Ampermetru

Cadranul unui ampermetru.

Simbolul unui ampermetru.

Amperimetrul este un instrument pentru măsurarea intensității curentului electric care curge printr-o secțiune a unui conductor. Numele său derivă din unitatea de măsură a curentului, ampere , (citește ampèr ), al cărui simbol este A , care la rândul său are acest nume în onoarea fizicianului și matematicianului francez André-Marie Ampère .

Ampermetrul este, împreună cu voltmetru , wattmetrul , varmeter , frecvență metru , cosphimeter (sau phasometer) etc. un instrument pentru măsurarea mărimilor electrice .

În ceea ce privește alte instrumente, parametrii fundamentali ai unui ampermetru sunt trei (a se vedea Instrumentele de măsurare pentru mărimile electrice ):

clasa de precizie (sau clasa),
domeniul de aplicare,
rezolutia.

Un alt parametru nu mai puțin important este tensiunea de izolație. Pentru un ampermetru este, de asemenea, necesar să se cunoască tipul de curent măsurat: curent continuu sau curent alternativ și, în acest din urmă caz, dacă este doar sinusoidal sau chiar cu forme de undă diferite.

Tipuri de ampermetre

Premisă

Există diferite instrumente pentru măsurarea curentului care trece într-o secțiune de conductor, pe baza măsurării câmpului magnetic generat de curent (contoare magnetoelectrice), a încălzirii induse într-un rezistor de probă (contoare termice), a tensiunii induse pe un rezistor de probă (contoare electrostatice sau voltmetrice).

Amperimetru ideal

Ampermetrul ideal este o Bipole a cărui rezistență este zero și care măsoară curentul care curge într - o ramură a unui circuit. Deoarece are o rezistență zero, inserția sa în serie cu orice ramură a circuitului nu modifică în niciun fel funcționarea circuitului în sine; de fapt, ampermetrul ideal se comportă ca un scurtcircuit . ^[1] Deși (evident) nu există ampermetre ideale în realitate, are o importanță considerabilă teoretică și de simulare a circuitelor.

Amperometru magnetoelectric

Principiul de funcționare

Același subiect în detaliu: Instrumente de măsurare pentru mărimi electrice .

Ammetrele magnetoelectrice măsoară curentul printr-o măsurare indirectă a câmpului magnetic generat de acesta. Primul tip de ampermetru a fost precis magnetoelectric: galvanometrul Deprez-d'Arsonval.

Pentru a măsura curenți între zeci de miliamperi (mii de amperi) și aproximativ 1.000 de amperi, un rezistor, numit șunt (curent de șunt ), este plasat în paralel cu instrumentul, care este traversat de marea majoritate a curentului pe care instrumentul îl măsoară , ocolind astfel instrumentul de măsurare propriu-zis. Acest expedient permite curentului care curge prin instrumentul de măsurare să fie readus la o valoare în domeniul său de funcționare.

Dacă trebuie să măsurați un curent de peste 1.000 de amperi până la peste 100.000 de amperi, șuntul (deviatorul) este foarte complex în construcția sa. Acest lucru este necesar dacă trebuie să măsurați curentul unor mașini de operare foarte mari (laminare etc.) sau de exemplu a proceselor electrochimice sau chiar pentru tracțiunea electrică în curent continuu sau chiar pentru transportul energiei (să facem câteva exemple: conexiune Franța-Anglia 52 km, legătură Italia-Corsica-Sardinia 410 km, legătură Suedia-Gotland 100 km).

Există două metode distincte pentru a putea măsura curenții electrici direcți de mare intensitate:

Traductoare magnetice
Traductoare cu efect Hall

Traductoare magnetice

Traductoarele magnetice sunt transformatoare de măsurare pentru curent continuu. În special, acestea constau în mod normal din două miezuri magnetice identice, unde curentul care trebuie măsurat circulă în primar (de obicei este o bară introdusă în interiorul celor două miezuri), iar cele două secundare au bobinele înfășurate în direcția opusă. În cele două secundare se circulă un curent alternativ de intensitate adecvată: din măsurarea valorii maxime a curentului alternativ este posibil să se obțină valoarea curentului continuu. Cu această metodă, este de asemenea posibil să se obțină precizii destul de bune (1,0%). Prezența unui traductor implică, de asemenea, că tensiunea barei pe care circulă curentul continuu (tensiune care poate fi, de asemenea, foarte mare) nu poate intra în contact cu operatorul: cele două circuite sunt cuplate magnetic, dar separate electric (curentul continuu al circuitului de curent din cea a curentului alternativ).

