Глава 6. Электрические измерения - Измерительные приборы

ЦЕЛИ

После изучения этой главы студент должен быть в состоянии:

• Описать типы измерительных приборов.

• Описать, как используется вольтметр в цепи.

• Описать, как используется амперметр в цепи.

• Описать, как используется омметр для измерения сопротивления.

• Точно прочесть отсчет со шкалы аналогового вольтметра.

• Точно прочесть отсчет со шкалы аналогового амперметра.

• Точно прочесть отсчет со шкалы аналогового омметра.

• Описать функции мультиметра.

• Описать, как используется мультиметр для измерения напряжения, тока и сопротивления.

• Описать, как измеряется ток с помощью амперметра.

• Описать, как подсоединяется амперметр к цепи.

• Перечислить меры предосторожности при использовании амперметра.

• Описать, как подсоединяется вольтметр к цепи.

• Перечислить меры предосторожности при подсоединении вольтметра к цепи.

• Описать, как измеряются значения сопротивлений с помощью омметра.

• Дать определение проверки цепи на непрерывность.

• Описать, как используется омметр для проверки разомкнутых, замкнутых и короткозамкнутых цепей.

В области электричества точные количественные измерения играют большую роль. Измеряют обычно такие параметры цепей, как ток, напряжение и сопротивление. Для проведения измерений используются амперметры, вольтметры и омметры. Для проведения электрических измерений важно хорошо понимать, как это делается.

В этой главе описаны широко используемые аналоговые измерительные приборы, включая мультиметры или многофункциональные измерительные приборы.

6–1. ВВЕДЕНИЕ

Измерительные приборы являются средством, с помощью которого невидимое действие электронов может быть зарегистрировано и измерено. Измерительные приборы необходимы при исследовании работы цепи. Существует два типа измерительных приборов. Первый — это аналоговые приборы, использующие проградуированную шкалу со стрелкой (рис. 6–1). Другой тип — цифровые приборы, показывающие величину отсчета показаний в виде цифр (рис. 6–2). Показания цифровых приборов легче читать, и они обеспечивают большую точность, чем аналоговые. Однако аналоговые приборы обеспечивают возможность проследить за быстрыми изменениями тока и напряжения.

Рис. 6–1. Аналоговые измерительные приборы.

Рис. 6–2. Цифровой измерительный прибор.

Большинство измерительных приборов помещено в защитный корпус. Выводы предназначены для подсоединения приборов к цепи. Для правильного подсоединения прибора необходимо обратить внимание на полярность выводов. Цветной или белый выводы являются положительными, а черный вывод — отрицательным (или «землей»).

Перед использованием аналогового прибора его стрелка должна быть установлена на ноль. На лицевой стороне любого прибора находится маленький винт, с помощью которого производится установка на ноль (рис. 6–3). Установив стрелку на ноль, разместите прибор там, где он должен использоваться. Если стрелка не стоит на нуле, используйте для поворота винта отвертку. Прибор не должен подключаться к цепи до тех пор, пока не проведена установка стрелки на ноль.

Рис. 6–3. Расположение винта коррекции нуля на различных аналоговых измерительных приборах.

6–1. Вопросы

1. Для чего предназначены измерительные приборы?

2. Какие два типа измерительных приборов существуют?

3. Какими цветами обозначены положительный и отрицательный выводы у измерительного прибора?

4. Какая регулировка должна быть сделана перед использованием аналогового измерительного прибора?

6-2. ТИПЫ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ

Амперметр используется для измерения тока в цепи.

Амперметр (схематическое обозначение показано на рис. 6–4) может рассматриваться как измеритель потока электронов. Он измеряет количество электронов, протекающих через данную точку цепи. Для получения показаний прибора, электроны должны течь через амперметр. Как показано на рис. 6–5, для этого надо разомкнуть цепь и вставить туда амперметр. Включение в цепь амперметра не должно изменять величину протекающего там тока, поэтому сопротивление амперметра должно быть мало.

Рис. 6–4. Схематическое обозначение амперметра.

Рис. 6–5. Размещение амперметра в цепи.

Вольтметр используется для измерения напряжения (разности потенциалов) между двумя точками цепи. Вольтметр подключается параллельно участку, на котором измеряется падение напряжения, сопротивление его должно быть велико (рис. 6–6).

Рис. 6–6. (А) Вольтметр подсоединяется к цепи параллельно. (Б) Схематическое обозначение вольтметра.

