§ 2.9. измерение силы тока, напряжения и сопротивления

Устройство и принцип работы

В зависимости от исполнения измеряющих цепей прибора ваттметры подразделяются на две разновидности.

Аналоговый

Аналоговые сигналы по своей природе непрерывны. Для замера мощности пропускаемого по цепи электрического тока применяют электродинамические измерители. Аналоговый гальванометр работает на основе электромагнитного взаимодействия двух катушек. Одна из них – электродинамический статор – надёжно фиксируется в приборе, прикреплена к его каркасу (нижней части корпуса). Обмотка статорной части намотана толстым (до 1 мм или более в диаметре) обмоточным эмальпроводом. Её сопротивление мало. Она включается последовательно с нагрузкой, без добавочных резисторов.

Роторная или подвижная катушка движется в поле статорной. Она закреплена на оси так, чтобы не создавать перекос в зазоре статора при отклонении в любую из двух сторон. Она намотана тонким эмальпроводом, имеет значительно большее сопротивление (и число витков). Если бы её намотали таким же толстым проводом – действие гальванометра визуально было бы никаким. Она подключается параллельно нагрузке через высокоомный дополнительный резистор. Тот, в свою очередь, предотвращает короткое замыкание на цепи и между витками – и выход из строя гальванометра.

Когда ваттметр подключается к сети – вернее, сеть включается через него – подвижная и неподвижная катушки вырабатывают свои магнитные поля. Взаимодействуя этими полями друг с другом, роторная катушка поворачивается на определённый (расчётный) угол. К оси катушки подвешена стрелка с плоской пружиной. Та возвращает саму стрелку в исходное (нулевое) положение – сразу же после отключения ваттметра от сети. Направление стрелки совпадает с плоскостью подвижной катушки – они обе прикреплены друг к другу.

Конец неуравновешенной стрелки может падать на пластину с нанесённой на неё и отградуированной шкалой, задевать за неё при движении по самой шкале. Чтобы исключить такое подтормаживание стрелки, фирма-приборостроитель балансирует её при помощи металлического волоска (стремени), расположенного у самой оси, вокруг которой поворачивается и сама катушка.

Такая конструкция отдалённо напоминает микроскопические весы или каплю в жидкостном уровнемере, находящиеся в точном равновесии, в центре. Сам противовес напаивается из легкоплавкого металла или сплава. Стрелка балансируется по уровню – в лежачем и стоячем положении гальванометра. Если прибор упадёт, балансир порвётся, то такой гальванометр считается испорченным и подлежит переработке.

Важно! Градусы, на которые поворачивается катушка со стрелкой, эквивалентны количеству вольт-ампер, пропускаемых сейчас по цепи. Некоторые модели приборов, подобно электрокардиометру, снабжены не гальванометром, а самописцем – они печатают таблицы значений тока, напряжения и мощности, либо выводят на рулоне бумаги график мощности

Цифровой

Электродинамический гальванометр в таком ваттметре заменён цифровым устройством, работающим на основе предварительного измерения силы тока и напряжения. Последовательно с нагрузкой к входу прибора подключается датчик тока – аналог простого амперметра. Параллельно – датчик напряжения (аналог обычного стрелочного вольтметра). Элементная база, из которой собираются эти датчики, включает в себя термопары, контрольные трансформаторы тока, термисторы и так далее.

Далее в дело вступает АЦП – микросхема, преобразующая аналоговый сигнал в цифровой. Эти данные передаются на кристалл микропроцессора. Сам процессор определяет величину (ре) активной мощности. Обработанные сведения передаются в оперативную и флеш-память и доступны для считывания внешними устройствами. В более дорогих моделях ваттметров они передаются через COM- или USB-порт – и в любой модели отображаются на дисплее.

Проблема правильной эксплуатации бытовой электрической сети

С конструктивной точки зрения бытовая электрическая сеть отработана до высокой степени совершенства: ее нормальная эксплуатация не требует специальных знаний.

Сеть рассчитана на определенные условия эксплуатации, нарушение которых приводит к полному или частичному отказу, а в тяжелых случаях – к возникновению пожара.

Условие правильной эксплуатации – отсутствие перегрузки.