Traductoare cu efect Hall

Același subiect în detaliu: efectul Hall .

Pentru a putea măsura curenți direcți de intensitate ridicată, poate fi utilizat generatorul Hall. Curentul continuu, datorită unui electromagnet, produce un flux magnetic care lovește o placă subțire dintr-un material adecvat ( antimonid de indiu , arsenid de indiu , telur , bismut etc.). Această placă este, de asemenea, traversată de un mic curent continuu (aproximativ 200 - 300 miliamperi) ortogonal față de fluxul magnetic, numit curent de control. Efectul Hall induce o tensiune directă direct proporțională cu curentul de control, fluxul care lovește sonda și o constantă în funcție de dimensiunile sondei în sine. Această tensiune, în mod normal de ordinul mărimii a zecimi de volt, poate fi măsurată cu un voltmetru (de preferință potențiometric sau electrostatic pentru a evita efectele de ordinul doi), de obicei calibrat în amperi pentru a evita calculele pentru a putea urmări curentul nostru la măsura.

Amperimetru electromagnetic

Bobina fixă a acestui instrument poate fi alcătuită dintr-o singură rotație, permițând atingerea debitelor directe de peste 100 amperi sau din multe rotații mici de sârmă, în cazul în care debitul de ampermetru nu este foarte mare.

Autoconsumul (adică puterea absorbită de ampermetru) a acestor instrumente este în general foarte mic. Foarte des aceste ampermetre au un comutator pentru a schimba intervalul fără a întrerupe circuitul în care sunt instalate.

În general, aceste ampermetre au intervale care variază de la un minim de 0,5 amperi la un maxim de 200 de amperi.

Amperimetru electrodinamic

Principiul de funcționare

Pentru principiul de funcționare, consultați Instrumentele de măsurare pentru mărimile electrice .

Amperimetru electrodinamic

Așa cum este descris în Principiul de funcționare , instrumentele electrodinamice au două bobine, atunci când sunt utilizate ca ampermetre, aceste două bobine pot fi conectate atât în serie, cât și în paralel.

Amperimetru electrodinamic cu bobine în serie

În cazul conexiunii în serie, dat fiind că curentul ne este adus de arcurile antagoniste din bobina mobilă, domeniul ampermetrului este de câțiva miliamperi (mii de amperi). Cu curenți mai mari, amperometrul în sine ar fi distrus. Curenții care curg prin cele două bobine sunt, desigur, în fază una cu cealaltă.

Amperimetru electrodinamic cu bobine în paralel

Dacă vrem un ampermetru care poate măsura curenți mai intensi, trebuie să conectăm cele două bobine în paralel. Chiar și ampermetrele electrodinamice sunt sensibile la variațiile de temperatură, pentru a minimiza aceste efecte, o rezistență adecvată la manganină este inserată în serie cu fiecare bobină. Dacă este bine construit, acest instrument este insensibil la frecvența curentului electric care trece prin el, deoarece este posibil să vă asigurați că cele două curente (deși circuitele sunt în paralel) sunt în fază una cu cealaltă. Acest ampermetru poate fi utilizat atât pentru curenți direcți, cât și pentru curenți alternativi. Un ampermetru construit în acest mod este capabil să măsoare valoarea efectivă a curentului chiar dacă curentul în sine conține armonici care modifică forma undei. Gama normală a acestor ampermetre este de obicei de 5 sau 10 amperi. De asemenea, cu aceste instrumente este posibil să variați intervalul instrumentului fără a întrerupe curentul din circuit.

Metoda de măsurare pentru curenți de peste 10 amperi

Folosirea unui șunt (deviator), atunci când doriți să măsurați curenți alternativi și mai mari, așa cum este obișnuit în ampermetrele magnetoelectrice, nu este fezabilă din cauza dificultății de a construi un deviator adecvat cu un raport între rezistență și inductanță identic cu ampermetrul în sine. În aceste cazuri, se preferă utilizarea transformatoarelor de curent (CT) cu un raport de transformare care poate varia de la 50/5 până la 250/5.

Amperometre termice

Principiul de funcționare

Pentru principiul de funcționare, consultați Instrumentele de măsurare pentru mărimile electrice .

