МУЛЬТИМЕТРЫ (ЧАСТЬ 1)

Ссылка на страничку сайта Магазина Gtest(R) с номенклатурой Мультиметров, а также рекомендуемые приборы и статьи для дальнейшего самообразования - в самом конце этого Раздела

Мультиметр позволяет измерять различные величины, такие как ток, напряжение и сопротивление, посредством процессов выбора на приборе.

Оригинальный и очень проверенный временем прибор, аналоговый стрелочный мультиметр, все еще имеет своих приверженцев, которые продолжают считать их хранителями электрических измерений. Действительно, они продолжают занимать место в поиске неисправностей, где скорость, с которой указатель перемещается по шкале (копируется, но не превосходится гистограммным индикатором), может быть важнее его окончательного показания, а также его способностью «усреднять» шум и колебания из-за инерции указателя и движущихся частей. Однако цифровые мультиметры более точны и с них легче считывать показания, что особенно важно при попытке оценить состояние герметичных аккумуляторных батарей, где ареометр больше не может использоваться.

 Закон Ома и измерения

Мультиметр

Амперметр с отдельной батареей и резистором, прикрепленными к нему, можно себе легко представить. Если все три находятся в одном пластиковом корпусе, то получается «мультиметр», а электрическая схема такого прибора показана на рис. 1.

Рисунок 1 – Мультиметр

Часть мультиметра «амперметр» не обозначена на этой схеме, но это та же сборка. Она состоит из катушки (показаны три «витка» провода, хотя на самом деле витков было бы гораздо больше), железного сердечника (обозначенного здесь тремя параллельными линиями), спиральной пружины и указателя и неподвижной числовой шкалы. Другие компоненты (батарея и резистор) за пределами амперметра были переставлены по сравнению с тем, как они были ранее показаны, но это те же компоненты. Небольшой «быстродействующий» предохранитель обычно устанавливается последовательно с амперметром для защиты, хотя на этой схеме это не показано.

Часть мультиметра «вольтметр» окружена длинной штриховой линией на схеме. Она включает амперметр и стандартизированный резистор. С помощью закона Ома эти два компонента можно использовать для измерения неизвестного напряжения, например напряжения батареи. Измеряется то, что находится за пределами пунктирной линии. Эксперименты, иллюстрирующие эту концепцию, будут выполнены в следующем разделе.

Часть мультиметра «омметр» окружена пунктирной линией, и она включает стандартную батарею плюс амперметр, но не резистор. Опять же, измеряется та часть, которая находится за пределами пунктирной линии.

Переключатели внутри прибора (не показаны на схеме) позволяют выбрать одну функцию, и различные компоненты могут быть включены или не включены в цепь. Другие переключатели также расположены так, чтобы разрешать использование различных резисторов в зависимости от того, какой диапазон напряжения необходимо измерить. (Различные диапазоны тока можно измерить только амперметром, но объяснение этого будет отложено до следующей главы.)

Эксперименты

В этом контексте, мультиметр — это недорогой прибор (каталожный номер Radio Shack 22–218 или эквивалент от другого поставщика, иногда называемый «мультитестером» или даже «вольтамперметром»). Необходимо соблюдать осторожность (!), чтобы не уронить измеритель на твердую поверхность, например, на стол, даже с высоты нескольких дюймов, поскольку хрупкий механизм, скорее всего, будет поврежден.

Подключите небольшой штырек на конце черного провода в нижнем левом углу измерительного прибора, рядом с отрицательным («−») символом. На некоторых измерительных приборах отрицательное гнездо обозначено как «общий», и это слово, как предполагается, указывает на «отрицательный». Конечно, красный провод затем подключается к положительному («+») гнезду.

Амперметр

Следуя схеме на рис. 1, подключите ту же 9-вольтовую батарею, о чём мы упоминали, с черным или зеленым зажимом в качестве отрицательного провода. Для неизвестного сопротивления используйте тот же трансформатор, прикрепив его к одному из его хорошо изолированных черных проводов (первичная катушка). Затем прикрепите желтый или белый зажим к другому черному первичному проводу, а также к длинному «щуповому» штырю на конце черного (отрицательного или общего) провода мультиметра.

Установите элементы управления мультиметра (поворотный переключатель или кнопки, в зависимости от конкретного прибора) в положение постоянного тока (dc) миллиампер (мА), где максимальное количество тока больше, чем ожидается в конкретном тесте. Если используется измеритель Radio Shack, каталожный номер 22–218 (или иная модель), это будет настройка «150 мА постоянного тока», поскольку ожидается только около 50 мА.

Осторожно подключите красный зажим от положительной клеммы батареи к красному проводу измерителя. Указатель, вероятно, немного переместится за нижнюю черную цифру «5». Черные буквы справа читаются как «DC V mA», что означает, что нижняя черная шкала используется для постоянного тока, либо в вольтах, либо в миллиамперах.

Числовые шкалы на приборе могут сбивать с толку новых пользователей. Максимально допустимое значение тока при этой настройке составляет 150 мА, и это должна быть нижняя шкала, сокращенно обозначенная черным «15», поскольку она содержит цифры 1 и 5, и на счетчике нет другой шкалы, которая могла бы обозначать, что максимум равен 150. Если указатель перемещается на 10, то течет 100 мА, но 5 будет указывать на 50 мА.

(Если бы измерялось напряжение, белые цифры слева от поворотного переключателя показывают, что 15 может означать как 15 вольт, так и 150 вольт, в зависимости от того, какая настройка поворотного переключателя используется. Но сейчас мы измеряем ток, и 150 мА — это единственное, что может означать черное число 15 на шкале.)

Стрелка указателя переместится примерно на 60 мА, что будет казаться немного выше «5». Маленькие красные отметки размещаются пропорционально любым значениям от 5 до 10 (или от 0 до 5).

Красная шкала отмечена как «AC 15V», и ее можно использовать для 15 вольт переменного тока (максимум), если поворотный диск выбрал этот диапазон. Самая верхняя черная шкала — для 1000 вольт макс., постоянного или переменного тока, в зависимости от положения поворотного диска. Для интерпретации этих и других шкал счетчика требуется умеренное количество логического мышления, а сокращения не всегда хорошо продуманы.

На основании закона Ома, 60 миллиампер (0,060 ампера) и 9 вольт указывают, что сопротивление первичной катушки составляет около 150 Ом. (Когда эти батареи новые, они на самом деле выдают около 9,5 вольт, а значения напряжения и сопротивления будут проверены в последующих экспериментах.) Сопротивление постоянного тока трансформатора по существу линейно, поэтому, когда позже будут измеряться более низкие токи, он все еще будет иметь примерно такое же сопротивление. Однако сопротивление потоку переменного тока («импеданс») намного выше, как будет видно в следующей главе об индукторах.

Вторичные провода трансформатора можно использовать для экспериментов такого типа, но более высокий ток из-за более низкого сопротивления может «пережечь» предохранитель. (Более дорогой измеритель мог бы справиться с такими более высокими токами.)

Настройки в миллиамперах делают мультиметрособенно уязвимым к повреждению избыточным током, поскольку нет внутреннего резистора, который бы действовал как ограничитель. Если батарея по ошибке напрямую подключена к счетчику, без внешнего сопротивления, такого как трансформатор, предохранитель перегорит, и счетчик больше не будет работать. Затем можно снять заднюю крышку, обычно с помощью небольшой отвертки Phillips, и в этом случае предохранитель можно заменить на быстродействующий тип 315 мА.

Один из наиболее распространенных способов перегорания предохранителей — оставить измеритель на настройке «ма» после использования, а затем подключить его напрямую для измерения напряжения батареи, не поворачивая циферблат с миллиампер на вольты до тех пор, пока не подсоедините его к источнику напряжения. Без защитного сопротивления ток будет слишком большим. Чтобы этого не произошло, поворотный переключатель всегда должен быть установлен в положение «ВЫКЛ» перед выполнением следующего измерения. Затем, если следующим должно быть измерение напряжения, экспериментатор должен повернуть циферблат в положение «напряжение», чтобы получить показания, и не забудет это сделать.

Следует отметить, что в этом эксперименте (рис. 1) черный провод мультиметра не подключен напрямую к отрицательному полюсу батареи. Однако он относительно отрицателен по сравнению с красным проводом, и эта связь — все, что необходимо для правильных показаний.

Вместо трансформатора в качестве экспериментального сопротивления подключите вольфрамовую лампу накаливания. Несмотря на то, что лампочка рассчитана на использование при 12 вольтах, свет все равно виден при напряжении всего 9 вольт. Многие электронные компоненты будут работать в пригодном режиме при несколько более низких или более высоких напряжениях, чем идеальные значения.