Сопротивление измеряется с помощью омметра. Для измерения сопротивления к измеряемому устройству прикладывается некоторое напряжение, индуцирующее ток через это устройство (рис. 6–7). Когда сопротивление мало, течет большой ток, и омметр регистрирует низкое сопротивление. Когда сопротивление велико, течет маленький ток, и омметр регистрирует высокое сопротивление.

Рис. 6–7. (А) Омметр прикладывает напряжение к намеряемой компоненте и измеряет текущий через нее ток. (Б) Схематическое обозначение омметра.

6–2. Вопросы

1. Каким прибором измеряют ток?

2. Какой прибор предназначен для измерения напряжения?

3. Какой измерительный прибор используется для измерения сопротивления?

4. Опишите, как измерять ток с помощью амперметра?

5. Опишите, как измерять напряжение с помощью вольтметра?

6. Опишите, как измерять сопротивление с помощью омметра?

6-3. ИЗМЕРЕНИЕ ТОКА

Для того чтобы использовать амперметр для измерения тока, цепь должна быть разомкнута, а измерительный прибор вставлен последовательно в цепь (рис. 6–8).

Рис. 6–8. Амперметр включается в цепь последовательно.

При включении амперметра в цепь должна соблюдаться полярность. Два вывода на амперметре помечены: положительный — красным, а отрицательный (общий) — черным (рис. 6–9).

Рис. 6–9. Амперметр является только частью этого измерительного прибора. Черный отрицательный провод подключается в общее или отрицательное гнездо. Положительный провод подключается в гнездо со знаком плюс.

Предостережение: всегда отключайте источник питания перед подключением амперметра к цепи.

Отрицательный вывод должен быть подключен к более отрицательной (с меньшим потенциалом) точке цепи, а положительный вывод к более положительной (с бóльшим потенциалом) точке цепи (рис. 6-10). После подсоединения амперметра, его стрелка переместится слева направо. Если стрелка перемещается в противоположном направлении, поменяйте выводы местами.

Рис. 6-10. Подсоедините положительный вывод амперметра к более положительной точке цепи (к точке с бóльшим потенциалом). Подсоедините отрицательный вывод амперметра к более отрицательной точке цепи (к точке с меньшим потенциалом).

Предостережение: Амперметр никогда не должен подключаться параллельно какому-либо элементу цепи. Если его подсоединить параллельно, то перемычка в приборе расплавится и серьезно повредит прибор или цепь. Никогда не подключайте амперметр непосредственно к источнику тока.

После установки амперметра в цепь и перед включением питания установите прибор на наивысший предел измерения. После включения питания шкалу амперметра можно переключить на наиболее подходящую. Это предотвратит резкое движение стрелки прибора вправо до упора.

Внутреннее сопротивление амперметра прибавляется к сопротивлению цепи и увеличивает общее сопротивление цепи. Измеренный ток в цепи может быть ниже, чем ток, текущий в отсутствие амперметра. Однако поскольку сопротивление амперметра мало по сравнению с сопротивлением цепи, ошибкой можно пренебречь.

Амперметр с зажимами (измерительные клещи) не требует подсоединения к измеряемой цепи. Амперметр с зажимами использует электромагнитное поле, создаваемое током для измерения величины тока в цепи.

6–3. Вопросы

1. Как амперметр подсоединяется к цепи?

2. Что надо сделать перед подсоединением амперметра к цепи?

3. Что надо сделать, если стрелка отклоняется в обратном направлении?

4. Какую шкалу амперметра надо выбрать перед включением питания?

6-4. ИЗМЕРЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ

Напряжение существует между двумя точками, оно не течет через цепь подобно току. Следовательно, вольтметр, используемый для измерения напряжения, подсоединяется параллельно цепи.

Предостережение: если вольтметр включить в цепь последовательно, через него может пойти большой ток и повредить его.

Здесь также важна полярность. Отрицательный вывод вольтметра должен быть подсоединен к более отрицательной точке цепи (с мéньшим потенциалом), а положительный вывод — к более положительной точке цепи (с большим потенциалом) (рис. 6-11). Если точки соединения поменять местами, стрелка прибора отклонится влево, и измерение нельзя будет провести. Если это случится, поменяйте местами выводы.

Рис. 6-11. При подключении вольтметра к цепи убедитесь в правильном выборе полярности.

Для проведения измерений необходимо сначала отключить питание цепи, подсоединить вольтметр, а затем снова включить питание. Сначала установите наивысший предел измерения вольтметра. После того как к цепи будет приложено напряжение, установите наиболее подходящую измерительную шкалу прибора.