Amperometre cu expansiune termică

În ampermetrele cu expansiune termică, curentul care trebuie măsurat traversează rezistența care încălzește spirala bimetalică. Acest ampermetru poate fi utilizat pentru a măsura orice tip de curent electric, indiferent dacă este direct, alternativ sau orice formă de undă este. Un ampermetru construit în acest mod este foarte robust din punct de vedere mecanic și este de mare folos în cazul în care nu se dorește o promptitudine mare de răspuns în indicație. Adesea și de bună voie, indicatorul de supracurent poate fi utilizat în aplicații practice așa cum se explică în principiul de funcționare.
În trecut, s-au folosit ampermetre de expansiune termică, numite ampermetre cu fir fierbinte, unde un fir de platină a fost traversat de curentul de măsurat. Acest curent a provocat încălzirea firului de platină care s-a deformat și, cu o serie de reveniri, a controlat indicele instrumentului. Astăzi, aceste instrumente sunt complet abandonate.

Un exemplu de aplicare practică a unui ampermetru de expansiune termică este atunci când, dorind să măsurăm curentul utilizat de o mașină care funcționează la sarcină variabilă utilizând un alt tip de instrument, am vedea că acul instrumentului oscilează continuu fără a putea judeca sarcina medie a mașină.

Acest instrument are avantajul de a arăta direct valoarea efectivă echivalentă termic a curentului.

Amperimetru de panou la Muzeul Național de Știință și Tehnologie Leonardo da Vinci

Instrumente de măsurare termocuplă sau termoelectrică

Instrumentele de termocuplu pot fi împărțite în două familii mari.

Instrumente cu termocuplu încălzite direct.
Instrumente cu termocuplu încălzite indirect.

Termometrele termocuplate direct sunt construite conceptual dintr-un miliammetru magnetoelectric (vezi ampermetrele magnetoelectrice) și o pereche termoelectrică încălzită de curentul de măsurat. Cuplul termoelectric este sudat pe firul traversat de curentul de măsurat. Pe măsură ce curentul trece, se generează o creștere a temperaturii pe sudură și, în consecință, se generează o tensiune directă între cele două capete ale cuplului termoelectric care poate fi măsurată cu un miliametru magnetoelectric.

Termometrele cu termocuplu încălzite indirect sunt identice din punct de vedere conceptual cu ampermetrele cu termocuplu direct încălzite, diferind de acestea prin faptul că termocuplul nu este lipit cu firul fierbinte. Termocuplul este încălzit prin conducție termică sau prin radiație termică.

Aceste instrumente cu termocuplu sunt calibrate empiric și sunt ideale pentru măsurarea (dată fiind sensibilitatea mare a instrumentelor magnetoelectrice) chiar și a curenților de înaltă frecvență. Cu toate acestea, dacă trebuie măsurat un curent de înaltă frecvență, este mult mai bine să utilizați ampermetre termocuplu cu încălzire indirectă, deoarece capacitatea parazitară a instrumentului este mai mică.

Toate instrumentele de termocuplu nu pot rezista la suprasolicitare, având în vedere temperatura deja ridicată a termocuplului.

Ammetre electrostatice

Principiul de funcționare

Pentru principiul de funcționare, consultați Instrumentele de măsurare pentru mărimile electrice .

Amperimetru electrostatic

Deoarece principiul electrostatic ne permite doar să măsurăm tensiunile, putem, în principiu, să construim un ampermetru electrostatic măsurând tensiunea generată atunci când o rezistență (șunt) de valoare cunoscută este traversată de curentul nostru pentru a fi măsurat. Cu toate acestea, în practică, deoarece principiul electrostatic permite construirea voltmetrelor cu rezistență internă ridicată, dar, din păcate, cu sensibilitate slabă, sunt preferate ampermetrele cu alte principii de funcționare în funcție de nevoile noastre; de fapt, pentru a face un ampermetru electrostatic sensibil, rezistența la șunt ar trebui să fie ridicată, dar acest lucru ar afecta foarte mult curentul destinat să fie măsurat prin modificarea funcționării circuitului examinat. Din acest motiv, ammetrele electrostatice practic nu există sau sunt foarte rare.

Amperometre cu inducție

Principiul de funcționare

Pentru principiul de funcționare, consultați Instrumentele de măsurare pentru mărimile electrice .

Amperimetru cu inducție

Pentru a avea un ampermetru care funcționează cu principiul inducției, este necesar să aveți două debituri defazate (dacă sunt în fază, cuplul este zero). Există diferite moduri de a crea două fluxuri pe disc și, în consecință, doi curenți induși.

