножаются на 40.

Ключевые правила работы с ТТ:

Вторичная обмотка всегда должна быть нагружена (подключена к прибору) или замкнута накоротко.
Запрещается размыкать вторичную цепь под нагрузкой — это приводит к появлению опасного высокого напряжения и выходу ТТ из строя.

Классификация и основные характеристики

Аналоговые амперметры классифицируются по ряду ключевых признаков:

**Классификация аналоговых амперметров**
Критерий классификации	Типы	Краткое описание и применение
По роду измеряемого тока	— Для постоянного тока — Для переменного тока — Универсальные	Определяется измерительной системой. Универсальные приборы (обычно на базе МЭ системы с выпрямителем) имеют переключатель рода тока.
По принципу действия (системе)	— Магнитоэлектрические (МЭ) — Электромагнитные (ЭМ) — Электродинамические (ЭД) — Ферродинамические (ФД) — Термоэлектрические — Выпрямительные	См. подробное описание выше. Термоэлектрические используются для измерений на высоких частотах.
По классу точности	0.05; 0.1; 0.2; 0.5; 1.0; 1.5; 2.5; 4.0	Цифра обозначает допустимую приведенную погрешность в процентах. Классы 0.05-0.2 — эталонные и лабораторные; 0.5-1.0 — лабораторные и технические; 1.5-4.0 — щитовые.
По назначению и исполнению	— Щитовые (панельные) — Переносные (лабораторные) — Самопишущие	Щитовые — для постоянного монтажа в электрощиты, пульты, часто с квадратным или круглым корпусом. Переносные — для точных измерений в различных условиях, часто многопредельные. Самопишущие — для регистрации значений на диаграммной ленте.
По способу создания противодействующего момента	— Механическим путем (спиральная пружина, растяжки) — Электрическим путем (логическое развитие в магнитоэлектрических логометрах)	Растяжки обеспечивают меньший момент трения, что повышает чувствительность. Логометры не имеют механического противодействующего момента, их показания не зависят от напряжения питания.

Ключевые технические параметры

Предел измерения: Максимальное значение тока, которое может быть измерено без использования шунтов или ТТ. У переносных приборов часто несколько переключаемых пределов.
Класс точности: Нормированная погрешность, выраженная в процентах от верхнего предела измерения (для большинства аналоговых приборов). Например, амперметр класса 1.0 с пределом 50 А имеет абсолютную погрешность ±0.5 А на всей шкале.
Чувствительность: Для амперметра — величина, обратная току полного отклонения (1/I_ном). Измеряется в делениях/А или А/дел. Более высокочувствительный ИМ требует меньшего тока для отклонения стрелки на всю шкалу.
Собственное потребление мощности (падение напряжения): Важный параметр, особенно при измерении в низковольтных цепях. У приборов МЭ системы с шунтом нормируется падение напряжения на шунте (обычно 45, 60, 75, 100 мВ).
Сопротивление измерительной цепи: Полное сопротивление прибора на данном пределе измерения. Должно быть как можно меньше для минимизации влияния на измеряемую цепь.
Диапазон рабочих частот: Для переменного тока — диапазон частот, в котором погрешность не выходит за пределы класса точности. У ЭМ и ФД систем — обычно 45-65 Гц, у выпрямительных и электродинамических — шире.

Правила выбора и эксплуатации

Выбор аналогового амперметра осуществляется на основе анализа условий его будущей работы и технических требований.

Определение рода тока и частоты: Для постоянного тока — МЭ система. Для переменного тока промышленной частоты 50/60 Гц — ЭМ, ФД системы. Для широкого диапазона частот или точных измерений на переменном токе — ЭД или выпрямительные системы.
Выбор предела измерения и шкалы: Номинальный ток прибора должен быть выбран так, чтобы рабочее значение находилось во второй половине шкалы (предпочтительно в последней ее трети), где относительная погрешность минимальна. Для сильно изменяющихся нагрузок целесообразно использовать прибор с перегрузочной способностью или с пиковым индикатором.
Определение класса точности: Для оперативного контроля на распределительных щитах достаточно классов 1.5-2.5. Для коммерческого учета, лабораторных и наладочных работ — 0.5-1.0. Для поверочных работ — 0.1-0.2.
Учет условий окружающей среды: Необходимо обращать внимание на группу исполнения по ГОСТ (например, УХЛ3, О4 — для работы на открытом воздухе). Для условий вибрации предпочтительны ферродинамические или электромагнитные приборы с растяжками.
Способ подключения: Для токов свыше 50-100 А (постоянный) и любых значительных токов в сетях переменного тока (свыше 5-10 А) обязательно применение наружных шунтов или трансформаторов тока.

