Измерение сопротивлений.

При измерении сопротивлений в зависимости от их значений и необходимой точности измерения применяются различные способы.

Измерение сопротивлений методом амперметра – вольтметра. Метод определения сопротивлений с помощью амперметра и вольтметра является косвенным, так как в этом случае по показаниям приборов Iи U, пользуясь законом Ома, находят искомое сопротивление:

(1)

При измерении сопротивления этим методом приборы могут быть включены двумя способами (рис. 1), причем и в том, и в другом случае результаты не будут точными, если не ввести соответствующие поправки.

Рисунок 1 Схема измерения сопротивления с помощью амперметра и вольтметра.

Когда на схеме рис. 1 переключатель находится в положении 1, ошибка в определении сопротивления r_Xобусловливается тем, что вольтметр измеряет не только напряжение на сопротивлении, но и потерю напряжения в сопротивлении амперметра r_A. Когда измеряемое сопротивление значительно больше сопротивления амперметра (r_X»r_A), тогда падением напряжения в сопротивлении r_A можно пренебречь и вычислять искомое сопротивление непосредственно по показаниям приборов по формуле (1). Если же сопротивления (r_X≈r_A), соизмеримы по значению, то для получения более точного результата необходимо пользоваться формулой:

(2)

Когда на схеме (рис. 1) переключатель находится в положении 2, ошибка в определении сопротивления r_X обусловливается тем, что амперметр показывает сумму двух токов, один из которых (I_X)проходит через неизвестное сопротивление r_X, другой (I_U) проходит через вольтметр: I=I_X+I_U. Если при этом измеряемое сопротивление значительно меньше сопротивления вольтметра (r_X«r_U), то током I_U, проходящим через вольтметр, можно пренебречь и искомое сопротивление можно вычислить непосредственно по показаниям приборов, воспользовавшись формулой (1). Если же эти сопротивления соизмеримы по значению, то для получения более точного значения r_X пользуются формулой:

(3)

Рассмотренный косвенный метод измерения сопротивлений не всегда удобен, так как требует затрат времени на дополнительные вычисления. Кроме того, он отличается невысокой точностью из-за влияния внутренних сопротивлений приборов.

Измерение сопротивлений омметром. Для непосредственного измерения сопротивлений служат специальные приборы – омметры, которые представляют собой комбинацию магнитоэлектрического миллиамперметра и специальной измерительной схемы (рис. 2).

Рисунок 2. Схема измерения омметра.

Шкалу такого прибора градуируют в омах. На схеме (рис. 2) последовательно с миллиамперметром r_A включены резистор с сопротивлением r_X, регулируемый добавочный резистор с сопротивлением r_Р и источник питания. В этом случае шкала прибора обратная, так как с увеличением измеряемого сопротивления ток в приборе уменьшается:

(4)

где U – рабочее напряжение омметра. При неизменном Uпоказание прибора зависит только от измеряемого сопротивления r_X, так как каждому значению r_X соответствует определенное значение тока I_X. Это позволяет шкалу миллиамперметра отградуировать в омах.

Показания омметров зависят от значения э. д. с. источника питания, которая с течением времени уменьшается, что является существенным недостатком этих приборов. Для того чтобы при изменении э. д. с. источника рабочее напряжение U оставалось постоянным, омметры снабжают специальным добавочным сопротивлением r_Р, с помощью которого регулируют прибор перед измерением (регулировка нуля).

На практике чаще всего применяются омметры, показания которых не зависят от э. д. с. источника питания. В качестве таких омметров используют магнитоэлектрические логометры – приборы, у которых отсутствует механическое устройство для создания противодействующего момента. Магнитоэлектрический логометр состоит из двух катушек, закрепленных на одной оси под углом 90° и жестко связанных друг с другом.

Катушки помещены в поле постоянного магнита (рис. 10.12).

Рисунок 2. Устройство логометра.

Токи к ним подводятся от общего источника питания через гибкие проводники, которые практически не создают противодействующего момента. Последовательно с одной из катушек включен постоянный добавочный резистор с сопротивлением r_Д а в цепь другой катушки – резистор с измеряемым сопротивлением r_X. Катушки с последовательно включенными сопротивлениями образуют две параллельные цепи. При этом токи, протекающие через катушки, соответственно равны и , где r₁, и r₂ – соответственно сопротивления катушек.

Под действием токов, протекающих через катушки, создаются два вращающих момента, направленных встречно друг другу и зависящих от положения катушек в пространстве и

где – коэффициенты пропорциональности, зависящие от положения катушек в магнитном поле; α – угол отклонения плоскости катушки 1 относительно вертикальной оси OO¢.

Под влиянием вращающих моментов подвижная система прибора поворачивается до тех пор, пока не окажется в равновесном состоянии при М₁=М₂.Отсюда или

(5)

Из (5) следует, что отклонение подвижной системы прибора определяется только отношением токов. Угол отклонения подвижной системы прибора при неизменных значениях сопротивлений r₁,r₂,r_Д, зависит только от измеряемого сопротивления r_X и не зависит от напряжения источника питания. Последнее обстоятельство является существенным при использовании логометров в качестве приборов, предназначенных для измерения неэлектрических величин.

В цепях переменного тока применяют логометры электромагнитной и электродинамической систем. Логометры электромагнитной системы используют для измерения частоты, емкости, индуктивности и других величин. Электродинамические логометры применяют для измерения различных величин в цепях переменного тока. В частности, их широко используют в качестве фазометров.

Измерение сопротивлений мостовым методом. Мостовой метод (рис. 3) позволяет наиболее точно измерять сопротивления.

Рисунок 3. Схема мостового измерения сопротивлений.

В одно из плеч моста включают резистор с сопротивлением r_X, а в другие три плеча – регулируемые и известные по значению сопротивления r₁,r₂,r₃. К точкам моста а и b подключен источник питания постоянного тока, а в диагональ моста между точками c и д включен магнитоэлектрический гальванометр Г. При измерении сопротивления r_X значения трех других сопротивлений изменяют таким образом, чтобы наступило равновесие моста, при котором ток в цепи гальванометра становится равным нулю. Равновесие моста наступает при условии, когда разность потенциалов между точками с и д равна нулю. Поэтому при равновесном состоянии моста как через плечи ас и сb проходят одинаковые токи: I₁=I₂; так и через плечи ад и дb: I₃=I₄. Исходя из этого, для схемы (рис.3) можно записать:

(6)

Наряду с уравновешенными мостами для измерения сопротивлений широко применяются неуравновешенные мосты, позволяющие более быстро производить измерение сопротивлений (но менее точно, так как их показания зависят от стабильности напряжения источника питания). Значение измеряемого сопротивления в этих мостах определяют непосредственно по показаниям прибора. В неуравновешенных мостах часто используют в качестве измерительного прибора магнитоэлектрические логометры, позволяющие повысить точность измерения.

Уравновешивание мостов можно производить вручную или автоматически. Автоматическое уравновешивание применяют в тех случаях, когда необходимо следить за изменением измеряемого сопротивления и управлять его значением.