Для измерения малых токов и напряжений используют высокочувствительный прибор гальванометр — это основа и прообраз любых стрелочных измерительных приборов. Если последовательно с гальванометром подключить добавочное сопротивление – получится вольтметр, а если параллельно подключить шунт – амперметр.
Несмотря на то, что цифровые измерители в последние десятилетия стали очень распространёнными, всё равно остаются сферы применения, в которых нужны достоинства именно стрелочных приборов, например, для наблюдения динамики изменяющейся величины при каких-то переходных процессах, для измерения изменяющихся сигналов и прочего.
В этой статье мы поговорим о подключении вольтметров и амперметров для измерения напряжений и токов.
Подключение вольтметра
Вольтметр измеряет напряжение – разность потенциалов между двумя точками электрической цепи.
Так как напряжение получается между двумя точками, то и вольтметр подключается параллельно источнику питания или какому-нибудь элементу цепи. Как бы это странно или смешно ни звучало, но подключить вольтметр в цепь последовательно нельзя, потому что напряжение нельзя измерить в одной точке — обязательно нужны две точки.
Как известно, постоянный ток не изменяет своего направления с течением времени, значит, напряжение и полярность источника постоянного тока тоже не изменяются.
Поэтому при измерении постоянного напряжения нужно соблюдать полярность – плюс вольтметра к плюсу цепи, а минус к минусу. Если перепутать полярность, то стрелка будет отклоняться в обратную сторону (в сторону нуля за шкалу). Обычно это не приводит к страшным последствиям и при отключении прибора от цепи стрелка вернётся в исходное положение, но в некоторых случаях это может повредить прибор.
Если вольтметр цифровой, или вы измеряете напряжение мультиметром, то при неправильном подключении возможен один из вариантов:
- Прибор покажет измеренное значение, но со знаком «минус» перед ним. Знак минус говорит о неверной полярности или о том, что на плюсовом выводе вольтметра (на щупе) напряжение отрицательно относительно выбранной точки измерения (второго щупа).
- Прибор сам определит полярность и покажет измеренное значение.
- На экране не будет никаких значений или будут гореть «нули».
Причём первый вариант самый распространённый для большинства цифровых мультиметров.
Переменный ток изменяет своё направление с течением времени, например, в отечественной электросети, оно изменяется с частотой 50 герц. Простым языком плюс и минус на разноимённых проводах меняются местами 100 раз в секунду.
Поэтому при измерении переменного тока просто невозможно соблюдать полярность и выводы вольтметра подключаются к цепи произвольно.
ВАЖНО! При выборе вольтметра (и амперметра) учитывайте для измерения какого тока он предназначен, для переменного или постоянного. Есть приборы, которые могут измерять и постоянный, и переменный ток, а есть измеряющие только постоянный ток. На стрелочных приборах род измеряемой величины обозначается соответствующим знаком на шкале (см. таблицу ниже).
Особенности
Чтобы разобраться в особенностях подключения и работы вольтметра, нам нужно рассмотреть небольшую схему.
Стрелочный вольтметр состоит из двух основных частей:
- Измерительный механизм, в разных источниках его называют по-разному, например, измерительной головкой или гальванометром. В любом случае это устройство, состоящее из чувствительного элемента со стрелкой и шкалой. Стрелочные измерительные головки, как правило, универсальны и могут использоваться как для измерения тока, так и для измерения напряжения. В зависимости от принципа работы в устройстве измерительного механизма может быть рамка с катушкой и стрелкой, которая двигается в поле постоянного магнита (в магнитоэлектрических приборах) или катушка с подвижным сердечником, на котором закреплена стрелка (в электромагнитных приборах).
- Добавочный резистор Rд — это резистор, который подключается последовательно с измерительным механизмом и ограничивает ток через него. Он нужен для установки предела измерения прибора — чем больше предел измерения, тем больше сопротивление.
Раз у катушки измерительного механизма есть какое-то сопротивление, ещё и последовательно есть добавочный резистор, то и сам вольтметр можно представить в виде резистора. А что происходит с общим сопротивлением цепи при параллельном подключении резисторов? Оно уменьшается.
Рассмотрим ещё одну схему, чтобы разобраться, на что это влияет.
Пусть напряжение источника Е 10 вольт, а сопротивление резисторов R1 и R2 по 10 Ом.
Тогда ток в цепи:
I = U/(R1+R2) = 10/(10+10) = 0,5А
А падение напряжения на каждом из резисторов будет по 5 вольт:
U1 = U2 = I×R = 10x0,5 = 5 вольт
То есть если подключить вольтметр к каждому из резисторов, он должен показать по 5 вольт.
А что будет при подключении вольтметра на самом деле? Представим, что сопротивление вольтметра Rв у нас тоже 10 Ом, тогда параметры цепи изменятся.
