Опубликовано

Идеальный амперметр

Воздействие амперметра на измеряемую цепь

Амперметр, как впрочем и вольтметр, оказывает определенное влияние на тестируемую цепь, к которой он подключается в процессе измерения. Когда мы с вами рассматривали воздействие вольтметра на измеряемую цепь , то пришли к выводу, что никакого влияния на тестируемую цепь не оказывает только идеальный вольтметр. Это утверждение справедливо и для идеального амперметра. Отличие идеального амперметра от идеального вольтметра состоит в том, что первый имеет нулевое внутреннее сопротивление, которое не позволяет ему «забирать» напряжение у тестируемой схемы, а второй, наоборот, имеет бесконечное сопротивление, которое не позволяет ему «забирать» ток у схемы при проведении измерения.

Ниже представлен яркий пример влияния амперметра (не идеального, которого в принципе не существует) на тестируемую цепь:

Пока амперметр не подключен к схеме, ток через резистор величиной 3 Ома составляет 666,7 миллиампер, а ток через резистор величиной 1,5 Ом составляет 1,333 ампер. Если к одной из ветвей данной схемы подключить амперметр с внутренним сопротивлением 0,5 Ом, то он серьезно повлияет на измеряемый ток соответствующей ветви:

При подключении амперметра к левой ветви схемы, ее эквивалентное последовательное сопротивление будет равно 3,5 Ома (R1+Rвнутр), а это значит, что прибор вам покажет 571,43 мА вместо 666,7 мА. Подключение амперметра к правой ветви схемы еще больше повлияет на измеряемый ток:

Теперь, из-за увеличения эквивалентного сопротивления правой ветви схемы, вызванного подключением амперметра, ток в ней составит 1 А вместо 1,333 А.

Использование стандартного амперметра, который подключается последовательно измеряемой цепи, не всегда практично, так как его входное сопротивление невозможно изменить. Более практичным для измерения силы тока будет использование шунтирующего резистора и вольтметра, потому что в этом случае мы можем варьировать сопротивлением шунта, и выбирать его настолько низким, насколько это необходимо. Если сопротивление шунта будет больше чем нужно, то оно может отрицательно воздействовать на измеряемую цепь, добавляя чрезмерное сопротивление потоку электронов.

Одним из способов уменьшения влияния амперметра на тестируемую цепь состоит в том, чтобы сделать провод этой цепи частью измерительного прибора. Любой находящийся под напряжением провод производит магнитное поле, напряженность которого находится в прямой зависимости от силы тока. На базе инструмента, измеряющего напряженность магнитного поля, можно сделать «бесконтактный» амперметр. Такой прибор позволяет измерять силу проходящего через проводник тока, не вступая в физический контакт с тестируемой цепью.

Амперметры такой конструкции называются «токовые клещи», поскольку у них есть специальные зажимы, при помощи которых можно зафиксировать прибор на проводе схемы. Токовые клещи позволяют быстро и безопасно произвести замер силы тока, особенно на мощных промышленных сетях энергоснабжения. Такие приборы исключают ошибку при измерении, поскольку не создают доплнительного сопротивления в тестируемой цепи.

Таким образом, механизмы зажимов токовых клещей подобны механизмам электромагнитных индикаторов, с той лишь разницей, что у них нет внутренней катушки для создания магнитного поля. Более современные конструкции токовых клещей снабжаются датчиками Холла, которые позволяют точно определить напряженность магнитного поля. Некоторые приборы в своей конструкции содержат схему усилителя, которая создает небольшое напряжение, пропорциональное току в проводе между зажимами. Это напряжение подается на вольтметр, что облегчает считывание значений пользователем. Таким образом, токовые клещи могут быть аксессуаром к вольтметру, позволяющим измерять силу тока в цепи.

На фотографии ниже показан менее точный тип амперметра чем токовые клещи — электромагнитный, стрелочный индикатор:

Принцип действия этого амперметра совпадает с принципом действия токовых клещей: магнитное поле, окружающее проводник с током, отклоняет стрелку индикатора, которая показывет текущее значение тока на шкале. Обратите внимание, что на данном индикаторе есть два масштаба измерений: +/- 75 ампер и +/- 400 ампер.