Основные правила эксплуатации:

Прибор включается в цепь последовательно с нагрузкой. Для амперметров постоянного тока соблюдение полярности обязательно.
Измеряемый ток не должен превышать максимальный предел прибора. Для защиты чувствительных механизмов (МЭ) используют схемы с защитными диодами или предварительное включение на больший предел.
При работе с шунтами и ТТ необходимо использовать штатные соединительные провода (для шунтов — с нормированным сопротивлением) и обеспечивать надежность контактов.
Периодическая поверка прибора в аккредитованной лаборатории обязательна для поддержания его метрологических характеристик, особенно в коммерческих и ответственных технических цепях.

Преимущества и недостатки по сравнению с цифровыми приборами

Преимущества аналоговых амперметров:

Наглядность и скорость восприятия информации: оператор мгновенно оценивает значение, а также тенденцию его изменения (рост, падение, колебания) по положению и движению стрелки.
Отсутствие необходимости во встроенном источнике питания (для систем МЭ, ЭМ, ЭД, ФД).
Высокая надежность и устойчивость к импульсным электромагнитным помехам.
Хорошая ремонтопригодность.
Работоспособность в широком диапазоне температур без риска «зависания» или разряда батареи.

Недостатки аналоговых амперметров:

Наличие погрешности отсчета из-за параллакса (решается использованием зеркальной шкалы).
Механическая инерционность, не позволяющая отслеживать очень быстрые изменения.
Чувствительность к механическим воздействиям (удары, вибрация), способным вызвать повреждение опор, искривление оси или ослабление пружин.
Как правило, более низкая точность по сравнению с современными прецизионными цифровыми мультиметрами.
Необходимость в выборе предела до измерения, отсутствие автоматического определения перегрузки (кроме специальных моделей).

Области применения

Несмотря на конкуренцию с цифровыми устройствами, аналоговые амперметры остаются востребованными в следующих областях:

Распределительные устройства и силовые щиты: Ферродинамические и электромагнитные щитовые амперметры для контроля тока вводов и отходящих линий на промышленных предприятиях, в энергосистемах, на судах.
Пуско-регулирующая аппаратура и панели управления: Контроль тока двигателей, генераторов, нагревательных элементов.
Учебные заведения и лаборатории: Для наглядной демонстрации законов электротехники.
Ремонт и обслуживание электрооборудования: Переносные универсальные авометры (тестеры) с аналоговой стрелочной индикацией ценятся многими специалистами за наглядность при проверке цепей, поиске КЗ и «плавающих» контактов.
Специализированные установки: Там, где важна надежность и независимость от источников питания, например, в некоторых системах железнодорожной автоматики.

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

1. Почему амперметр включается в цепь последовательно, и что будет, если включить его параллельно источнику?

Амперметр имеет очень малое внутреннее сопротивление (доли или единицы Ом для прямого включения, еще меньше при использовании шунта). При параллельном подключении к источнику напряжения он создает практически короткое замыкание, что приводит к протеканию через него тока, многократно превышающего номинальный. Это в абсолютном большинстве случаев вызывает мгновенное разрушение измерительного механизма или сгорание шунта. Поэтому прямое включение амперметра параллельно источнику напряжения категорически запрещено.

2. Как измерить ток, значительно превышающий номинал амперметра?