Внутреннее сопротивление вольтметра подключено параллельно к измеряемому элементу цепи. Общее сопротивление параллельно включенных резисторов всегда меньше, чем сопротивление наименьшего резистора. В результате напряжение, которое показывает вольтметр, меньше, чем реальное напряжение в отсутствие вольтметра. В большинстве случаев внутреннее сопротивление вольтметра достаточно высокое и ошибка настолько мала, что ею можно пренебречь. Однако если напряжение измеряется в цепи с высоким сопротивлением, сопротивление измерительного прибора может давать заметный эффект. Некоторые вольтметры, предназначенные для таких целей, имеют сверхвысокое внутреннее сопротивление.

6–4. Вопросы

1. Как вольтметр подсоединяется к цепи?

2. Что рекомендует практика при подсоединении вольтметра к цепи?

3. Что надо сделать, если стрелка вольтметра отклоняется влево?

4. Какое предостережение необходимо учесть при проведении измерений в цепи с высоким сопротивлением?

6-5. ИЗМЕРЕНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ

Омметр измеряет сопротивление цепи или компоненты цепи с помощью приложенного известного напряжения.

Напряжение обеспечивают батареи. Когда к измерительному прибору через исследуемую компоненту прикладывается постоянное напряжение, стрелка прибора отклоняется в соответствии с протекающим током. Отклонение стрелки различно для различных измеряемых сопротивлений. Для того, чтобы измерить сопротивление цепи или ее составляющей, омметр подсоединяется параллельно цепи или ее какой-либо компоненте.

Предостережение: Перед подсоединением омметра к цени, убедитесь, что питание выключено.

Когда измеряется сопротивление компоненты в цепи, отсоедините один конец компоненты от до пи. Это устраняет параллельные пути, которые могут привести к неправильному измерению сопротивления. Для получения точного измерения устройство должно быть удалено из цепи. После этого выводы омметра подсоединяются к устройству (рис. 6-12).

Рис. 6-12. При использовании омметра для измерения сопротивления измеряемая компонента должна быть удалена из цепи.

Главное назначение омметра — измерение сопротивления. Следовательно, омметр может быть использован для определения, какой является цепь: разомкнутой, закороченной или замкнутой. Разомкнутая цепь имеет бесконечно большое сопротивление, поскольку через нее не течет ток (рис. 6-13).

Рис. 6-13. Омметр может использоваться для определения разрыва в цепи. Разомкнутая цепь показывает высокое сопротивление.

Короткозамкнутая цепь имеет нулевое сопротивление, так как ток, проходя через нее, не вызывает падение напряжения. Замкнутая цепь представляет собой полный путь для прохождения тока. Ее сопротивление зависит от сопротивлений компонентов цепи (рис. 6-14).

Рис. 6-14. Омметр может также использоваться, чтобы определить, допускает ли цепь прохождение тока. Замкнутая цепь показывает низкое сопротивление.

Проверка цепи па замкнутость, разомкнутость или закороченность называется проверкой цепи на непрерывность. Эта проверка показывает, является ли путь для тока непрерывным. Для того, чтобы определить замкнута цепь или разомкнута, должна быть использована наименьшая чувствительность шкалы омметра. Сначала убедитесь в том, что в цени отсутствуют компоненты, которые могут быть повреждены током от омметра. После этого подсоедините выводы омметра к точкам измеряемой цепи. Если омметр что-то показывает, то цепь замкнута или закорочена. Если омметр ничего не показывает (стрелка не отклоняется) — цепь разомкнута. Эта проверка полезна для установления причины, по которой цепь не работает.

6–5. Вопросы

1. Как работает омметр?

2. Какое предостережение необходимо вспомнить перед подсоединением омметра к цепи?

3. Что является основным предназначением омметра?

4. Для каких других целей может использоваться омметр?

6-6. ОТСЧЕТ ПОКАЗАНИЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО ПРИБОРА

Отсчет показаний амперметра и вольтметра производится одинаково, хотя вольтметры измеряют вольты, а амперметры — амперы.

Максимальное значение, показываемое измерительным прибором, называется пределом измерения. Другими словами, это максимальное значение тока или напряжения, которое может определить измерительный прибор при отклонении стрелки на всю шкалу.

