МУЛЬТИМЕТРИ (ЧАСТИНА 1)

Посилання на сторінку сайту Магазину Gtest(R) з номенклатурою Мультиметрів, а також рекомендовані прилади та статті для подальшої самоосвіти - наприкінці цієї Розділу

Мультиметр дозволяє вимірювати різні величини, такі як струм, напруга та опір за допомогою процесів вибору на приладі.

Оригінальний і дуже перевірений часом прилад, аналоговий мультиметр стрілочний, все ще має своїх прихильників, які продовжують вважати їх зберігачами електричних вимірювань. Дійсно, вони продовжують займати місце у пошуку несправностей, де швидкість, з якою покажчик переміщається за шкалою (копіюється, але не перевищується гістограмним індикатором), може бути важливішим за його остаточне показання, а також його здатністю «усереднювати» шум і коливання через інерцію покажчика та рухомих частин. Однак цифрові мультиметри точніші і з них легше зчитувати показання, що особливо важливо при спробі оцінити стан акумуляторних герметичних батарей, де ареометр більше не може використовуватися.

 Закон Ома та вимірювання

Мультиметр

Амперметр з окремою батареєю та резистором, прикріпленими до нього, можна собі легко уявити. Якщо всі три знаходяться в одному пластиковому корпусі, виходить «мультиметр», а електрична схема такого приладу показана на рис. 1.

Рисунок 1 – Мультиметр

Частина мультиметра "амперметр" не позначена на цій схемі, але це та ж збірка. Вона складається з котушки (показано три «витки» дроти, хоча насправді витків було б набагато більше), залізного сердечника (позначеного тут трьома паралельними лініями), спіральної пружини та покажчика та нерухомої числової шкали. Інші компоненти (батарея та резистор) за межами амперметра були переставлені в порівнянні з тим, як вони були показані раніше, але це ті ж компоненти. Невеликий «швидкодіючий» запобіжник зазвичай встановлюється послідовно з амперметром для захисту, хоча на цій схемі це не показано.

Частина мультиметра "вольтметр" оточена довгою штриховою лінією на схемі. Вона включає амперметр та стандартизований резистор. За допомогою закону Ома ці два компоненти можна використовувати для вимірювання невідомої напруги, наприклад, напруги батареї. Вимірюється те, що за межами пунктирної лінії. Експерименти, що ілюструють цю концепцію, будуть виконані у наступному розділі.

Частина мультиметра омметр оточена пунктирною лінією, і вона включає стандартну батарею плюс амперметр, але не резистор. Знову ж таки, вимірюється та частина, яка знаходиться за межами пунктирної лінії.

Перемикачі всередині приладу (не показані на схемі) дозволяють вибрати одну функцію, і різні компоненти можуть бути увімкнені або не увімкнені в ланцюг. Інші перемикачі також розташовані так, щоб дозволяти використання різних резисторів, залежно від того, який діапазон напруги необхідно виміряти. (Різні діапазони струму можна виміряти тільки амперметром, але пояснення цього буде відкладено до наступного розділу.)

Експерименти

У цьому контексті мультиметр — це недорогий прилад (каталожний номер Radio Shack 22–218 або еквівалент від іншого постачальника, який іноді називають «мультітестером» або навіть «вольтамперметром»). Необхідно бути обережним (!), щоб не впустити вимірювач на тверду поверхню, наприклад, на стіл, навіть з висоти декількох дюймів, оскільки крихкий механізм, швидше за все, буде пошкоджений.

Підключіть невеликий штир на кінці чорного дроту в нижньому лівому куті вимірювального приладу, поруч із негативним («-») символом. На деяких вимірювальних приладах негативне гніздо позначене як «загальний», і це слово, як передбачається, свідчить про «негативний». Звичайно, червоний провід потім підключається до позитивного (+) гнізда.

Амперметр

Дотримуючись схеми на рис. 1, підключіть ту ж 9-вольтову батарею, про що ми згадували, з чорним або зеленим затискачем як негативний дроти. Для невідомого опору використовуйте той самий трансформатор, прикріпивши його до одного з добре ізольованих чорних проводів (первинна котушка). Потім прикріпіть жовтий або білий затискач до іншого чорного первинного дроту, а також до довгого щупового штиря на кінці чорного (негативного або загального) дроту мультиметра.

Встановіть елементи керування мультиметра (поворотний перемикач або кнопки, залежно від конкретного приладу) у положення постійного струму (dc) міліампер (мА), де максимальна кількість струму більша, ніж очікується у конкретному тесті. Якщо використовується вимірювач Radio Shack, каталожний номер 22-218 (або інша модель), це буде налаштування "150 мА постійного струму", оскільки очікується лише близько 50 мА.

Обережно підключіть червоний затискач від позитивної клеми батареї до червоного проводу вимірювача. Вказівник, ймовірно, трохи переміститься за чорну нижню цифру «5». Чорні літери праворуч читаються як "DC V mA", що означає, що нижня чорна шкала використовується для постійного струму, або у вольтах, або в міліамперах.

Числові шкали на приладі можуть збивати з пантелику нових користувачів. Максимально допустиме значення струму при цьому налаштуванні становить 150 мА, і це має бути нижня шкала, скорочено позначена чорним «15», оскільки вона містить цифри 1 і 5, і на лічильнику немає іншої шкали, яка могла б позначати, що максимум дорівнює 150. Якщо покажчик переміщається на 10, тече 100 мА, але 5 вказуватиме на 50 мА.

(Якби вимірювалася напруга, білі цифри зліва від поворотного перемикача показують, що 15 може означати як 15 вольт, так і 150 вольт, залежно від того, яке налаштування поворотного перемикача використовується. Але зараз ми вимірюємо струм, і 150 мА це єдине , що може означати чорне число 15 на шкалі.)

Стрілка покажчика переміститься приблизно на 60 мА, що здаватиметься трохи вищим за «5». Маленькі червоні позначки розміщуються пропорційно до будь-яких значень від 5 до 10 (або від 0 до 5).

Червона шкала відзначена як AC 15V, і її можна використовувати для 15 вольт змінного струму (максимум), якщо поворотний диск вибрав цей діапазон. Найбільша чорна шкала - для 1000 вольт макс., постійного або змінного струму, залежно від положення поворотного диска. Для інтерпретації цих та інших шкал лічильника потрібна помірна кількість логічного мислення, а скорочення не завжди добре продумані.

З закону Ома, 60 міліампер (0,060 ампера) і 9 вольт вказують, що опір первинної котушки становить близько 150 Ом. (Коли ці батареї нові, вони насправді видають близько 9,5 вольт, а значення напруги і опору будуть перевірені в наступних експериментах.) Опір постійного струму трансформатора по суті лінійно, тому коли пізніше будуть вимірюватися нижчі струми, він все ще матиме приблизно такий самий опір. Однак опір потоку змінного струму («імпеданс») набагато вищий, як видно в наступному розділі про індукторів.

Вторинні дроти трансформатора можна використовувати для експериментів такого типу, але вищий струм через нижчий опір може перепалити запобіжник. (Найдорожчий вимірювач міг би впоратися з такими вищими струмами.)

Налаштування в міліамперах роблять мультиметр особливо вразливим до пошкодження надлишковим струмом, оскільки немає внутрішнього резистора, який діяв би як обмежувач. Якщо батарея помилково безпосередньо підключена до лічильника, без зовнішнього опору, такого як трансформатор, запобіжник перегорить, і лічильник більше не працюватиме. Потім можна зняти задню кришку, зазвичай за допомогою невеликої викрутки Phillips, і в цьому випадку запобіжник можна замінити на тип 315 мА.

Один з найбільш поширених способів перегорання запобіжників - залишити вимірювач на налаштуванні "ма" після використання, а потім підключити його безпосередньо для вимірювання напруги батареї, не повертаючи циферблат з міліампером на вольти до тих пір, поки не приєднайте його до джерела напруги. Без захисного опору струм буде занадто великим. Щоб цього не сталося, поворотний перемикач завжди повинен бути встановлений у положення "ВИМКН" перед виконанням наступного вимірювання. Потім, якщо наступним має бути вимірювання напруги, експериментатор повинен повернути циферблат у положення "напруга", щоб отримати свідчення, і не забуде це зробити.

Слід зазначити, що у цьому експерименті (рис. 1) чорний провід мультиметра не підключений безпосередньо до негативного полюса батареї. Однак він відносно негативний порівняно з червоним дротом, і цей зв'язок — усе, що потрібно для правильних свідчень.

Замість трансформатора як експериментальний опір підключіть вольфрамову лампу розжарювання. Незважаючи на те, що лампочка розрахована на використання при 12 вольтах, світло все одно видно при напрузі всього 9 вольт. Багато електронних компонентів будуть працювати в придатному режимі при дещо нижчих або високих напругах, ніж ідеальні значення.

