Аналоговый мультиметр основан на использовании измерителя с подвижной катушкой, к которому добавлены резисторы и параллельные резисторы, что позволяет измерителю измерять широкий диапазон значений как напряжения, так и тока.
Аналоговые мультиметры — это форма измерительного прибора, которая широко используется сегодня, хотя цифровые мультиметры гораздо более доступны. Чтобы получить максимальную отдачу от аналогового измерительного прибора, как и любого другого измерительного прибора, необходимо хорошо понимать, как он работает. Эти аналоговые тестовые измерители основаны на использовании измерителя с подвижной катушкой. Чтобы обеспечить разнообразие диапазонов испытаний, необходимых для испытательного прибора, добавляются дополнительные прецизионные резисторы либо последовательно, либо параллельно в соответствии с требованием измерения напряжения тока. Для измерения сопротивления необходима немного другая конфигурация.
Измеритель с подвижной катушкой
Измеритель с подвижной катушкой лежит в основе аналоговых мультиметров, а также множества других аналоговых контрольно-измерительных приборов. Существует несколько типов электрических счетчиков, но наиболее подходящим для тестирования счетчиков и многих других типов контрольно-измерительного оборудования является счетчик с подвижной катушкой. Электрические счетчики используют тот факт, что ток, протекающий по проводу или катушке, создает магнитное поле. Это поле можно использовать для отклонения стрелки измерителя таким образом, чтобы размер тока указывался степенью отклонения.
Как следует из названия, в измерителе с подвижной катушкой используется легкая катушка, которая поворачивается и крепится к стрелке измерителя. Он удерживается в магнитном поле, обеспечиваемом неподвижным магнитом. Когда ток течет через катушку, создается магнитное поле, которое взаимодействует с полем неподвижного магнита, и на катушку действует сила, так что она поворачивается и перемещает стрелку счетчика, прикрепленную к катушке. Волосяная пружина также прикреплена к подвижной катушке, так что отклонение сдерживается и, следовательно, отклонение пропорционально силе, создаваемой катушкой, и, следовательно, протекающему току. Таким образом, можно увидеть, что измеритель с подвижной катушкой измеряет уровень тока, протекающего в цепи. Изменяя количество витков катушки, магнитную силу и другие параметры, можно изменить ее диапазон. Они также могут измерять только постоянный ток.
Концептуально идея проста, но счетчик на самом деле является относительно точным изделием, хотя, поскольку они производятся серийно для многих контрольно-измерительных приборов, а также многих других электронных гаджетов и оборудования, счетчики с подвижной катушкой могут быть изготовлены относительно легко и дешево. Стоит отметить, что большинство счетчиков с подвижной катушкой имеют небольшой регулировочный винт, прикрепленный к пружине, так что счетчик можно обнулить, когда ток не течет. Изменения положения измерителя могут изменить баланс системы, а это означает, что он может неправильно установиться на нуле, когда ток не течет. Регулятор взаимодействует со спиральной пружиной для правильной установки положения. Измерители с подвижной катушкой обычно указываются с точки зрения тока, необходимого для получения полного отклонения шкалы, FSD и сопротивления катушки.
Расширение диапазона измерителя для текущих измерений
Хотя счетчик с подвижной катушкой очень хорош, сам по себе он может измерять только ток, а также один диапазон тока. Чтобы быть полезным с точки зрения измерения нескольких диапазонов тока, напряжения, сопротивления и даже переменного тока и напряжения, необходимы дополнительные компоненты. Обычно в цепи используются высокоточные резисторы, чтобы измеритель мог выполнять различные измерения. Последовательные и шунтирующие резисторы используются для напряжения и тока, в то время как для сопротивления требуется другая конфигурация цепи. Чтобы понять работу аналогового счетчика, объясняются диапазоны напряжения и тока, а также подробно описывается концепция дополнительных резисторов.
Диапазоны измерения тока в аналоговом мультиметре
Для расширения токовых диапазонов базового аналогового счетчика параллельно счетчику устанавливается резистор. Таким образом, шунтирующий резистор потребляет ток, и при том же общем токе, протекающем через счетчик, больший ток может протекать через общую цепь. Шунтирующий резистор потребляет ток пропорционально сопротивлению. Это означает, что при заданном уровне тока, протекающего через комбинацию измерителя и шунта, показания счетчика будут меньше. Например, если счетчик на 1 мА имеет шунтирующий резистор, равный одной девятой сопротивления счетчика, одна часть будет течь через счетчик, а девять — через шунт. Это означает, что общая цепь будет потреблять 10 мА, когда счетчик показывает 1 мА. Это формирует основу того, как работают шунты в аналоговом мультиметре.
Чтобы взять более конкретный пример, счетчик с подвижной катушкой, который имеет отклонение полной шкалы 50 мкА и сопротивление 2 кОм. Для FSD на 1 мА через шунтирующий резистор должно протекать 0,95 мА при одинаковом напряжении на шунтирующем резисторе и самом измерителе. Следовательно, сопротивление шунтирующего резистора должно быть: 5/95 x 2 кОм = 105,3 Ом. Подключая различные шунтирующие резисторы с разными значениями, можно позволить измерителю считывать различные диапазоны.
В схеме, показанной ниже, шунтирующие резисторы обозначены как Rs1 — Rs4, каждый из которых рассчитан на обеспечение необходимого шунтирующего сопротивления для различных диапазонов. Резистор R включен в схему, так как он обеспечивает уровень подстройки на этапе изготовления для обеспечения требуемого сопротивления измерителя. Поскольку сопротивление измерителя может варьироваться от одного измерителя с подвижной катушкой к другому, этот электронный компонент при необходимости добавляет небольшой уровень регулировки.
Переменный ток
Ввиду того факта, что ток должен быть выпрямлен, чтобы измеритель мог реагировать, диапазоны переменного тока обычно не включаются, особенно в бюджетных аналоговых мультиметрах. Некоторые высококачественные мультиметры, такие как AVO, использовали трансформатор тока для измерения тока, а затем этот сигнал выпрямлялся. Более современные аналоговые мультиметры могут использовать другие электронные схемы для исправления формы волны, а затем для управления измерителем, но для этого потребуется подача питания на схему для этого измерения.
Измерения напряжения:
Аналогичный подход может быть использован для превращения измерителя с подвижной катушкой в испытательный прибор для измерения напряжения. Идея вращается вокруг закона Ома. Зная общее сопротивление и используя ток, протекающий в измерителе с подвижной катушкой, можно рассчитать напряжение, необходимое для протекания этого тока, и, следовательно, откалибровать измеритель с точки зрения напряжения.
Измеритель с подвижной катушкой сам по себе имеет определенное сопротивление, и хотя этот измеритель может использоваться сам по себе, в действительности измеряемые им напряжения очень малы из-за чувствительности измерителя. Обычно внешние резисторы используются последовательно с измерителем с подвижной катушкой, чтобы обеспечить используемые диапазоны.
Рассчитать сопротивление резистора несложно. Зная сопротивление измерителя с подвижной катушкой и его отклонение на полную шкалу, можно использовать закон Ома для расчета требуемых значений.Например, возьмем счетчик с подвижной катушкой с FSD 50 мкА и сопротивлением катушки 2 кОм. Для напряжения 10 вольт, позволяющего протекать 50 мкА, общее сопротивление должно быть V/I = R или 10/(50 x 1-6 ) = 200 кОм. Таким образом, требуемый последовательный резистор составляет 200 кОм — 2 кОм, т.е. 198 кОм.
Для измерения напряжения также обычно используются несколько диапазонов. Также обычно дополнительные резисторы размещают последовательно, так что общее допустимое напряжение создается на нескольких резисторах, как показано на рисунке.
Измерение переменного напряжения
Хотя многие измерения напряжения постоянного тока будут выполняться с помощью тестового мультиметра, одной из ключевых областей измерительных возможностей будет измерение значений напряжения переменного тока. Для этого базовые возможности измерения напряжения постоянного тока изменены за счет добавления выпрямителя.
Резистор R5 выбирают таким образом, чтобы он позволял измерителю показывать среднее значение напряжения формы волны переменного тока, но откалиброванным по среднеквадратичному значению. Это дает хорошее приближение для синусоидального сигнала, но для других могут быть большие ошибки. Для измерения истинного среднеквадратичного значения напряжения требуется значительно более сложная схема, и вряд ли она будет доступна в аналоговом мультиметре. Некоторые высококачественные цифровые мультиметры имеют эту возможность. Также может быть обнаружено, что существует отдельная шкала для диапазонов низких напряжений переменного тока. Это происходит из-за прямого напряжения «включения», необходимого для диодов, что делает нижнюю часть шкалы нелинейной. Для более высоких диапазонов напряжения, обычно с отклонением полной шкалы выше 10 В, применимы стандартные шкалы.
Способность сопротивления
То, как аналоговые мультиметры работают для измерения сопротивления, немного отличается от тока и напряжения, потому что требуется батарея вместе с несколькими дополнительными резисторами. Чтобы обеспечить возможность измерения сопротивления, необходима батарея для подачи тока через проверяемый внешний резистор. Величина протекающего тока указывает на сопротивление. При измерении сопротивления с помощью аналогового мультиметра обнаруживается, что показания высокого сопротивления находятся в левой части измерителя, т. е. при протекании меньшего тока, а низкие значения сопротивления отображаются в правой части измерителя. шкале, потому что течет более высокий ток. Поначалу это может немного сбивать с толку, но к этому быстро привыкаешь.
При измерении сопротивления аналоговым мультиметром или аналоговым измерителем VOA сначала необходимо «обнулить» измеритель. Это необходимо для калибровки любых изменений напряжения батареи. Этого можно добиться, просто отсортировав два аналоговых щупа мультиметра и отрегулировав регулятор, обычно помеченный как «ноль», на нулевое сопротивление. Как только это будет достигнуто, прибор можно будет использовать точно.
Еще один момент, который следует отметить, это то, что отрицательная клемма аналогового мультиметра соединена с положительной клеммой, т. е. полярность на клеммах противоположна ожидаемой. Для большинства измерений это не имеет никакого значения, хотя для некоторых измерений полупроводников это имеет значение. Можно видеть, что, добавляя шунтирующие и последовательные резисторы, а также сеть резисторов и батарею для сопротивления, можно обеспечить значительные дополнительные возможности для базового аналогового счетчика с подвижной катушкой.
Допуски компонентов аналогового мультиметра
Важно использовать резисторы с жесткими допусками для последовательных и шунтирующих резисторов, используемых в аналоговых мультиметрах. Любые ошибки в значениях этих резисторов отразятся на точности измерения. Ввиду этого, большинство резисторов, используемых в аналоговых мультиметрах, имеют номинал 1% и выше. Некоторые из них могут быть даже гораздо более точными, чем это. Также стоит помнить, что сопротивление самого измерителя должно быть известно очень точно, так как это также повлияет на показания. Во многих недорогих аналоговых мультиметрах общая точность может составлять только ±1%, а для этого допустимые отклонения резисторов могут составлять только ±0,5% или даже ±1%. В более качественных контрольно-измерительных приборах уровни точности намного ниже, и, соответственно, допуск резистора в некоторых случаях может достигать ±0,1%.
Часто резисторы могут быть намотаны проволокой для обеспечения большей стабильности, особенно в диапазоне рабочих температур испытательного оборудования. Эти резисторы также могут выдерживать более высокие уровни тока, необходимые для более высоких диапазонов тока. Можно видеть, что, добавляя шунтирующие и последовательные резисторы, а также сеть резисторов и батарею для сопротивления, можно обеспечить значительные дополнительные возможности для базового аналогового счетчика с подвижной катушкой. Хорошее понимание того, как работает аналоговый мультиметр, помогает использовать измерительный прибор в меру его возможностей. Понимание того, как он работает, позволяет в некоторой степени избежать его недостатков, а также можно использовать его сильные стороны.