Привести 2 известные схемы измерительной цепи омметра. Дать краткую характеристику каждой из них

Ответ: Непосредственное измерение электрических сопротивлений с удовлетворительной для многих практических целей точностью осуществляется омметрами постоянного тока. Схемы омметров разделяются на две основные группы: последовательные, применяемые для измерения сопротивлений средних и больших значений (от 1 Ом и выше), и параллельные, используемые при измерении малых сопротивлений. Простейшая последовательная схема омметра соответствует приведённой на рис. 2, б. Она содержит последовательно включённые магнитоэлектрический измеритель И с внутренним сопротивлением Rи, добавочный резистор Rд, источник постоянного напряжения U0 и исследуемый резистор Rx, присоединяемый к зажимам 1 и 2. Сопротивление добавочного резистора, выбранное по формуле: Rд = U₀/Iи - Rи, обеспечивает при коротком замыкании входных зажимов, т. е. при Rx = 0, протекание через измеритель тока полного отклонения Iи. Каждый омметр характеризуется входным сопротивлением Rом, под которым понимают сопротивление его схемы между входными зажимами. Для рассматриваемой схемы: Rом = Rи + Rд = U0/Iи. (4) При Rx = 0 через измеритель протекает наибольший ток: Iи = U0/Rом, При подключении резистора Rx ток через измеритель уменьшается до значения: Iх = U0/Rом + Rх) и при Rx = ∞ (т. е. при свободных зажимах 1 и 2) становится равным нулю. Градуировка шкалы омметра определяется отношением токов:

Iх/Iи = Rом / (Rом + Rх) = 1 / (1+ Rх/Rом) (5)

Из формулы следует, что при Rx = Rом ток 1x = 0,5*Iи, следовательно, середине шкалы омметра соответствует измеряемое сопротивление, равное входному. На рис. 5 приведена развёрнутая шкала омметра, отметки которой даны в относительных единицах Rx/Rом и справедливы по численному значению при входных сопротивлениях 1 Ом, 1 кОм и 1 МОм. Второй (равномерный) ряд отметок показывает изменение вдоль шкалы отношения Ix/Iи, пропорционально которому отклоняется стрелка измерителя. Эта шкала справедлива и для омметров с любым входным сопротивлением при условии умножения отсчёта по шкале на соответствующий множитель. Например, при Rом = 3 кОм отсчёт по шкале в кило-омах умножают на 3, при Rом = 30 кОм - на 30 и т. д.

Рис. 5. Развёрнутая шкала и график основной погрешности последовательных схем омметров

Крайние значащие деления, которые удаётся нанести на шкалу, в зависимости от размеров её лежат со стороны малых сопротивлений в пределах Rом/20 - Rом/100, а со стороны больших сопротивлений - в пределах (20 100)/Rом. Следовательно, входное сопротивление омметра определяет порядок измеряемых сопротивлений. Поэтому при расчёте предел измерений омметра часто задают его входным сопротивлением. Из формулы (4) следует, что требуемое значение входного сопротивления можно обеспечить как подбором напряжения питания U0, так и выбором измерителя. Чем чувствительнее измеритель, тем меньшее напряжение питания требуется для получения выбранного значения Rом. Если пределы измерений заданы наименьшим и максимальным значениями измеряемых сопротивлений Rxн и Rхм, то входное сопротивление омметра выбирают, исходя из формулы: Rом ≈ (RxнRхм)^0,5. Например, для измерения сопротивлений от 10 до 5000 Ом следует взять Rом ≈ 50000^0,5 = 224 Ом, или округлённо 200 Ом.

В верхней части рис. 5 приведён график основной относительной погрешности омметра δ_o, выраженной в процентах от значения производимого отсчёта. Из графика видно, что при измерителе класса точности 1,0 наименьшая погрешность (примерно 4%) имеет место при отсчёте в средней части шкалы, а к краям шкалы погрешность быстро возрастает. Поэтому диапазон измерений обычно ограничивают пределами (0,1...10)Rом. В общем случае отсчёт по графику следует умножать на класс точности применённого в омметре измерителя. Например, при работе омметра с измерителем класса 2,5 основная погрешность для середины шкалы составляет примерно 10%. В связи с резко неравномерным характером шкалы допустимое значение основной погрешности омметров часто выражают в процентах от длины шкалы. Например, при длине шкалы 100 мм и классе точности 1,5 основная погрешность омметра не превышает ± 1,5 мм; это означает, что действительному значению измеряемого сопротивления Rx может соответствовать отсчёт по шкале омметра в пределах ± 1,5 мм от полученной точки отсчёта. Источниками питания большинства омметров служат малогабаритные сухие или аккумуляторные элементы. Они имеют начальную э. д. с. примерно 1,5 В, которая в процессе эксплуатации постепенно уменьшается. При расчёте омметра обычно предусматривают возможность измерений при уменьшении э. д. с. каждого элемента примерно до 1 В. Внутреннее сопротивление одного элемента не превышает 1-2 Ом и при расчёте последовательных схем омметров им можно пренебречь. Если напряжение питания U отличается от расчётного напряжения U0, которому соответствует шкала омметра, то при Rx = 0 стрелка измерителя не будет устанавливаться на нуль шкалы и появится дополнительная погрешность измерений. С целью её уменьшения простейшая схема (рис. 16-2, б) дополняется регулятором, позволяющим устанавливать перед началом измерений стрелку измерителя на нуль шкалы омметра при Rx = 0. В некоторых омметрах установка нуля осуществляется при помощи магнитного шунта посредством регулировки тока полного отклонения измерителя Iи; при этом остаются неизменными входное сопротивление омметра и, следовательно, его градуировочная характеристика. В комбинированных измерительных приборах, в которых один и тот же измеритель используется как в схеме омметра, так и в схемах измерения напряжения, тока и т. д., применение измерителя с регулируемым при измерении сопротивлений магнитным шунтом недопустимо, поскольку это приведёт к возрастанию погрешности измерения других электрических величин. Поэтому в большинстве приборов применяют схемы омметров, в которых компенсация изменения напряжения питания осуществляется с помощью переменных резисторов или потенциометров. На рис. 6, а приведена схема омметра с последовательным включением реостата установки нуля R. Выбор сопротивления добавочного резистора по формуле: Rд=Uн/Iи-Rи (6) обеспечивает при Rx = 0, полностью выведенном реостате (R = 0) и наименьшем допустимом напряжении питания Uн отклонение стрелки измерителя И на всю шкалу. Если же омметр работает при напряжении, превышающем Uн, ток в цепи понижают до значения Iи вводом реостата R. Полное сопротивление реостата Rм выбирается из условия обеспечения установки нуля при максимально возможном напряжении питания Uм: Rм >= (Uм - Uн)/Iи (7). Входное сопротивление рассматриваемой схемы изменяется пропорционально изменению напряжения питания U. Поскольку шкала омметра выполнена для определённого входного сопротивления, то изменение последнего создаёт дополнительную погрешность измерения, равную относительному изменению напряжения питания. Например, если напряжение U отличается от расчётного U0 на 20%, то для любой точки шкалы погрешность измерений возрастёт на 20%.