Ток (и, следовательно, рассчитанное сопротивление) будет аналогичен значениям, наблюдаемым с первичной обмоткой трансформатора. Однако, лампочка не является линейным резистором, и при более низких токах ее сопротивление будет другим. Этот факт будет проиллюстрирован в эксперименте с омметром. Зеркало под указателем некоторых измерителей предназначено для предотвращения «параллакса». Если экспериментатор смотрит на указатель под углом, а не смотрит прямо вниз перпендикулярно шкале, может наблюдаться неправильное значение, что будет вызвано ошибкой параллакса. В идеале глаз экспериментатора должен перемещаться до тех пор, пока отражение указателя не окажется точно позади самого указателя, и, таким образом, отражение никогда не должно быть видно как отдельная линия.

Вольтметр

Зная заранее, что трансформатор имеет сопротивление, скажем, 150 Ом, и измерение тока 60 мА, напряжение батареи можно было бы отключить с помощью закона Ома, если бы оно было неизвестно. Трансформатор не является источником на 150 Ом, и более точное значение находится внутри мультиметра. Доступно получить, установив поворотный переключатель в положение DCV 15. После этого коснитесь черным и красными щупами мультиметра клеммы батареи. Новая батарея должна показывать около 9,5 вольт. Если провода перепутаны, стрелка немного сместится в неправильном направлении.

Омметр

Опять же, зная заранее, что батарея выдает 9 вольт, сопротивление можно измерить с помощью амперметра и закона Ома. Более точный способ — использовать внутреннюю калибровочную возможность омметра. Установите поворотный переключатель в положение «RX 1KΩ», а затем коснитесь красного и черного проводных щупов вместе. Указатель должен быстро переместиться вправо. Если он не перемещается, снимите заднюю крышку измерителя и установите подходящую батарею (батарейку размера AA на 1,5 вольта, если прибор имеет каталожный номер Radio Shack 22–218). После установки батареи крепко держите длинные металлические щупы вместе и медленно вращайте красный диск, который торчит с левой стороны измерителя, пока указатель не покажет ноль «K OHMS» на красной шкале вверху. Это откалибрует измеритель, даже если 1,5-вольтовая батарея немного слабая или если внутренний стандартный резистор немного не соответствует значению из-за температуры или эффектов старения. (Обратите внимание, что символом Ома, расположенным прямо над поворотным переключателем, является греческая буква омега, Ω.)

Теперь плотно прикоснитесь щупами к первичным проводам трансформатора или используйте зажимные провода. Будет сложно получить точные показания с помощью недорогого измерителя, поскольку красная шкала Ом сильно сжата, а красная цифра «один» указывает на 1000 Ом. Маленькие красные отметки пропорциональны, и должно быть указано около 200 Ом.

Если сопротивление вольфрамовой лампочки измеряется омметром, доступный «выход» измерителя составляет всего 1,5 вольта. Это не вызовет достаточно высокого тока, чтобы сильно нагреть вольфрамовую проволоку («нить накала») и произвести видимый свет. По сравнению с экспериментом с амперметром на странице 23, где девяти вольтовая батарея смогла нагреть нить накала до раскаленного состояния, сопротивление в этом эксперименте составило около 200 Ом. Теперь, когда нить накала находится при гораздо более низкой температуре, сопротивление составляет всего около 20 Ом, хотя его можно оценить только приблизительно с помощью этого измерителя. Омметр можно использовать в качестве «тестера непрерывности», чтобы определить, правильно ли подключены провода. Более дорогие измерители часто имеют зуммер, который можно использовать для индикации хороших соединений (низкого сопротивления), не отвлекая экспериментатора от проверяемых проводов.

Выход омметра не обязательно имеет ту же «полярность», которую обычно символизируют для входов красный и черный провода. Глядя на рис. 1, можно увидеть, что черный провод действительно должен иметь положительный выход относительно другого провода, когда измеряется внешнее сопротивление. Это можно показать экспериментально, подключив ваш омметр к измерителю соседнего экспериментатора, который был настроен как вольтметр. Это не всегда верно для других типов приборов, но это часто случается с недорогими мультиметрами.

Комментарии

К настоящему моменту читатель, вероятно, заметил, что источники напряжения (или «сигналы» любого рода) обычно располагаются слева на схемах электронных цепей и идут вправо. Из этого правила могут быть исключения, но они редки.

Расчеты в этой главе и многие другие электронные расчеты можно выполнить на компьютере с помощью программы «SPICE» (Simulation Program with IC Emphasis) от Microsim Corp., Ирвайн, Калифорния (www.microsim.com). Кроме того, недорогая демонстрационная версия доступна в Intusoft, Сан-Педро, Калифорния (www.intusoft.com).

ПРОДОЛЖЕНИЕ СЛЕДУЕТ…

Магазин Gtest® - авторизованный поставщик мультиметров в Украину: https://gtest.com.ua/izmeritelnye-pribory/multimetry