Дизайн омметра

Хотя механические омметры (измерители сопротивления) сегодня используются редко, в значительной степени вытесненные цифровыми приборами, их работа, тем не менее, интригует и заслуживает изучения.

Назначение омметра

Конечно, омметр предназначен для измерения сопротивления между его выводами. Это показание сопротивления отображается с помощью механического счетчика, работающего от электрического тока. В этом случае омметр должен иметь внутренний источник напряжения для создания тока, необходимого для работы механизма, а также иметь соответствующие резисторы измерения дальности, чтобы пропускать только нужное количество тока через движение при любом заданном сопротивлении.

Как работает омметр?

Начнем с простого механизма и схемы батареи, давайте посмотрим, как он будет работать как омметр:

При бесконечном сопротивлении (отсутствие непрерывности между измерительными проводами) через движение измерителя проходит нулевой ток, а стрелка указывает в крайний левый угол шкалы. В этом отношении показание омметра «назад», потому что максимальное показание (бесконечность) находится слева от шкалы, в то время как измерители напряжения и тока имеют ноль слева от шкалы.

Если измерительные провода этого омметра напрямую закорочены (при измерении ноль Ω), через движение измерителя будет проходить максимальный ток, ограниченный только напряжением батареи и внутренним сопротивлением механизма:

При напряжении аккумулятора 9 вольт и сопротивлении движению всего 500 Ом ток в нашей цепи составит 18 мА, что намного превышает номинальные характеристики механизма. Такое превышение тока может повредить счетчик.

Более того, наличие такого состояния ограничивает полезность устройства. Если крайняя левая шкала на циферблате измерителя представляет собой бесконечное сопротивление, тогда полная правая шкала должна представлять ноль. В настоящее время наша конструкция жестко фиксирует движение счетчика вправо, когда между выводами приложено нулевое сопротивление. Нам нужен способ сделать так, чтобы движение просто регистрировалось в полном масштабе, когда тестовые провода замкнуты вместе. Это достигается добавлением последовательного сопротивления к цепи измерителя:

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

Теперь, когда правильное значение для R было вычислено, у нас все еще осталась проблема с диапазоном измерения. В левой части шкалы у нас есть «бесконечность», а в правой части - ноль. Помимо того, что эта шкала «отстает» от шкал вольтметров и амперметров, эта шкала странная, потому что она идет от ничего ко всему, а не от нуля к конечному значению (например, 10 вольт, 1 ампер и т. Д.).

Можно сделать паузу, чтобы спросить:«Что представляет собой середина шкалы? Какая фигура лежит точно между нулем и бесконечностью? » Бесконечность - это больше, чем просто очень большой количество:это неисчислимое количество, большее, чем могло бы быть какое-либо определенное число. Если показание половины шкалы на любом другом типе измерителя представляет 1/2 значения полной шкалы, то что такое половина бесконечности на шкале омметра?

Логарифмическая шкала омметра

Ответ на этот парадокс - нелинейная шкала . . Проще говоря, шкала омметра не движется плавно от нуля до бесконечности, когда стрелка движется справа налево. Скорее, шкала начинает «расширяться» с правой стороны, с последовательными значениями сопротивления, которые становятся все ближе и ближе друг к другу по направлению к левой части шкалы:

К бесконечности нельзя приближаться линейно (даже), потому что масштаб никогда достичь цели! При нелинейной шкале величина сопротивления, охватываемого для любого заданного расстояния на шкале, увеличивается по мере того, как шкала приближается к бесконечности, что делает бесконечность достижимой целью.

Однако у нас все еще есть вопрос о диапазоне для нашего омметра. Какое значение сопротивления между измерительными проводами вызовет отклонение стрелки точно на 1/2 шкалы? Если мы знаем, что у механизма номинальный диапазон полной шкалы 1 мА, то 0,5 мА (500 мкА) должно быть значением, необходимым для отклонения на половину шкалы. Следуя нашему проекту с 9-вольтовой батареей в качестве источника, мы получаем:

При внутреннем сопротивлении перемещению 500 Ом и резисторе последовательного диапазона 8,5 кОм остается 9 кОм для внешнего (между выводами) испытательного сопротивления по шкале 1/2. Другими словами, испытательное сопротивление, дающее 1/2 отклонения шкалы в омметре, равно по величине (внутреннему) последовательному полному сопротивлению цепи измерителя.

Используя закон Ома еще несколько раз, мы можем определить значение испытательного сопротивления для отклонения по шкале 1/4 и 3/4:

Отклонение 1/4 шкалы (0,25 мА тока счетчика):

Отклонение шкалы на 3/4 (0,75 мА тока счетчика):

Итак, шкала этого омметра выглядит примерно так:

Одной из основных проблем этой конструкции является то, что она полагается на стабильное напряжение батареи для точного измерения сопротивления. Если напряжение батареи упадет (как и все химические батареи с возрастом и использованием), шкала омметра потеряет точность. При постоянном значении резистора последовательного диапазона 8,5 кОм и снижении напряжения батареи измеритель больше не будет отклоняться на полную шкалу вправо, когда измерительные провода замкнуты вместе (0 Ом). Точно так же испытательное сопротивление 9 кОм не сможет отклонить стрелку точно до 1/2 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 приблизительные. По этой причине, а также ввиду наличия нелинейной шкалы этот тип омметра никогда не считается прецизионным прибором.

В отношении омметров следует упомянуть еще одно последнее предостережение:они правильно работают только при измерении сопротивления, на которое не подается питание 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.

ОБЗОР:

• Омметры содержат внутренние источники напряжения для питания при измерении сопротивления.
• Аналоговая шкала омметра находится «в обратном направлении» от шкалы вольтметра или амперметра:стрелка движения показывает нулевое сопротивление при полной шкале и бесконечное сопротивление в состоянии покоя.
• Аналоговые омметры также имеют нелинейную шкалу, «расширенную» на нижнем конце шкалы и «сжатую» на верхнем конце, чтобы иметь возможность изменять сопротивление от нуля до бесконечности.
• Аналоговые омметры не являются точными приборами.
• Омметры не должны никогда быть подключенным к цепи под напряжением (то есть цепи с собственным источником напряжения). Любое напряжение, приложенное к измерительным проводам омметра, приведет к недействительности его показаний.

СВЯЗАННЫЕ РАБОЧИЕ ТАБЛИЦЫ:

• Таблица между амперметром и омметром
• Базовая таблица использования омметра