При этом нагрузочная способность розеток и потребление подключаемой к ним техники измеряется различными единицами:

• для розеток это максимально допустимый переменный ток (6 А у традиционных советских розеток старого жилого фонда, 10 или даже 16 А у розеток европейского стиля);
• подключаемое оборудование характеризуются мощностью, которая измеряется в Ваттах (для мощных устройств вместо Ватт указываются более крупные единицы: киловатты (1 кВт = 1000 Вт), что позволяет не путаться в многочисленных нулях).

Отсюда возникает необходимость:

• определения связи мощности и тока;
• нахождения мощности отдельного электрического прибора.

Связь между Ваттами и Амперами проста и следует прямо из приведенного выше определения Ватта. Задача упрощается тем, что напряжение исправной бытовой сети всегда одинаково (220 или 230 В). Отсюда по току всегда находится мощность.

Косинус фи и реактивная нагрузка

Например, мой самопальный простой блок питания, включенный в сеть и не питающий никакую нагрузку,  все равно потребляет энергию, так как является трансформаторным. Напряжение сразу идет на первичную обмотку трансформатора.

Его  не следует оставлять включенным в розетку, так как он все равно хоть и немного потребляет ток.

Включаю свой трансформаторный блок питания в сеть 220 Вольт. Итак, напряжение в розетке 236,8 Вольт:

К блоку питания я подцепил лампочку на 12 вольт. Итого, нагруженный блок питания у нас потребляет 0,043 Ампера.

Power Factor – коэффициент мощности, он же косинус фи. Сейчас он у нас равен  0,42, так как нагрузка индуктивная.

Проверяем все это дело по формуле P=IUcos φ=0,043х236,8х0,42=4,28 Ватт. Почти все сходится с небольшой погрешностью.

Какие есть приборы для измерения электрического сопротивления

Часто возникает вопрос, как называются приборы для измерения сопротивления. Чтобы измерить электрическое сопротивление, используются следующие приборы:

• Омметр. Это прибор спецназначения, который предназначен, чтобы определить сопротивление электротока.
• Мегаомметр. Измерительное устройство, которое предназначено, чтобы измерять большие показатели сопротивления. Отличием от омметра станет то, что при замерах в цепь будет подаваться высокое напряжение.
• Мультиметр. Электроприбор, который способен измерить разные показатели электроцепи, включая сопротивление. Есть 2 разновидности: цифровой и аналоговый.

Омметр

Ремонт проводки, электро- и радиотехнических изделий предполагает проверку целостности кабелей и поиск нарушения контактов в соединениях. В некоторых ситуациях сопротивление равняется бесконечности, в других — 0.

Важно! Измерять сопротивление в цепи с помощью омметра, чтобы избежать поломки, допустимо лишь при обесточивании проводов. Измерение сопротивления омметром

Измерение сопротивления омметром

До замеров сопротивления омметром требуется приготовить измеритель. Требуется:

• Зафиксировать переключатель изделия в позицию, которая соответствует наименьшему замеру величины сопротивления.
• Затем проверяется функциональность омметра, поскольку бывают плохие элементы питания и устройство способно не функционировать. Соединяются окончания щупов друг с другом. В омметре стрелка устанавливается точно на 0, когда это не произошло, возможно покрутить рукоятку «Уст. 0». Если изменений нет, заменяются батарейки.
• Чтобы прозвонить электроцепь, возможно использовать прибор, где сели батарейки и стрелка не ставится на 0. Сделать вывод о целостности электроцепи возможно по отклонению стрелки. Омметр должен показывать 0, вероятно отклонение в десятых омов.
• После проверки изделие готово к функционированию. Когда коснуться окончаниями щупов проводника, то в ситуации с его целостностью, устройство показывает нулевое сопротивление, иначе показания не поменяются.

Использование омметра

Мегаомметр

Чтобы измерить электросопротивление в диапазоне мегаомов, применяется устройство мегаомметр. Принцип функционирования устройства основывается на использовании закона Ома.

Для реализации такого закона в изделии, понадобятся:

• генератор постоянного тока;
• головка для измерений:
• клеммы, чтобы подключить измеряемое сопротивление;
• резисторы для работы измерительной головки в рабочем диапазоне;
• переключатель, который коммутирует резисторы.