Общее сопротивление цепи у нас станет:
Rобщ = R1+(R2||Rв)
R2||Rв = (R2×Rв)/(R2+Rв) = (10×10)/(10+10) = 100/20 = 5 Ом
Тогда и ток в цепи изменится:
I = U/Rобщ = 10/(10+5) = 0,67 А
На первом резисторе будет напряжение:
U1 = 0,67×10 = 6,7 вольта
А на втором резисторе будет напряжение:
U2 = 0,67×5 = 3,3 вольта
Именно столько и покажет вольтметр. Как вы видите показания сильно отличаются от того, что мы посчитали выше, и нас интересует какое напряжение на резисторе будет без вольтметра, скажем, в «рабочем» режиме…
Теперь повторим расчёты, но представим, что внутреннее сопротивление вольтметра у нас не 10 Ом, а в 1000 раз больше — 10 кОм. Повторим расчёты для общего сопротивления R2 и вольтметра:
R2||Rв = (R2×Rв)/(R2+Rв) = (10×10 000)/(10+10 000) = 100 000/10 010 = 9,99 Ом
Тогда ток в цепи будет:
I = U/Rобщ = 10/(10+9,99) = 10/19,99 = 0,5002 ≈ 0.5 А
А напряжение на R2, которое покажет вольтметр:
U2 = I×R2 = 0,5002×9,99 = 4,995 В
Теперь показания на вольтметре очень близки к расчётному напряжению на резисторе. Какие выводы мы можем сделать?
- Чем больше сопротивление вольтметра, тем меньшее влияние он оказывает на работу цепи, соответственно, результат измерения будет точнее.
- Сопротивление вольтметра должно быть как можно больше чем сопротивление элемента цепи на котором измеряют напряжение — Rв >> Rн.
Что будет если вольтметр подключить в цепь последовательно? На самом деле ничего особенного, из-за высокого внутреннего сопротивления вольтметра ток в цепи будет очень низким, и она не сможет работать в нормальном режиме. Что касается показаний прибора: если его предел измерения низкий, то, может быть, даже стрелка оторвётся от нуля и что-то покажет, а если предел измерения высокий, то, скорее всего, стрелка совсем не сдвинется с места.
Измерение тока амперметром
Амперметр измеряет ток в цепи, через нагрузку или через отдельный её элемент. Поэтому для измерения тока амперметр подключается в цепь последовательно, в остальном аналогично вольтметру:
— При измерении силы постоянного тока нужно учитывать полярность, то есть плюс амперметра к плюсу источнику питания, а минус к нагрузке. Можно подключить наоборот — плюс амперметра к нагрузке, а минус к минусу источника питания.
— При измерении силы переменного тока не нужно учитывать полярность.
— При выборе прибора тоже важно обращать внимание на род измеряемой величины.
Сопротивление и измерения
С вольтметром разобрались, а каким должно быть сопротивление амперметра, чтобы он не влиял на работу цепи и показывал силу тока точно? Так как амперметр подключается в цепь последовательно, то его внутреннее сопротивление будет ограничивать ток в цепи.
Для примера посчитаем, какой ток протекает в цепи 1, если напряжение источника питания E 10В, а в качестве нагрузки используется резистор R1 сопротивлением 5 Ом.
I = U/R1 = 10/5 = 2А
Итак, ток в цепи должен быть 2 ампера, а теперь подключим в цепь условный амперметр, сопротивление Ra которого 1 Ом, тогда он покажет ток:
I = U/(R1+Ra) = 10/(5+1) = 1,67 А
Отличие измеренного амперметром тока от расчётного почти в четверть связано с высоким сопротивлением амперметра. То есть чем меньше сопротивление амперметра – тем меньше он влияет на ток в цепи. Соответственно сопротивление амперметра должно быть намного меньше, чем сопротивление нагрузки (Ra << Rн). В реальности же амперметр не будет показывать действительный ток в цепи, он в любом случае будет вносить в неё своё влияние в большей или меньшей степени.
Как и вольтметр, стрелочный амперметр состоит из двух основных частей:
- Измерительный механизм.
- Шунт. Он нужен чтобы пропускать «лишний» измеряемый ток, а через измерительный механизм будет протекать ток, соответствующий его пределу измерения (об этом позже).
Так как шунт подключается параллельно измеряемой головке, то и внутреннее сопротивление амперметра из-за шунта будет снижаться. При этом чем больше предел измерения, тем меньше сопротивление шунта и меньше внутреннее сопротивление амперметра.
Что будет если подключить амперметр параллельно? Так как у амперметра внутреннее сопротивление очень невысокое, то при параллельном подключении к цепи через него пойдёт очень большой ток. Из-за этого обмотка измерительной головки и проводники внутри прибора нагреются и перегорят. В некоторых случаях может сработать автоматический выключатель, питающий линию, а в худшем случае возможно возгорание прибора.
Амперметр нельзя подключать к цепи параллельно!
Изменение пределов измерения или зачем нужны добавочное сопротивление и шунт
В вольтметре резистор называется добавочным (Rд), а в амперметре — шунтирующим или просто шунтом (Rш). Разница в названиях этих элементов связана с их подключением. У каждого измерительного механизма есть какой-то предел измерения, обычно это сотни микро- или десятки миллиампер и определённое внутреннее сопротивление.