Вольтметр

Вольтметр является, вероятно, наиболее часто используемым прибором. Он имеет очень простую шкалу (). Механик может иметь дело с напряжением в диапазоне от милливольт до 5000 В и даже выше. В связи с этим при работе следует соблюдать определенные меры предосторожности.

При работе необходимо установить селекторный переключатель на соответствующую рабочую функцию. Когда напряжение в сети неизвестно, сначала надо проверить электрическую схему, переключая

измерительный прибор на максимальную шкалу. Измерение необходимо продолжать до тех пор, пока не будет найдена шкала, на которой стрелка будет находиться примерно на ее середине, где показания наиболее точны.

Омметр

Омметр используют для измерения сопротивления, проверки непрерывности цепи, быстрой проверки конденсаторов, а также для испытания некоторых полупроводниковых приборов. В большинстве случаев омметр выходит из строя из-за того, что его подключают в цепь или к узлу, который не отсоединен от источника напряжения, т. е. не обесточен. Омметр имеет собственный источник питания и не может работать надежно на другом источнике.

При измерении неизвестного по величине сопротивления или при проверке непрерывности цепи работу с прибором лучше всего начинать, переключив его на шкалу минимального сопротивления. Переключая прибор, следует подобрать шкалу с таким диапазоном, где стрелка будет на середине шкалы.

При проверке сопротивления необходимо сначала выбрать нужную шкалу сопротивлений и вставить штыри прибора в соответствующие гнезда. Концы штырей соединяют между собой и поворачивают регулировочную ручку до тех пор, пока прибор не покажет нулевое сопротивление. При изменении шкалы прибор следует повторно откалибровать на нуль. Если это сделать не удается, то батареи нужно заменить.

Отсутствие обрыва в переключателе илй Проводе электросхемы приводит к отклонению стрелки прибора на нуль. Если стрелка омметра не перемещается из положения «Выключено», то в проверяемой цепи имеется обрыв.

Остановка стрелки между бесконечностью и нулем обозначает, что прибор измеряет сопротивление проверяемой цепи. Положение стрелки на отметке «Бесконечность» означает, что сопротивление очень высокое и возможен обрыв схемы.

Бесконтактный амперметр

Бесконтактный амперметр является наиболее распространенным прибором для измерения силы переменного тока в схеме, так как это измерение может быть осуществлено без разъединения электрической цепи (рис, 179). Для того чтобы проверить силу тока, необходимо зажать захваты прибора вокруг одного из проводов, подающего ток в проверяемую цепь.

Амперметры этого типа предназначены для измерения силы тока только в схемах переменного тока. Этот прибор измеряет силу тока в проводе, который в данном случае представляет собой первичную обмотку трансформатора. Захваты прибора служат в качестве вторичной обмотки трансформатора. Этот прибор дает точные показания, когда токонесущий провод находится в центре захватов. Для обеспечения большей точности прибора сопрягаемые поверхности захватов должны быть чистыми.

При испытании схемы, в которой сила тока низкая, провод следует обернуть вокруг одного из захватов амперметра. Чувствительность прибора выше при большем количестве витков провода. Чтобы определить величину силы тока, следует показание прибора разделить на количество витков провода вокруг захвата.

Бесконтактный TrueRMS измеритель тока

При проверке силовых электрических цепей часто возникает необходимость в измерении силы тока. Чтобы измерить величину постоянного тока, как правило, применяют резисторный шунт, включенный последовательно с нагрузкой, напряжение на котором пропорционально току. Однако, если возникнет необходимость в измерении больших токов, то потребуется шунт внушительной мощности, поэтому целесообразнее использовать другие методы измерения.

В связи с этим у меня возникла идея собрать измеритель тока на основе датчика Холла. Его схема представлена на рисунке.

