Измерения в цепях постоянного тока

Измеритель — это любое устройство, созданное для точного определения и отображения электрической величины в легко читаемой форме. Обычно эта «читаемая форма» визуальна: движение указателя на шкале, ряд лампочек, расположенных так, чтобы сформировать светящийся столбик, или какой-либо дисплей, состоящий из числовых значений. При анализе и тестировании цепей имеются приборы, предназначенные для точного измерения основных величин: напряжения, тока и сопротивления. Существует также много других типов измерителей, но здесь рассматриваются конструкция и работа основных трех (А, В, Ом-метры).

Большинство современных приборов являются цифровыми по конструкции — их дисплей имеет форму числовых цифр. Более старые являются механическими по своей природе, используя некое стрелочное устройство для отображения величины измерения. В любом случае принципы, применяемые при адаптации устройства отображения к измерению (относительно) больших величин U, I или R, одинаковы.

Большинство механических движений в измерителях основаны на принципе электромагнетизма: электроток через проводник создает магнитное поле, перпендикулярное оси потока электронов. Чем больше ток, тем сильнее создаваемое им поле. Если магнитное поле, образованное проводником, может взаимодействовать с другим полем, между двумя источниками полей будет создана физическая сила. Если один из этих источников может свободно перемещаться относительно другого, он и будет делать это, поскольку ток проходит через провод, причем движение (обычно против сопротивления пружины) пропорционально силе электротока.

Первые созданные измерительные механизмы были известны как гальванометры и обычно проектировались с учетом максимальной чувствительности.

Очень простой гальванометр можно сделать из намагниченной иглы (например, стрелки магнитного компаса), подвешенной на струне и помещенной в катушку из проволоки. Ток через катушку создаст магнитное поле, которое отклонит стрелку от направления магнитного поля Земли.

Такие приборы были весьма полезны в свое время, но в современном мире им не место, за исключением простых экспериментальных устройств. Они очень восприимчивы к движению любого рода и к любым возмущениям в естественном магнитном поле Земли. Теперь термин «гальванометр» обычно относится к любой конструкции электромагнитного измерительного механизма, созданного для высокой чувствительности. Такие электромагнитные измерительные механизмы делаются сейчас в виде поворотной проволочной катушки, подвешенной в сильном магнитном поле, защищенном от большинства внешних воздействий. Такая конструкция прибора обычно известна как механизм PMMC:

На рисунке показано, что стрелка указывает где-то около 30 % полной шкалы, ноль находится полностью слева от дуги, а вся шкала находится полностью справа. Увеличение измеряемого электротока заставит стрелку указывать дальше вправо, а уменьшение заставит её опуститься обратно к своей точке покоя, слева. Дуга на дисплее помечена числами, указывающими значение измеряемой величины, какой бы она ни была. Другими словами, если требуется 50 микроампер, чтобы переместить стрелку полностью вправо (что делает это «движением полной шкалы 50 мкА»), на шкале будет написано 0 мкА на самом левом конце и 50 мкА на самом правом, 25 мкА будет отмечено в середине. Скорее всего шкала будет разделена на гораздо более мелкие деления, каждые 5 или 1 мкА, чтобы позволить наблюдателю за механизмом делать более точные выводы о значении по положению стрелки.

Механизм прибора будет иметь пару металлических клемм для подключения тока на задней стороне для входа и выхода. Большинство измерителей чувствительны к полярности, одно направление электротока перемещает стрелку вправо, а другое — влево. Некоторые же имеют стрелку, которая пружиной центрируется в середине шкалы, а не слева, что позволяет проводить измерения любой полярности:

Ток в одном направлении через провод будет создавать вращающий момент по часовой стрелке на игольчатом механизме, в то время как в другом направлении будет создавать вращающий момент против часовой стрелки.

Некоторые стрелочные измерители являются полярно нечувствительными, полагаясь на притяжение ненамагниченного, подвижного железного крыльчатого элемента к неподвижному, проводу с током, чтобы отклонить стрелку. Они идеально подходят для измерения переменного тока (AC). Чувствительный к полярности механизм просто будет бесполезно вибрировать вперед и назад, если его подключить к источнику AC.

Большинство механических измерителей основаны на принципе электромагнитизма, когда поток электронов через проводник создает магнитное поле, перпендикулярное этому потоку. Но есть и такие, которые используют электростатику — силу притяжения или отталкивания, создаваемую электрическими зарядами в пространстве. Это явление можно наблюдать, например, когда воск и шерсть трутся друг о друга. Если между двумя проводящими поверхностями через воздушный зазор подать напряжение, появляется сила, которая притягивает эти поверхности, что может приводить в движение указательный механизм. Эта сила прямо пропорциональна приложенному вольтажу и обратно пропорциональна квадрату расстояния между пластинами. Она также не зависит от полярности, что делает такие механизмы нечувствительными к полярности.

Тем не менее, сила электростатического притяжения слишком мала при обычных напряжениях, чтобы быть полезной в большинстве измерительных приборов. Такие механизмы применяются преимущественно для измерения очень высоких значений (например, нескольких тысяч вольт). Правда их значительным преимуществом выступает чрезвычайно высокое сопротивление, что в отличие от электромагнитных механизмов позволяет уменьшить ток, потребляемый из тестируемой цепи.

Независимо от типа измерителя или его механизма, существует определенное номинальное значение напряжения или электротока, при котором прибор показывает полную шкалу. Для электромагнитных механизмов это полный отклоняющий ток, который необходим для того, чтобы стрелка достигла конца шкалы. В случае с электростатическими полная шкала определяется напряжением, которое вызывает максимальное отклонение стрелки, или напряжением в электронно-лучевой трубке, которое отклоняет луч к краю экрана. В цифровых приборах полная шкала — это вольтаж, при котором на дисплее показывается максимальное количество цифр.

