آمپرمتر

بازدید: ۸۱۰

امپرمتر چیست
امپرمتر چیست

آمپرمتر

بازدید: ۸۱۰

آمپرمتر یک ابزار اندازه‌­گیری است که در هنگام اتصال سری به مدار، برای یافتن مقدار جریان در مدار الکتریکی، استفاده می‌­شود.

در مقاله قبلی دیدیم که گالوانومتر سیم­ پیچ متحرک آهنربای دائم (PMMC) نوعی ابزار است که در آن یک سیم ­پیچ حامل جریان در یک میدان مغناطیسی دائمی قرار می‌گیرد.

هنگامی که یک جریان الکتریکی (I) از سیم‌­پیچ عبور می­‌کند، میدان الکترومغناطیسی ایجاد شده در اطراف آن در برابر میدان مغناطیسی دائمی واکنش نشان داده و گشتاور انحرافی تولید می­‌کند که باعث حرکت آن می­‌شود. عقربه یا سوزن متصل به سیم‌­پیچ، میزان انحراف (Φ) را نشان می­‌دهد.

علاوه بر این یاد گرفتیم که سنجشگرهای سیم­ پیچ متحرک آهنربای دائم را می­‌توان به یک ولت­ متر DC با کمک مقاومت­‌های ضرب­‌کننده متصل سری تبدیل کرد. همچنین می‌توانیم از سنجشگرهای PMMC برای اندازه‌گیری جریان الکتریکی با اتصال مقاومت‌ها به صورت موازی و نه سری با سنجشگر، استفاده کنیم و این اساس آمپرمترها را تشکیل می‌دهد.

همانطور که از نام آن پیداست، آمپر­متر ابزاری است که برای اندازه‌­گیری جریان الکتریکی (I) استفاده می‌­شود و نام خود را از این واقعیت گرفته است که واحد اندازه‌گیری آمپر است.

اما برای اندازه­‌گیری جریان الکتریکی باید آمپرمتر به گونه‌­ای وصل شود تا کل جریان مورد نظر بتواند از آن عبور کند. به عبارت دیگر: 

آمپرمتر باید همیشه به صورت سری به مدار یا قطعه مورد اندازه­‌گیری متصل شود.

اما مشکل اینجاست. همانطور که در مقاله ولت­مترها دیدیم، انحراف در مقیاس کامل (FSD) یک سنجشگر PMMC استاندارد، بسیار کوچک است، بنابراین می­‌توانند تنها جریان‌های کوچکی از 0 تا IFSD را که بر حسب میکرو­آمپر (uA) یا میلی‌­آمپر (mA) داده شده است، حمل کنند که عمدتاً به دلیل اندازه سیم کوچک مورد استفاده در سیم‌­پیچ متحرک PMMC است.

آمپرمتر

اگر بخواهیم یک جریان مدار بزرگتر از این مقدار، تا ده ­ها آمپر، را اندازه‌­گیری کنیم، همانطور که یک جریان بسیار بیشتر عقربه سنجشگر را به فراتر از حداکثر انحراف FSD آن هل می‌­دهد، به طور بالقوه می­تواند بیش از حد گرم شده، به سیم­ پیچ‌­ها آسیب رسانده یا عقربه را خم ­کند. بنابراین چگونه می‌توانیم از یک سنجشگر استاندارد PMMC برای اندازه‌گیری جریان‌های بزرگ‌تر از جریان‌های درجه‌بندی شده برای FSD استفاده کنیم؟

برای اندازه­‌گیری جریان مدار، گالوانومتر باید به صورت سری وصل شود و از آنجایی که مقاومت سیم‌­پیچ RG نسبتاً زیادی دارد، بر مقدار جریان اندازه‌­گیری شده تأثیر می‌­گذارد.

هنگام استفاده از سنجشگر PMMC به عنوان آمپرمتر، دامنه اندازه‌­گیری آن را می­‌توان با کمک “مقاومت­ های شنت” متصل موازی، افزایش داد، بنابراین به آن اجازه می­‌دهد تا جریان­های DC را چندین برابر بیشتر از جریان انحراف در مقیاس کامل نامی اندازه‌گیری کند زیرا تنها کسری از جریان کل از سنجشگر عبور می‌­کند.

مقاومت های شنت آمپرمتر

حساسیت جریان آمپرمتر با مقدار جریان الکتریکی مورد نیاز سیم­ پیچ سنجشگر برای ایجاد حرکت FSD مورد نیاز عقربه، تعیین می­‌شود. مقدار حرکت سیم­ پیچ که به آن “انحراف” (Φ) می­‌گویند، متناسب با قدرت جریانی است که از سیم­ پیچ عبور می‌­کند و لازم است تا میدان مغناطیسی مورد نیاز برای انحراف سوزن را به میزانی که بر حسب درجه (یا رادیان) بر آمپر o/A (یا rad/A) داده می­‌شود، ایجاد کند.

بنابراین هر چه مقدار جریان مورد نیاز برای ایجاد انحراف کمتر باشد، حساسیت سنجشگر بیشتر است. عقربه آمپرمتر در پاسخ به جریان حرکت می‌­کند و اگر سنجشگر برای انحراف در مقیاس کامل فقط به 100uA نیاز داشته باشد، حساسیت بیشتری نسبت به سنجشگری خواهد داشت که برای FSD آن 1 میلی‌آمپر نیاز دارد.

با اتصال مقاومت­‌های شنت خارجی به صورت موازی با سنجشگر، به جای سری که در مورد ولت­ متر اتفاق افتاد، می­‌توانیم محدوده حرکت قابل استفاده آن را افزایش دهیم. این به این دلیل است که مقاومت‌های موازی، شبکه‌های تقسیم‌کننده جریان را تشکیل می‌دهند که همانطور که از نامشان پیداست، جریان اندازه‌گیری شده را بر مقداری که توسط مقدار مقاومتی آن­ها تعیین می‌شود، تقسیم می‌کنند.

مدار آمپرمتر

در اینجا مقاومت کم شنت به صورت موازی (شنت) با پایانه‌های سنجشگر PMMC متصل می‌شود و برای حمل بیشتر جریان مدار طراحی شده است به طوری که تنها بخش کوچکی از آن در سیم ­پیچ سنجشگر جریان می‌یابد.

بنابراین، مقاومت شنت دامنه آمپرمتر را با جریان سنجشگر IG افزایش می­‌دهد که متناسب با کل جریان مدار IT است و افت ولتاژ مورد نیاز را در سنجشگر برای انحراف در مقیاس کامل ایجاد می‌­کند.

فرض کنید می­خواهیم از یک گالوانومتر 100uA و 200Ω برای اندازه‌­گیری جریان مدار تا 1.0 آمپر استفاده کنیم. واضح است که نمی‌توانیم سنجشگر را مستقیماً به مدار برای اندازه‌گیری یک آمپر، متصل کنیم.

اما با استفاده از قانون اهم می‌توانیم مقدار مقاومت شنت، RS مورد نیاز برای ایجاد یک سنجشگر در مقیاس کامل و افت ولتاژ متناظر IG × RG در آن را هنگام استفاده برای اندازه‌گیری جریان مدار تا یک آمپر، محاسبه کنیم.

اگر جریانی که گالوانومتر برای آن انحراف در مقیاس کامل ایجاد می­‌کند، 100uA داده شود، مقاومت شنت RS مورد نیاز 0.02Ω محاسبه می­‌شود. برای افت ولتاژ 20mV (V = I×R = 100µA × 200Ω)، 100uA از طریق سنجشگر PMMC و 999.9mA از طریق مقاومت شنت با مقدار کم، جریان می‌یابد.

بنابراین، تقریباً تمام جریان مدار (IT) از مقاومت شنت می­‌گذرد و تنها کسر بسیار کمی از جریان مورد نیاز برای FSD از سیم‌­پیچ متحرک عبور می­‌کند و در نتیجه گالوانومتر را با اتصال یک مقاومت به اندازه کافی کوچک به صورت موازی، به آمپرمتر تبدیل می­‌کند که در زیر نشان داده شده است:

توجه داشته باشید که این مقاومت شنت، RS همیشه کمتر از مقاومت داخلی سیم پیچ، RG برای منحرف کردن جریان مدار از سیم ­پیچ‌­ها خواهد بود. بنابراین ترکیب سنجشگر با این مقاومت شنت خارجی، اساس یک آمپرمتر آنالوگ ساده را بدون توجه به FSD برای یک سنجشگر خاص، تشکیل می‌­دهد.

به عنوان مثال، می­‌توان از همین گالوانومتر برای اندازه­‌گیری جریان­‌های ۰ تا ۱ آمپر، ۰ تا ۵ آمپر یا ۰ تا ۱۰ آمپر و غیره، فقط با استفاده از مقادیر مختلف مقاومت شنت با سنجشگر یکسان و تغییر مقیاس سنجشگر بر اساس آن، استفاده کرد.

مثال ۱- آمپرمتر

یک گالوانومتر دارای مقاومت داخلی سیم ­پیچ متحرک 100Ω است و انحراف کامل را برای 3 میلی­ آمپر می‌­دهد. مقدار مقاومت شنت مورد نیاز برای تبدیل سنجشگر PMMC به آمپرمتر DC با محدوده 0 تا 5 آمپر را محاسبه کنید.

داده‌­ها: RG = 100Ω، IG = 3mA و IT(max) = 5 A

مثال امپرمتر

بنابراین مقاومت 0.06Ω یا 60 میلی اهم (60mΩ) برای اندازه‌­گیری حداکثر شدت جریان 5 آمپر مورد نیاز است.

مثال ۲- آمپرمتر

یک سنجشگر PMMC دارای مقاومت سیم ­پیچ 200Ω و یک مقیاس عقربه خطی است که با 25 قسمت مشخص شده است. اگر سنجشگر دارای حساسیت 4 میلی ­آمپر در هر قسمت باشد، مقاومت شنت مورد نیاز برای اندازه­‌گیری حداکثر جریان 20 آمپر را محاسبه کنید.

اگر 1 قسمت = 4 mA، در نتیجه 25 قسمت = 25*4mA = 100mA یا 0.1 آمپر. بنابراین سنجشگر PMMC دارایFSD  برابر 100mA است.

مثال

می‌­توان دید که مقاومت کل داده شده توسط آمپرمتر تقریباً برابر با مقدار مقاومت شنت متصل RS است و به وضوح با افزایش جریان مدار اندازه‌­گیری شده، کوچکتر می­‌شود.

بنابراین اثر بارگذاری آمپرمتر هنگام اتصال سری به قطعه مداری که جریان آن باید اندازه‌گیری شود، به شدت کاهش می‌یابد. در حالت ایده­‌آل، مقاومت کل آمپرمتر صفر خواهد بود.

از آنجایی که مقاومت‌های شنت مورد استفاده برای آمپرمترها مقادیر مقاومتی بسیار پایینی دارند، معمولاً باید از سیم با قطر نسبتاً بزرگ یا قطعات جامد میله مسی ساخته شوند. شنت‌های جریان بالا، معمولاً به عنوان میله‌های مسی کالیبره‌شده فروخته می‌شوند تا افت ولتاژ مشخصی در حد میلی‌ولت (mV) ایجاد کنند.

اندازه‌گیری جریان

همانطور که قبلا در مقاله ولت ­متر دیدیم، ابزارهای اندازه‌­گیری که از گالوانومتر استفاده می‌کنند را می‌­توان با افزودن محدوده مناسبی از مقاومت­ ها و یک کلید انتخابگر، به سنجشگرهای چند دامنه‌­ای یا مولتی رنج تبدیل کرد. آمپرمتر DC ساده را می­‌توان با داشتن تعدادی مقاومت شنت، با اندازه هر مقاومت برای محدوده جریان خاص، گسترش داد.

با انتخاب هر مقاومت، یک به یک، با استفاده از یک کلید چند قطبی ۴ یا ۵ موقعیتی، آمپرمتر این امکان را می­‌دهد که طیف وسیع­تری از جریان­ها را با یک سنجشگر اندازه­‌گیری کرد. این نوع پیکربندی آمپرمتر، آمپرمتر چند دامنه‌­ای نامیده می‌­شود.

پیکربندی آمپرمتر مولتی رنج مستقیم

در این پیکربندی آمپرمتر، هر مقاومت شنت، RS آمپرمتر چند دامن‌ه­ای به طور موازی (شنت) با سنجشگر مانند قبل وصل می­‌شود تا محدوده آمپر مورد نظر را ارائه دهد.

بنابراین اگر فرض کنیم که سنجشگر 100uA FSD بالا برای اندازه­‌گیری محدوده جریان 1mA، 10mA، 100mA و 1A مورد نیاز است، آنگاه مقاومت­‌های شنت مورد نیاز مانند قبل محاسبه می‌­شوند:

آمپرمتر چند دامنه ای مستقیم

که منجر به مدار آمپرمتر چند دامنه‌­ای مستقیم زیر می­‌شود:

در حالی که این پیکربندی مستقیم آمپر­متر کار می‌­کند، یکی از مشکلات عمده در طراحی آن نوع کلید انتخاب­ کننده چند موقعیتی است که استفاده می­‌شود. اکثر سوئیچ‌ها عملکرد «قطع قبل از وصل» (B-M) دارند، به این معنی که با چرخش کلید از یک موقعیت به موقعیت دیگر برای خواندن جریانی متفاوت، در یک لحظه کوچک، مقاومت شنت در واقع از سنجشگر جدا می‌شود. بنابراین، تمام جریان مدار اندازه‌­گیری شده از طریق سیم ­پیچ متحرک سنجشگر منحرف می­‌شود که ممکن است به آن آسیب برساند.

یکی از راه‌های غلبه بر این مشکل این است که یا از یک سوئیچ «وصل قبل از قطع» (M-B) گران‌تر استفاده کنید، یا اتصال مقاومت‌های شنت را به‌ گونه‌ای پیکربندی کنید که وقتی کلید انتخابگر چرخانده می‌شود همچنان در مدار متصل بمانند، در نتیجه از سنجشگر محافظت می­‌کنند. یکی از راه­‌های دستیابی به این امر، استفاده از روش آمپرمتر DC غیرمستقیم است.

پیکربندی آمپرمتر چند دامنه ای غیرمستقیم

یک طراحی کاربردی­‌تر، پیکربندی آمپرمتر غیرمستقیم است که در آن یک یا چند مقاومت شنت به صورت سری در راستای سنجشگر به هم متصل می­‌شوند تا محدوده جریان مورد نظر را ارائه دهند. مزیت در اینجا این است که علاوه بر استفاده از مقادیر ترجیحی استاندارد برای مقاومت‌های شنت، در هر زمان سنجشگر توسط یک مقدار مقاومتی شنت می‌شود.

بنابراین اگر دوباره سنجشگر 50mV FSD و محدوده جریان 1 میلی‌­آمپر، 10 میلی‌­آمپر، 100 میلی‌­آمپر و 1 آمپر را مانند قبل فرض کنیم، مقادیر مقاومت مورد نیاز به صورت زیر محاسبه می­‌شوند:

که منجر به مدار آمپرمتر مولتی رنج یا چند دامنه‌­ای غیرمستقیم زیر می‌­شود:

مدار آمپرمتر مولتی رنج یا چند دامنه‌­ای غیرمستقیم

بنابراین در این پیکربندی آمپرمتر آنالوگ 4 حالته غیرمستقیم دیدیم که هر چه جریانی که باید اندازه‌گیری شود بیشتر می‌شود، مقدار مقاومت شنت انتخاب شده توسط سوئیچ کمتر می‌شود. مقاومت کل متصل به موازات با سنجشگر PMMC، مجموع مقاومت­ها به صورت RTOTAL = RS1 + RS2 + RS3 + RS4 خواهد بود.

واضح است که در حالی که دو مدار، پیکربندی آمپرمتر مستقیم و غیرمستقیم، هر دو قادر به خواندن قدرت جریان یکسان هستند، پیکربندی آمپرمتر غیرمستقیم ترجیح داده می­شود زیرا هنگام چرخاندن سوئیچ انتخابگر، از سنجشگر PMMC در برابر اضافه جریان، محافظت می‌­کند.

آمپرمترهای آنالوگ، خوانش سریع و دقیق آمپرهای عبوری در مدار را ارائه می­‌دهند و از همان حرکت گالوانومتر می­‌توان به سادگی با تغییر مقدار مقاومت شنت برای نمایش طیفی از جریان­‌ها استفاده کرد. آمپرمترهای با صفر در مرکز نیز در دسترس بوده که برای نشان دادن جهت جریان عیوری مفید هستند، یعنی می‌­توانند جریان “مثبت” یا جریان “منفی” را نشان دهند.

انتخاب مقادیر مقاومت شنت در نهایت به FSD گالوانومتری که به‌عنوان آمپرمتر استفاده می‌شود و همچنین سطوح جریانی که اندازه‌گیری می‌شوند، بستگی دارد که مقیاس سنجشگر بر حسب آمپر، میلی‌آمپر یا میکرو­آمپر کالیبره ‌شود.

اما اگر بخواهیم ده­ها یا حتی صدها آمپر را اندازه­‌گیری کنیم، چه؟ همان اصول اعمال می­‌شود با این تفاوت که مقاومت شنت جریان باید یک مقاومت با مقدار بسیار کم، معمولاً در میلی‌­اهم (mΩ) یا مقدار کمتر، باشد.

آمپرمترهای DC جریان بالا به همراه شنت­های کالیبره شده در دسترس هستند تا افت ولتاژ لازم را در شنت برای تغذیه سنجشگر PMMC فراهم کنند. افت ولتاژ کمتر از 10 میلی­ولت یا 20 میلی­ولت در دسترس هستند که تبدیل دقیق جریان DC اولیه برای نمایش در مقیاس کامل تا صدها آمپر را فراهم می‌­کنند.

 

اما به یاد داشته باشید که هنگام انتخاب مقاومت شنت آمپرمتر برای حمل مقدار زیادی جریان، باید اتلاف توان I۲R آن را در نظر گرفت؛ در غیر این صورت مقاومت ممکن است بیش از حد گرم شود و آسیب ببیند.

اندازه­‌گیری جریان­‌های متناوب زیاد مستلزم استفاده از ترانسفورماتور جریان است. همانطور که در آموزش خود در مورد ترانسفورماتورهای جریان بحث کردیم، یک آمپرمتر در مقیاس کامل 5A را می­‌توان با ترانسفورماتور جریان مناسب استفاده کرد که با ترانسفورماتور انتخاب شده کالیبره می­‌شود.

نظرتان را درباره این مقاله بگویید ۱ نظر

آمپرمتر

با ثبت نظر و نوشتن کامنت، تیم ما را در راستای بهبود و افزایش کیفیت محتوا یاری خواهید کرد :)

فهرست مطالب

مقالات مرتبط

مشاهده محصولات

بروزترین مقالات

این مقاله را با دوستانتان به اشتراک بگذارید!

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

۶ + ۶ =

فروشگاه