Как устроены вольтметр и амперметр

Разница между амперметром и вольтметром

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.

Вольтметр – устройство для получения показателей напряжения тока.

к 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.

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

Похожие статьи

(4 оценок, среднее: 4,50 из 5)

Вольтметр, амперметр Э8035-М1

Амперметр и вольтметр Э8035-М1 являются электроизмерительными приборами, предназначенными для замера силы тока и напряжения в сетях с переменным током. Они используются на транспортных средствах и стационарных объектах правоохранительных органов и других силовых структур.

Верхний предел диапазона измерений

Нормальная частота и нормальная область частот

0,1; 0,3; 0,5; 1; 2; 3; 5; 10; 20; 30 и 50 А

50; 60; 200; 400-500; 800 и 1000 Гц

10; 20; 30; 50; 75; 100; 150; 200; 300; 400; 600; 800; 1000; 1500; 2000; 3000; 4000 и 5000 А

через трансформатор тока I/5А

7,5; 10; 30; 50; 100; 150 и 250 В

с индивидуальным добавочным сопротивлением Р85

50; 60; 200; 400-500; 800 и 1000 Гц

Условия эксплуатации

Амперметр и вольтметр Э8035-М1 изготовлены в соответствии с требованиями ГОСТ В 20.39.304-76 и предназначен для эксплуатации при температуре от -50C° до +60C° при относительной влажности не более 95% и атмосферном давлении не более 795 мм. ртутного столба. Прибор выдерживает вибрационные нагрузки в 5 G при их частоте от 6,5 до 100 Герц.

Устройство и принцип работы

Приборы Э8035-М1 ― аналоговые показывающие устройства, работающие по электромагнитному принципу и предназначенные для установки на приборные щиты и панели.

Основным принципом работы амперметра и вольтметра Э8035-М1 является использование сил, возникающих при протекании тока по виткам катушки. Ток в обмотке намагничивает подвижный сердечник, и он начинает втягиваться в катушку. Чем больше сила протекающего тока, тем на больший угол поворачивается подвижная система, с которой считываются показания прибора. Сам измерительный механизм состоит из движущейся части, катушки, обоймы и регулировочного шунта.

Все узлы вольтметров и амперметров расположены в пластмассовом корпусе, через который выходят контакты для подключения в электрическую цепь. В нижней части корпуса крепятся сопротивления, которые прикрываются кожухом. На крышке прибора имеется корректирующий механизм для точной настройки прибора на ноль.

Комплект поставки

Прибор поставляется потребителю в следующей комплектации:

1. Вольтметр или амперметр ― 1 шт.
2. Дополнительное сопротивление, применяемое при использовании вольтметров с высшей границей диапазона измерения равного 500 В и 600 В ― 1 шт.
3. Паспорт изделия ― 1 шт.
4. По специальному заказу устройства поставляются с руководством по эксплуатации ― 1 шт.

Аналоговые измерительные устройства

Обобщенная структурная схема вольтметров прямого преобразования показана на рис. 7.1.

Измеряемое напряжение подается на входное устройство (ВУ), с выхода которого сигнал поступает на измерительный преобразователь (ИП) и далее на измерительное устройство (ИУ). В качестве входного устройства могут использоваться делители и трансформаторы напряжения. В качестве ИП применяются преобразователи переменного сигнала в постоянный, усилители, детекторы и др. В качестве измерительного устройства могут использоваться различные приборы на основе измерительных механизмов (чаще всего используется магнитоэлектрический прибор).

Электронные вольтметры.

Электронные вольтметры постоянного тока состоят из делителя входного напряжения, усилителя постоянного тока, и измерительного устройства, в качестве которого обычно используется магнитоэлектрических микроамперметр. Диапазон измерения составляет 100 мВ … 1000 В.

Электронные вольтметры переменного тока строятся по одной из структурных схем (рис. 7.2), различающихся типом ИП.

В вольтметрах (рис. 7.2, а) измеряемое переменное напряжение U_x преобразуется в постоянное, которое затем измеряется вольтметром постоянного тока.

В вольтметрах, построенных по схеме рис. 7.2, б, измеряемое напряжение сначала усиливается усилителем переменного тока (УПер.Т), а затем выпрямляется с помощью детектора Д и измеряется ИУ. При необходимости между детектором и ИУ может быть дополнительно включен УПТ.

