Электроника:Постоянный ток/Измерения в электрических цепях постоянного тока/Как устроен омметр

Содержание

Теория

Практика

Проверка знаний

Рецепты

Эксперименты

Резерв

Резерв

Резерв

Резерв

Перевод: Макаров В. (valemak)

Проверка/Оформление/Редактирование: Мякишев Е.А.

Как устроен омметр

Хотя на сегодняшний день механические омметры (измерители сопротивления) используются редко (поскольку морально устаревшие модификации в значительной степени вытеснены более технологичными цифровыми датчиками), тем не менее, нелишним будет вникнуть в принципы их работы – это весьма поучительно и интересно.

Назначение омметра

Само собой, что омметр предназначен для измерения сопротивления на участке цепи. Значение сопротивления отображается с помощью механического счётчика, работающего от электрического тока. В этом случае омметр должен иметь внутренний источник напряжения для создания необходимого тока для управления движителем, а также иметь соответствующие резисторы, обеспечивающие рабочий диапазон, чтобы пропускать только нужное количество тока через движитель при любом заданном сопротивлении.

Как работает омметр?

Начнем с простой конструкции, в которую входит и собственный источник питания прибора. Посмотрим, как это работает:

Рис. 1. Схема простейшего омметра включает в себя собственный источник питания.

При бесконечном сопротивлении (т.е. если измерительные выводы не подключены в замкнутую цепь) через движитель проходит нулевой ток, а стрелка указывает в крайний левый угол шкалы. В этом отношении показатель омметра действует «наоборот», потому что максимальное показание (бесконечность) находится на левом конце шкалы, в то время как измерители напряжения и тока в этой стороне шкалы фиксируют ноль.

Если измерительные провода такого омметра напрямую закорочены (в этом случае сопротивление равно ноль Ом), через движитель измерителя будет проходить максимальный ток, ограниченный только напряжением батареи и внутренним сопротивлением механизма:

Рис. 2. Если закоротить выводы, то омметр показывает внутреннее сопротивление самого движителя.

При напряжении батареи 9 В и сопротивлении движителя всего 500 Ом ток в нашей цепи составит 18 мА, что намного превышает номинальные характеристики механизма. Такое превышение силы тока может повредить счётчик.

Но даже если не пытаться угробить прибор, сама по себе такая конфигурация сводит полезность устройства практически на нет. Если левая граница шкалы на циферблате измерителя интерпретирует бесконечное сопротивление, тогда правая должна представлять ноль. Пока что наша конструкция «фиксирует» движитель счётчика в крайнем правом положении, если между выводами приложено нулевое сопротивление. Нам нужно сделать так, чтобы движение стрелки происходило в полном масштабе, когда тестовые провода замкнуты вместе. Это достигается добавлением последовательного резистора в цепь счётчика:

Рис. 3. Добавляем последовательный резистор в измерительную цепь омметра.

Чтобы определить правильное значение для R, мы вычисляем полное сопротивление цепи, необходимое для ограничения тока до 1 мА (что равносильно полному отклонению механизма) с напряжением 9 В от батареи, а затем вычитаем внутреннее сопротивление движителя из этого числа:

Рис. 4. Формула для расчёта внутреннего сопротивления движителя.

Теперь, когда правильное значение для R вычислено, у нас всё ещё остается проблема с диапазоном измерения. В левой части шкалы у нас «бесконечность», а в правой части – ноль. Помимо того, что эта шкала «зеркальная» по сравнению со шкалами вольтметров и амперметров, странность этой шкалы ещё и в том, что она идёт от ничего ко всему, а не от ничего к конечному значению (например, от 0 до 10 вольт, от 0 до 1 ампер и т. д.). Можно сделать паузу и спросить: «Что представляет собой середина шкалы? Что лежит точно между нулём и бесконечностью?». Бесконечность – это нечто большее, чем просто очень большое число: это неисчислимая величина, которая заведомо превосходит любое определённое число. Если показание половины шкалы на любом другом типе измерителя представляет ½ от значения полной шкалы, то что такое половина бесконечности на шкале омметра?

Логарифмическая шкала омметра

Разрешение парадокса – нелинейная шкала. Проще говоря, шкала омметра не увеличивается равномерно от нуля до бесконечности, когда стрелка отмеряет равные значения справа налево. Скорее, шкала начинает «разгоняться» в правой части, а последовательные значения сопротивления становятся всё ближе и ближе друг к другу при приближению к левой границе шкалы:

Рис. 5. Логарифмическая шкала омметра.

