Омметр: принцип работы и виды приборов для измерения сопротивления.

Введение

Омметр – это электрический прибор для измерения электрического сопротивления (противодействия, оказываемого цепью или компонентом потоку электрического тока). Мультиметры также могут функционировать как омметры в режиме измерения сопротивления. Омметр подает ток в цепь или компонент, сопротивление которого необходимо измерить, затем измеряет возникающее напряжение и вычисляет сопротивление, используя закон Ома.

Не следует подключать омметр к цепи или компоненту, по которому течет ток, или к источнику питания. Перед подключением омметра необходимо отключить питание. Омметры могут подключаться последовательно или параллельно в зависимости от требований (в зависимости от того, является ли измеряемое сопротивление частью цепи или является шунтом). Микроомметры (микроомметр) используются для измерения низких сопротивлений. Мегоомметры (также известны под торговой маркой Megger) измеряют высокие значения сопротивления. Единицей измерения сопротивления является ом (Ω).

Эволюция дизайна

Первые оммаметры были основаны на типе движения стрелки, известном как "рациометр". Они были похожи на механизмы гальванометра, используемые в более поздних приборах, но вместо спиральных пружин для создания восстанавливающей силы они использовали проводящие "лигаменты". Эти лигаменты не создавали результирующего вращающего момента. Кроме того, механизм содержал две катушки. Одна была подключена через последовательный резистор к источнику питания. Вторая была подключена к тому же источнику питания через второй резистор и измеряемый резистор. Показание прибора было пропорционально отношению токов, протекающих через обе катушки. Это отношение определялось величиной измеряемого резистора. Это решение имело два преимущества. Во-первых, показание сопротивления было полностью независимым от напряжения батареи (при условии, что батарея выдавала какое-либо напряжение), и не требовалась начальная настройка нуля. Во-вторых, хотя шкала сопротивлений была нелинейной, она оставалась точной во всем диапазоне отклонения. Переключая катушки местами, можно было получить второй диапазон измерений. Шкала для этого диапазона была обратной по сравнению с первой. Особенностью этого типа прибора было то, что он продолжал показывать случайное значение сопротивления после отключения измерительных проводов (что отключало батарею от механизма). Омметры этого типа измеряли только сопротивление и их было сложно интегрировать в конструкцию мультиметра. Испытатели изоляции, использующие ручной генератор, работали по тому же принципу, обеспечивая полную независимость показаний от фактического напряжения генератора. В последующих конструкциях оммаметров использовалась небольшая батарея для подачи напряжения на измеряемый резистор через гальванометр, для измерения тока, протекающего через резистор (батарея, гальванометр и резистор были соединены последовательно). Шкала гальванометра была градуирована в омах, поскольку фиксированное напряжение батареи гарантировало, что с увеличением сопротивления ток через прибор (и, следовательно, отклонение стрелки) уменьшался. Омметры формируют собственные цепи и поэтому не могут использоваться в собранных схемах. Эта конструкция была намного проще и дешевле предыдущей, ее было легко интегрировать в мультиметр, и поэтому она была наиболее распространенной формой аналогового оммаметра. Этот тип оммаметров имеет два основных недостатка. Во-первых, прибор необходимо обнулить, замкнув измерительные клеммы накоротко и выполнив регулировку для показания нуля Ом перед каждым измерением. Это связано с тем, что с уменьшением напряжения батареи с течением времени необходимо уменьшать последовательное сопротивление в приборе, чтобы сохранить нулевое показание при полном отклонении. Во-вторых, как следствие первого, фактическое отклонение для любого данного резистора изменяется при изменении внутреннего сопротивления. Точность сохраняется только в центре шкалы, поэтому в спецификациях таких оммаметров точность всегда указывается как "только в центре шкалы". Более точный тип оммаметра имеет электронную схему, которая пропускает постоянный ток (I) через резистор, и другую схему, которая измеряет напряжение (V) на резисторе. Эти измерения затем оцифровываются с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП), после чего микроконтроллер или микропроцессор делит ток на напряжение в соответствии с законом Ома и преобразует результат в показание на дисплее, отображающее значение измеряемого сопротивления в данный момент времени. Поскольку эти приборы измеряют ток, напряжение и сопротивление одновременно, такие схемы часто используются в цифровых мультиметрах.