Задача разработчика прибора создать схему, которая обеспечит полную шкалу показаний при заданном уровне U или I. Большинство механизмов достаточно чувствительны, чтобы показывать полную шкалу при очень низких значениях, что не всегда удобно для большинства измерений. Ведь часто требуется прибор, который может измерять высокие напряжения и электротоки. И для того, чтобы расширить диапазон измерений и сделать механизм подходящим для работы с более высокими уровнями, его можно включить в цепь делителя напряжения (или тока).

Конструкция вольтметра

Большинство измерительных механизмов — это чувствительные устройства. Некоторые имеют ток полного отклонения всего 50 мкА и внутреннее сопротивление менее 1000 Ом. Это означает, что такой механизм сможет измерять U до 50 милливольт (50 мкА × 1000 Ом). И чтобы создать вольтметры с более высокими диапазонами, нужно уменьшить часть измеряемого напряжения до уровня, подходящего для самого механизма.

Рассмотрим пример: механизм с I полного отклонения 1 мА и резистивностью 500 Ом.

По закону Ома (U = IR) можно определить, какое напряжение нужно для полного отклонения стрелки:

U = 1 мА × 500 Ом = 0,5 В

Если нужно измерять только до 0,5 вольта, то данный механизм подходит. Но для измерения более высоких уровней потребуется ограничить ту часть напряжения, которая подаётся непосредственно на прибор. Это расширяет диапазон, и шкалу придётся откалибровать под новый предел.

Для этого используется схема делителя напряжения, которая уменьшает общее значение до нужной части. Делители строятся на последовательном соединении резисторов, один из которых подключается последовательно с измерительным механизмом. Вторым в цепи служит сопротивление самого механизма. Такой последовательно подключённый резистор делит вольтаж и тем самым увеличивает диапазон измерения.

Пример: как рассчитать резистор, чтобы прибор с током полного отклонения 1 мА и резистивностью 500 Ом показывал полную шкалу при подаче 10 В?

1. Сначала определим общее сопротивление цепи: R = 10 В / 1 мА = 10 000 Ом
2. Вычтем сопротивление самого механизма: R резистора = 10 000 — 500 = 9500 Ом (или 9,5 кОм)

Можно рассчитать и другим способом:

1. Напряжение на механизме: 1 мА × 500 Ом = 0,5 В
2. Оставшееся (на резисторе): 10 — 0,5 = 9,5 В
3. Тогда оно: 9,5 В / 1 мА = 9500 Ом

В обоих случаях результат один и тот же — 9,5 кОм.

Если теперь подать 10 В, электроток через механизм составит ровно 1 мА, 0,5 В упадёт на нём, и стрелка покажет максимум шкалы. При этом шкала должна быть размечена от 0 до 10 В, а не до 1 мА. Пользователь прибора не должен знать, что сам механизм измеряет только часть напряжения — важно, что прибор в целом отображает точное значение.

Так устроены все измерительные приборы: чувствительный механизм рассчитан на малые значения, а схема с точно подобранными резисторами позволяет ему отображать гораздо более высокие. Это у вольтметра. Амперметры работают по тому же самому принципу, только вместо последовательных делителей напряжения используются параллельные шунтирующие резисторы.

Будет удобно, если прибор имеет несколько диапазонов. Это позволяет измерять разные уровни вольт одним и тем же индикатором, что реализуется с помощью многопозиционного переключателя и нескольких резисторов, каждый из которых рассчитан на определённый диапазон.

Пятипозиционный переключатель соединяется только с одним резистором в каждый момент времени. В одном из положений (обычно крайнее) он вообще не подключает резистор — это режим «выключено». Остальные положения соответствуют рабочим диапазонам — например: 1 В, 10 В, 100 В, 1000 В. Все расчёты для резисторов делаются точно так же, как в предыдущем примере, только с разными вольтами.

Примерные значения резисторов:

• для 1 В: 500 Ом
• для 10 В: 9,5 кОм
• для 100 В: 99,5 кОм
• для 1000 В: 999,5 кОм

Правда найти такие нестандартные значения сложно. Поэтому на практике часто используют соединение вместе нескольких резисторов с более удобными номиналами. При этом переключатель соединяет их поочерёдно или суммирует.

Например:

• R1 = 500 Ом
• R2 = 9 кОм
• R3 = 90 кОм
• R4 = 900 кОм

В положении «1000 В» все резисторы соединены последовательно: общее = 500 + 9000 + 90000 + 900000 = 999500 Ом.

Преимущество такого подхода — в использовании стандартных резисторов. А для пользователя прибор будет работать точно так же, как и с нестандартными значениями.

Влияние вольтметра на измеряемую цепь

Любой измерительный прибор оказывает влияние на ту цепь, в которую он подключён — подобно тому, как манометр слегка снижает давление в шине, выпуская немного воздуха при измерении. Полностью избежать этого влияния невозможно, но можно свести к минимуму за счёт грамотной конструкции прибора.

Так как вольтметры всегда подключаются параллельно к элементу или участку цепи, ток, проходящий через вольтметр, добавляется к общему в цепи, что может изменить измеряемое напряжение. Идеальный вольтметр имеет бесконечно большое сопротивление и не потребляет электроток вообще, но такие приборы существуют только в теории. Посмотрим, как вольтметр с реальным сопротивлением может повлиять на цепь, используя в качестве примера делитель с высокоомными резисторами.