Измеренное значение тока или напряжения отсчитывается по шкале с помощью стрелки. Например, стрелка на рис. 6-15 отклонилась на одно большое деление, показывая напряжение 1 вольт или ток 1 ампер. На измерительном приборе (рис. 6-16), стрелка отклонилась на семь больших делений, показывая ток 7 ампер или напряжение 7 вольт.

Рис. 6-15. Отсчет показывает 1 вольт или ампер.

Риг. 6-16. Отсчет показывает 7 вольт или ампер.

Если стрелка измерительного прибора расположена между большими делениями шкалы, надо учитывать маленькие деления. Рис. 6-17 показывает четыре маленьких деления между каждыми большими делениями на шкале, создавая пять равных интервалов. Каждый из этих маленьких интервалов составляет одну пятую главного деления, или 0,2 единицы измерения.

Рис. 6-17. Каждое малое деление составляет 0,2 вольта или ампера.

Если стрелка находится между малыми делениями шкалы прибора, то ее показание должно быть оценено. На рис. 6-18 стрелка находится между отметками 2/5(0,4) и 3/5(0,6). Это означает примерно 2,5 вольта или ампера.

Рис. 6-18. Отсчет показывает 2,5 вольта или ампера.

На рис. 6-19 стрелка находится на одной четвертой расстояния между отметками 3/5(0,6) и 4/5(0,8). Каждый маленький интервал составляет 0,2. Одна четвертая от 0,2 составляет 0,05. Следовательно, стрелка показывает примерно 4,65 вольта или ампера.

Количество больших и малых делений на шкале измерительного прибора зависит от диапазона напряжений или токов, на которые рассчитан прибор. Во всех случаях цена наименьшего интервала может быть найдена путем деления цены большого интервала на число содержащихся в нем делений.

Рис. 6-19. Отсчет показывает 4,65 вольта или ампера.

Шкала измерительного прибора для измерения сопротивлений отличается от шкал для измерения токов и напряжений (рис. 6-20). Она читается справа налево, а не слева направо. Кроме того, эта шкала является нелинейной, поэтому количество малых делении между большими делениями не одинаково в разных местах шкалы. Между 0 и 1 имеется пять малых делений, каждое из которых равно 0,2 единицы измерения. Между 6 и 10 имеется 4 интервала, каждый из которых равен) единице, а внутри каждого интервала есть еще деление, составляющее 0,5 единицы. Между отметками 50 и 100 имеется пять малых интервалов, каждый из которых составляет 10 единиц.

Рис 6-20. Шкала омметра читается справа налево

Между 100 и 500 имеется четыре малых интервала, каждый из которых составляет 100 единиц, причем первый из них разделен на два интервала по 50 единиц. Последней отметкой слева является бесконечность (). Если стрелка указывает на эту отметку, то измеряемое сопротивление лежит за пределами измерений прибора. В нормальных условиях, когда сопротивление не измеряется, стрелка находится на отметке бесконечность. На рис. 6-21 показано отклонение стрелки на 1,5 ома. На рис. 6-22 изображена стрелка, показывающая 200 ом.

Рис. 6-21. Отсчет показывает 1,5 ома.

Рис. 6-22. Отсчет показывает 200 ом.

Перед использованием омметра его измерительные провода соединяются накоротко и с помощью регулятора установки нуля стрелка устанавливается на нулевую отметку. Эта операция проверяет прибор и компенсирует старение батареи.

6–6. Вопросы

1. Что определяет максимальное значение, которое может измерять аналоговый измерительный прибор?

2. В чем отличие между шкалой омметра и шкалой амперметра или вольтметра?

3. Оцените показания шкалы вольтметра на рис. 6-23.

6–7. МУЛЬТИМЕТРЫ

При работе с блоками оборудования должны быть проведены различные измерения. Для того чтобы не использовать несколько измерительных приборов, вольтметр, амперметр и омметр могут быть объединены в один инструмент, который называется мультиметр. Мультиметр также называют авометр (ампер вольт омметр), рис. 6-24.

Рио. 6-24. Аналоговый мультиметр.

Измерительный прибор на рис. 6-24 имеет пять пределов измерения по напряжению, четыре измерения предела по току и три предела измерения по сопротивлению.

Прибор содержит пять шкал для удобства пользования им при измерении различных величин на различных пределах. Специалист выбирает с помощью переключателя мультиметра желаемый предел измерения по напряжению, току или сопротивлению. Регулятор установки нуля позволяет омметру компенсировать изменения напряжения внутренних батарей. Переключатель функций прибора имеет три положения: — DC (- постоянный ток), DC (- постоянный ток) и АС (переменный ток). Для измерения постоянного тока, постоянного напряжения и сопротивления переключатель надо поставить на — DC или DC, в зависимости от полярности измеряемого тока или напряжения. Этот переключатель допускает перемену полярности без отсоединения измерительных проводов от цепи.