Особенности амперметра:

  • Измерение силы переменного или постоянного тока без электрического контакта с цепью
  • Измерение истинного среднеквадратичного (TrueRMS) значения тока независимо от формы сигнала, а также максимального значения за период (приблизительно 0.5 секунды)
  • Вывод информации на символьный LCD дисплей
  • Два режима измерения (до 10А и до 50А)

Схема работает следующим образом. Провод с током располагается внутри ферритового кольца, создавая при этом магнитное поле, величина которого прямо пропорциональна силе тока. Датчик Холла, расположенный в воздушном зазоре сердечника, преобразует величину индукции поля в напряжение, и это напряжение подается на операционные усилители. ОУ необходимы, чтобы привести уровни напряжения с датчика к диапазону входных напряжений АЦП. Полученные данные обрабатываются микроконтроллером и выводятся на LCD дисплей.

Предварительный расчет схемы

В качестве сердечника использовано кольцо R20*10*7 из материала N87. Датчик Холла — SS494B.

С помощью надфиля в кольце протачивается зазор такой толщины, чтобы там поместился датчик, то есть около 2 мм. На данном этапе уже можно примерно оценить чувствительность датчика к току и максимально возможный измеряемый ток.

Эквивалентная проницаемость сердечника с зазором приблизительно равна отношению длины магнитной линии к величине зазора:

Тогда, подставив это значение в формулу расчета индукции в сердечнике и умножив это все на чувствительность датчика, найдем зависимость выходного напряжения датчика от силы тока:

Здесь KB — чувствительность датчика к индукции магнитного поля, выраженная в В/Тл (берется из даташита).

Например, в моем случае lз = 2 мм = 0,002 м, KB = 5 мВ/Гаусс = 50 В/Тл, откуда получаем:

Реальная чувствительность к току оказалась равной 0,03В/А, то есть расчет получается весьма точным.

Согласно даташиту на SS494B, максимальная измеряемая датчиком индукция равна 420 Гауссов, следовательно максимальный измеряемый ток равен:

Фото датчика в зазоре:

Расчет цепей ОУ

В амперметре имеется два канала: до 10 А (23 вывод МК), и до 50 А (24 вывод МК). Переключением режимов занимается мультиплексор АЦП.

В качестве опорного напряжения АЦП выбран внутренний ИОН, поэтому сигнал необходимо привести к диапазону 0 — 2.56 В. При измерении токов величиной ±10 А напряжение датчика составляет 2,5±0,3 В, следовательно нужно усилить и сместить его так, чтобы нулевая точка находилась точно посередине диапазона АЦП. Для этого используется ОУ IC2:A, включенный как неинвертирующий усилитель. Напряжение на его выходе описывается уравнением:

Здесь под R2 подразумеваются последовательно соединенные R2 и P2, а под R3 соответственно R3 и P3, чтобы выражение не выглядело слишком громоздким. Чтобы найти сопротивления резисторов запишем уравнение дважды (для токов -10А и +10А):

Напряжения нам известны:

Задав R4 равным 20 кОм, получаем систему из двух уравнений, где переменными являются R2 и R3. Решение системы можно легко найти с помощью математических пакетов, например MathCAD (файл расчетов приложен к статье).

Аналогичным образом рассчитывается и вторая цепь, состоящая из IC3:A и IC3:B. В ней сигнал с датчика сначала проходит через повторитель IC3:A, а затем попадает на делитель на резисторах R5, R6, P5. После ослабления сигнала, он дополнительно смещается операционным усилителем IC3:B.

Описание работы микроконтроллера

Микроконтроллер ATmega8A выполняет обработку сигналов с ОУ и вывод результатов на дисплей. Он тактируется от внутреннего генератора на 8 МГц. Фьюзы стандартные, за исключением CKSEL. В PonyProg они выставляются так:

АЦП сконфигурирован на работу с частотой 125 кГц (коэффициент деления равен 64). По окончании преобразования АЦП вызывается обработчик прерывания. В нем запоминается максимальное значение тока, а также суммируются квадраты токов последовательных выборок. Как только число выборок доходит до 5000, микроконтроллер вычисляет RMS значение тока и выводит данные на дисплей. Затем переменные обнуляются и все происходит с начала. На схеме указан дисплей WH0802A, но можно использовать любой другой дисплей с контроллером HD44780.