Без подключения вольтметра делитель, состоящий из двух одинаковых резисторов по 250 МОм, делит общее 24 В на два равных участка по 12 В. Но если подключить вольтметр с входным Rвх 10 МОм (обычное значение для многих цифровых мультиметров), он создаст параллельную ветвь с нижним резистором делителя, резко снизив его эквивалентное сопротивление до 9,615 МОм.

Из-за этого деление напряжения изменится: вместо равных 12 В и 12 В на резисторах теперь получится примерно 23,11 В на верхнем резисторе и 0,89 В — на нижнем. Вольтметр, подключённый к нижнему резистору, покажет только 0,89 В, хотя до его подключения там было 12 В. Сам факт подключения прибора стал причиной изменения напряжения — вольтметр стал частью цепи, и его Rвх повлияло на распределение вольт.

То же самое справедливо и для тока: чем меньше его потребляет вольтметр для отклонения стрелки, тем меньше он влияет на измеряемую цепь. Это влияние называется нагрузкой прибора. Чем ниже Rвх вольтметра, тем сильнее его воздействие на цепь. И наоборот — чем выше сопротивление, тем меньше влияние и тем точнее измерение. Вот почему в теории идеальный вольтметр имеет бесконечное значение.

Аналоговые вольтметры обычно характеризуются параметром «ом на вольт» — это отношение Rвх к выбранному диапазону измерения. Так как у них диапазон задаётся подбором последовательных резисторов, общее сопротивление будет меняться при переключении шкалы. Цифровые мультиметры, как правило, имеют постоянное входное сопротивление вне зависимости от выбранного диапазона (но не всегда), и для них указывается общее входное сопротивление, а не чувствительность в омах на вольт.

Параметр показывает, сколько ом сопротивления приходится на каждый вольт диапазона. Возьмём, например, вольтметр с диапазоном до 1000 В и общим R = 1 МОм (999,5 кОм + 500 Ом). Это означает чувствительность 1000 Ом на вольт или 1 кОм/В. Данный показатель будет одинаков для всех диапазонов, если используется один и тот же измерительный механизм.

• Диапазон 100 вольт: 100 кОм / 100 В = 1000 Ом/В
• Диапазон 10 вольт: 10 кОм / 10 В = 1000 Ом/В
• Диапазон 1 вольт: 1 кОм / 1 В = 1000 Ом/В

Чувствительность тут напрямую зависит от тока полного отклонения стрелки. В нашем случае это 1 мА, и из закона Ома получается, что она равна 1/0,001 = 1000 Ом/В. Это значение не зависит от установленных резисторов и диапазонов — только от чувствительности самого измерительного механизма.

Чтобы минимизировать нагрузку на цепь, нужно уменьшить электроток, необходимый для работы прибора. Это можно сделать, повысив чувствительность самого измерительного механизма (сделав его работающим от меньшего уровня), но при этом он становится более хрупким. Альтернативный подход — использовать усилитель, который будет питать механизм, не забирая ток из измеряемой цепи. Сейчас эту функцию выполняют полупроводниковые микросхемы в цифровых приборах.

Есть и другой, более чистый метод измерения без нагрузки на цепь — использование потенциометрического или нуль-балансного прибора. В нём напряжение сравнивается с точным регулируемым источником, а не измеряется напрямую. Как только два значения сравняются, индикатор (нуль-детектор) покажет нулевое отклонение. В этом случае ток из измеряемой цепи не потребляется вовсе.

Такой метод требует навыка и участия оператора. Он вращает регулятор точного источника, пока нуль-детектор не покажет равенство напряжений, после чего считывает значение с вольтметра, подключённого к источнику. Этот способ особенно полезен в цепях с высоким сопротивлением, где прямое измерение нарушает работу схемы.

Устройство амперметра

Прибор для измерения силы тока называется амперметром, поскольку измеряемая величина выражается в амперах.

В отличие от вольтметров, где добавочные резисторы подключаются последовательно, в амперметрах для расширения диапазона измерений резисторы (шунты) подключаются параллельно. Это связано с тем, что в данном случае нужно разделить ток, а не напряжение. Такие параллельные соединения позволяют перенаправлять часть электротока в обход чувствительного измерительного механизма.

Если взять тот же чувствительный измерительный механизм, что и в примере с вольтметром, он будет ограничен – например, полное отклонение стрелки достигается уже при 1 мА. Чтобы измерять более высокие значения (например, до 5 А), шкалу нужно перенастроить – обозначить, что крайнее положение стрелки соответствует 5 А вместо 1 мА. Графическое отображение шкалы обязательно должно соответствовать диапазону, который обеспечивает подключённый шунт.

Для определения сопротивления шунта (Rш) нужно рассчитать, какое напряжение появляется на механизме при 1 мА (согласно закону Ома). Поскольку шунт и измерительный механизм соединены параллельно, вольтаж на них одинаков. Ток, проходящий через шунт, будет равен разности между общим (5 А) и I через механизм (1 мА). Зная это, можно снова применить закон Ома, чтобы вычислить Rш. Его значение будет небольшим – порядка 100 миллиом.

На практике такие шунты устанавливаются внутри металлического корпуса прибора. Например, автомобильный амперметр может иметь диапазон +/- 50 ампер, хотя чувствительный механизм внутри рассчитан на миллиамперы. В таком приборе стрелка указывает не только ток зарядки (от генератора к аккумулятору), но и разрядки (от аккумулятора к системе автомобиля).

Как и у вольтметров, у амперметров может быть несколько диапазонов. Для этого используется переключатель, который подключает разные шунтирующие резисторы параллельно измерительному механизму. Каждый шунт соответствует определённому диапазону в зависимости от параметров механизма (например, 1 мА и 500 Ом).