Электронные вольтметры, выполненные по схеме рис. 7.2, имеют меньшую чувствительность, меньшую точность, но имеют более широкий частотный диапазон (от 10 Гц до 100 . 700 МГц). Нижний предел таких вольтметров ограничивается порогом чувствительности выпрямителя и составляет обычно 0,1 … 0,2 В.

Вольтметры, выполненные по схеме рис. 7.2, б, имеют более узкий частотный диапазон (до 50 МГц), который ограничивается усилителем переменного тока, но они более чувствительны. Усилители переменного тока позволяют получить значительно больший коэффициент усиления, чем с помощью УПТ. По данной схеме можно построить микровольтметры, у которых нижний предел U_x ограничивается собственными шумами усилителя.

Милливольтметры переменного тока в зависимости от устройства измеряют амплитудное, среднее и действующее значения переменного напряжения и строятся по схеме усилитель — выпрямитель. Шкала вольтметра градуируется, как правило, в действующих значениях для синусоидального напряжения, или в 1,11 U _ср для приборов, показания которых пропорциональны среднему значению напряжения, и в 0,707 U_m – для приборов, показания которых пропорциональны амплитудному значению.

Электронные вольтметры среднего значения служат для измерения относительно высоких напряжений. Такой вольтметр может быть выполнен по схеме рис. 7.2, б с использованием в качестве выпрямителя полупроводникового диодного моста. Показания вольтметра средних значений зависят от формы кривой измеряемого напряжения. Диапазон измерения составляет от 1 мВ до 300 В. Частотный диапазон измеряемого напряжения — от 10 Гц до 10МГц.

На рис. 7.3 показан пример схемы вольтметра переменного тока типа усилитель-выпрямитель. Данная схема представляет двухполупериодный ПСЗ с включением выпрямительных элементов в цепь обратной связи. Эта схема позволяет существенно снизить порог чувствительности в режиме измерения переменного напряжения при сохранении достаточно широкого частотного диапазона.

Электронные вольтметры действующего значения содержат преобразователь действующих значений. ПДЗ выполняется на элементах с квадратичной ВАХ. Для увеличения протяженности квадратичного участка ВАХ используются на преобразователи на диодных цепочках (см. рис. 6.9). Достоинством является независимость показаний от формы кривой измеряемого напряжения. Для расширения пределов используются емкостные делители напряжения. Диапазон измерения от 1 мВ до 1000 В. Частотный диапазон от 20 Гц до 50 МГц.

Другой метод измерения действующего значения переменного напряжения состоит в определении количества рассеиваемого тепла. Этот метод используется в термовольтметре, где входной ток течет по нити накала, нагревая ее. Выделенное тепло служит непосредственной мерой среднеквадратического значения тока.

Упрощенная функциональная схема вольтметра действующих значений с ПДЗ на термопреобразователях, включенных по способу взаимообратных преобразований показана на рис. 7.4.

В усилителе с обратной связью У₁ измеряемое напряжение U_x преобразуется в ток I_x Этот усилитель должен иметь очень точный коэффициент передачи К такой, чтобы термоЭДС, возникающая термопреобразователе ТП₁ была истинной мерой среднеквадратического значения измеряемого напряжения.

Второй термопреобразователь ТП₂, по нагревателю которого протекает ток I_k , включен последовательно с ТП₁. Выходные напряжения термопреобразователей имеют противоположную полярность, так что напряжение на входе усилителя постоянного тока У₂ равно разности этих двух напряжений. Если коэффициент этого усилителя достаточно велик, то при сравнительно большом выходном напряжении U _вых разность напряжений двух термопреобразователей окажется равной нулю Е₁ = Е₂. Тогда

В этом выражении сопротивление R много больше сопротивления нагревателя термпреобразователя ТП₂. Коэффициент α служит критерием согласованности термопреобразователей ТП₁ и ТП₂ (α ≈ 1). К – коэффициент передачи входного каскада: К = I_X / U_X .

Выражение (7.1) для U _вых показывает, что абсолютное значение параметров термопреобразователей ТП₁ и ТП₂ не имеют решающего значения; важно знать насколько хорошо они согласованы.

Примером построения вольтметра с использованием термопреобразователей является вольтметр В3-45. Погрешность данного вольтметра в рабочем диапазоне частот 40 Гц – 1 МГц не превышает 2,5%.

Термопреобразователи могут использоваться также и для построения амперметров.