Важно! Реализация мегаомметра нуждается в минимальном количестве элементов. Подобные изделия исправно функционируют длительное время

Напряжение в аппаратах будет выдавать генератор постоянного тока, величины которого разнятся.

Измерение сопротивления мегаомметром

Работы на электрооборудовании с таким устройством несут повышенную опасность в результате того, что устройство будет вырабатывать высокое напряжение, возникает риск травматизма. Работы с мегаомметром производит персонал, который изучил руководство по использованию устройства, правила техники безопасности во время работ в электрооборудовании. Специалист должен иметь группу допуска и время от времени проходить проверку на знание правил работы в установке.

Мультиметр

Мультиметры бывают универсальными и специализированными, предназначенными в целях выполнения одного действия, однако проводимого по максимуму точно. В устройстве омметр считается лишь элементом прибора, его нужно включить в необходимый режим. Мультиметры нуждаются в определенных навыках применения — необходимо знать об их правильном подключении и интерпретировании готовых сведений.

На вид цифровое и аналоговое устройства легко различить: в цифровом информация выводится на монитор цифрами, в аналоговом циферблат проградуирован и на показатели указывает стрелка. Цифровой мультиметр более прост в применении, поскольку тут же покажет готовые данные, а показания аналогового нужно расшифровывать.

Во время работы с подобными приспособлениями, нужно учесть, что в цифровом мультиметре присутствует индикатор разрядки источника питания — когда силы тока аккумулятора не хватает, он перестанет функционировать. Аналоговый в подобном случае ничего не показывает, а просто выдает ошибочные сведения.

Важно! Для бытового использования подходит любое устройство, на шкале которого указывается достаточный предел измерения сопротивления. Измерение мультиметром

Измерение мультиметром

Несколько слов о силе тока, и для чего ее бывает нужно измерять

Для начала вспомним, что же это такое – сила электрического тока.

Этот показатель (I) измеряется в амперах и входит в число основных физических величин, определяющих параметры той или иной электрической цепи. К двум другим относят напряжение (U, измеряется в вольтах) и сопротивление нагрузки (R, измеряется в омах).

Как преподносилось в школьном курсе физики, электрический ток является направленным движением заряженных частиц по проводнику. Если рассматривать с большим упрощением, вызывается он электродвижущей силой, возникающей из-за разности потенциалов (напряжения) на полюсах (клеммах, контактах) подключенного источника питания. По своей сути сила тока показывает количество этих самых заряженных частиц, проходящих через конкретную точку (элемент схемы) в единицу времени (секунду).

На величину силу тока в цепи влияют два других параметра. Напряжение связано прямой пропорциональностью – так, например, его увеличение вызывает и повышение силы тока. Сопротивление – наоборот, то есть с его ростом при том же напряжении сила тока снижается.

Забавная картинка, наглядно демонстрирующая взаимосвязь основных величин электрической цепи: «Вольт стремится «пропихнуть» Ампер по проводнику, преодолевая препятствия, чинимые Омом».

А слева на иллюстрации показано графическое, удобное для восприятия, изображение закона Ома, показывающего эти взаимосвязи. Из этой «пирамиды» легко составляются формулы в их привычном написании:

U = I × R

I = U / R

R = U / I

Итак, сила тока измеряется в амперах. С некоторым упрощением можно объяснить так, что 1 ампер – это ток, который возникнет в проводнике сопротивлением 1 ом, если к нему приложить напряжение, равное одному вольту.

Кроме основной единицы, используют и производные. Так, довольно часто приходится иметь дело с миллиамперами. Из самого термина понятно, что 1 мА = 0.001 А.

Кстати, сразу упомянем, и про мощность. Ток в 1 ампер, вызванный напряжением 1 вольт, выполнит работу в 1 джоуль. А если это привести к единице времени (секунде), то получится значение мощности, равное 1 ватту.

Это определяется формулой закона Джоуля-Ленца:

P = U × I

где Р – мощность, выраженная в ваттах.

Для чего все это рассказывалось? Да просто потому, что большинство случаев замера силы тока, так сказать, на бытовом уровне, так или иначе связано с определением других параметров. Согласитесь, мало кому придет в голову мысль: «а дай-ка я проверю силу тока просто так», то есть без дальнейшего практического приложения. Тем более что, как уже упоминалось выше, работа с амперметром – наиболее сложная и зачастую небезопасная.