Рис. 6. Последовательные схемы омметров с последовательным (а) и параллельным (б) включением регулятора нуля.

Более совершенной является схема омметра с параллельным включением реостата установки нуля R, изображённая на рис. 6, б. Элементы этой схемы рассчитываются таким образом, чтобы при Rx = 0, полностью введённом реостате (R = Rм) и напряжении питания Uн через измеритель протекал ток Iи. Если же U > Uн, то для установки стрелки на нуль частично выводится реостат R, благодаря шунтирующему действию которого ток через измеритель уменьшается до Iи. Входное сопротивление данной схемы: Rом=Rд+R*Rи/(R+Rи)=Rд+Rи/(1+Rи/R) в процессе установки реостатом R нуля будет несколько изменяться. Однако это изменение при любом сопротивлении R не превышает значения Rи. Обычно Rи << Rд, поэтому входное сопротивление омметра сравнительно мало зависит от напряжения питания и дополнительная погрешность не превышает нескольких процентов при изменении напряжения U на 20-30%. При заданном входном сопротивлении Rом и выбранном измерителе, данные которого Iи и Rи считаем известным, расчёт омметра по схеме на рис. 6, б проводится в следующем порядке.

1. Задаёмся допустимым отношением максимального и наименьшего напряжений питания Uм/Uн (обычно оно берётся равным 1,5).

2. Из условия: Uм >= 1,1*Iи*Rом(Uм/Uн) (8) выбираем максимальное напряжение Uм; оно должно быть кратным максимальной э. д. с. одного элемента выбранного типа источника питания. Например, при использовании элементов с э. д. с. 1,5 В напряжение Uм может быть равно 1,5; 3; 4,5 В и т. д.

3. Находим наименьшее допустимое напряжение питания: Uн = Uм:(Uм/Uн) (9)

4. Определяем сопротивление добавочного резистора: Rд = Rом*[1-2*IиRи/(Uм + Uн)].

5. Выбираем реостат установки нуля из условия: Rм >= IиRиRд/[Uн-Iи(Rи + Rд)]

Рис. 7. Схема омметра с балансной регулировкой нуля.

Очень малую зависимость от напряжения питания обеспечивает схема омметра с балансной регулировкой нуля, приведённая на рис. 7. Здесь установка нуля осуществляется с помощью потенциометра R, включённого параллельно измерителю и используемого в качестве универсального шунта с плавной регулировкой. Предположим, что в процессе установки куля приходится уменьшать сопротивление R нижней (по чертежу) части потенциометра. При этом одновременно будет увеличиваться сопротивление цепи измерителя, в которую входит сопротивление Rм - R второго участка потенциометра. В результате при надлежащем выборе элементов схемы входное сопротивление омметра при изменении напряжения питания остаётся почти неизменным и дополнительная погрешность измерений не превышает 1 %. При известных значениях Rом, Uм/Uн и выбранном измерителе расчёт схемы омметра на рис. 7 проводится в следующем порядке.

1. Выбираем максимальное напряжение питания из условия: Uм >= Iи*Rом*(l+Uм/Uн) (10)

2. По формуле (9) находим напряжение Uн.

3. Выбираем полное сопротивление потенциометра R из условия: Rм>= Iи*Rи*Rом/(Uн-Iи*Rом).

4. Сопротивление добавочного резистора находим по формуле: Rд=Rом-Rм*Rи/(Rм+Rи).

Градуировка омметров с последовательной схемой измерения может производиться расчётным путём на основе формулы (5), которая позволяет при известном входном сопротивлении Rом для каждого значения Rx определить отношение токов Iх/Iи, полностью характеризующее положение стрелки измерителя.