Амперметры

Амперметры: принципы действия, классификация, применение и метрология

Амперметр – электроизмерительный прибор, предназначенный для измерения силы электрического тока в амперах, килоамперах, миллиамперах или микроамперах. Основное требование к амперметру – минимальное собственное внутреннее сопротивление и, как следствие, малое падение напряжения на нем, чтобы не вносить значительных искажений в исследуемую цепь. Включение амперметра в цепь всегда производится последовательно с нагрузкой.

Принципы действия и устройство основных типов амперметров

Классификация амперметров по принципу действия определяет их технические характеристики, область применения и стоимость.

1. Электромеханические амперметры

Работа основана на преобразовании электрической энергии в механическое движение указательной стрелки. Состоят из измерительного механизма (преобразователя) и отсчетного устройства. Основные типы:

• Магнитоэлектрической системы. Принцип действия: взаимодействие магнитного поля постоянного магнита с током, протекающим по рамке. Рамка, выполненная из тонкого провода, размещена в магнитном поле и при протекании тока стремится повернуться. Характеристики: высокая чувствительность и точность, линейная шкала, низкое собственное потребление. Недостаток: пригодны только для измерения постоянного тока. Чувствительны к перегрузкам.
• Электромагнитной системы. Принцип действия: втягивание ферромагнитного сердечника, связанного со стрелкой, в катушку с током. Характеристики: простота и надежность конструкции, стойкость к перегрузкам, пригодность для измерения постоянного и переменного тока промышленной частоты (50/60 Гц). Недостатки: нелинейная шкала (сужена в начале), влияние внешних магнитных полей, относительно высокое собственное потребление.
• Электродинамической системы. Принцип действия: взаимодействие магнитных полей двух катушек – неподвижной и подвижной. Характеристики: высокая точность для переменного и постоянного тока, используются как образцовые приборы. Недостатки: сложность конструкции, высокая стоимость, чувствительность к внешним полям, большое собственное потребление.
• Ферродинамической системы. Усовершенствованная электродинамическая система, где катушки размещены на замкнутом магнитопроводе из ферромагнитного материала. Характеристики: высокая точность и мощность вращающего момента, малая чувствительность к внешним полям. Широко применяются в щитовых приборах для промышленных установок.
• Индукционной системы. Принцип действия: взаимодействие переменных магнитных потоков, создаваемых неподвижными катушками, с током, индуцируемым в подвижном алюминиевом диске. Применяются исключительно в цепях переменного тока. В чистом виде для амперметров сейчас используются редко.

2. Цифровые амперметры

Преобразуют измеряемый аналоговый сигнал (ток) в цифровой код с последующим отображением результата на жидкокристаллическом или светодиодном индикаторе. Основные компоненты: входной преобразователь (шунт, трансформатор тока), аналого-цифровой преобразователь (АЦП), блок обработки данных и дисплей. Преимущества: высокая точность и разрешающая способность, удобство считывания показаний (отсутствие параллакса), возможность интеграции в системы АСУ ТП, наличие интерфейсов передачи данных (RS-485, Modbus, 4-20 мА). Недостатки: требуют источника питания, могут быть чувствительны к электромагнитным помехам.

3. Тепловые (термоэлектрические) амперметры

Принцип действия: измеряемый ток пропускается через нагреватель, к которому привалена термопара. Возникающая термо-ЭДС измеряется магнитоэлектрическим милливольтметром, шкала которого проградуирована в амперах. Главное преимущество: показания прибора зависят от действующего значения тока, независимо от формы его кривой. Применяются для измерения токов высокой частоты (до сотен МГц).

4. Амперметры выпрямительной системы

Представляют собой сочетание измерительного преобразователя (полупроводникового выпрямительного моста) и магнитоэлектрического измерительного механизма. Позволяют использовать высокочувствительные магнитоэлектрические механизмы для измерения переменных токов. Применяются в основном в многопредельных комбинированных приборах (тестерах). Точность зависит от формы кривой измеряемого тока.

Способы расширения пределов измерения

Внутреннее сопротивление амперметра должно быть крайне мало. Для измерения больших токов используются дополнительные элементы.

1. Для цепей постоянного и низкочастотного переменного тока: Шунты

Шунт – резистор с очень малым, точно известным сопротивлением (R_ш), включаемый параллельно амперметру. Основная часть измеряемого тока (I) проходит через шунт, а через измерительный механизм (ИМ) – лишь небольшая часть (I_им).

• Коэффициент шунтирования (расширения предела) n = I / I_им.
• Сопротивление шунта рассчитывается по формуле: R_ш = R_им / (n — 1), где R_им – сопротивление измерительного механизма.
• Шунты изготавливаются из материалов с высоким удельным сопротивлением и низким температурным коэффициентом (манганин, константан). Конструктивно могут быть внутренними (для токов до 30-50 А) и наружными (на большие токи, часто с собственными клеммами или шинами).

2. Для цепей переменного тока (преимущественно промышленной частоты): Измерительные трансформаторы тока (ТТ)

Трансформатор тока понижает измеряемый ток до стандартного значения, безопасного для измерения (обычно 5 А или 1 А).

• Коэффициент трансформации: K_I = I₁ / I₂ (например, 100/5 А).
• Амперметр включается во вторичную обмотку ТТ. Его шкала градуируется с учетом K_I.
• Критически важно: вторичная обмотка ТТ при работе не должна быть разомкнута. Это приводит к появлению высокого напряжения, опасного для персонала и приводящего к пробою изоляции и выходу ТТ из строя.
• ТТ также выполняют гальваническую развязку цепей измерения от высоковольтных силовых цепей.

Сравнительная таблица основных типов амперметров

Тип прибора (система)	Род измеряемого тока	Основная область применения	Типичный класс точности	Потребляемая мощность	Влияние внешних полей
Магнитоэлектрическая	Постоянный	Лабораторные измерения, точные электронные устройства	0.1; 0.2; 0.5	Очень малое	Практически нет
Электромагнитная	Постоянный, переменный (50-60 Гц)	Щитовые промышленные приборы, распределительные щиты	0.5; 1.0; 1.5; 2.5	Среднее (2-5 Вт)	Существенное
Электродинамическая	Постоянный, переменный (до 1-2 кГц)	Образцовые и лабораторные приборы высокой точности	0.1; 0.2	Большое (5-10 Вт)	Очень сильное
Ферродинамическая	Преимущественно переменный	Щитовые приборы в условиях вибрации и сильных внешних полей	1.0; 1.5; 2.5	Большое	Слабое
Цифровой (на основе АЦП)	Постоянный, переменный (широкий диапазон частот)	Универсальное: от портативных мультиметров до систем АСУ ТП	0.01; 0.02; 0.05; 0.1	Зависит от схемы (малое)	Зависит от конструкции экранирования

Ключевые технические характеристики и метрологические параметры

• Класс точности – выраженная в процентах приведенная погрешность прибора в рабочей области шкалы. Обозначается числом: 0.05; 0.1; 0.2; 0.5; 1.0; 1.5; 2.5; 4.0. Чем меньше число, тем выше точность.
• Предел измерения – максимальное значение тока, которое может быть измерено без использования шунтов или ТТ.
• Чувствительность – минимальный ток, вызывающий заметное отклонение стрелки (для аналоговых) или изменение младшего разряда (для цифровых).
• Собственное потребление (падение напряжения) – мощность, потребляемая прибором при номинальном токе. Крайне важный параметр для минимизации влияния на измеряемую цепь.
• Диапазон рабочих частот – для переменного тока, диапазон частот, в котором погрешность прибора не выходит за пределы класса точности.
• Время установления показаний – особенно важно для цифровых приборов и самопишущих амперметров.

Особенности применения в различных условиях

В цепях постоянного тока: преимущественно используются магнитоэлектрические и цифровые амперметры. Важно соблюдать полярность подключения. Для измерения больших токов (в электролизерах, на тяговых подстанциях) применяются наружные шунты с милливольтметрами или датчики на эффекте Холла.

В цепях переменного тока промышленной частоты (50/60 Гц): наиболее распространены электромагнитные и ферродинамические щитовые амперметры, работающие совместно с трансформаторами тока. Цифровые приборы часто имеют встроенные трансформаторы тока или датчики.

В цепях высокой частоты: применяются тепловые, электронные (цифровые с высокочастотными преобразователями) и выпрямительные амперметры. Важна минимальная собственная индуктивность и емкость измерительной цепи.

Для измерения пульсирующих токов (например, после выпрямителей): необходимо учитывать реакцию прибора на постоянную и переменную составляющую. Магнитоэлектрические приборы покажут среднее значение, электромагнитные и тепловые – действующее.

Погрешности измерений и их источники

• Основная погрешность – погрешность в нормальных условиях, определяемая классом точности.
• Дополнительная погрешность – вызывается отклонением влияющих величин от нормальных значений (температура, влажность, частота, внешние магнитные поля, положение прибора).
• Методическая погрешность – возникает из-за несовершенства метода измерения. Например, падение напряжения на шунте или потребляемый ток амперметра искажают режим работы цепи. Для минимизации необходимо, чтобы сопротивление амперметра (вместе с шунтом) было на 1-2 порядка меньше сопротивления исследуемого участка цепи.
• Погрешность отсчета (для аналоговых приборов) – связана с точностью считывания показаний со шкалы (параллакс, деление шкалы).

Тенденции развития: интеллектуальные датчики тока

Современный тренд – переход от классических показывающих приборов к интеллектуальным датчикам тока. Это устройства, сочетающие в себе измерительный преобразователь (шунт, трансформатор тока, датчик Холла), АЦП, микропроцессор для обработки сигнала и цифровой интерфейс (чаще всего RS-485 с протоколом Modbus RTU). Они передают не только мгновенное значение тока, но и могут вычислять действующее значение, мощность, коэффициент мощности, фиксировать пики и провалы, и интегрироваться в системы SCADA. Такие датчики компактны, обеспечивают гальваническую развязку и высокую точность.

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

1. Почему амперметр включается в цепь последовательно, а вольтметр – параллельно?

Амперметр имеет крайне малое внутреннее сопротивление. Последовательное включение обеспечивает протекание через него всего измеряемого тока, не создавая значительного дополнительного сопротивления в цепи. Параллельное включение амперметра эквивалентно короткому замыканию и приведет к его выходу из строя и возможному повреждению цепи. Вольтметр, напротив, имеет очень высокое сопротивление и подключается параллельно участку цепи для измерения разности потенциалов, не шунтируя его.

2. Как правильно подобрать шунт для амперметра?

Необходимо знать два параметра самого амперметра: полный ток отклонения стрелки (I_им) и сопротивление его измерительного механизма (R_им). Затем, исходя из требуемого верхнего предела измерения (I_max), рассчитывают коэффициент шунтирования n = I_max / I_им и сопротивление шунта R_ш = R_им / (n — 1). На практике часто используют готовые шунты с паспортным номинальным падением напряжения (чаще всего 75 мВ или 60 мВ) и подбирают к ним соответствующий милливольтметр или амперметр с подходящей шкалой.

3. Что произойдет, если разомкнуть вторичную обмотку работающего трансформатора тока (ТТ)?

Это аварийная ситуация. При разомкнутой вторичной обмотке ток в ней становится равным нулю, и весь первичный ток становится током намагничивания. Это вызывает резкое увеличение магнитного потока в сердечнике ТТ, что приводит к его перемагничиванию и сильному нагреву. На выводах разомкнутой вторичной обмотки возникает высокое напряжение (сотни и даже тысячи вольт), опасное для жизни персонала и способное пробить изоляцию обмотки. Поэтому перед работами в цепях вторичных обмоток ТТ их необходимо предварительно надежно замкнуть накоротко специальными перемычками или зажимами.

4. В чем разница между измерением постоянного и переменного тока цифровым мультиметром?

Для измерения постоянного тока (DCA) используется, как правило, прецизионный шунт. Падение напряжения на нем измеряется АЦП. Для измерения переменного тока (ACA) после шунта или отдельного трансформатора тока сигнал проходит через преобразователь среднеквадратичного значения (True RMS или усредняющий). Бюджетные мультиметры часто используют усредняющие преобразователи, откалиброванные под синусоидальную форму тока, и дают значительную погрешность при измерении тока несинусоидальной формы (например, от импульсных источников питания). Приборы с маркировкой «True RMS» вычисляют действующее значение для любой формы волны, что важно для профессиональных электротехнических измерений.

5. Какой класс точности необходим для эксплуатационных измерений на распределительном щите, а какой для поверки оборудования?

Для оперативного контроля на щитах управления и распределительных устройствах обычно достаточно приборов класса точности 1.0 или 1.5. Для коммерческого учета электроэнергии (счетчики) используются классы 0.5S, 0.2S. Для лабораторных, поверочных и наладочных работ, где требуется высокая точность, применяются образцовые амперметры классов 0.2, 0.1 и выше, а также прецизионные цифровые измерители.

6. Можно ли одним амперметром измерить ток разной величины, и как это реализовано?

Да, для этого используются многопредельные амперметры. В электромеханических приборах это достигается с помощью набора внутренних шунтов или отводов первичной/вторичной обмотки измерительного механизма, переключаемых галетным переключателем. В цифровых приборах переключение пределов (изменение коэффициента усиления входного усилителя) происходит автоматически (автодиапазон) или вручную. Важно при измерении неизвестного тока начинать с самого большого предела, чтобы избежать повреждения прибора.