Например, в каких случаях чаще всего замеряют силу тока:

• Для уточнения реальной потребляемой мощности того или иного бытового электроприбора. Промерив значения силы тока и напряжения несложно по формуле вычислить и мощность.
• Этот же промер и последующий расчет позволяют оценить, советует ли подводимая линия питания таким нагрузкам.
• Случается, что подобные «ревизии» позволяют выявить пока еще скрытые, незамеченные дефекты прибора – когда значение силы тока (и мощности, соответственно) намного отличаются от заявленного в паспорте номинала в ту или иную сторону.
• Измерения силы тока позволяют оценить степень заряженности автономных источников питания – аккумуляторов и батареек. Проверка их по напряжению никогда не дает объективной картины. Вольтметр может показать, скажем, положенные 1.5 вольта, но уже спустя несколько минут элемент питания безнадежно «сядет». То есть проверку следует проводить именно измерением силы тока.
• Таким измерением можно выявить утечку тока, там, где ее по идее быть не должно. Это часто практикуется автомобилистами, если у них есть подозрения, что аккумулятор слишком активно разряжается, когда машина «отдыхает» в гараже или на стоянке. Проведенная проверка позволяет локализовать участок утечки и избежать, кстати, немалых проблем, к которым она может привести.

Цены на мультиметры

мультиметр
Умение замерять силу тока позволяет выявить утечку в электрохозяйстве автомобиля

Иногда требует проверки зарядное устройство аккумулятора – выдает ли оно необходимое значение тока зарядки.

Возможны и иные случаи, когда требуется иметь объективные данные о реальной силе тока. Но основные случаи все же перечислены.

Применение закона Ома

Основной закон электротехники, он же закон Ома, гласит: I=U/R где I-это ток в амперах,
U-напряжение в вольтах, R-сопротивление в омах. Эта формула говорит нам, что если в разрыв измеряемой
нагрузки (где нужно измерить ток) включить шунт (R) и измеренное на шунте напряжение (U) подставить
в формулу, по двум величинам R и U мы узнаем нужную нам I — протекающий ток.

Пример: мы ожидаем ток 20-30 А, а может и больший от потребления двигателем шуруповерта. У нас
имеется проволочный шунт, сопротивлением 0,035 Ом

Шунт подключается в разрыв плюса или минуса, это не
важно — действующий ток одинаков на всех участках цепи. Так же параллельно шунту подключается вольтметр —
по его показания можно судить о токе, потребляемом нагрузкой

У меня при почти полном торможении вала
двигателя вольтметр показывал около 0,9 В. Подставив известные нам значения в формулу I=0,9/0,035=25,7А —
такой ток потребляет мотор.

Обратите внимание:При измерении пульсирующих и динамически меняющихся токов, цифровой вольтметр
не очень подходит, так как его контроллер очень медленно снимает показания. Для данной цели больше подходит
стрелочный вольтметр.. Подобрав шунт нужного сопротивления, можно измерять любые постоянные или пульсирующие токи, хоть до
300 А и более

Хотя я сомневаюсь, что такие измерения вам понадобятся. Обычные резисторы не подходят в
роли шунта для больших токов, так как обладают малой мощностью рассеяния. Рассчитать примерную мощность
рассеяния шунта можно умножив ожидаемый ток в амперах на падение на нем в вольтах. Для выше приведенного
примера это 25,7*0,9=23,13 Вт, такой мощностью обладают проволочные резисторы.

Подобрав шунт нужного сопротивления, можно измерять любые постоянные или пульсирующие токи, хоть до
300 А и более. Хотя я сомневаюсь, что такие измерения вам понадобятся. Обычные резисторы не подходят в
роли шунта для больших токов, так как обладают малой мощностью рассеяния. Рассчитать примерную мощность
рассеяния шунта можно умножив ожидаемый ток в амперах на падение на нем в вольтах. Для выше приведенного
примера это 25,7*0,9=23,13 Вт, такой мощностью обладают проволочные резисторы.

Самодельный резистор сопротивлением 1 ом установлен в разрыв цепи. Замерив на нем переменное напряжение, одновременно получим и точное значение силы тока.