Термопреобразователи могут быть заменены твердотельными интегральными схемами. Они состоят из дифференциального усилителя и пары резисторов. Оба резистора расположены очень близко к переходам база-эмиттер двух входных транзисторов дифференциального усилителя. По одному из резисторов течет ток I _Т , в то время как по другому течет измеряемый ток высокой частоты I_X . Любое неравенство температур резисторов вызовет появление напряжения смещения в дифференциальном усилителе. Если дифференциальная пара входных транзисторов входит в состав операционного усилителя У₂, то Тп₁ Тп₂ и У₂ (рис. 7.4) можно заменить одной интегральной схемой. Измеритель действующего значения будет хорошо работать на частотах значительно выше 100 МГц, так как паразитные импедансы гораздо меньше из-за малых размеров схемы.

Сочетание электронного усилителя с электростатическим вольтметром на выходе позволяет не использовать в схеме вольтметра действующих значений специального ПДЗ. Недостатками такого вольтметра являются: 1) неравномерность шкалы; 2) малая чувствительность и др.

Электронные амплитудные вольтметры выполняются по схеме, показанной на рис. 7.2, а, с использованием преобразователей амплитудных (пиковых) значений. Показания такого вольтметра пропорциональны амплитудному значению измеряемого напряжения. Такие вольтметры позволяют измерять амлитуду импульсов с минимальной длительностью от десятых долей микросекунды и скважностью 2 … 500. Диапазон измерения — от 100 мВ до 1000 В. Частотный диапазон – от 20 Гц до 1000 МГц.

Электронные импульсные вольтметры содержат преобразователь амплитуды импульса ПАИ и предназначены для измерения амплитуд периодических сигналов с большой скважностью и амплитуд одиночных импульсов. Обобщенная структурная схема ИВ представлена на рис. 7.5.

Возможно построение ИВ с предварительным усилением исследуемого импульсного сигнала. В качестве ОУ в ИВ обычно используются электромеханические ОУ. Погрешность электронных импульсных вольтметров составляет 0,5% и более, рабочий диапазон частот — от 20 Гц до 1 ГГц; низший предел измерения составляет 1 мкВ.

Электронные селективные вольтметры используются для измерения гармонических напряжений в условиях действия помех. На рис. 7.6 показана структурная схема селективного вольтметра.

Частотная селекция входного сигнала осуществляется с помощью перестраиваемого гетеродина (Г), смесителя (См) и узкополосного усилителя промежуточной частоты (УПЧ), который обеспечивает высокую чувствительность и требуемую избирательность. Кроме того, в селективных вольтметрах обязательно наличие системы автоматической подстройки частоты и калибратора. Калибратор – образцовый источник (генератор) переменного напряжения определенного уровня, позволяющий исключить систематические погрешности из-за изменения коэффициентов передачи узлов вольтметра. Для калибровки переключатель SA устанавливается в положение 2. Сигнал после УПЧ выпрямляется детектором (Д) и измеряется измерительным устройством (ИУ).

Универсальные электронные вольтметры это приборы, в которых совмещаются функции измерения постоянных и переменных напряжений. Типовая структурная схема универсального электронного вольтметра показана на рис. 7.7. При измерении постоянных напряжений входная величина через переключатель рада тока SA подается на вход преобразователя импеданса ПИ, выходной сигнал которого при необходимости преобразуется масштабным преобразователем МП, нагрузкой которого является измерительное устройство ИУ (в качестве ИУ обычно выступает магнитоэлектрический микроамперметр). При измерении переменных напряжений измеряемая величина поступает на вход ПАЗ, а постоянное напряжение с выхода ПАЗ измеряется вольтметром постоянного тока. Источник питания ПИ является важной составной частью вольтметра.

При создании универсальных вольтметров используется главным образом схема ПАЗ с закрытым входом, что объясняется независимостью напряжения на ее выходе от постоянной составляющей напряжения на входе. Универсальные вольтметры позволяют измерять постоянные напряжения от десятков милливольт до 300 В с погрешностью 2,5 – 4%, а переменные в диапазоне от сотен милливольт до 300 В при частоте входного напряжения от 20 Гц до 1000 МГц с погрешностью 4 – 6%. Применение масштабных преобразователей позволяет расширить диапазон измерения до 1000 В.

Электромеханические вольтметры и амперметры.

Электромеханические приборы отличаются простотой, высокой надежностью, относительно высокой точностью. Устройство, работа и характеристики электромеханических приборов прямого преобразования, в том числе вольтметров и амперметров, рассмотрены в разделе III .

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.

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.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети: