电压表工作原理示意图(电压表工作原理切割力)

什么是测量仪?测量仪是任何一种装置,用来精确地检测和显示一种人类可读的电量。通常这种“可读的形式”是可视的:指针在刻度上的运动,排列成“条形图”的一系列灯光,或是由数字组成的某种显示器。在电路的分析和测试中,有专门用来精确测量电压、电流和电阻的基本量的仪表。还有许多其他类型的电表,但本章主要介绍基本的三种仪表的设计和操作。

大多数现代仪表在设计上是“数字”的,这意味着它们的可读显示是以数字的形式出现的。旧的仪表设计本质上是机械式的,使用某种指针装置来显示测量量。在这两种情况下,使显示单元适应(相对)大量电压、电流或电阻的测量的原理是相同的。

仪表的显示机制通常被称为运动借其机械性质移动一种沿着刻度的指针,以便可以读取测量值。虽然现代数字仪表没有运动部件,但术语“运动”可用于执行显示功能的相同基本设备。

数字“运动”的设计超出了本章的范围,但机械式仪表的运动设计是可以理解的。大多数机械运动都是基于电磁学原理:电流通过导体产生垂直于电子流轴的磁场。电流越大,产生的磁场越强。如果允许导体形成的磁场与另一个磁场相互作用,两个磁场源之间将产生一个物理力。如果这些电源中的一个相对于另一个可以自由移动,当电流通过导线时,它就会自由移动,这种运动(通常是相对于弹簧的电阻)与电流强度成正比。

第一个运动的测量仪被称为检流计,并且通常在设计时考虑到最大的灵敏度。一个非常简单的电流计可以由一根悬在细绳上的磁化针(如磁罗盘上的指针)制成,并放置在一圈导线内。通过线圈的电流将产生磁场,使指针偏离地球磁场的方向。一个古董弦式电流计如下图所示:

%title插图%num

这些仪器在当时是有用的,但在现代世界中除了作为概念证明和基本实验装置之外,几乎没有什么地位。它们极易受到任何形式的运动和地球自然磁场中的任何扰动的影响。现在,术语“电流计”通常指的是任何设计的电磁计运动特别敏感,不一定是一个粗糙的设备,如照片所示。实际的电磁仪运动现在可以进行,其中一个旋转的线圈悬浮在一个强磁场中,屏蔽了大多数外界的影响。这样的仪器设计通常被称为永磁动圈,或 PMMC公司运动:

%title插图%num

在上图中,仪表移动“指针”指向满标度的35%左右,零点在弧的左边,满标度完全在弧的右边。测量电流的增加将使指针指向更右侧,减小电流将使指针向下下降到左侧的静止点。仪表显示屏上的弧线标有数字,以指示被测数量的值,无论该数值是多少。换言之,如果需要50微安的电流将指针完全向右驱动(使其成为“50µA全刻度移动”),则刻度将在最左端写入0µA,在最右侧写入50µA,在刻度中间标记25µA。很有可能,刻度将被分成更小的刻度线,可能是每5或1µA一次,以便观察运动的人从指针的位置推断出更精确的读数。

电表的背面有一对金属连接端子,供电流进出。大多数仪表的运动是极性敏感的,一个方向的电流驱动指针向右,另一个方向驱动指针向左。一些仪表的移动有一个指针,其弹簧中心位于刻度扫描的中间,而不是向左,因此可以测量任何一个极性:

%title插图%num

常见的极性敏感动作由Arsonval博士和Weston设计,这两种PMMC类型的仪器。通过导线的一个方向的电流将在打捆针机构上产生顺时针扭矩,而另一个方向的电流将产生逆时针扭矩。

一些仪表的运动是极性的-在里面敏感的,依靠一个未磁化的,可移动的铁片对一个静止的载流导线的吸引力来偏转针。这种电表非常适合测量交流电(AC)。如果连接到交流电源,极性敏感的运动只会来回振动,毫无用处。

虽然大多数机械式电表的运动是基于电磁学(电子流通过导体产生垂直磁场),但也有少数是基于静电学的:即空间电荷产生的吸引力或斥力。这与某些材料(如蜡和羊毛)摩擦时表现出的现象相同。如果在穿过气隙的两个导电表面之间施加电压,将有一个物理力将两个表面吸引在一起,能够移动某种指示机构。这个物理力与施加在极板之间的电压成正比,与极板之间距离的平方成反比。无论极性如何,电表的极性也不敏感:

%title插图%num

不幸的是,静电引力产生的力是非常普通电压小。一般来说,这种小型仪器的设计是不实际的。通常,静电电表的运动用于测量非常高的电压(几千伏)。然而,静电电表运动的一大优点是它具有极高的电阻,而电磁运动(依靠电子通过导线流动来产生磁场)的电阻要低得多。正如我们将在后面更详细地看到的,更大的电阻(导致从被测电路中消耗的电流更小)可以得到更好的电压表。

静电电压测量的一种更常见的应用是在一种被称为阴极射线管,或阴极射线管. 这些显像管和电视屏幕很相似。在阴极射线管中,在真空中移动的电子束在束两边的一对金属板之间的电压使其偏离其轨道。因为电子是带负电的,它们往往被负极排斥并被正极板吸引。两个极板上的电压极性反转将导致电子束朝相反方向偏转,使这种类型的电表“运动”极性敏感:

%title插图%num

电子的质量比金属板小得多,在这种静电力的作用下移动得非常迅速和容易。当电子撞击到玻璃管的玻璃端时,可以追踪到它们的偏转路径,在玻璃管上撞击一层磷化学物质,在管外发射出一束光。偏转板之间的电压越大,电子束从其直线路径“弯曲”的距离就越远,从管子末端的中心可以看到的发光点就越远。

CRT的照片如下所示:

%title插图%num

在一个真正的阴极射线管,如上图所示,有两对偏转板,而不是只有一对。为了能够将电子束扫过屏幕的整个区域,而不仅仅是在一条直线上,电子束必须在不止一个维度上偏转。

尽管这些电子管能够准确地记录小电压,但它们体积庞大,需要电力才能运行(不像电磁表,后者更紧凑,由通过它们的测量信号电流的功率驱动)。它们也比其他类型的电计量装置更脆弱。通常,阴极射线管与精密的外部电路一起使用,形成一个更大的测试设备,称为示波器,它能够显示电压随时间变化的图形,对于电压和/或电流水平动态变化的某些类型的电路来说,这是一个非常有用的工具。

无论电表类型或电表移动的大小,都应有一个额定电压或电流值,以提供全刻度指示。在电磁运动中,这将是旋转指针所需的“满标度偏转电流”,使指针指向指示刻度的准确末端。在静电运动中,满标度额定值将表示为导致由板驱动的指针最大偏转的电压值,或将电子束偏转到指示屏幕边缘的阴极射线管中的电压值。在数字“运动”中,它是指在数字显示器上产生“满计数”指示的电压量:当数字不能显示更大的数量时。

电能表设计者的任务是根据给定的电表动作,设计必要的外部电路,以便在一定的电压或电流量下进行满标度指示。大多数电表动作(静电运动除外)都非常敏感,仅在一小部分伏特或一安培的情况下就可给出满量程指示。对于大多数电压和电流测量任务来说,这是不切实际的。技师经常需要的是能够测量高压和高电流的仪表。

通过使灵敏电表的运动成为分压器或电流分压器电路的一部分,该运动的有效测量范围可能会扩大,以测量远大于仅由运动所指示的水平。精密电阻器被用来创建必要的分压器电路,以适当地分压或电流。在本章中,你将学到的课程之一是如何设计这些分频器电路。

回顾:A“运动“是仪表的显示机制电磁运动的原理是电流通过导线产生磁场。电磁计运动的例子包括Arsonval博士、Weston和铁叶片设计。两块板之间的静电运动原理。阴极射线管利用静电场来弯曲电子束的路径,通过电子束撞击玻璃管末端时产生的光来指示电子束的位置。电压表设计如前所述,大多数仪表动作都是敏感装置。一些Arsonval运动的全刻度偏转电流额定值仅为50µA,(内部)线电阻小于1000Ω。这使得电压表的满量程额定值仅为50毫伏(50µA X 1000Ω)!为了从这些敏感的动作中建立具有实用(更高电压)刻度的电压表,我们需要找到一些方法,将测量的电压降低到可以承受的水平。

让我们从一个满标度偏转额定值为1mA,线圈电阻为500Ω的Arsonval仪表移动为例问题开始:

%title插图%num

利用欧姆定律(E=IR),我们可以确定有多少电压将直接驱动仪表移动到满刻度:

E = I R

E = (1 mA)(500 Ω)

E = 0.5V

如果我们想要的是一个可以测量1/2V的电表,那么我们这里的裸表移动就足够了。但要测量更高的电压水平,还需要更多的东西。为了得到一个有效的电压表量程超过1/2伏,我们需要设计一个电路,只允许一个精确比例的测量电压下降通过仪表的移动。这将使电表的移动范围扩大到更高的电压。相应地,我们将需要重新标记仪表面上的刻度,以指示连接该比例电路后的新测量范围。

但是我们如何建立必要的比例回路呢?好吧,如果我们的目的是让这个量表的移动测量一个更大的电压我们需要的是分压器将总测量电压按比例分配到仪表运动连接点上的较小部分的电路。知道分压器电路是由系列电阻,我们将一个电阻串联在仪表的运动上(使用机芯自身的内阻作为分压器中的第二个电阻):

%title插图%num

串联电阻器被称为“倍增”电阻器,因为它倍增仪表移动的工作范围,因为它按比例将测量的电压分开。如果您熟悉串联电路分析,确定所需的倍增电阻值是一项简单的任务。

例如,让我们确定必要的倍增值,使这个1毫安,500Ω的运动在10伏的电压下精确地读取满标度。为此,我们首先需要为两个系列组件设置E/I/R表:

%title插图%num

知道该运动将在满标度下以1mA的电流通过,并且我们希望在10伏的外加(总串联电路)电压下实现,我们可以这样填写下表:

%title插图%num

有几种方法可以确定乘法器的电阻值。一种方法是利用欧姆定律在“总”栏中确定总电路电阻(R=E/I),然后减去500 ω的移动,得到乘数的值:

%title插图%num

计算相同电阻值的另一种方法是,确定满标度偏转时通过运动的电压降(E=IR),然后从总电压降中减去该电压降,得出通过倍增电阻器的电压。最后,欧姆定律可再次用于确定倍增器的电阻(R=E/I):

%title插图%num

任何一种方法都提供相同的答案(9.5 kΩ),并且一种方法可以作为另一种方法的验证,以检查工作的准确性。

%title插图%num

在电表测试引线(来自某些电池或精密电源)之间施加10伏电压时,通过电表移动的电流将正好为1毫安,受“倍增”电阻器和机芯自身内阻的限制。精确地说,1/2伏的电压将通过运动线圈的电阻下降,指针将精确地指向满刻度。将电子秤重新标记为读数从0到10 V(而不是0到1 mA),任何查看电子秤的人都会将其指示解释为10伏。请注意,电能表用户根本不必知道,移动本身实际上只是测量外部电源10伏电压的一小部分。对用户来说,重要的是整个电路的功能是准确显示总的外加电压。

这就是实际电能表的设计和使用方法:一个灵敏的电表动作是在尽可能小的电压和电流下运行,以达到最大的灵敏度,然后它被某种由精密电阻构成的分压电路所“愚弄”,以便在施加更大的电压或电流时显示满量程整个电路。我们在这里检查了一个简单的电压表的设计。电流表遵循相同的一般规则,只是并联的“并联”电阻器用于产生分流器与串联电路相反的电路分压器用于伏特计设计的“倍增”电阻器。

一般来说,为这样的机电式电表建立多个量程是有用的,允许它用一个单一的运动机构读取大范围的电压。这是通过使用多极开关和几个倍增电阻器来实现的,每个电阻器的尺寸都适合特定的电压范围:

%title插图%num

五位开关一次只接触一个电阻器。在底部(完全顺时针)位置,它与电阻完全接触,提供“关闭”设置。每个电阻器的尺寸都是根据仪表移动的特定额定值(1mA,500Ω)为电压表提供一个特定的满标度范围。最终的结果是一个具有四个不同满量程测量范围的电压表。当然,为了使这项工作合理,仪表运动的刻度必须配备适合每个范围的标签。

在这样的仪表设计中,每个电阻值是由相同的技术决定的,使用已知的总电压、运动满标度偏转额定值和运动电阻。对于量程为1伏、10伏、100伏和1000伏的电压表,倍增电阻如下:

%title插图%num

注意用于这些范围的倍增电阻值,以及它们的奇数。在零件箱中不太可能找到999.5 kΩ的精密电阻器,因此电压表设计者通常会选择使用更常见电阻值的上述设计的变体:

%title插图%num

随着每一个连续更高的电压范围,更多的倍增电阻器被选择开关压入工作,使它们的串联电阻增加到必要的总和。例如,当档位选择器开关设置在1000伏位置时,我们需要总倍增电阻值为999.5 kΩ。使用这种仪表设计,我们将得到:

RTotal= R4+ R3+ R2+ R1

RTotal= 900 kΩ + 90 kΩ + 9 kΩ + 500 Ω

RTotal= 999.5 kΩ

当然,其优点是单个倍增电阻值比第一个设计中的一些奇数值(999.5k、99.5k、9.5k)更常见(900k、90k、9k)。然而,从电表用户的角度来看,在功能上没有明显的区别。

回顾:通过在移动电路中添加串联的“乘法器”电阻器,提供精确的分压比,可以为灵敏的仪表移动创建扩展的电压表范围。电压表对被测电路的影响每一个仪表都会在一定程度上影响它所测量的电路,就像任何一个轮胎压力表在放出一些空气来操作压力表时,都会轻微地改变测量的轮胎压力。同时仪表的设计也不可避免的会受到一些影响。

由于电压表总是与一个或多个被测部件并联,任何通过电压表的电流都会在被测电路中产生总电流,从而可能影响被测电压。一个完美的电压表具有无穷大的电阻,因此它不会从被测电路中吸取电流。然而,完美的电压表只存在于教科书中,而不存在于现实生活中!以以下分压器电路为例,说明实际电压表如何影响电路的测量:

%title插图%num

在没有电压表连接到电路的情况下,串联电路中的每个250MΩ电阻之间应该有12伏电压,两个相等的电阻将总电压(24伏)正好分为两半。但是,如果所述电压表的引线间电阻为10 MΩ(现代数字电压表的常见值),则当连接时,其电阻将与分频器的较低电阻形成一个并联子电路:

%title插图%num

这有效地将较低的电阻从250 MΩ降低到9.615 MΩ(250 MΩ和10 MΩ并联),极大地改变了电路中的电压降。较低的电阻现在比以前的电压低得多,而上电阻的电压要大得多。

%title插图%num

电阻值为250 MΩ和9.615 MΩ的分压器将24伏电压分别分为23.1111伏和0.8889伏的部分。由于电压表是9.615 MΩ电阻的一部分,因此它将显示:0.8889伏。

现在,电压表只能显示它所连接的电压。它无法“知道”在较低的250MΩ电阻上有12伏的电压下降之前它是通过它连接起来的。将电压表连接到电路上的行为使其成为电路的一部分,而电压表自身的电阻会改变分压器电路的电阻比,从而影响被测电压。

想象一下,使用一个轮胎压力计,它需要大量的空气才能工作,它会使任何连接到它的轮胎放气。压力表在测量过程中消耗的空气量与电压表移动指针所消耗的电流类似。压力表工作所需的空气越少,它对被测轮胎的放气就越少。电压表用来驱动指针的电流越小,它对被测电路的负荷就越小。

这种效应称为加载电压表在各种场合都有使用。这里显示的情况是最坏的情况,电压表的电阻远低于分压器电阻的电阻。但总有一定程度的负载,导致电表显示的电压低于实际电压,而没有电表连接。显然,电压表的电阻越高,被测电路的负载就越小,这就是理想电压表具有无限内阻的原因。

带有机电运动的电压表通常以“ohms/volt”的范围给出额定值,以表示运动电流消耗产生的电路冲击量。因为这样的仪表依赖不同的倍增电阻值来给出不同的测量范围,它们的引线到引线的电阻将根据它们设置的范围而变化。另一方面,数字电压表通常在测试引线上显示出恒定的电阻,而不管量程设置如何(但并非总是如此!),因此,通常只以输入电阻的欧姆来评定,而不是“每伏欧姆”的灵敏度。

“欧姆每伏特”是指每伏特的导线对导线的电阻是多少欧姆量程设置在选择开关上。让我们以上一节中的电压表为例:

%title插图%num

在1000伏标度下,总电阻为1 MΩ(999.5 kΩ500Ω),每1000伏范围内提供1000000Ω,或1000Ω/V(1 kΩ/V)。该欧姆每伏“灵敏度”额定值在该仪表的任何范围内保持不变:

%title插图%num

敏锐的观察者会注意到,任何仪表的欧姆/伏特额定值都是由一个因素决定的:运动的全尺寸电流,在这种情况下是1毫安。“欧姆每伏特”是“伏特每欧姆”的数学倒数,由欧姆定律定义为电流(I=E/R)。因此,全面现在的无论设计者在多大范围内通过倍增器电阻器为其配备什么范围,都决定了电表的Ω/伏灵敏度。在这种情况下,电表的满标度电流额定值为1mA,这使它的电压表灵敏度达到1000Ω/V,而不管我们如何用倍增电阻器来测量。

为了使电压表在任何电路上的负载最小化,设计者必须设法使其运动的电流消耗最小化。这可以通过重新设计机芯本身达到最大灵敏度(全尺寸偏转所需的电流更小)来实现,但这里的折衷通常是坚固性:更灵敏的机芯往往更脆弱。

另一种方法是通过电子方式增加发送到运动装置的电流,因此只需要从被测电路中抽取很少的电流。这种特殊的电子电路被称为放大器,这样构造的电压表是放大伏特计 .

%title插图%num

放大器的内部工作原理太复杂了,在这一点上无法讨论,但只要说电路允许测量的电压控制有多少电池电流被传送到电表的运动。因此,运动所需的电流由电压表内部的电池提供,而不是由被测电路提供。放大器仍然在一定程度上加载被测电路,但通常比仪表本身的移动量小几百倍或几千倍。

在被称为“场效应晶体管”的半导体出现之前,真空管被用作放大设备来实现这种增强。这样的真空管电压表,或 (VTVM的)曾经是非常流行的电子测试和测量仪器。这是一张很旧的VTVM的照片,真空管暴露在外!

%title插图%num

现在,固态晶体管放大电路在数字仪表的设计中完成了同样的任务。虽然这种方法(使用放大器来提高被测信号电流)工作良好,但它极大地简化了仪表的设计,使刚学电子学的学生几乎不可能理解它的内部工作原理。

电压表加载问题的最后一个巧妙的解决方案是电位滴定法或零余额仪器。它不需要先进的(电子)电路或晶体管或真空管等敏感设备,但它确实需要更多的技术人员参与和技能。在电位仪中,精密可调电压源与被测电压进行比较,以及一种称为零位检测器用于指示两个电压相等的时间。在某些电路设计中,精度电位计用于提供可调电压,因此标签电位滴定法. 当电压相等时,被测电路中的电流为零,因此测得的电压应不受影响。通过上一个例子,即高电阻分压器电路,可以很容易地说明这是如何工作的:

%title插图%num

“零位检测器”是一种能够指示极低电压存在的灵敏装置。如果机电式电表的运动被用作零位检测器,它将有一个弹簧中心的指针,可以在任何一个方向上偏转,以便用于指示任何极性的电压。因为零检测器的目的是准确地指示零电压,而不是指示任何特定(非零)量,作为一个正常的电压表,使用的仪器的刻度无关。零位检测器通常设计为尽可能灵敏,以便更精确地指示“零”或“平衡”(零电压)状态。

一种极为简单的零位检测器是一套音频耳机,扬声器内部起着一种仪表运动的作用。当一个直流电压最初被施加到一个扬声器上时,通过它产生的电流会移动扬声器锥体并发出“咔嗒”声。当直流电源断开时,会听到另一个“咔嗒”声。基于这一原理,灵敏的零位检测器可以由耳机和瞬时接触开关组成:

%title插图%num

如果使用一套“8欧姆”耳机,将其连接到一个称为变压器. 变压器利用电磁学原理“转换”电能脉冲的电压和电流电平。在这种情况下,使用的变压器类型是降压变压器,它将低电流脉冲(通过连接到小电压源时关闭和打开按钮开关产生)转换为更高电流脉冲,从而更有效地驱动耳机内的扬声器锥。阻抗比为1000:8的“音频输出”变压器是理想的选择。变压器还通过在磁场中积累低电流信号的能量来提高探测器的灵敏度,当开关打开时,它会突然释放到耳机扬声器中。因此,它将产生更大的“咔嗒声”,以检测较小的信号:

%title插图%num

作为零位检测器连接到电位测量电路,开关/变压器/耳机布置如下:

%title插图%num

任何零位检测器的作用就像实验室天平一样,指示两个电压何时相等(点1和点2之间没有电压),仅此而已。实验室天平的平衡梁实际上并没有任何重量;相反,它只是表明平等在未知质量和标准(校准)质量堆之间。

%title插图%num

同样地,零点检测器只是指示点1和点2之间的电压相等时,(根据基尔霍夫电压定律)可调电压源(带有对角箭头的电池符号)的电压与R上的电压降完全相等 two .

为了操作本仪器,技术人员将手动调整精密电压源的输出,直到零位检测器指示为零(如果使用音频耳机作为零位检测器,技术人员将反复按下并松开按钮开关,倾听静音以指示电路“平衡”),以及然后记录通过连接在精密电压源上的电压表指示的电源电压,该指示代表通过下部250 MΩ电阻器的电压:

%title插图%num

用于直接测量精密电源的电压表不需要具有极高的Ω/V灵敏度,因为电源将提供其工作所需的所有电流。只要零电压检测器上有零电压,点1和点2之间就会有零电流,相当于被测分压器电路没有负载。

值得重申的是,这种方法,如果执行得当几乎为零负荷在被测电路上。理想情况下,它在被测电路上绝对没有负载,但要实现这个理想目标,零位检测器必须具备绝对零电压通过它,这需要一个无限灵敏的零位表和来自可调电压源的完美平衡。然而,尽管电位测量电路实际上无法实现绝对零负载,但它仍然是测量高电阻电路中电压的一种极好的技术。与采用先进技术解决问题的电子放大器解决方案不同,电位滴定法通过利用电学基本定律(KVL)实现了假设的完美解决方案。

回顾:理想的电压表有无穷大的电阻。电压表内阻过低会对被测电路产生不利影响。真空管电压表(VTVM)、晶体管电压表和电位测量电路都是最小化被测电路上的负载的方法。在这些方法中,电位法(“零平衡”)是唯一能够零电路负载A零位检测器是一种对小电压或电流具有最大灵敏度的装置。它用于电位电压表电路中,以指示缺席指两点之间的电压,从而表明可调电压源和被测电压之间的平衡状态。电流表设计设计用来测量电流的仪表通常被称为“安培计”,因为测量单位是“安培”

在安培计的设计中,为了扩大运动的可用范围而增加的外部电阻器连接在平行而不是像电压表那样串联。这是因为我们要把测量到的电流,而不是测量的电压分开,然后再把电流分成两个电路,这些电路都是由并联电阻组成的。

以电压表为例,我们可以看到,它本身会使仪表变得非常有限,全刻度偏转仅在1 mA时发生:

与扩展电表动作的电压测量能力一样,我们必须相应地重新标记移动的刻度,以便在扩展的电流范围内读数不同。例如,如果我们想设计一个电流表的满量程范围为5安培,使用与以前相同的仪表动作(固有满标度范围只有1毫安),我们就必须重新标记该电流表的刻度,使其最左边的读数为0安培,最右侧的读数为5安培,而不是像以前那样从0毫安到1毫安。无论并联电阻提供的扩展范围如何,我们都必须在仪表的运动面上用图形表示。

%title插图%num

使用5安培作为样本移动的扩展范围,让我们确定“分流”或“旁路”所需的并联电阻量,以便只有1毫安通过移动,总电流为5安:

%title插图%num

%title插图%num

根据给定的移动电流、移动电阻和总电路(测量)电流,我们可以确定仪表移动时的电压(欧姆定律应用于中心柱,E=IR):

%title插图%num

知道由运动和分流器组成的电路是并联配置,我们知道运动、分流器和测试引线(总计)上的电压必须相同:

%title插图%num

我们还知道,通过分流器的电流必须是总电流(5安培)和通过运动的电流(1毫安)之间的差值,因为支路电流在并联配置中加入:

%title插图%num

然后,利用右列的欧姆定律(R=E/I),我们可以确定所需的分流电阻:

%title插图%num

当然,我们也可以通过计算总电阻(R=E/I;0.5伏特/5安培= 100 m ω正好),然后倒过来计算并联电阻公式,但算法会更有挑战性:

%title插图%num

在现实生活中,电流表的分流电阻通常被封装在仪表单元的保护金属外壳内,隐藏起来。请注意下图中电流表的结构:

%title插图%num

这种特殊的电流表是由斯图尔特华纳制造的汽车装置。尽管达索瓦流量计本身的满量程额定值可能在毫安范围内,但作为一个整体,仪表的量程为/-60安培。提供这种高电流范围的分流电阻器封装在仪表的金属外壳内。还应注意,使用这种特殊的仪表,指针的中心为零安培,可以指示“正”电流或“负”电流。连接到汽车的蓄电池充电电路上,该仪表能够指示充电状态(电子从发电机流向蓄电池)或放电状态(电子从蓄电池流向汽车的其余负载)。

与多量程电压表一样,电流表可通过包含多个用多极开关切换的并联电阻器来获得一个以上的可用量程:

%title插图%num

请注意,量程电阻器通过开关连接,以便与仪表的运动平行,而不是像电压表设计中那样串联。当然,五位开关一次只接触一个电阻器。根据仪表移动的特定额定值(1 mA,500Ω),每个电阻器的尺寸应相应地适用于不同的满标度范围。

在这样的仪表设计中,每个电阻值是由相同的技术决定的,使用已知的总电流、运动满标度偏转额定值和运动电阻。对于量程为100 mA、1 A、10 A和100 A的电流表,分流电阻如下:

%title插图%num

注意这些分流电阻值非常低!5.00005 mΩ等于5.00005毫欧,或0.00500005欧姆!为了实现这些低电阻,安培计并联电阻器通常必须由相对大直径的导线或实心金属片定制。

在确定电流表并联电阻器的尺寸时,需要注意的一点是功耗因素。与伏特计不同,安培计的量程电阻必须携带大量电流。如果这些电阻器尺寸过大,至少会因过热而受损。对于上面的示例仪表,满标度指示下的功耗为(两条曲线在数学上表示“近似等于”):

%title插图%num

一个1/8瓦的电阻对R来说就可以了 four,一个1/2瓦的电阻就足够了 threeR是5瓦 two(尽管电阻器在其额定功耗附近运行时,倾向于更好地保持其长期精度,因此您可能需要高估电阻器R的速率 two和R three)精密电阻和50瓦电阻确实很稀有,但确实很昂贵。可能需要为R制造一个由金属坯料或粗线制成的定制电阻器 one满足低电阻和高额定功率的要求。

有时,并联电阻与高输入电阻的电压表一起使用来测量电流。在这些情况下,通过电压表移动的电流很小,可以忽略不计,并且可以根据每安培电流产生的电压降或毫伏来确定分流电阻的大小:

%title插图%num

例如,如果上述电路中的并联电阻器的尺寸精确到1Ω,则每通过一安培电流,就会有1伏电压下降。电压表的指示可以作为通过分流器的电流的直接指示。对于测量非常小的电流,较高的并联电阻值可用于每单位电流产生更大的电压降,从而将电压表的可用范围扩大到较低的电流量。在工业应用中,使用电压表和低值并联电阻测量电流。

使用并联电阻和电压表来测量电流,对于简化电路中频繁测量电流的任务来说,是一个有用的技巧。通常,要用电流表测量通过电路的电流,必须断开(中断)电路,并将电流表插入分开的导线端之间,如下所示:

%title插图%num

如果我们有一个需要经常测量电流的电路,或者我们只是想让电流测量过程更方便,那么可以在这些点之间放置一个并联电阻,并永久保留在那里,根据需要用电压表读取电流读数,而不会中断电路的连续性:

%title插图%num

当然,在确定分流电阻器的尺寸时必须小心,以使其不会对电路的正常运行产生不利影响,但这通常并不困难。这项技术在计算机电路分析中也很有用,我们可能希望计算机以电压的形式显示通过电路的电流(使用SPICE,这样可以避免读取负电流值的特性):

%title插图%num

shunt resistor example circuitv1 1 0 rshunt 1 2 1 rload 2 0 15k .dc v1 12 12 1 .print dc v(1,2).end

v1 v(1,2) 1.200E+01 7.999E-04

我们将通过分流电阻器(SPICE模拟中的电路节点1和2之间)的电压读数直接解释为安培数,7.999E-04为0.7999毫安,或799.9微安。理想情况下,直接在15千欧姆上施加12伏电压,我们将得到0.8毫安,但分流器的电阻只会使电流减少一点点(正如它在现实生活)。然而,对于模拟电路或实际电路来说,这种微小的误差通常都在可接受的精度范围内,因此除了最苛刻的电流测量应用外,分路电阻可用于所有应用。

回顾:安培计量程是通过在运动电路上添加并联“并联”电阻器来创建的,从而提供精确的电流分配。分流电阻可能具有高功率损耗,所以在选择此类仪表的部件时要小心!并联电阻器可与高阻电压表以及低电阻安培计一起使用,为给定电流量产生精确的电压降。并联电阻器应选择尽可能低的电阻值,以尽量减少其对被测电路的影响。电流表对被测电路的影响就像电压表一样,电流表也会影响所连接电路中的电流量。然而,与理想的电压表不同,理想的电流表的内阻为零,因此电子流过时电压降得越小越好。请注意,这个理想电阻值与电压表正好相反。使用电压表,我们希望被测电路中的电流尽可能少。对于电流表,我们希望在传导电流时电压降得尽可能小。

以下是电流表对电路影响的一个极端例子:

%title插图%num

当电流表与电路断开时,通过3Ω电阻器的电流为666.7 mA,通过1.5Ω电阻器的电流为1.33 A。如果电流表的内阻为1/2Ω,将其插入该电路的一个支路中,但其电阻会严重影响被测支路电流:

%title插图%num

在有效地将左分支电阻从3Ω增加到3.5Ω后,电流表读数将从666.7 mA变为571.43 mA。将同一个电流表放在右分支会对电流产生更大的影响:

%title插图%num

现在右支路电流是1安培,而不是1.333安培,这是因为在电流通路中增加电流表所产生的电阻增加。

当使用与被测电路串联的标准电流表时,重新设计仪表以降低输入(导线间)电阻可能是不现实的或不可能的。然而,如果我们选择一个并联电阻值来放置在基于电压降的电流测量电路中,并且我们可以选择范围很广的电阻,则最好选择实际应用中最低的电阻。如果电阻过大,分流器可能会在电流通路中增加过大的电阻,从而对电路产生不利影响。

减少电流测量装置对电路的影响的一个巧妙的方法是将电路线作为电流表本身运动的一部分。所有载流导线都产生磁场,磁场的强度与电流强度成正比。通过制造一种测量磁场强度的仪器,就可以产生一种非接触式电流表。这种电表能够测量通过导体的电流,甚至不必与电路进行物理接触,更不用说断开连续性或插入附加电阻。

%title插图%num

这种设计的电流表被称为夹紧因为他们有“钳口”,可以打开,然后固定在电路线周围。钳式电流表用于快速和安全的电流测量,特别是在大功率工业电路上。因为被测电路没有被钳形表插入额外的电阻,所以在进行电流测量时不会产生误差。

%title插图%num

钳式电流表的实际运动机理与铁片式仪表基本相同,只是没有内部线圈产生磁场。现代设计的一种称为小磁场的电流表的现代设计霍尔效应传感器准确测定场强。一些钳式仪表包含电子放大器电路,产生一个与钳口之间的导线电流成比例的小电压,该小电压连接到电压表上,以便技术人员读取。因此,夹紧装置可以是电压表的辅助装置,用于电流测量。

下图显示了一种比夹钳式更不精确的磁场感应电流表:

%title插图%num

这种电流表的工作原理与钳式电表相同:载流导体周围的圆形磁场使电表指针偏转,从而在刻度上产生指示。请注意,在这个特定的仪表上有两个电流刻度:/-75安培和/-400安培。这两个测量刻度对应于仪表背面的两组槽口。根据载流导体放置在哪一组槽口中,给定的磁场强度将对针产生不同程度的影响。实际上,导体相对于运动的两个不同位置充当了直接连接式安培计中两个不同量程的电阻器。

回顾:理想的电流表是零电阻的。“钳式”电流表通过测量导线周围磁场的强度来测量电流,而不是成为电路的一部分,使其成为理想的电流表。钳式电表可以快速、安全地测量电流,因为电表和电路之间没有导电接触。欧姆表设计虽然机械欧姆计(电阻计)的设计在今天已经很少被使用,在很大程度上已经被数字仪器所取代,但是它们的操作仍然是有趣的,值得研究。

当然,欧姆表的目的是测量引线之间的电阻。这个电阻读数是通过一个在电流下运行的机械式仪表运动来指示的。欧姆表必须有一个内部电压源,以产生必要的电流来操作该运动,并且还必须有适当的量程电阻器,以允许在任何给定的电阻下刚好有适当的电流通过该运动。

从一个简单的运动和电池电路开始,让我们看看它如何作为欧姆表工作:

%title插图%num

当电阻无穷大(测试引线之间没有连续性)时,通过仪表移动的电流为零,指针指向刻度的最左边。在这方面,欧姆表的指示是“向后”的,因为最大指示(无穷大)在刻度的左边,而电压和电流表在刻度的左边是零。

如果该欧姆表的测试引线直接短接在一起(测量0Ω),则仪表移动将有最大电流通过,仅受蓄电池电压和电阻的限制:

%title插图%num

电池电压为9伏,运动电阻仅为500Ω,我们的电路电流将为18毫安,这远远超出了运动的满量程额定值。这样的电流过大可能会损坏电表。

不仅如此,这种情况还限制了设备的实用性。如果仪表表面刻度的最左边代表无穷大的电阻,那么刻度的最右边应该代表零。目前,我们的设计“钉”米运动难以向右时,零电阻之间的引线。我们需要一种方法,这样当测试引线被短接在一起时,运动只记录满刻度。这是通过在仪表电路上增加一个串联电阻来实现的:

%title插图%num

为了确定R的正确值,我们计算出将电流限制在1 mA(运动的全刻度偏转)所需的总电路电阻,并从该图中减去运动的内阻:

%title插图%num

既然R的右值已经计算出来了,我们仍然有一个仪表量程的问题。在天平的左边是“无穷大”,右边是零。除了从电压表和电流表的刻度“向后”之外,这个刻度也很奇怪,因为它从无到有,而不是从无到有到一个有限值(如10伏、1安培等)。有人可能会停下来想,“中间的尺度代表什么?什么数字正好在零和无穷大之间?”无限不仅仅是非常大数量:这是一个无法计算的数量,比任何一个确定的数字都要大。如果任何其他类型的仪表上的半刻度指示代表满量程值的1/2,那么欧姆表刻度上无穷大的一半是多少?

这个悖论的答案是非线性标度. 简单地说,当指针从右向左扫时,欧姆表的刻度不能从零平稳地前进到无穷大。相反,比例尺从右手边开始“展开”,连续阻力值越来越接近天平左侧:

%title插图%num

无限不能以线性(偶数)的方式接近,因为尺度会从未去那里!对于非线性标度,随着标度向无穷大发展,标度上任何给定距离跨越的阻力量都会增加,使无穷大成为一个可以实现的目标。

不过,欧姆表的量程还有问题。测试引线之间的电阻值会导致指针精确的1/2刻度偏转?如果我们知道移动的满标度额定值为1 mA,则0.5 mA(500µa)必须是半标度偏转所需的值。按照我们的设计,9伏电池作为电源:

%title插图%num

内部移动电阻为500Ω,串联范围电阻为8.5 kΩ,因此在1/2标度下的外部(导线至导线)试验电阻为9 kΩ。换言之,欧姆表中产生1/2刻度偏转的测试电阻值等于仪表电路的(内部)串联总电阻。

再使用几次欧姆定律,我们可以确定1/4和3/4刻度偏转的测试电阻值:

1/4刻度偏转(仪表电流0.25 mA):

%title插图%num

3/4刻度偏转(仪表电流0.75 mA):

%title插图%num

欧姆表的刻度是这样的:

%title插图%num

这种设计的一个主要问题是它依赖于稳定的电池电压来精确读取电阻。如果电池电压降低(所有化学电池都会随着使用年限和使用而降低),欧姆表刻度将失去准确性。当串联量程电阻器的恒定值为8.5 kΩ,并且蓄电池电压降低时,当测试引线短接在一起(0Ω)时,仪表将不再向右偏转满刻度。同样,如果测试电阻为9kΩ,在电池电压较低的情况下,指针将无法精确地偏转到1/2刻度。

有一些设计技术可以用来补偿电池电压的变化,但它们并不能完全解决问题,充其量只能算是近似值。由于这个原因,以及非线性刻度的事实,这种欧姆表从未被认为是精密仪器。

最后一个关于欧姆表的警告是:它们只有在测量没有电压或电流源供电的电阻时才能正常工作。换句话说,你不能用欧姆表在“带电”电路上测量电阻!原因很简单:欧姆表的准确指示取决于其内部电池的唯一电压来源。被测部件上的任何电压都会干扰欧姆表的工作。如果电压足够大,甚至可能损坏欧姆表。

回顾:欧姆表包含内部电压源,用于测量电阻时提供电源。模拟欧姆表的刻度与伏特计或安培计的刻度“相反”,指针在满刻度时读数为零,静止时读数为无穷大。模拟欧姆表也有非线性刻度,在刻度低端“扩展”,在高端“压缩”,能够从零电阻到无限电阻。模拟欧姆表不是精密仪器。欧姆表应该从未连接到一个通电的电路(也就是说,一个有自己的电压源的电路)。施加在欧姆表测试引线上的任何电压都会使其读数无效。高压欧姆表上一节所示设计的大多数欧姆表使用的电池电压相对较低,通常为9伏或更低。这对于测量几兆欧(MΩ)以下的电阻是完全足够的,但是当需要测量极高的电阻时,一个9伏的电池不足以产生足够的电流来驱动机电式电表的运动。

此外,正如前一章所讨论的,阻力并不总是一个稳定(线性)的量。非金属尤其如此。回忆一下小气隙(小于1英寸)的电流过电压图:

%title插图%num

虽然这是非线性传导的一个极端例子,但其他物质在暴露于高压时表现出类似的绝缘/导电特性。显然,使用低压电池作为动力源的欧姆表不能测量气体电离电位或绝缘体击穿电压下的电阻。如果需要测量这些电阻值,除了高压欧姆表什么都不需要。

高压电阻测量最直接的方法是简单地在前面研究的欧姆表的基本设计中更换一个更高电压的电池:

%title插图%num

但是,知道某些材料的电阻会随外加电压而变化,因此,能够调整该欧姆表的电压以获得不同条件下的电阻测量值是有利的:

%title插图%num

不幸的是,这会给仪表带来校准问题。如果仪表在一定电流通过时偏离满标度,则仪表的满标度范围(欧姆)将随电源电压的变化而变化。想象一下,在改变源电压的同时,在这个欧姆表的测试引线上连接一个稳定的电阻:随着电压的增加,会有更多的电流通过表的运动,因此会产生更大的偏转。我们真正需要的是一个电表的运动,它将产生一个一致的,稳定的偏转,任何一个稳定的电阻测量值,不管施加的电压。

实现这一设计目标需要一个特殊的仪表动作,这是 兆欧表,或兆欧表这些仪器被称为

%title插图%num

上图中编号的矩形块是线圈的横截面表示。这三个线圈都随打捆针机构移动。没有弹簧机构将针返回到设定位置。当运动没有动力时,针会随机“浮动”。线圈的电气连接如下:

%title插图%num

由于测试引线之间的电阻为无穷大(开路),因此没有电流通过线圈1,只有通过线圈2和3。当通电时,这些线圈试图将自己的中心放在两个磁极之间的间隙中,将指针完全推向刻度的右侧,在那里指针指向“无穷大”

%title插图%num

通过线圈1的任何电流(通过连接在测试引线之间的测量电阻)会将指针驱动到刻度左侧,回到零。校准仪表移动的内部电阻值,以便当测试引线短接在一起时,指针正好偏转到0Ω位置。

因为电池电压的任何变化都会影响二者都线圈组(线圈2和线圈3,将指针驱动至右侧,线圈1将指针驱动至左侧),这些变化不会对运动校准产生影响。换言之,欧姆表移动的精度不受电池电压的影响:无论电池电压有多高或少,一定量的测量电阻都会产生一定的指针偏转。

电压变化对仪表指示的唯一影响是测量电阻随外加电压变化的程度。所以,如果我们用高阻表来测量气体放电灯的电阻,它的读数会是非常高的电阻(指针在刻度的最右边),而低电阻(指针移到刻度的左边)对于高电压。这正是我们对一个好的高压欧姆表的期望:在不同的环境下提供准确的对象电阻指示。

为了最大程度的安全起见,大多数高阻表都配有手动曲柄发电机,以产生高直流电压(高达1000伏)。如果电表操作员收到来自高压的电击,则情况将自动纠正,因为他或她将自然停止转动发电机!有时,在不同的起动条件下,使用“滑动离合器”来稳定发电机转速,以提供一个相当稳定的电压,无论是快启动还是慢启动。通过选择开关的设置,可获得发电机的多个电压输出电平。

一个简单的手动曲柄高阻表如图所示:

%title插图%num

一些高阻表是电池供电的,以提供更高的输出电压精度。出于安全原因,这些高阻表由瞬时接触按钮开关激活,因此开关不能留在“打开”位置,并对仪表操作员造成严重的电击危险。

真正的高阻表配有三个连接端子,标有线路 ,地球,和守卫. 示意图与前面所示的简化版本非常相似:

%title插图%num

测量线路和接地端子之间的电阻,电流将通过线圈1。“保护”端子用于特殊测试情况,其中一个电阻必须与另一个电阻隔离。以两线电缆中的绝缘电阻测试为例:

%title插图%num

为了测量导体到电缆外部的绝缘电阻,我们需要将兆欧表的“线路”引线连接到其中一个导体上,并将兆欧表的“接地”引线连接到绕在电缆护套上的导线上:

%title插图%num

在这种配置中,高阻表应读取一根导线和外护套之间的电阻。还是会呢?如果我们画一个示意图,将所有绝缘电阻表示为电阻符号,我们得到的结果如下:

%title插图%num

而不是仅仅测量第二根导线对护套的电阻(R指挥与控制系统),我们实际测量的是,平行于导体对导体电阻的串联组合的电阻(Rc1-c2段)第一根导线到护套(Rc1-s系列). 如果我们不关心这个事实,我们可以按照配置继续进行测试。如果我们想测量只有第二根导线和护套之间的电阻(R指挥与控制系统),然后我们需要使用兆欧表的“保护”终端:

%title插图%num

现在电路示意图如下所示:

%title插图%num

将“保护”端子连接到第一根导线,使两条导线处于几乎相等的电位。当它们之间的电压很小或没有电压时,绝缘电阻几乎是无穷大的,因此就没有电流之间两个导体。因此,兆欧表的电阻指示将完全基于通过第二根导线绝缘层、穿过电缆护套和绕包导线的电流,而不是通过第一根导线绝缘层泄漏的电流。

兆欧表是现场仪表:也就是说,它们设计为便携式,由技术人员在工作现场操作,就像普通欧姆表一样容易。它们对于检查由潮湿或绝缘退化引起的导线间高电阻“短路”故障非常有用。因为它们使用这种高电压,所以它们不像普通欧姆表那样受到杂散电压的影响(导体之间的电化学反应产生的电压小于1伏,或由邻近磁场“感应”)。

为了更彻底地测试电线绝缘,另一种高压欧姆表通常被称为嗨,波特使用测试仪。这些专用仪器产生的电压超过1kV,可用于测试油、陶瓷绝缘子的绝缘效果,甚至其他高压仪表的完整性。这些人员必须经过严格的培训,才能产生高电压。

应注意的是,高压测试仪甚至兆欧表(在某些条件下)能够破坏性的电线绝缘如果使用不当。一旦绝缘材料受到崩溃如果施加过大的电压,它的电绝缘能力就会受到损害。同样,这些仪器只能由经过培训的人员使用。

万用表作为一个普通的电阻表(“万用表”可以作为一个通用的电阻表)来设计。

对于通用电子工作,万用表是首选仪器。没有其他的设备能够做到如此多,如此少的投资,在部件和优雅的简单操作。与电子世界的大多数事物一样,晶体管等固态元件的出现彻底改变了工作方式,万用表设计也不例外。然而,为了保持本章对模拟(“老式”)仪表技术的强调,我将向您展示一些晶体管前的仪表。

%title插图%num

上面显示的单位是典型的手持式模拟万用表,具有电压、电流和电阻测量范围。注意仪表运动表面的许多刻度,用于旋转开关可选择的不同范围和功能。将本仪器连接到电路的电线(“测试引线”)插入标有“-test”(黑色和红色)的仪表面底部中心的两个铜插孔(插座孔)。

%title插图%num

这种万用表(巴尼特品牌)采用了与前一个单元稍有不同的设计方法。注意旋转选择开关的位置比前一个仪表的位置要少,还要注意测试引线可以插入的插孔有多少。每一个插孔都标有一个数字,表示仪表的相应满标度范围。

%title插图%num

最后,这是一张数字万用表的图片。请注意,熟悉的仪表运动已被一个空白的灰色显示屏所取代。通电时,屏幕区域会出现数字,描述被测电压、电流或电阻的数量。这种特殊品牌和型号的数字仪表有一个旋转选择开关和四个插孔,可以插入测试导线。图中显示两条导线(一条红色,一条黑色)插入仪表。

仔细检查该仪表,会发现一个黑色测试导线的“通用”插孔,红色测试导线的其他三个插孔。显示插入红色导线的插孔标有电压和电阻测量标签,而其他两个插孔则标记为电流(A、mA和µA)测量。这是万用表的明智设计特点,要求用户将测试导线插头从一个插孔移到另一个插孔,以便从电压测量功能切换到电流测量功能。由于输入电阻低,在连接重要的电压源时,将仪表设置为电流测量模式是危险的,而且,有必要移动测试引线插头,而不是仅仅将选择开关拨到不同的位置,有助于确保电表不会被设置成无意中测量电流。

注意,选择开关对于电压和电流测量仍然有不同的位置,因此为了让用户在这两种测量模式之间切换,他们必须切换红色测试引线的位置和将选择开关移到其他位置。

还要注意,选择开关和千斤顶都没有标注测量范围。换言之,此表上没有“100伏”、“10伏”或“1伏”量程(或任何等效量程步长)。相反,这个仪表是“自动量程”,这意味着它会自动为被测数量选择合适的范围。所有的自动量程仪表都是数字式的。

没有两种型号的万用表在设计上是完全相同的,即使它们是由同一家公司生产的。为了全面了解万用表的操作,必须查阅用户手册。

下面是一个简单的模拟电压/电流表的示意图:

%title插图%num

在开关的三个较低(最逆时针)位置,仪表移动连接至普通通过三个不同系列量程电阻器中的一个(R乘数1通过R乘数3),充当伏特计。在第四个位置,电表的移动与并联电阻器并联,因此充当电流表,用于输入常见的杰克离开了A杰克。在最后一个(最远的顺时针方向)位置,仪表移动与任一红色插孔断开,但通过开关短路。这种短路会对指针产生阻尼效应,防止仪表在操作和移动时受到机械冲击损坏。

如果在这种万用表设计中需要欧姆表功能,可以用它代替三个电压范围中的一个:

%title插图%num

由于所有三个基本功能都可用,此万用表也可以称为 ex欧姆毫米 .

对于新技术人员来说,在有多个量程且只有一个仪表移动的情况下,从模拟万用表获取读数可能会让人望而生畏。在模拟万用表上,仪表的移动用几个刻度来标记,每个刻度至少对一个量程设置有用。以下是本节前面显示的巴尼特万用表刻度的特写照片:

%title插图%num

请注意,该仪表表面有三种刻度:顶部为绿色的电阻刻度,中部为直流电压和电流的黑色刻度,底部为交流电压和电流的蓝色刻度。直流和交流标度都有三个子标度,一个在0到2.5之间,一个在0到5之间,一个在0到10之间。仪表操作员必须选择与量程开关和插头设置最匹配的刻度,以便正确解释仪表的指示。

这种万用表有几个基本的电压测量范围:2.5伏、10伏、50伏、250伏、500伏和1000伏。使用万用表顶部的电压范围扩展器单元,可测量高达5000伏的电压。假设电表操作员选择将电表切换到“伏特”功能,并将红色测试导线插入10伏插孔。为了解释针的位置,他或她必须阅读以数字“10”结尾的刻度。然而,如果他们将红色测试插头移入250伏插孔,他们将读取以“2.5”结尾的刻度上的仪表指示,将直接指示乘以系数100,以确定测量的电压。

如果用此表测量电流,则选择另一个插孔插入红色插头,并通过旋转开关选择范围。这张特写照片显示开关设置到2.5 mA位置:

%title插图%num

注:10.5米的三个范围是如何显示的。在某些量程设置中,例如2.5 mA,仪表指示可直接在0至2.5刻度上读取。对于其他量程设置(250µA、50 mA、100 mA和500 mA),必须从适当的刻度上读取仪表指示,然后乘以10或100以获得实际数值。当旋转开关处于2.5/10安培位置时,该仪表的最大电流范围可用。2.5安培和10安培之间的区别是由红色测试插头位置决定的:常规电流测量插孔旁边的一个特殊的“10安培”插孔提供了一个替代插头设置,以选择更高的范围。

当然,以欧姆为单位的电阻是通过仪表顶部的非线性刻度来读取的。它是“向后”的,就像所有电池操作的模拟欧姆表一样,它的右边是零,左边是无穷大。此专用万用表上只有一个“欧姆”插孔,因此旋转开关必须选择不同的电阻测量范围。注意开关上的五个不同的“乘法器”设置是如何用于测量电阻的:Rx1、Rx10、Rx100、Rx1000和Rx10000。正如您可能会怀疑的那样,仪表指示是通过将仪表面上显示的指针位置乘以旋转开关设置的十个乘数的幂来给出的。

开尔文(4线)电阻测量假设我们想测量离欧姆表相当远的某个元件的电阻。这样的情况是有问题的,因为欧姆表测量全部的电路回路中的电阻,包括导线(R)的电阻电线)将欧姆表连接到被测部件(R主题 ):

%title插图%num

通常,导线电阻非常小(仅为每几百英尺几欧姆,主要取决于导线的规格(尺寸)),但如果连接线很长,和/或要测量的部件电阻很低,则导线电阻引起的测量误差将很大。

在这种情况下测量被测电阻的一种巧妙方法是同时使用安培计和伏特计。根据欧姆定律,电阻等于电压除以电流(R = E/I)。因此,如果我们测量通过的电流和通过它的电压降,我们应该能够确定主题组件的电阻:

%title插图%num

电路中所有点的电流都是相同的,因为它是一个串联回路。因为我们只测量通过主体电阻的电压降(而不是导线的电阻),但是,计算出的电阻表示主体元件的电阻(R主题)独自一人

不过,我们的目标是测量受试者的阻力从远处看因此,我们的电压表必须位于安培计附近的某个地方,通过另一对包含电阻的电线连接在主体电阻上:

%title插图%num

起初,我们似乎失去了用这种方法测量电阻的任何优势,因为电压表现在必须通过一对长的(电阻)导线来测量电压,将杂散电阻再次引入测量电路。然而,仔细观察后,我们会发现电压表没有任何损失,因为电压表的导线携带的电流很小。因此,将电压表连接在受测电阻上的那些长导线将使电压降得很低,从而导致电压表的指示与直接连接在受测电阻上的电压几乎相同:

%title插图%num

电压表不会测量通过主载流导线的任何电压,因此根本不考虑电阻计算。如果通过使用高质量(低满标度电流)运动和/或电位测量(零平衡)系统将电压表的电流保持在最小值,则测量精度可进一步提高。

这种避免导线电阻引起误差的测量方法称为开尔文,或四线方法。称为特殊的连接卡子开尔文夹是为了促进受试者之间的这种联系:

%title插图%num

在普通的“短吻鳄”式夹子中,颚板的两半部分在电气上彼此共用,通常在铰链点接合。在开尔文夹子中,两半钳口在铰链点处彼此绝缘,只在它们扣住被测对象的导线或端子的尖端接触。因此,电流通过“C”(“电流”)两半钳口不通过“P”(“电位”,或电压)钳口对半,不会在其长度上产生任何误差,导致电压降:

%title插图%num

在测量大量电流的精密并联电阻器中,使用相同的原理,即使用不同的接触点进行电流传导和电压测量。如前所述,分流电阻器作为电流测量装置的功能是通过每安培电流降下精确的电压,电压降由伏特计测量。在这个意义上,一个精密的分流电阻“转换”电流值成比例电压值。因此,可以通过测量分流器上的电压来精确测量电流:

%title插图%num

使用分流电阻和电压表测量电流特别适合于涉及特别大电流量的应用。在这种应用中,分流电阻器的电阻可能是毫欧姆或微欧姆的数量级,因此只有少量的电压在全电流下会下降。这一低电阻可与接线电阻相媲美,这意味着在这种分流器上测量的电压必须避免检测到通过载流导线连接的电压降,以免引起巨大的测量误差。为了使电压表只测量分流电阻本身所下降的电压,而不测量来自导线或连接电阻的任何杂散电压,分流器通常配备四接线端子:

%title插图%num

计量学(metrology = "the science of measurement")在精度至关重要的应用场合,高精度的“标准”电阻器还配有四个端子:两个用于承载测量电流,两个用于将电阻器的电压降传输至电压表。这样,电压表只测量精密电阻本身的压降,而不测量载流导线或线对端连接电阻的任何杂散电压。

下图显示了一个1Ω值的精密标准电阻器与其他几个标准电阻器一起浸入温控油浴中。注意电流的两个大的外部端子和电压的两个小连接端子:

%title插图%num

这是另一种德国制造的老式(二战前)标准电阻器。该装置的电阻为0.001Ω,四个端子连接点同样可以看作是黑色旋钮(每个旋钮下面的金属垫,用于与电线直接金属对金属连接),两个大旋钮用于固定载流导线,两个小旋钮用于固定电压表(“电位”)电线:

%title插图%num

感谢位于华盛顿州埃弗雷特的福禄克公司允许我在他们的主要标准实验室中拍摄这些昂贵且有点稀有的标准电阻器。

应注意的是,使用二者都电压表和电流表可能是复合误差。由于两种仪器的精度都会影响最终结果,因此整体测量精度可能比单独考虑的任何一种仪器都要差。例如,如果安培计精确到/-1%,而电压表也精确到/-1%,任何依赖于两个仪器指示的测量都可能会有高达/-2%的误差。

将电流表换成标准电阻器(用作电流测量分流器)可获得更高的精度。标准电阻器和用于测量电压降的电压表之间仍会存在复合误差,但这将比使用电压表-安培计布置时小,因为典型的标准电阻器精度远远超过典型的安培计精度。使用开尔文夹子连接主体电阻,电路看起来像这样:

%title插图%num

上述电路中的所有载流导线均以“粗体”显示,以便于与通过两个电阻(R)连接电压表的导线区分主题和R标准). 理想情况下,电位伏特计用于确保通过“电位”导线的电流尽可能小。

%title插图%num

开尔文测量是一种实用的工具,可用于查找电路中的不良连接或意外电阻。将直流电源连接到电路并调整电源,使其向电路提供如上图所示的恒定电流(当然,在电路的能力范围内)。将数字万用表设置为测量直流电压,测量电路中各个点的电压降。如果你知道导线的尺寸,你就可以估计出你应该看到的电压降,并将其与你测量的电压降相比较。这是一种快速有效的方法,可以在暴露于元件的接线中查找不良连接,例如拖车的照明电路中。它也可以很好地工作在无电源的交流导体(确保交流电源不能打开)。例如,您可以测量灯开关上的电压降,并确定开关或开关触点的导线连接是否可疑。为了最有效地使用这项技术,您还应该在新制造的电路之后测量相同类型的电路,以便您能够感觉到“正确”的值。如果您在新电路上使用这种技术,并将结果记录在日志中,您将为将来的故障排除提供有价值的信息。

电桥电路没有关于电桥电路的章节,就不能称之为完整的电气计量文本。这些巧妙的电路利用零平衡表来比较两个电压,就像实验室天平比较两个重量并指示它们何时相等一样。与用于简单测量未知电压的“电位计”电路不同,电桥电路可用于测量各种电气值,其中至少有电阻值。

标准电桥电路,通常称为惠斯通大桥,看起来像这样:

%title插图%num

当点1和电池负极之间的电压等于点2和电池负极之间的电压时,零位检测器将指示零,电桥称为“平衡”。电桥的平衡状态完全取决于R的比率一/Rb和R one/R two,与电源电压(电池)完全无关。用惠斯通电桥测量电阻时,在R处连接一个未知电阻一或Rb其他三个电阻是已知值的精密器件。另外三个电阻器中的任何一个都可以被替换或调整,直到电桥平衡为止,当达到平衡时,可以根据已知电阻的比率来确定未知的电阻值。

这是一个测量系统的一个要求是有一组可变电阻,其电阻是精确已知的,作为参考标准。例如,如果我们连接一个电桥电路来测量未知电阻R十,我们必须知道准确的其他三个电阻的平衡值,以确定R的值十 :

%title插图%num

电桥电路中的四个电阻分别称为武器. 与未知电阻R串联的电阻器十(这将是R一在上面的示意图中)通常称为变阻器当另外两个电阻被称为比率桥臂

谢天谢地,准确和稳定的阻力标准并不是那么难构建的。事实上,它们是第一批为科学目的制造的电气“标准”装置。这是一个古董抵抗标准单位的照片:

%title插图%num

此处显示的电阻标准是以离散步骤变化的:连接端子之间的电阻量可以随插入插座的可拆卸铜插头的数量和模式而变化。

惠斯通电桥被认为是比上一节讨论的串联电池移动电阻表电路更好的电阻测量方法。与该电路不同的是,由于其所有的非线性(非线性尺度)和相关的误差,桥式电路是线性的(描述其操作的数学是基于简单的比率和比例)并且相当精确。

给定足够精度的标准电阻和足够灵敏度的零位检测器装置,使用惠斯通电桥可获得至少/-0.05%的电阻测量精度。由于其高精度,它是校准实验室中电阻测量的首选方法。

基本惠斯通电桥电路有许多变体。大多数直流电桥用于测量电阻,而由交流(AC)供电的电桥可用于测量不同的电量,如电感、电容和频率。

惠斯通桥的一个有趣的变化是开尔文双桥,用于测量非常低的电阻(通常小于1/10欧姆)。其示意图如下:

%title插图%num

同样地,电路图中的高电压线代表了高电阻。对于这种奇怪的结构电桥,最好的理解方法可能是从为测量低电阻而设置的标准惠斯通电桥开始,然后逐步将其演变为最终形式,以克服标准惠斯通配置中遇到的某些问题。

如果我们使用标准的惠斯通电桥来测量低电阻,它看起来像这样:

%title插图%num

当零位检测器指示零电压时,我们知道电桥是平衡的,比率R一/R十和R米/RN在数学上彼此相等。知道R的值一,右米,和RN从而为求解R十. . . 几乎

我们有一个问题,在R一和R十也有电阻,这种杂散电阻可能是相当大的相比,低电阻R一和R十. 由于通过杂散电阻的高电流,这些杂散电阻会降低大量电压,因此会影响零点检测器的指示,从而影响电桥的平衡:

%title插图%num

因为我们不想测量这些杂散线和连接电阻,而只测量R十,我们必须找到一种方法来连接零位检测器,这样它就不会受到电压下降的影响。如果我们把零检测器和R连接起来米/RN直接穿过R端部的比率臂一和R十,这使我们更接近实际解决方案:

%title插图%num

现在是前两名E电线电压降对零位检测器没有影响,也不影响R的精度十的电阻测量。然而,剩下的两个电线电压降会引起问题,因为电线连接R的下端一在R的顶端十现在正在分流这两个电压降,并将传导大量电流,沿其自身长度引入杂散电压降。

知道零检测器的左边必须连接到R的两个近端一和R十为了避免引入那些E电线电压降到零检测器的回路中,任何直接连接R端的导线一和R十只有在这条较低的电流路径之间产生更大的杂散电压,才能使R端部产生更多的杂散电压一R的上端十基本电阻:

%title插图%num

我们可以控制R之间的杂散电压降一和R十通过调整两个新电阻的尺寸,使其从上到下的比率与零检测器另一侧的两个比率臂的比率相同。这就是为什么这些电阻被标记为R米和Rn在最初的开尔文双桥示意图中:用R表示它们的比例米和RN :

%title插图%num

比率R米/Rn设置为比率R米/RN,变阻器臂电阻器R一直到零点检测器显示平衡,然后我们可以说R一/R十等于R米/RN,或者简单地找到R十通过以下方程式:

%title插图%num

开尔文双桥的实际平衡方程如下(R电线是指粗导线之间的电阻,低电阻标准R一测试电阻R十 ):

%title插图%num

只要R米和RN等于R米和Rn,平衡方程并不比普通惠斯通电桥复杂,R十/R一等于RN/R米,因为方程中的最后一项将为零,从而抵消除R外的所有阻力的影响十,右一,右米,和RN .

双开尔文R电路米=R米和RN=Rn. 然而,R的电阻越低米和Rn,零位检测器越灵敏,因为与之串联的电阻较小。提高探测器的灵敏度是好的,因为它可以检测到较小的不平衡,从而获得更精细的电桥平衡。因此,一些高精度Kelvin双桥采用R米和Rn值低至其对应臂(R)比值的1/100米和RN分别为)。不幸的是,R的值越低米和Rn,它们携带的电流越大,这将增加任何结电阻的影响米和Rn连接到R端一和R十. 如你所见,高仪器精度要求全部的产生错误的因素也要考虑在内,通常可以达到的最佳效果是将两种或更多种不同类型的错误最小化。

回顾:桥式电路依靠灵敏的零电压表来比较两个电压是否相等。A惠斯通大桥可以通过比较未知电阻和已知值的精密电阻来测量电阻,就像实验室规模通过将未知重量与已知标准重量进行比较来测量未知重量。A开尔文双桥是用于测量极低电阻的惠斯通电桥的变体。它比惠斯通的基本设计更复杂,是为了避免杂散电阻在低电阻标准和被测电阻之间的电流路径上产生的误差。瓦特计设计电路中的功率是电压的乘积和电流,所以任何用来测量功率的仪表都必须考虑二者都这些变量

专门为功率测量而设计的一种特殊的仪表运动称为测功机运动,与D'Arsonval或Weston运动相似,在指针机构上连接有一个轻巧的线圈。然而,与D'Arsonval或Weston运动不同的是,使用另一个(静止)线圈来代替永久磁铁,为运动线圈提供磁场,使其做出反应。移动线圈通常由电路中的电压通电,而静止线圈通常由电路中的电流通电。连接在电路中的测功机运动如下所示:

%title插图%num

导线的顶部(水平)线圈测量负载电流,而底部(垂直)线圈测量负载电压。就像电压表运动的轻型移动线圈一样,测功机的(移动)电压线圈通常与量程电阻器串联,这样就不会对其施加满负荷电压。同样地,测功机的(静止)电流线圈可能有精密的分流电阻器,以分割其周围的负载电流。对于定制的测功机运动,不太可能需要并联电阻器,因为固定线圈可以根据需要使用尽可能重的导线来构造,而不会影响仪表响应,而移动线圈必须由轻型导线构成,以实现最小惯性。

%title插图%num

回顾:瓦特表通常是围绕测功机的运动而设计的,测功机使用电压和电流线圈来移动指针。创建自定义校准电阻在设计和建造电表电路的过程中,通常需要有精确的电阻以获得所需的范围。通常情况下,所需的电阻值在任何制造的电阻单元中都找不到,因此必须由您自己制造。

解决这个难题的一个方法是用一段特殊的高电阻线制作自己的电阻器。通常,用一个小的“线轴”作为线圈的形状,线圈的缠绕方式可以消除任何电磁效应:将所需的导线长度对折成两半,绕在绕线轴上的线圈使通过导线的电流沿顺时针方向绕绕绕线轴的一半长度,然后逆时针转动另一半。这被称为双线绕组. 因此,电流产生的任何磁场都被消除,外部磁场不会在电阻线线圈中产生任何电压:

%title插图%num

正如您所想象的,这可能是一个劳动密集型的过程,特别是如果必须建立一个以上的电阻!另一种更容易解决定制电阻困境的方法是将多个固定值电阻器串联并联在一起,以获得所需的电阻值。该解决方案虽然在选择制造第一个电阻的最佳电阻值时可能耗费大量时间,但可以更快地复制相同值的多个自定义电阻:

%title插图%num

然而,这两种技术的缺点是,两者都会导致固定的电阻值。在一个完美的世界里,仪表的运动永远不会失去永磁体的磁力,温度和时间对元件电阻没有影响,电线连接永远保持零电阻,固定值电阻在确定精密仪器量程方面非常有效。然而,在现实世界中,有能力校准或将来调整仪器

因此,使用电位计(通常作为变阻器连接)作为量程电阻器的可变电阻是有意义的。电位计可安装在仪表箱内,以便只有维修技术人员可以更改其值,并且可以使用螺纹紧固剂将轴锁定到位(普通指甲油对此效果很好!)使其在受到振动时不会移动。

然而,大多数电位计在其机械短的运动范围内提供的电阻跨度太大,无法进行精确调整。假设你想要一个8.335kΩ/-1Ω的电阻,并且想要用一个10kΩ的电位器(变阻器)来获得它。10 kΩ量程中的1Ω精度是10000分之一,或百分之一!即使是10转的电位计,也很难将其调整到如此精细的任何值。使用标准的3/4圈电位计几乎不可能实现这样的壮举。那么,如何才能得到我们需要的阻力值,并且还有调整的余地呢?

解决这个问题的方法是使用一个电位计作为一个更大的电阻网络的一部分,这将产生一个有限的调整范围。请遵循以下示例:

%title插图%num

这里,1kΩ电位计作为变阻器连接,它本身提供了1kΩ的量程(范围从0Ω到1kΩ)。与8 kΩ电阻器串联连接,使总电阻偏移8000Ω,可调节范围为8kΩ至9kΩ。现在,/-1Ω的精度表示千分之一,或电位计轴运动百分比的1/10。就调节灵敏度而言,这比我们使用10 kΩ电位计要好10倍。

如果我们想使我们的调节能力更加精确——这样我们就可以将电阻设为8.335 kΩ——我们可以通过并联一个定值电阻来减小电位器的量程:

%title插图%num

目前,电阻网络的校准量程只有500Ω,从8kΩ到8.5kΩ。这使得/-1Ω的精度等于1/500,或0.2%。现在的调整灵敏度是增加并联电阻前的一半,方便了目标值的校准。不幸的是,调整将不是线性的(电位计轴位置的一半将不总电阻为8.25 kΩ,而不是8.333 kΩ)。不过,这是灵敏度方面的一个改进,也是我们为精密仪器制造可调电阻的实际解决方案!

版权声明:本文内容由互联网用户自发贡献,该文观点仅代表作者本人。本站仅提供信息存储空间服务,不拥有所有权,不承担相关法律责任。如发现本站有涉嫌抄袭侵权/违法违规的内容, 请发送邮件至 86345@qq.com 举报,一经查实,本站将立刻删除。

(0)
上一篇 2022年8月5日 21:00
下一篇 2022年8月5日 21:01

相关推荐

发表评论

登录后才能评论