Например, для амперметра с диапазонами 100 мА, 1 А, 10 А и 100 А потребуются очень низкие значения шунтов – вплоть до тысячных долей ома. Такие шунты обычно изготавливаются на заказ из толстой проволоки или металлических пластин.

Также важно учитывать мощность, рассеиваемую этими шунтами. Они должны быть рассчитаны на соответствующую нагрузку, чтобы не перегреваться и не терять точность. Для шунтов с большой мощностью часто приходится использовать прецизионные компоненты или специальные конструкции.

• Мощность на резисторе R1: PR1 = E² / R1 = (0,5 В)² / 5,00005 мОм ≈ 50 Вт
• Мощность на резисторе R2: PR2 = E² / R2 = (0,5 В)² / 50,005 мОм ≈ 5 Вт
• Мощность на резисторе R3: PR3 = E² / R3 = (0,5 В)² / 500,5 мОм ≈ 0,5 Вт
• Мощность на резисторе R4: PR4 = E² / R4 = (0,5 В)² / 5,05 Ом ≈ 49,5 мВт

Иногда ток измеряется вольтметром с параллельно подключенным шунтом. Если Rш известно, и оно, например, составляет 1 Ом, то падение напряжения на нём (в вольтах) будет соответствовать току (в амперах). Это удобно для измерения небольших значений, особенно в промышленных системах, где прерывание цепи нежелательно.

Такой способ позволяет постоянно оставлять шунт в цепи и измерять электроток в любой момент с помощью вольтметра, не разрывая проводку. Главное — правильно подобрать сопротивление шунта, чтобы оно не мешало работе оборудования.

Влияние амперметра на измеряемую цепь

Амперметры тоже могут влиять на параметры цепей, к которым они подключаются. Но в отличие от идеального вольтметра, идеальный амперметр должен иметь нулевое внутреннее сопротивление, чтобы при прохождении тока через него происходило минимальное падение напряжения.

Обратите внимание: это противоположное требование по сравнению с вольтметром — у вольтметра сопротивление должно быть как можно выше, у амперметра — как можно ниже.

Вот пример того, как амперметр может повлиять на электроток в цепи:

Без амперметра ток через резистор 3 Ом составил бы 666,7 мА, а через резистор 1,5 Ом — 1,33 А. Но если амперметр с внутренним R 0,5 Ом будет подключён последовательно с одним из резисторов, он изменит ток в ветви:

Если амперметр подключён в левую ветвь, её сопротивление возрастает с 3 до 3,5 Ом, и I падает до 571,43 мА вместо 666,7 мА.

Если тот же измеритель установить в правую ветвь, I уменьшается с 1,33 А до 1 А, так как общее R ветви возрастает с 1,5 до 2 Ом.

При использовании стандартных амперметров, подключаемых последовательно в цепь, может оказаться невозможным уменьшить сопротивление прибора. Но если электроток измеряется через падение напряжения на шунте, и есть выбор значений Rш, предпочтительно выбирать минимально возможное сопротивление. Если оно будет выше необходимого, это может негативно сказаться на работе цепи.

Один из умных способов минимизировать влияние прибора на цепь — использовать сам проводник цепи как часть измерительного механизма. Все проводники, по которым протекает ток, создают вокруг себя магнитное поле, сила которого пропорциональна току. Сделав прибор, измеряющий напряжённость этого магнитного поля, можно создать бесконтактный амперметр. Он измеряет I, не касаясь цепи и не нарушая её непрерывности.

Амперметры этого типа называются токоизмерительными клещами. Они имеют «челюсти», которые раскрываются и охватывают провод. Такие приборы особенно удобны и безопасны при измерениях в мощных промышленных цепях, так как они не вносят дополнительного сопротивления и, соответственно, не создают ошибок в измерении. Механизм индикации у них схож с устройствами на основе железного якоря, только не содержит катушки для создания магнитного поля. В более современных моделях используется датчик Холла — чувствительный элемент, определяющий магнитное поле. Некоторые клещевые приборы дополнительно содержат усилитель, который формирует напряжение, пропорциональное измеряемому электротоку, и передаёт его на вольтметр для отображения результата. Такие токоизмерительные клещи можно использовать как дополнение к вольтметру для измерения тока.

Конструкция омметра

Хотя механические омметры сегодня используются крайне редко, уступив место цифровым, принцип их работы остаётся схожим.

Цель омметра — измерить сопротивление, подключённое между его щупами. Это значение отображается стрелочным индикатором, работающим от тока. Следовательно, омметр должен иметь встроенный источник напряжения, создающий ток для отклонения стрелки, а также подходящие резисторы в цепи, ограничивающие его на нужном уровне для разных диапазонов сопротивлений.

Начнём с простой схемы: стрелочного механизма и батареи. Посмотрим, как это работает.

При бесконечном сопротивлении (отсутствии цепи между щупами) ток через стрелочный механизм равен нулю, и стрелка указывает крайнее левое положение. В этом отношении шкала омметра обратная: максимум (бесконечность) — слева, тогда как у вольтметров и амперметров ноль расположен слева.

Если щупы омметра замкнуть между собой (0 Ом), через стрелочный механизм пойдёт максимальный электроток, ограниченный только вольтажом батареи и внутренним сопротивлением механизма:

При 9 В и 500 Ом механизма ток составит 18 мА, что значительно превышает допустимое значение. Такой уровень может повредить прибор.