O primă metodă (și cea mai evidentă) este eliminarea treptată a curenților din electro-magneți. Pentru a face acest lucru este necesar să puneți un rezistor în serie cu o bobină, o reactanță în serie cu cealaltă bobină și conectați aceste două circuite în paralel unul cu celălalt (dacă le-am conecta în serie, aș avea două fluxuri în fază cu fiecare alte). În acest fel, se obține o anumită defazare între fluxurile celor doi electro-magneți. Un ampermetru construit în acest mod trebuie să funcționeze la frecvența de calibrare, deoarece unghiul dintre cele două fluxuri variază pe măsură ce variază frecvența curentului care îl generează.
O a doua metodă constă în împărțirea unui electromagnet la o mică distanță în apropierea pieselor polare și înconjurarea acestei diviziuni cu o bobină scurtcircuitată. Într-un instrument construit în acest fel, al doilea electromagnet nu este necesar și nu este prezent (avem deja doi fluxuri magnetici alternanți decalați unul de celălalt). În acest caz, discul se rotește întotdeauna în direcția de rotație, ceea ce duce discul să treacă de la expansiunea polară a electromagnetului fără bobină la cea cu bobina scurtcircuitată.
Să vedem această soluție puțin mai în detaliu. Fluxul generat de o singură bobină în apropierea piesei polare (unde electromagnetul se împarte în două părți) se desparte. O parte trece acolo unde este prezentă bucla scurtcircuitată. Acesta generează o tensiune alternativă care, la rândul său, generează un curent alternativ și, în consecință, generează un mic flux alternativ (flux secundar). Acest flux secundar este adăugat vectorial la cele două jumătăți ale fluxului generat de bobină. Și aici apar indispensabilele două fluxuri eșalonate.
O a treia metodă constă în interceptarea unei părți din fluxul singurului electromagnet prezent cu un ecran metalic. De asemenea, în acest caz, discul se va roti în direcția care merge de la electromagnet fără ecran la cea cu ecran.
Să vedem această soluție puțin mai în detaliu.
Fluxul generat de o singură bobină va genera pentru o parte un curent indus pe disc și pentru cealaltă parte un curent indus pe ecran (rețineți că ecranul interceptează doar o parte din fluxul generat de electromagnet). Acești doi curenți sunt întotdeauna în fază unul cu celălalt. Curentul de pe disc cel mai apropiat de scut se va deplasa în direcția opusă curentului de pe scutul cel mai apropiat de disc. Acești doi curenți în opoziție unul cu celălalt tind să se atragă unul pe celălalt și aici apare cuplul motor proporțional cu pătratul curentului care a generat fluxul principal.

Amperometre digitale

Acestea constau dintr-un voltmetru digital care afișează tensiunea măsurată pe un rezistor de precizie (șunt) traversat de curentul testat. Un microprocesor poate efectua calcule pe semnalul eșantionat pentru a determina adevărata valoare RMS a curentului, precum și valoarea de vârf sau alți parametri.

Clemă curentă

O clemă de curent ICE

Acestea sunt instrumente portabile care măsoară câmpul magnetic indus de trecerea curentului într-un cablu conductor. Ele au, în general, forma unor clești sau inele deschizabile, în interiorul cărora este plasat firul examinat fără a fi nevoie să întrerupă circuitul. Clestele sunt fabricate din material feromagnetic și constituie un circuit magnetic care concentrează fluxul magnetic . În interiorul dispozitivului, o bobină înfășurată pe circuitul magnetic generează o tensiune la capetele sale, care poate fi măsurată de un instrument integrat. Acest tip de ampermetru măsoară atât curent alternativ cât și curent continuu cu o precizie rezonabilă.

Există, de asemenea, versiuni cu panou fix, unde un transformator de curent este fixat pe cablu, iar instrumentul indicator este fixat pe panoul frontal al tabloului electric.

Dispozitivele mai sofisticate capabile să măsoare și curentul continuu se bazează pe un senzor de efect Hall , care permite efectuarea de măsurători cu precizie ridicată a intensității unui curent de curent, într-un interval de frecvență care variază de la curent continuu până la 100 MHz.

Notă

^ Richard C. Dorf, James A. Svoboda, Voltmeters and ammeters , în Introducere la circuite electrice , John Wiley & Sons, 2010, p. 31, ISBN 9780470521571 .