Для измерения постоянного напряжения установите переключатель в положение +DC. Когда переключатель установлен на — DC, общий щуп является отрицательным, а положительный щуп — положительным. Вольтметр подсоединяется параллельно цепи. При измерении неизвестного напряжения всегда выбирайте наивысший предел измерения (500 вольт). Если измеряемое напряжение ниже, можно выбрать более низкий предел. Эта процедура защищает измерительный прибор от повреждения. Сделайте отсчет напряжения на шкале, отмеченной DC. Для предела 2,3 вольта используйте шкалу 0-250 и поделите отсчет на 100. Для пределов 10, 50 и 250 вольт используйте соответствующие шкалы. Для предела 500 вольт используйте шкалу 0-50 я умножьте отсчет на 10.

Для измерения тока установите переключатель на желаемый предел по току и включайте прибор в цепь, последовательно. Используйте шкалу DC. Для предела 1 мА используйте шкалу 0—10 и поделите отсчет на 10. Для предела 10 мА используйте шкалу 0-10 непосредственно. Для предела 100 мА используйте шкалу 0-10 и умножьте отсчет на 10. Для предела 500 мА используйте шкалу 0-50 и умножьте отсчет на 10.

Для измерения сопротивления установите переключатель на желаемый предел измерения сопротивления. Закоротите измерительные провода. Вращайте регулятор установки нуля до тех пор, пока стрелка не установится на нуль. Разомкните измерительные провода и подсоедините их к измеряемой компоненте. Используйте предел Rх1 для измерения сопротивлений от 0 до 200 ом. Используйте предел Rx100 для измерения сопротивлении от 200 до 20000 ом. Используйте предел Rx10000 для измерения сопротивлений больших 20000 ом. Делайте отсчет на шкале омов в верхней части шкалы прибора. Заметим, что шкала омов читается справа налево. Для того чтобы определить действительное значение сопротивления, умножьте отсчет на множитель выбранного предела. Буква К равна 1000.

Для использования других гнезд для напряжения и тока, расположенных на мультиметре, обратитесь к руководству по эксплуатации.

6–7. Вопросы

1. Что такое мультиметр?

2. Опишите, как провести измерение напряжения с помощью мультиметра?

3. Опишите, как провести измерение тока с помощью мультиметра?

4. Объясните, как использовать омметр в мультиметре?

5. Какие предосторожности должны соблюдаться при использовании мультиметра?

РЕЗЮМЕ

• Аналоговые измерительные приборы используют градуированную шкалу со стрелкой.

• Цифровые измерительные приборы обеспечивают непосредственный отсчет.

• Как в аналоговых, так и в цифровых измерительных приборах цветной или белый выводы являются положительными, а черный вывод — отрицательным.

• Перед использованием аналогового измерительного прибора установите стрелку прибора на нуль.

• Амперметр включается в цепь последовательно.

• Вольтметр подсоединяется к цепи параллельно.

• Омметр измеряет сопротивление путем пропускания небольшого тока через измеряемое сопротивление.

• Максимальное значение шкалы измерительного прибора называется пределом измерения.

• Количество делений на шкале измерительного прибора зависит от диапазона измеряемых величин.

• Шкала амперметров и вольтметров читается слева направо и является линейной.

• Шкала омметра читается справа налево и является не-

линейной.

• Аналоговый омметр перед использованием необходимо откалибровать для компенсации старения батареи.

• Мультиметр сочетает в себе вольтметр, амперметр и омметр в одном корпусе.

• Авометр — это мультиметр, который измеряет вольты, омы и миллиамперы.

• Переключатель пределов измерений мультиметра переключает также и функции прибора.

Глава 6. САМОПРОВЕРКА

1. Какой тип прибора, аналоговый или цифровой, вы бы использовали для точных измерений?

2. Какой тип прибора, аналоговый или цифровой, вы бы использовали для регистрации быстрых изменений тока или напряжения?

3. Нарисуйте шкалу измерительного прибора и покажите, где должна быть стрелка для следующих показаний.

а. 23 В;

б. 220 мА;

в. 2700 Ом.

4. В чем преимущества использования мультиметра?