Кроме того, это ограничивает полезность устройства. Если крайнее левое положение шкалы — это бесконечное сопротивление, то крайнее правое должно быть ноль. В текущей схеме стрелка зашкаливает вправо при R=0 между щупами. Нужно, чтобы при коротком замыкании стрелка просто показывала полную шкалу, без выхода за пределы. Для этого в цепь добавляют последовательный резистор:

Чтобы определить нужное значение того резистора R, рассчитывают общее сопротивление цепи, при котором I будет равен 1 мА (полное отклонение) при батарее 9 В, затем вычитают внутреннее R стрелочного механизма:

• Rобщ = U/I = 9В/1мА = 9 кОм
• R = Rобщ — 500 Ом = 9000 — 500 = 8500 Ом (8,5 кОм)

Теперь, когда резистор подобран, остаётся вопрос шкалы прибора. Слева — бесконечность, справа — ноль. Это не только обратная шкала по сравнению с вольтметрами и амперметрами, но и странная по сути: она идёт от нуля до бесконечности, а не до конечного значения (например, 10 В или 1 А). Возникает вопрос: что тогда означает середина шкалы? И какое значение между нулём и бесконечностью? Ответ — логарифмическая шкала. Шкала омметра не равномерна: в правой части значения сопротивления сильно растянуты, а к левой части они сжимаются всё ближе друг к другу:

Бесконечность невозможно отобразить линейно — шкала никогда бы до неё не дошла. С логарифмической же расстояние между значениями увеличивается по мере приближения к бесконечности, делая её достижимой на шкале.

Теперь выясним, какое сопротивление между щупами приведёт к отклонению стрелки на половину шкалы. Если максимальное значение — 1 мА, то для половины шкалы нужно 0.5 мА. С батареей на 9 В получаем:

• Rобщ = U/I = 9В/500 мкА = 18 кОм

При 500 Ом механизма и 8.5 кОм — резистора в цепи, внешнее сопротивление (между щупами), вызывающее половинное отклонение, составит 9 кОм. То есть сопротивление, соответствующее середине шкалы, равно сумме внутренних R прибора.

Используя закон Ома, можно рассчитать значения сопротивлений, соответствующих 1/4 и 3/4 отклонения:

• Для 1/4 шкалы (0,25 мА): Rобщ = U/I = 9В/250 мкА = 36 кОм. Rтест = 36 кОм — 9 кОм = 27 кОм
• Для 3/4 шкалы (0,75 мА): Rобщ = U/I = 9В/750 мкА = 12 кОм. Rтест = 12 кОм — 9 кОм = 3 кОм

Таким образом, шкала омметра выглядит следующим образом:

Одна из серьёзных проблем такой схемы — зависимость точности показаний от стабильности напряжения. По мере разряда батареи напряжение падает, и шкала теряет точность. Например, при уменьшении вольт стрелка уже не достигнет крайнего правого положения при коротком замыкании. Аналогично, 9 кОм больше не вызовет отклонение точно на половину шкалы.

Тут имеются схемы частичной компенсации падения питания, но они дают лишь приближённый результат. Поэтому, а также из-за логарифмической шкалы, такой омметр нельзя считать слишком точным измерителем.

Важно: омметры работают только на обесточенных цепях. Нельзя измерять сопротивление в работающей схеме! Это связано с тем, что омметр должен быть единственным источником напряжения. Постороннее не только исказит показания, но может повредить прибор.

Высоковольтные омметры

Большинство омметров используют батареи с относительно низким напряжением, обычно 9 вольт или меньше. Этого вполне достаточно для измерения до нескольких мегโอм (МΩ), но когда требуется измерять очень высокие значения (например 500 МОм), батареи на 9 В недостаточно для создания электротока, необходимого для работы электромеханического стрелочного механизма.

Сопротивление не всегда является стабильной и линейной величиной. Это особенно верно для неметаллических материалов. Очевидно, что омметр с низковольтной батареей не сможет измерить его при потенциале ионизации газа или напряжении пробоя изолятора. Для таких измерений требуется высоковольтный.

Самый прямой метод измерения высоких сопротивлений заключается в простом замене источника питания на батарею с более высоким значением в базовой конструкции омметра:

Но зная, что сопротивление некоторых материалов изменяется с изменением напряжения, будет полезно иметь возможность регулировать напряжение этого омметра для получения измерений в разных условиях:

Правда это создаст проблему калибровки. Если стрелка механизма отклоняется до максимального значения при определённом токе, полный диапазон омметра в омах будет изменяться с изменением напряжения источника. Представьте, что мы подключаем стабильное сопротивление между щупами омметра, изменяя вольтаж источника: по мере увеличения напряжения, ток через механизм будет возрастать, что приведёт к большему отклонению стрелки. Что нам нужно, так это такой стрелочный механизм, который будет показывать стабильное отклонение независимо от приложенных вольт.

Для этого требуется особый механизм, характерный для мегомметров — приборов, предназначенных для измерения высоких сопротивлений:

На изображении показаны прямоугольные блоки, которые представляют собой поперечные сечения катушек провода. Эти три катушки вместе с механизмом приводят в движение стрелку. В механизме отсутствует пружина для возврата стрелки в заданное положение. Когда механизм не активирован, стрелка будет случайным образом «плавать». Катушки подключены к цепи следующим образом:

При бесконечном R между щупами (разомкнутая цепь) ток проходит только через катушки 2 и 3, и стрелка будет отклоняться в крайнее правое положение шкалы, указывая на «бесконечность».

Любой ток через катушку 1 (через измеренное сопротивление между щупами) будет тянуть стрелку влево, возвращая её к нулю. Внутренние резисторы механизма откалиброваны так, чтобы при коротком замыкании щупов стрелка отклонялась точно на 0 Ом.

Поскольку любые изменения вольтажа батареи будут влиять на момент силы, создаваемой катушками 2 и 3 (которые тянут стрелку вправо) и катушкой 1 (которая тянет её влево), эти изменения не повлияют на калибровку механизма. Иными словами, точность этого омметра не зависит от батареи: заданное сопротивление всегда приведёт к одинаковому отклонению стрелки, независимо от того, какое значение на батарее.