Прошивка микроконтроллера, проект для CodeVision AVR и файл симуляции в Proteus приложены к статье.

Настройка схемы

Настройка устройства сводится к регулировке подстроечных резисторов. Сначала нужно настроить контрастность дисплея, вращая P1.

Затем, переключившись кнопкой S1 в режим до 10А, настраиваем P2 и P3. Выкручиваем один из резисторов максимально вправо и, вращая второй резистор, добиваемся нулевых показаний прибора. Пробуем измерить ток, величина которого точно известна, при этом показания амперметра должны получиться ниже, чем есть на самом деле. Подкручиваем оба резистора немного влево, так чтобы сохранилась нулевая точка, и опять измеряем ток. На этот раз показания должны стать чуть больше. Продолжаем это до тех пор, пока не добьемся точного отображения величины тока.

Теперь переключимся в режим до 50А и настроим его. Резистором P4 выставляем ноль на дисплее. Измеряем какой-либо ток и смотрим на показания. Если амперметр завышает их, то крутим P5 влево если занижает, то крутим вправо. Опять выставляем ноль, проверяем показания при заданном токе и так далее.

Фото устройства

Измерение постоянного тока:

Из-за недостаточно точной калибровки, значения немного завышаются.

Измерение переменного тока частотой 50 Гц, в качестве нагрузки используется утюг:

В теории среднеквадратичный ток синусоиды равняется 0.707 от максимального, но, судя по показаниям, этот коэффициент равен 0.742. После проверки формы напряжения в сети, выяснилось что оно лишь напоминает синусоиду. Учитывая это, такие показания прибора выглядят вполне достоверными.

У прибора все же есть недостаток. На выходе датчика постоянно присутствуют шумы. Проходя через ОУ, они попадают на микроконтроллер, в результате чего невозможно добиться идеального нуля (вместо нуля отображается примерно 30-40 мА RMS). Это можно исправить, увеличив емкость C7, но тогда ухудшатся частотные характеристики: на высоких частотах показания будут занижаться.

Использованные источники

Список радиоэлементов

Обозначение Тип Номинал Количество Примечание Магазин Мой блокнот
IC1 МК AVR 8-бит ATmega8A 1 DIP-28 Поиск в Utsource В блокнот
IC2, IC3 Операционный усилитель MCP6002 2 SOIC-8 Поиск в Utsource В блокнот
IC4 Линейный регулятор L78L05 1 Поиск в Utsource В блокнот
IC5 Датчик Холла SS494B 1 Поиск в Utsource В блокнот
C1-C7 Конденсатор 100 нФ 9 К10-17б Поиск в Utsource В блокнот
R1, R3, R6, R9 Резистор 10 кОм 4 SMD 1206 Поиск в Utsource В блокнот
R2 Резистор 12 кОм 1 SMD 1206 Поиск в Utsource В блокнот
R4 Резистор 20 кОм 1 SMD 1206 Поиск в Utsource В блокнот
R5 Резистор 6.8 кОм 1 SMD 1206 Поиск в Utsource В блокнот
R7, R8 Резистор 100 кОм 2 SMD 1206 Поиск в Utsource В блокнот
P1 Подстроечный резистор 10 кОм 1 3362P Поиск в Utsource В блокнот
P2 Подстроечный резистор 4.7 кОм 1 3362P Поиск в Utsource В блокнот
P3, P4, P5 Подстроечный резистор 2.2 кОм 3 3362P Поиск в Utsource В блокнот
S1 Кнопка тактовая 1 Поиск в Utsource В блокнот
LCD LCD-дисплей WH0802A 1 Или другой HD44780 Поиск в Utsource В блокнот
Источник питания 9В-15В 1 Поиск в Utsource В блокнот
Ферритовый сердечник R20*10*7 N87 1 Поиск в Utsource В блокнот
Добавить все

Прикрепленные файлы:

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *