Jak zmierzyć natężenie prądu?

Dawno dawno temu, gdy była wczesna wiosna i przyroda budziła się do życia, w artykule Multimetr pierwsze starcie – pomiar napięcia opisałem zarówno czym jest napięcie elektryczne, jak i pokazałem sposób wykonywania pomiaru tej wielkości.
W tym podzielonym na dwie części artykule nie tyle będę odgrzebywał tamten temat, co wykonam pomiar zupełnie innego typu: pomiar natężenia prądu płynącego w obwodzie elektrycznym (w skrócie: pomiar prądu). Cechą wspólną tych dwóch pomiarów jest narzędzie, którym wykonam pomiary czyli multimetr, który dzisiaj będzie pełnił rolę amperomierza (miernika do pomiaru prądu).

W artykule znajdziesz następujące zagadnienia:

• Czym jest pomiar natężenia prądu?
• Kilka słów o jednostce natężenia prądu
• W jaki sposób wykonać pomiar i na co trzeba uważać?
• Wstępne ustawienie multimetru.
• Wykonanie stanowiska do pomiaru natężenia prądu.

Całość będzie okraszona w schematy i zdjęcia prezentujące jak ten temat ugryźć.
Zapraszam do lektury 🙂 .

Czym jest pomiar natężenia prądu?

To kluczowe pytanie na które, przed wykonaniem pomiaru, warto poznać odpowiedź. Wracając do podstaw omawianych w artykułach “Słów kilka o… elektryczności” (cz. 1 i cz. 2) natężenie prądu jest to ilość elektronów jaka przepływa przez urządzenie elektryczne przez określony czas.

Pomiar prądu może być przydatny do:

1. Określenia czy urządzenie działa prawidłowo. Znając prąd jaki powinien płynąć przez urządzenie (a nierzadko wiemy to, dzięki instrukcji dostarczonej wraz z urządzeniem lub dzięki tabliczce znamionowej w formie naklejki na urządzeniu), możemy porównać go z rzeczywistym natężeniem prądu, który zmierzyliśmy przy użyciu multimetru.
   Jeśli wynik pomiaru jest większy niż przewiduje producent urządzenia, to znaczy, że coś się dzieje (raczej niedobrego). Jeśli zaś wynik pomiaru jest mniejszy lub nawet dużo mniejszy, to niekoniecznie oznacza coś złego. Wiele urządzeń nie musi pracować z pełną mocą, aby funkcjonować dobrze. Postaram się to zresztą pokazać w przykładowych pomiarach.
2. Obliczenia rzeczywistego poboru mocy przez urządzenie. Im większy prąd przepływający przez urządzenie tym większą posiada moc. A im większa moc tym większe są rachunki 🙂 . Wykonując pomiar natężenia prądu możemy stwierdzić, które urządzenie zagląda najbardziej do naszej kieszeni. Ale uwaga! Takich obliczeń, wynikających z obserwacji pomiaru natężenia prądu, możemy dokonać tylko dla urządzeń, które pobierają mniej więcej stałą wartość prądu np. telewizory, wentylatory, odkurzacze, miksery, czajniki elektryczne.
   Z drugiej strony m.in. grzejnik elektryczny, pralka, lodówka, zmywarka pobierają zróżnicowaną ilość prądu w zależności od potrzeb i chwili w której jest wykonywany pomiar.

Jednostka pomiaru

Wynik natężenia prądu otrzymujemy w Amperach [A]. Pewnie zastanawiasz się ile to jest 1 Amper? Wybacz, ale definicja 1A w układzie jednostek SI jest tak bardzo mało strawna, że nie będę jej tutaj przytaczał. Jak dla mnie jest zupełnie oderwana od rzeczywistości i zaraz po jej przeczytaniu natychmiast o niej zapominam.
Na początek wystarczy wiedzieć, że ilość amperów jest wprost zależna od ilości przepływających przez przewód elektronów w ciągu określonego czasu.
Innymi słowy, im więcej samochodów przejeżdża  w danym punkcie autostrady w ciągu minuty, tym większe natężenie ruchu.

Zatem 1A to dużo czy mało?
Dla człowieka bardzo dużo. W tym miejscu warto przypomnieć, że maksymalna bezpieczna wartość prądu przepływającego przez człowieka wynosi 0.03A (tak, to jest bardzo mało, ale tak jesteśmy zbudowani i nic na to nie poradzisz).
Dla urządzeń? Różnie. Laptop pobiera 0.10A – 0.30A prądu z gniazdka, natomiast czajnik elektryczny już 7-9A. Podczas przykładowych pomiarów zobaczysz zresztą jak to wygląda w praktyce .

W jaki sposób wykonać pomiar?

Zacznę od prostego rysunku.

W przeciwieństwie do pomiaru napięcia, gdzie miernik należało wpiąć równolegle, aby zmierzyć natężenie prądu trzeba podpiąć multimetr szeregowo. Dlaczego w taki sposób?
Aby zmierzyć jak dużo elektronów płynie do urządzenia konieczne jest wpięcie miernika tak, aby przez niego w tym samym czasie przepłynęła identyczna ilość elektronów. A to w klasycznym mierniku możemy zrobić tylko poprzez połączenie szeregowe.

W takim układzie najlepiej by było, gdyby miernik nie tamował w żaden sposób przepływu elektronów, czyli żeby opór elektryczny amperomierza był możliwie jak najmniejszy, najlepiej bliski 0Ω. I tak rzeczywiście jest.

Z tego faktu wniosek jest taki, że jeżeli podepniemy amperomierz równolegle, to w obwodzie wygenerujemy zwarcie czyli przez miernik będzie płynął prąd o bardzo dużym natężeniu i zanim zadziała wyłącznik nadprądowy w rozdzielnicy, miernik może już być usmażony (a w najlepszym wypadku przepali się bezpiecznik w nim się znajdujący).

Przykład.
Pomiar prądu urządzenia podpiętego do gniazdka 230V.
Amperomierz posiada opór elektryczny na poziomie 1Ω.
Gdybyśmy wpięli amperomierz równolegle (niepoprawnie!) , to przez miernik popłynąłby prąd o wartości:

$\rm{{I}=\frac{230V}{1Ω}=230A}$

Dla przypomnienia, prąd znamionowy wyłączników nadprądowych (lub bezpieczników) znajdujących się w domowej rozdzielnicy wynosi najczęściej 16A.

Czyli podpinamy szeregowo. 🙂

Być może spytasz: Czy to ma znaczenie do którego przewodu podepnę amperomierz (fazowego lub neutralnego)?

Jeśli urządzenie jest sprawne, nie ma to żadnego znaczenia. Jeśli w podpiętym do urządzenia przewodzie fazowym płynie prąd o natężeniu 2A, to w przewodzie neutralnym musi być taka sama wartość.
Jeśli natomiast w urządzeniu nastąpiło przebicie i elektrony “uciekają” przewodem ochronnym, wtedy jedynie podpięcie miernika do przewodu fazowego gwarantuje odczytanie rzeczywistego natężenia pobieranego prądu.

Ustawienie multimetru

Przy pomiarze natężenia prądu interesują nas dwa obszary zaznaczone na rysunku obok:

1. Wybór pokrętłem zakresu pomiaru. Pierwsza rzecz to szukamy zakresu oznaczonego literą “A”. W przypadku mojego miernika mam do wyboru dwa takie zakresy. Pomiar natężenia prądu stałego (A=) i pomiar natężania prądu przemiennego (A~).
   Dla prądu przemiennego mamy do wyboru trzy zakresy:
   • 0 – 20 mA
   • 0 – 200 mA
   • 0 – 20 A
2. Jeśli wybraliśmy już zakres, należy podpiąć sondy pomiarowe miernika. Do otworu “COM” wpinamy jak zawsze sondę czarną. Natomiast sondę czerwoną wpinamy do otworu:
   • mA jeśli wybraliśmy zakres wyrażony w miliamperach
   • 20A jeśli wybraliśmy zakres 0 – 20A

Mój multimetr, na zakresy miliamperowe posiada zabezpieczenie w postaci bezpiecznika radiowego o prądzie znamionowym 0.2A (FUSED 0.2A MAX).
Dla zakresu 20A nie ma żadnego zabezpieczenia chroniącego miernik (UNFUSED 20A MAX), także jeśli ten prąd zostanie przekroczony to całkiem możliwe, że pożegnam się z miernikiem.

Obrazek po lewej: Przykładowe ustawienie miernika dla zakresu 0 – 200 mA prądu przemiennego.
Obrazek po prawej: Przykładowe ustawienie miernika dla zakresu 0 – 20A prądu stałego.

Stanowisko testowe

Stanowisko testowe będzie się składało z:

• przedłużacza, którego kabel zasilający pozwoliłem sobie przeciąć w jednym miejscu
• miernika wpiętego szeregowo do przewodu fazowego przedłużacza
• urządzenia którego będę mierzyć pobór prądu

Czarne kropki na przewodach reprezentują złączki elektryczne, które łączą przewody (ew. sondy miernika z przewodami).

No i stanowisko testowe gotowe. Nic tylko podpinać do przedłużacza urządzenia i sprawdzać ile ciągną prądu 🙂 .

Ale chwila. Najpierw bardzo ważne informacje:

• Przygotowanie stanowiska do pomiaru natężenia prądu wykonujemy zawsze bez napięcia.
• Mocno dokręcamy wszystkie złączki włącznie z sondami miernika. Wszelkie luzy na złączach mogą spowodować iskrzenie i nieprzyjemne sytuacje.

Dlatego zanim włożysz wtyczkę do gniazdka, spójrz trzy razy czy wszystko jest ustawione tak jak powinno i czy wszystko jest dokręcone tak jak być powinno. Niestety pomiar natężenia multimetrem nie jest tak gładki w obsłudze jak pomiar napięcia.

Po co mi stanowisko jak mogę mieć cęgi?

Jasne, należy pamiętać o tzw. miernikach cęgowych. Dzięki nim możemy wykonać bezinwazyjnie pomiar. Nie trzeba nic przecinać, tylko opleść cęgami kabel i już mamy pomiar natężenia. Proste i skuteczne. I… drogie. Ponadto, tańsze mierniki cęgowe (poniżej 100 zł) często nie posiadają możliwości pomiaru natężenia prądu stałego. Cóż, kwestia wyboru.

Co dalej?

Dalej wykonam kilka pomiarów. Zobaczymy ile prądu pobiera:

• Telewizor
• Laptop
• Wentylator
• Głośniki gdy są wyłączone i załączone
• Grzejnik elektryczny
• Czajnik elektryczny
• Jakieś sugestie? 🙂

Wszystko to zobaczysz w najbliższym wpisie. Zapraszam!