Единственный эффект, который оказывает изменение напряжения, — это то, как изменяется измеренное R в зависимости от приложенного напряжения. Так, если мы будем использовать мегаомметр для измерения сопротивления газоразрядной лампы, прибор будет показывать очень высокое сопротивление (стрелка указывает на крайнее правое положение шкалы) при низких вольтах и низкое сопротивление (стрелка сдвигается влево) при высоких. Это именно то, что ожидаем от хорошего высоковольтного омметра: точные показания в разных условиях.

Для максимальной безопасности большинство мегаомметров оснащены ручными генераторами для выработки высокого постоянного напряжения (до 1000 В). Несколько уровней выходного U регулируются с помощью переключателя.

Некоторые мегаомметры работают от батарей для большей точности выходного U. Для безопасности такие меггеры активируются кнопкой с самовозвратом, чтобы выключить прибор, если кнопка случайно останется в положении включено, и предотвратить возможный риск удара током.

Реальные мегаомметры имеют три клеммы для подключения: Линия, Земля и Защита. Схема работы прибора напоминает упрощённую версию, показанную ранее:

Сопротивление измеряется между клеммами Линия и Земля, где I проходит через катушку 1. Клемма Защита предназначена для особых ситуаций, когда одно R должно быть изолировано от другого. Например, когда необходимо проверить сопротивление изоляции двухпроводного кабеля.

Для измерения резистентности изоляции от проводника к внешней оболочке кабеля нужно подключить Линия к одному из проводников и Земля — к проводу, обвивающему оболочку кабеля.

В этой конфигурации он будет измерять сопротивление между проводником и оболочкой кабеля. Или не будет? Если нарисовать схему, показывающую все сопротивления изоляции, то результат будет следующим:

Мы измерим не только сопротивление второго проводника к оболочке (Rc2-s), но и это сопротивление в параллели с последовательным сочетанием между проводниками (Rc1-c2) и первого проводника с оболочкой (Rc1-s). Если это нас устраивает, можем продолжать тестирование в текущей конфигурации. Если мы хотим измерить только R между вторым проводником и оболочкой, необходимо использовать клемму Защита. Теперь схема будет выглядеть так:

Подключение клеммы к первому проводнику ставит оба на практически одинаковый потенциал. При отсутствии или минимальном напряжении между ними сопротивление изоляции будет практически бесконечным, и ток не будет течь между проводниками. Таким образом, показания мегаомметра будут зависеть только от тока через изоляцию второго проводника, через оболочку кабеля и провод, обвивающий её, а не от утечкающего через изоляцию первого проводника.

Для более тщательной проверки изоляции проводов используется другой высоковольтный омметр, называемый hi-pot тестером. Эти специализированные приборы могут генерировать более 1 кВ и используются для проверки изоляционных свойств масла, керамических изоляторов и других элементов. Из-за таких высоких уровней они должны использоваться с максимальной осторожностью и только обученным персоналом.

Стоит отметить, что hi-pot тестеры могут повредить изоляцию проводов при неправильном использовании. После того как изоляционный материал подвергнется пробою под воздействием слишком высокого напряжения, его способность изолировать будет нарушена. Так что эти приборы должны использоваться исключительно обученными специалистами.

Мультиметры — универсальные измерители

Так как обычный измерительный механизм может функционировать как вольтметр, амперметр или омметр, просто подключая его к различным внешним резистивным цепям, можно легко понять, что многофункциональный прибор (мультиизмеритель) способен работать в одном устройстве с соответствующими переключателями и резисторами.

Для общего использования в электронике мультиметр является несомненным лидером. Нет другого устройства, которое могло бы выполнить так много задач с минимальными затратами на компоненты и с такой простотой в работе. Появление твердотельных компонентов, таких как транзисторы, произвело революцию в подходах к проектированию, и мультиметры не стали исключением.

Обратите внимание, что знакомый аналоговый измерительный механизм заменен на LCD дисплей. При включении на экране появляются цифры, отображающие измеряемое значение U, I или R. Эта модель имеет поворотный переключатель и три разъема для подключения проводов.

При детальном осмотре этого мультиметра можно заметить один «общий» разъем для черного провода и 2 других для красного. Разъем, в который вставлен красный провод, помечен для измерений вольт и сопротивления, а другие два — для измерений тока (A, mA и µA). Это разумная особенность дизайна мультиметра, требующая от пользователя перемещения провода с одного разъема на другой для переключения с режима измерения напряжения на режим токоизмерения.

Было бы опасно оставить прибор в режиме измерения тока при подключении его к источнику напряжения, из-за низкого Rвх, и необходимость перемещения разъема помогает гарантировать, что прибор не будет случайно настроен на измерение электротока.

Часто на поворотном переключателе нет диапазонов измерений. То есть нет указания диапазонов, таких как «100 Вольт» или «1 Вольт». Этот мультиметр — «автодиапазонный», что означает, что он автоматически выбирает подходящий для измеряемой величины. Автодиапазонность встречается только в цифровых мультиметрах, хотя далеко не все простые цифровые мультиметры обладают этой функцией.

Каждая модель разрабатывается с учетом уникальных особенностей работы, даже если они производятся одной и той же компанией. Для полного понимания работы следует ознакомиться с инструкцией.