В вольтметре добавочный резистор ограничивает ток через измерительный механизм и увеличивает входное сопротивление прибора. Изменяя его сопротивление, можно с помощью одного и того же механизма измерять разные напряжения.
Например, есть измерительный механизм с такими характеристиками:
- ток полного отклонения 500 мкА;
- сопротивление 650 Ом.
Соответственно он может измерять ток до 500 микроампер (0,0005 ампера) или напряжение до:
U = IR = 0,0005×650 = 0,325 вольт
Чтобы измерять большее напряжение, нужно подключить последовательно измерительному механизму добавочное сопротивление, тогда часть напряжения упадёт на этом сопротивлении, а на измерительном механизме будут всё те же 0,325 вольта.
Попробуем посчитать сопротивление добавочного резистора. Допустим, мы хотим измерять напряжение до 5 вольт, общее сопротивление вольтметра равно сумме сопротивлений добавочного резистора Rд и измерительного механизма Rим:
Rобщ = Rд+Rим
Ток полного отклонения стрелки нам известен — 0,0005 А, будущий предел измерений 5 вольт, тогда общее сопротивление прибора должно быть:
R = U/Iизм = 5/0.0005=10 000 Ом
Чтобы найти сопротивление добавочного резистора, нужно из общего сопротивления вычесть сопротивление измерительного механизма:
Rд = Rобщ-Rим = 10 000 – 650 = 9 350 Ом
Вывод — чтобы сделать вольтметр с пределом измерения 5 В нужно к измерительному механизму подключить добавочный резистор с сопротивлением 9350 Ом.
Можно найти сопротивление добавочного резистора немного по-другому:
Rд = Rизм×(Q-1)
Q = U/Uизм,
Где U – будущий предел измерений, Uизм – настоящий предел измерений
Q = 5/0,325 = 15,385
Rд = 650×(15,385-1) = 9350 Ом
Результат, как вы видите, совпал.
Теперь разберёмся с амперметром. Основная задача шунта пропустить себя ток превышающий предел измерительного механизма. Общее сопротивление амперметра находим по формуле сопротивления для соединённых параллельно резисторов.
Rобщ = (Rш×Rизм)/(Rш+Rизм)
Допустим, нам нужно измерять ток до 50А. Можно повторить подобные вышеизложенным расчёты, но можно сделать проще: сначала найдём соотношение между током шунта и током измерительного механизма, а после сопротивление шунта.
То есть, через измерительный механизм может протекать ток до 0,0005А, значит, через шунт будет протекать ток:
Iш = Iобщ-Iизм = 50–0,0005 = 49,9995 А
Тогда найдём отношение тока шунта к току измерительного механизма (Q):
Q = Iш/Iизм = 49,9995/0,0005 = 99 999
Теперь найдём сопротивление шунта по формуле:
Rш = Rизм/(Q-1) = 650/99 998 = 0,0065 Ома
Сопротивление шунта будет всего лишь 0,0065 Ома.
Примечание: расчёты шунта и добавочного сопротивления выполнены по книге Метрология, стандартизация и технические средства измерений авторов Тартаковского Д.Ф., Ястребова А.С., М.: Высшая Школа 2001 год.
Изменяя сопротивление шунта или добавочного резистора, можно изменять пределы измерения вольтметров или амперметров. При этом из стрелочного вольтметра можно сделать амперметр и наоборот. Для этого убирают «лишние» компоненты, оставляют измерительную головку и к ней подбирают резистор или шунт.
На практике в продаже можно найти шунты с необходимым сопротивлением и точностью измерения, самостоятельное изготовление точного шунта усложняется сложностью измерения столь малых сопротивлений.
Ещё нужно учитывать, что любой дополнительный элемент оказывает влияние на цепь, так как имеет своё сопротивление. Следовательно, при протекании через него тока он будет греться, то есть будут происходить потери мощности. Для более эффективного и безопасного измерения тока часто используют трансформаторы тока.
Для измерения высокого напряжения исходя из соображений электробезопасности и гальванической развязки используют измерительные трансформаторы напряжения. А при измерении очень низких напряжений описанные в статье вольтметры неизбежно внесут свои погрешности и повлияют на работу цепи. Поэтому используют электронные измерительные приборы с высоким входным сопротивлением. Электронный вольтметр необязательно будет с цифровым экраном, он может быть и стрелочным, но при этом на входе будет установлена электронная цепь, например, усилитель на транзисторах или другие решения.
В вольтметрах и амперметрах кроме шунта или добавочного резистора и измерительного механизма может быть и выпрямитель. Такое решение применяется в тех случаях, когда используется магнитоэлектрический измерительный механизм. Он может измерять только постоянный ток, поэтому для измерения переменный ток преобразовывают в постоянный (выпрямляют).
Заключение
На этом у меня всё. Целью статьи было рассказать об особенностях такой, казалось бы, простой задачи, как измерение основных электрических величин стрелочными приборами. В настоящее время большинству электриков для работы достаточно «копеечных» мультиметров типа легендарного DT830, а для тех, кто в практике сталкивается с электроникой или какими-нибудь цепями с отличными от синусоидального сигналами нужны мультиметры измеряющие действующие величины (True RMS).