The first ohmmeters were based on a type of meter movement known as a 'ratiometer'. These were similar to the galvanometer type movement encountered in later instruments, but instead of hairsprings to supply a restoring force they used conducting 'ligaments'. These provided no net rotational force to the movement. Also, the movement was wound with two coils. One was connected via a series resistor to the battery supply. The second was connected to the same battery supply via a second resistor and the resistor under test. The indication on the meter was proportional to the ratio of the currents through the two coils. This ratio was determined by the magnitude of the resistor under test. The advantages of this arrangement were twofold. First, the indication of the resistance was completely independent of the battery voltage (as long as it actually produced some voltage) and no zero adjustment was required. Second, although the resistance scale was non linear, the scale remained correct over the full deflection range. By interchanging the two coils a second range was provided. This scale was reversed compared to the first. A feature of this type of instrument was that it would continue to indicate a random resistance value once the test leads were disconnected (the action of which disconnected the battery from the movement). Ohmmeters of this type only ever measured resistance as they could not easily be incorporated into a multimeter design. Insulation testers that relied on a hand cranked generator operated on the same principle. This ensured that the indication was wholly independent of the voltage actually produced. Subsequent designs of ohmmeter provided a small battery to apply a voltage to a resistance via a galvanometer to measure the current through the resistance (battery, galvanometer and resistance all connected in series). The scale of the galvanometer was marked in ohms, because the fixed voltage from the battery assured that as resistance is increased, the current through the meter (and hence deflection) would decrease. Ohmmeters form circuits by themselves, therefore they cannot be used within an assembled circuit. This design is much simpler and cheaper than the former design, and was simple to integrate into a multimeter design and consequently was by far the most common form of analogue ohmmeter. This type of ohmmeter suffers from two inherent disadvantages. First, the meter needs to be zeroed by shorting the measurement points together and performing an adjustment for zero ohms indication prior to each measurement. This is because as the battery voltage decreases with age, the series resistance in the meter needs to be reduced to maintain the zero indication at full deflection. Second, and consequent on the first, the actual deflection for any given resistor under test changes as the internal resistance is altered. It remains correct at the centre of the scale only, which is why such ohmmeter designs always quote the accuracy "at centre scale only". A more accurate type of ohmmeter has an electronic circuit that passes a constant current (I) through the resistance, and another circuit that measures the voltage (V) across the resistance. These measurements are then digitized with an analog digital converter (adc) after which a microcontroller or microprocessor make the division of the current and voltage according to Ohm's law and then decode these to a display to offer the user a reading of the resistance value they're measuring at that instant. Since these type of meters already measure current, voltage and resistance all at once, these type of circuits are often used in digital multimeters.

Точные оммаметры

Для высокоточных измерений очень малых сопротивлений вышеуказанные типы приборов не подходят. Это отчасти связано с тем, что изменение показаний само по себе невелико, когда измеряемое сопротивление слишком мало по сравнению с внутренним сопротивлением омметра (с чем можно справиться посредством деления тока), но главным образом с тем, что показания прибора представляют собой сумму сопротивления измерительных проводов, контактных сопротивлений и измеряемого сопротивления. Для уменьшения этого эффекта прецизионный омметр имеет четыре клеммы, называемые контактами Кельвина. Две клеммы служат для подачи и отвода тока от прибора, а другие две позволяют прибору измерять напряжение на резисторе. В такой схеме источник питания подключается последовательно с измеряемым сопротивлением через внешнюю пару клемм, а вторая пара подключается параллельно с гальванометром, измеряющим падение напряжения. При использовании такого прибора любое падение напряжения, вызванное сопротивлением первой пары проводов и их контактными сопротивлениями, игнорируется. Эта четырехклеммная техника измерения называется методом Кельвина, в честь Уильяма Томсона, лорда Кельвина, который в 1861 году изобрел мост Кельвина для измерения очень малых сопротивлений. Метод четырехконтактного измерения также может быть использован для проведения точных измерений малых сопротивлений.