Для постоянного тока используются измерительные шунты. Подбирается шунт с номинальным током, равным требуемому пределу измерения, и номинальным падением напряжения, соответствующим паспортным данным амперметра (чаще всего 75 мВ). Амперметр (фактически работающий как милливольтметр) подключается к потенциальным выводам шунта. Для переменного тока промышленной частоты применяются измерительные трансформаторы тока (ТТ). Амперметр подключается ко вторичной обмотке ТТ (обычно 5 А), а измеряемая цепь — к первичной. Шкала прибора градуируется с учетом коэффициента трансформации.

3. В чем разница между амперметром на 5А с шунтом и амперметром на 300А со встроенным шунтом?

Конструктивно. В первом случае используется отдельный (наружный) шунт на 300А с падением напряжения 75 мВ. К нему подключается амперметр, фактически откалиброванный на 75 мВ и имеющий шкалу 0-300А. Во втором случае шунт на 300А размещен внутри корпуса самого прибора, и пользователь подключает силовую цепь непосредственно к клеммам на приборе. Второй вариант компактнее, но первый — более корректен с точки зрения минимизации влияния на измеряемую цепь и обеспечения лучших условий теплоотвода от шунта.

4. Можно ли использовать амперметр постоянного тока (магнитоэлектрической системы) для измерения переменного тока?

Нет, напрямую — нельзя. Постоянный магнит создает неизменное поле, поэтому при протекании переменного тока через рамку средний вращающий момент за период будет равен нулю, и стрелка лишь слегка дрогнет около нуля. Для измерения переменного тока МЭ системой необходимо предварительно выпрямить ток с помощью диодного моста. Такие приборы называются выпрямительными. Их шкала обычно градуируется в действующих значениях синусоидального тока.

5. Что такое «зеркальная шкала» и для чего она нужна?

Зеркальная шкала — это узкая полоска зеркала, расположенная непосредственно за шкалой прибора вдоль дуги, по которой движется стрелка. Она предназначена для устранения погрешности отсчета из-за параллакса (кажущегося смещения стрелки при взгляде на нее под углом). Правильный отсчет производится тогда, когда глаз оператора расположен так, что отражение стрелки в зеркале скрывается за самой стрелкой. Это позволяет повысить точность считывания показаний, особенно у приборов классов 0.5 и выше.

6. Какой класс точности нужен для щитового контроля, а какой для лабораторных измерений?

Для общего оперативного контроля на распределительных щитах, панелях управления станками и т.п., где важна общая картина, а не абсолютная точность значения, достаточно приборов классов 1.5 или 2.5. Для технических измерений при наладке, проверке режимов работы оборудования, коммерческого учета (в паре с ТТ) требуются приборы классов 0.5 или 1.0. Для прецизионных лабораторных работ, поверки других приборов используются эталонные амперметры классов 0.1 и 0.2, часто электродинамической системы.

7. Почему при использовании трансформатора тока важно никогда не размыкать его вторичную цепь?

Трансформатор тока работает в режиме, близком к короткому замыканию. При размыкании вторичной цепи резко возрастает ее полное сопротивление, что приводит к резкому увеличению магнитного потока в сердечнике (поток перестает компенсироваться). Это вызывает:

Наведение во вторичной обмотке ЭДС в сотни и тысячи вольт, опасной для жизни и изоляции.
Сильный перегрев сердечника из-за резкого увеличения потерь на перемагничивание и вихревые токи.
Возможную остаточную намагниченность сердечника, приводящую к увеличению погрешности ТТ.

Поэтому перед отсоединением амперметра вторичную цепь ТТ необходимо предварительно надежно замкнуть на специальных зажимах или клеммах.

8. Что означает надпись «~50-60Hz» на шкале амперметра переменного тока?

Эта надпись указывает на номинальный диапазон частот измеряемого переменного тока, при котором гарантируется заявленный класс точности прибора. Для большинства электромагнитных и ферродинамических щитовых амперметров он ограничен стандартными промышленными частотами 50 и 60 Гц. При измерении тока более высокой или низкой частоты будут возникать дополнительные частотные погрешности (из-за изменения индуктивного сопротивления катушек, потерь в стали и т.д.). Для измерений в широком диапазоне частот предназначены приборы электродинамической, термоэлектрической или выпрямительной систем с соответствующей маркировкой.

Амперметры аналоговые