К бесконечности нельзя приближаться равномерно-линейно, потому что никакой масштаб не обеспечит этого! При нелинейной шкале для величин сопротивления можно охватить любой заданный диапазон, единицы деления будут увеличивается по мере того, как шкала приближается к бесконечности, что делает бесконечность достижимой целью.

Однако у нас всё ещё есть вопрос о диапазоне для нашего омметра. Какое значение сопротивления между измерительными проводами вызовет отклонение стрелки ровно на половину шкалы? Если мы знаем, что у движителя номинальный диапазон полной шкалы 1 мА, то 0,5 мА (500 мкА) должно быть значением, необходимым для отклонения на половину шкалы. Следуя нашей конструкции с батареей на 9 В в качестве источника питания, мы получаем:

Рис. 6. Рассчитываем сопротивление омметра, имеющий внутреннюю батарею на 9 вольт.

При внутреннем сопротивлении движителя 500 Ом и сопротивлении последовательного резистора в диапазоне до 8,5 кОм остаётся 9 кОм для внешнего (между выводами) испытательного сопротивления, что будет соответствовать середине шкалы. Другими словами, испытательное сопротивление, дающее ½ отклонения стрелки на шкале в омметре, равно по величине (внутреннего) последовательного полного сопротивления цепи измерителя.

Применив ещё несколько раз закон Ома, мы можем определить значение испытательного сопротивления для отклонения шкалы на ¼ (четверть) и ¾ (три четверти) шкалы.

Отклонение шкалы на четверть (0,25 мА силы тока, проходящего через счётчик):

Рис. 7. Рассчитываем, какое сопротивление соответствует отклонению стрелки на четверть шкалы.

Рассчитаем также отклонение шкалы на три четверти (что соответствует силе тока 0,75 мА, проходящего через счётчик):

Рис. 8. Рассчитываем, какое сопротивление соответствует отклонению стрелки на три четверти шкалы.

Итак, шкала такого омметра выглядит примерно так:

Рис. 9. Шкала омметра, для которого мы рассчитали, какое сопротивление он показывает на ½, ¼ и ¾ от полной шкалы.

Одна из основных проблем этой конструкции заключается в том, что она рассчитана на стабильное напряжение батареи для точного измерения сопротивления. Если напряжение батареи снизится (что неизбежно со временем происходит со всеми химическими аккумуляторами), шкала омметра потеряет точность. При постоянном значении резистора последовательного диапазона в 8,5 кОм и снижении напряжения батареи измеритель больше не будет отклоняться на полную шкалу вправо, когда измерительные провода закорочены вместе (то есть если внутреннее сопротивление равно 0 Ом). Точно так же испытательное сопротивление 9 кОм не сможет отклонить стрелку точно до половины шкалы при меньшем напряжении батареи.

Существуют методы проектирования, используемые для компенсации изменения напряжения батареи, но они не решают проблему полностью и в лучшем случае должны рассматриваться как дающие приблизительный результат. По этой причине, а также из-за наличия нелинейной шкалы, омметры этого типа никогда не считались прецизионными (т.е. не являются приборами высокой точности).

Следует упомянуть ещё одно последнее предостережение в отношении омметров: они работают правильно только при измерении сопротивления, которое не питается от источника напряжения или тока. Другими словами, вы не можете измерить сопротивление омметром в «живой» цепи! Причина этого проста: точные показания омметра зависят от единственного источника напряжения, являющегося его внутренней батареей. Наличие любого напряжения на измеряемом компоненте будет мешать работе омметра. Если напряжение достаточно велико, это может даже повредить омметр.

Итог

• Омметры содержат внутренние источники напряжения для питания при измерении сопротивления.
• Шкала аналогового омметра является «зеркально-обратной» по сравнению со шкалами вольтметра или амперметра, стрелка механизма показывает нулевое сопротивление при полной шкале и бесконечное сопротивление в состоянии покоя.
• Аналоговые омметры также имеют нелинейные шкалы, «расширенные» в нижнем диапазоне шкалы и «сжатые» в верхнем, что даёт возможность проградуировать сопротивление от нуля до бесконечности.
• Аналоговые омметры не являются точными приборами.
• Омметры никогда не следует подключать к цепи, находящейся под напряжением (то есть к цепи с собственным источником напряжения). Любое внешнее напряжение, приложенное к измерительным проводам омметра, приведёт к ложным показаниям.