В свободную розетку к ее контактам присоединяют самодельный резистор. После этого можно сразу к его концам «крокодильчиками» подцепить щупы мультиметра. Провода и сам тестер должны быть настроены на режим вольтметра для переменного тока.

Включается прибор-нагрузка. Но дисплее мультиметра показывается  напряжение (в вольтах) для участка цепи сопротивлением 1 ом . Это же значение, но только в амперах – искомая сила тока в замкнутой цепи.

Важно – резистор при таком замере может очень быстро нагреваться, буквально докрасна. Поэтому снятие показаний должно выполняться с максимальной оперативностью

Как только подключенный прибор вышел на свою мощность, показания на дисплее стабилизировались – их записывают и выключают нагрузку.

Есть и другой способ измерения силы переменного тока при отсутствии соответствующего амперметра. Ток можно выпрямить с помощью диодного моста. Подробнее об этом – в предлагаемом видеосюжете.

Как с помощью амперметра можно проверить элементы питания

Еще один частый случай, когда приходится переключать мультитестер в режим измерения силы тока. Речь идет о проверке элементов питания. Помогает как при приобретении батареек в сомнительных торговых точках, так и при ревизии накопившегося дома запаса.

Безусловно, для начала будет неплохо проверить батарейки по напряжению. Для этого переключатель режимов мультиметра устанавливается на постоянное напряжение (DCV). Предел измерений – в соответствии с заявляемым напряжением элемента питания. Если это наиболее распространенные 1.5 вольта, то оптимальным будет предел 2000 мВ (= 2В). Можно установить и 20 В – в этот предел вкладываются практически все используемые элементы питания.

Щуп черного провода (СОМ) прикладывается к отрицательному полюсу элемента питания. Красный, установленный в соответствующее гнездо – к положительному. Производится быстрый замер напряжения. И если оно менее 1.2 В, то такую батарейку можно смело отправлять на утилизацию – она села, и чудес от нее ждать не приходится.

Косвенный метод определения силы тока в электрической цепи

В основе данного метода измерения лежит правило: зная зависимость трех параметров, всегда можно определить один из них при известных данных двух других значений. Для электрической цепи справедлив закон Ома, в соответствии с которым сила тока (I) имеет прямую зависимость от напряжения (U) или разности потенциалов. Формула закона для участка цепи выгладит следующим образом:

I = U/R, где R – это сопротивление (в Омах) на участке электрической цепи. Из уравнения видно, что сила тока имеет обратную зависимость от сопротивления.

Косвенный метод позволяет осуществлять измерение силы тока как эмпирическим путем, так и математическим вычислениями. В первом случае исходные значения напряжения и сопротивления определяются вольтметром и омметром. Во втором варианте эти данные берутся из расчетных показателей электрической схемы. Необходимо помнить, что при математическом расчете параметров электрической цепи будут получены абсолютные значения, соответствующие идеальным данным. На практике, они могут значительно отличаться из-за характеристик материалов, внешних факторов и т.д.

Также при косвенном методе можно определить искомые параметры зная потребляемую мощность устройства (Р), которая является произведением напряжения и силы тока (Р=U x I).

Ваттметры для постоянного тока

Вы ведь не будете каждый раз таскать с собой громоздкий блок питания или два мультиметра, которые будут измерять и ток и напряжение? Поэтому, в настоящее время ваттметры представляют из себя законченные приборы, которые очень легко соединяются с потребляемой нагрузкой. На Алиэкспрессе я  находил вот такие ваттметры для постоянного тока, которые показывают сразу и ток, и напряжение, и потребляемую мощность нагрузки. К проводам, где написано SOURCE цепляем источник постоянного тока, а к проводам LOAD цепляем нагрузку. Все элементарно и просто!

Некоторые из них идут в комплекте со шунтом

Схема подключения источника постоянного тока и нагрузки в таком ваттметре выглядит так

Ну и самый бюджетный вариант – это взять ампервольтметр и просто умножать значения тока и напряжения

Вот такой вольтамперметр рассчитан на  максимальные параметры 100 Вольт и 50 Ампер. То есть, теоретически, он может измерять мощность до 5 кВт.