Пример схемы простейшего аналогового вольт/амперметра:

В трех нижних позициях переключателя измерительный механизм подключается к общему разъему и разъему V через один из трех различных резисторов диапазона (Rmultiplier1 через Rmultiplier3), и таким образом работает как вольтметр. В четвертой позиции измерительный механизм подключается параллельно с шунтирующим резистором, и работает уже как амперметр для любого тока, поступающего в общий разъем и выходящего из разъема A. В последней (самой правой) позиции механизм отсоединен от любого из красных разъемов, но замкнут через переключатель. Это короткое замыкание создает эффект демпфирования стрелки, защищая её от механических повреждений при перемещении прибора.

Если требуется функция омметра, то её можно заменить одним из трех диапазонов измерения вольт.

С таким набором функций этот мультиметр также может быть известен как вольт-ом-миллиамперметр.

Получение показания с аналогового мультиметра с множеством диапазонов и только одним измерительным механизмом может показаться сложным. На нём экран отмечен несколькими шкалами, каждая из которых полезна для своего диапазона.

Измерение сопротивления 4-проводным методом

Допустим надо измерить сопротивление радиокомпонента, расположенного на значительном расстоянии от омметра. Такая ситуация может быть проблемной, потому что омметр измеряет все сопротивление в цепи, включая проводов (Rwire), соединяющих омметр с измеряемым компонентом (Rsubject):

Обычно сопротивление проводов очень мало (несколько ом на сотни метров), но если соединительные провода совсем уж длинные, или измеряемое R очень мало, ошибка измерения, вызванная сопротивлением проводов, будет существенной.

Один из методов измерения сопротивления компонента на расстоянии включает использование как амперметра, так и вольтметра. Из закона Ома мы знаем, что R равно напряжению, деленному на I. Значит можем определить сопротивление компонента, если измерим ток, протекающий через него, и напряжение, падающее на нем:

Ток одинаков на всех точках цепи, поскольку цепь является последовательной. Но раз измеряем только вольтаж, падающий на измеряемом сопротивлении (а не на резистентности проводов), рассчитанное значение будет отражать только сопротивление компонента (Rsubject).

Наша цель — измерить это сопротивление с расстояния, поэтому вольтметр должен располагаться рядом с амперметром, подключенный к измеряемому R другим набором проводов:

Теперь через провода вольтметра протекает минимальный электроток. Таким образом, эти длинные провода, соединяющие вольтметр с измеряемым сопротивлением, будут падать на ничтожные значения U, и показания вольтметра будут почти такими же, как если бы он был подключен напрямую к нему:

Любое напряжение, падающее на основные провода, через которые проходит ток, не будет измеряться вольтметром и не будет учитывать в расчете сопротивления. Точность измерений может быть еще больше улучшена, если ток вольтметра будет минимизирован, например, с использованием высококачественного (с низким полным током шкалы) механизма и/или потенциометрической (нулевой балансировки) схемы.

Этот метод измерения, который избегает ошибок, вызванных сопротивлением проводов, называется методом Кельвина или 4-х проводным методом. Специальные зажимы, называемые зажимами Кельвина, изготовлены для упрощения такого подключения к измеряемому R.

В обычных зажимах «крокодил» обе половинки челюсти электрически соединены друг с другом, обычно на точке шарнира. В зажимах Кельвина половинки изолированы друг от друга в месте шарнира, контактируя только на кончиках, где они захватывают провод или клемму измеряемого компонента. Таким образом, ток через челюсти «C» («токовые») не проходит через челюсти «P» («потенциальные», или для измерения напряжения), и не создает напряжение, которое может внести ошибку в расчет:

Тот же принцип использования разных контактных точек для пропускания тока и измерения U применяется и в точных шунтировочных резисторах для контроля больших значений. Шунтировочные резисторы выполняют функцию измерителей тока, создавая точное падение напряжения на каждый ампер, протекающий через них, а уже это падение измеряется вольтметром. В этом смысле точный шунтировочный резистор «преобразует» значение I в пропорциональное значение U. Таким образом, можно точно измерить ток, измеряя падение вольтажа на шунте:

Измерение электротока с помощью шунтировочного резистора и вольтметра особенно подходит для применений, связанных с большими величинами тока. В таких приборах Rш резистора будет порядка миллиомов или даже микроомов, а значит на полное значение будет падать лишь незначительное напряжение. Такое низкое значение сопоставимо с сопротивлением соединительных проводов, что означает, что измерение U через такой шунт должно быть выполнено так, чтобы избежать обнаружения напряжений, падающих на соединительные провода, иначе будут возникать огромные ошибки в измерениях. Для того чтобы вольтметр измерял только напряжение, падающее на самом шунте, без учета посторонних, возникающих из сопротивлений проводов или соединений, шунты обычно оснащаются четырьмя клеммами.

В метрологических приборах, где точность имеет первостепенное значение, высокоточными «стандартными» резисторами также оснащаются четыре клеммы: две для пропускания измеряемого I и две для передачи падения напряжения резистора на вольтметр. Таким образом, вольтметр измеряет только напряжение, падающее на сам точный резистор, без учета напряжений, возникающих из R проводов или соединений.

Следует отметить, что измерение ом с использованием как амперметра, так и вольтметра подвержено ошибке. Поскольку точность обоих приборов влияет на конечный результат, общая точность может быть хуже, чем точность каждого прибора по отдельности. Например, если амперметр точен в пределах ±1%, а вольтметр в пределах ±2%, любое измерение, зависящее от показаний обоих приборов, может быть неточным на ±3%.

Для получения большей точности можно заменить амперметр на стандартный резистор, используемый в качестве шунта для измерения тока. Ошибка все равно будет иметься между стандартным резистором и вольтметром, но она будет меньше, чем в случае с прибором вольтметр + амперметр, поскольку точность стандартных резисторов обычно значительно превосходит точность амперметров. С использованием зажимов Кельвина для подключения к измеряемому сопротивлению, схема выглядит следующим образом:

Все провода, через которые проходит ток в данной схеме, изображены «жирным» шрифтом, чтобы их можно было легко отличить от проводов, подключающих вольтметр к обоим сопротивлениям (Rsubject и Rstandard). Идеально использовать потенциометрический вольтметр, чтобы минимизировать электроток через провода «потенциального» измерения.

Мостовые цепи

Эти схемы используют прибор с нулевой балансировкой для сравнения двух напряжений, так же как лабораторные весы сравнивают два груза и показывают, когда они равны. В отличие от схемы «потенциометра», которая используется просто для измерения неизвестного вольтажа, мостовые цепи могут использоваться для измерения различных электрических величин, включая проводимость. Стандартная мостовая цепь, часто называемая мостом Уитстона, выглядит следующим образом:

Когда напряжение между точкой 1 и отрицательной стороной батареи равно напряжению между точкой 2 и отрицательной стороной батареи, прибор с нулевой балансировкой покажет ноль, и мост будет считаться «сбалансированным». Состояние баланса моста зависит исключительно от отношений Ra/Rb и R1/R2 и совершенно не зависит от вольт источника питания (батареи). Для измерения R с помощью моста, неизвестное сопротивление подключается вместо Ra или Rb, а остальные три резистора — это точные устройства с известными значениями. Один из этих трех резисторов можно заменить или отрегулировать, пока мост не станет сбалансированным, и, когда баланс будет достигнут, значение неизвестного сопротивления можно определить по соотношениям известных сопротивлений.

Для того чтобы такая схема стала измерительной, необходим набор переменных резисторов, точные значения которых известны, чтобы они служили эталонными стандартами. Например, если мы подключим мостовую схему для измерения неизвестного резистора Rx, мы должны точно знать значения остальных трех резисторов на момент достижения баланса, чтобы определить значение Rx:

Каждый из четырех резисторов в мостовой цепи называется «плечом». Резистор, подключенный последовательно с неизвестным Rx (это будет Ra в приведенной выше схеме), обычно называется реостатом моста, а другие два резистора называются «плечами соотношения» моста.

К счастью, точные и стабильные стандарты не так уж сложно изготовить. На самом деле, они были одними из первых электрических «стандартных» устройств, созданных для научных целей.

Мосты Уитстона считаются более совершенным средством измерения Ом. В отличие от обычной схемы, с её нелинейностями (логарифмическая шкала) и связанными с ними неточностями, мостовая является линейной (математика, описывающая её работу, основана на простых соотношениях и пропорциях) и достаточно точной.

При наличии стандартных резисторов с достаточной точностью и устройства с нулевой балансировкой, точность измерений R с помощью моста может достигать ±0,05%. Это предпочтительный метод измерения сопротивления в калибровочных лабораториях благодаря своей высокой точности.

Существует множество вариаций базовой схемы моста Уитстона. Большинство мостов постоянного тока используются для измерения сопротивления, в то время как мосты, работающие на переменном, применяются для измерения других электровеличин, таких как индуктивность, ёмкость и частота.

Конструкция ваттметра

Мощность в электроцепи — это произведение напряжения и тока, поэтому любой прибор, предназначенный для измерения мощности, должен учитывать обе эти переменные.

Специальное устройство измерения мощности называется динамометрическим механизмом, и оно похоже на гальванометр, так как легкая катушка прикреплена к указательному механизму. Но в отличие от тех механизмов, для создания магнитного поля, против которого будет взаимодействовать подвижная катушка, используется не постоянный магнит, а еще одна неподвижная катушка. Подвижная обычно питается от напряжения в цепи, в то время как неподвижная от тока. Динамометрический механизм, подключенный к цепи, выглядит следующим образом:

Верхняя (горизонтальная) катушка провода измеряет ток нагрузки, а нижняя (вертикальная) — напряжение нагрузки. Как и легкие подвижные катушки в схемах вольтметров, подвижная катушка в динамометре обычно подключена последовательно с резистором диапазона, чтобы на нее не подавалось полное напряжение нагрузки. Точно так же неподвижная катушка может иметь прецизионные шунтовые резисторы для деления тока нагрузки вокруг нее.

В случае с самодельными динамометрическими механизмами шунтовые резисторы реже используются, потому что неподвижную катушку можно изготовить с проволокой необходимой толщины, не влияя на реакцию прибора, в отличие от подвижной, которая должна быть выполнена из легкой проволоки для минимизации инерции.

Вывод и литература

В целом статья объясняет принципы работы различных типов измерительных механизмов в счетчиках, выделяя два основных подхода — электромагнитный и электростатический. Электромагнитные механизмы широко применяются благодаря своей чувствительности и простоте, но обладают сравнительно низким входным сопротивлением. Электростатические, в свою очередь, применимы в условиях высоких напряжений и характеризуются крайне высоким сопротивлением, что делает их полезными в узкоспециализированных задачах. Несмотря на различия в устройстве, все измерительные механизмы требуют точной настройки для отображения корректных значений в заданных диапазонах. Для этого используются дополнительные цепи, такие как делителиа, что позволяет адаптировать чувствительные механизмы к практическим условиям измерений.

1. Аверьянов, М.С. Электрические измерения и приборы. — М.: Высшая школа, 2003.
2. Гольдберг, А.Л. Электроизмерительные приборы. — М.: Энергоатомиздат, 1985.
3. Мещеряков, А.М. Измерительные преобразователи и приборы. — М.: Солон-Пресс, 2001.
4. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. — М.: ДМК Пресс, 2016.
5. Гост Р 8.009-84. Государственная система обеспечения единства измерений. Технические средства измерений. Термины и определения.