Струм (і, отже, розрахований опір) буде аналогічний значенням, що спостерігаються з первинною обмоткою трансформатора. Однак лампочка не є лінійним резистором, і при нижчих струмах її опір буде іншим. Цей факт буде проілюстровано в експерименті з омметром. Дзеркало під вказівником деяких вимірювачів призначене для запобігання «паралаксу». Якщо експериментатор дивиться на покажчик під кутом, а не дивиться прямо вниз перпендикулярно до шкали, може спостерігатися неправильне значення, що буде викликано помилкою паралакса. В ідеалі очей експериментатора повинен переміщатися до тих пір, поки відображення покажчика не виявиться точно за самим покажчиком, і, таким чином, відображення ніколи не повинно бути видно як окрема лінія.

Вольтметр

Знаючи заздалегідь, що трансформатор має опір, скажімо, 150 Ом, і вимір струму 60 мА, напруга батареї можна було б відключити за допомогою закону Ома, якби воно було невідоме. Трансформатор не є джерелом на 150 Ом і більш точне значення знаходиться всередині мультиметра. Доступно отримати, встановивши поворотний перемикач у положення DCV 15. Потім торкніться чорним і червоними щупами мультиметра клеми батареї. Нова батарея має показувати близько 9,5 вольт. Якщо дроти переплутані, стрілка трохи зміститься у неправильному напрямку.

Омметр

Знову ж таки, знаючи заздалегідь, що батарея видає 9 вольт, опір можна виміряти за допомогою амперметра та закону Ома. Точніший спосіб - використовувати внутрішню калібрувальну можливість омметра. Встановіть поворотний перемикач у положення «RX 1KΩ», а потім торкніться червоного та чорного дротів. Вказівник повинен швидко переміститися праворуч. Якщо він не рухається, зніміть задню кришку вимірювача та встановіть відповідну батарею (батарейку розміру AA на 1,5 вольта, якщо прилад має каталожний номер Radio Shack 22–218). Після встановлення батареї міцно тримайте довгі металеві щупи разом і повільно обертайте червоний диск, який стирчить з лівого боку вимірювача, доки покажчик не покаже нуль "K OHMS" на червоній шкалі вгорі. Це калібрує вимірювач, навіть якщо 1,5-вольтова батарея трохи слабка або якщо внутрішній стандартний резистор трохи не відповідає значенням через температуру або ефекти старіння. (Зверніть увагу, що символом Ома, розташованим прямо над поворотним перемикачем, є грецька буква омега, Ω.)

Тепер щільно доторкніться щупами до первинних дротів трансформатора або використовуйте дроти. Буде складно отримати точні свідчення за допомогою недорогого вимірювача, оскільки червона шкала Ом сильно стиснута, а червона цифра «одна» вказує на 1000 Ом. Маленькі червоні позначки пропорційні і має бути вказано близько 200 Ом.

Якщо опір лампочки вольфрамової вимірюється омметром, доступний «вихід» вимірювача становить всього 1,5 вольта. Це не викличе достатньо високого струму, щоб сильно нагріти вольфрамовий дріт («нитка розжарення») і зробити видиме світло. Порівняно з експериментом з амперметром на сторінці 23 де дев'яти вольтова батарея змогла нагріти нитку розжарення до розпеченого стану, опір в цьому експерименті становив близько 200 Ом. Тепер, коли нитка розжарення знаходиться при набагато нижчій температурі, опір становить близько 20 Ом, хоча його можна оцінити тільки приблизно за допомогою цього вимірювача. Омметр можна використовувати як «тестер безперервності», щоб визначити, чи правильно підключені дроти. Більш дорогі вимірювачі часто мають зумер, який можна використовувати для індикації хороших з'єднань (низького опору), не відволікаючи експериментатора від проводів, що перевіряються.

Вихід омметра не обов'язково має ту саму «полярність», яку зазвичай символізують для входів червоний та чорний дроти. Дивлячись на рис. 1, можна побачити, що чорний провід дійсно повинен мати позитивний вихід щодо іншого дроту, коли вимірюється зовнішній опір. Це можна показати експериментально, підключивши омметр до вимірювача сусіднього експериментатора, який був налаштований як вольтметр. Це не завжди вірно для інших типів приладів, але це часто трапляється з недорогими мультиметрами.

Коментарі

На даний момент читач, ймовірно, помітив, що джерела напруги (або «сигнали» будь-якого роду) зазвичай розташовуються ліворуч на схемах електронних ланцюгів і йдуть праворуч. З цього правила можуть бути винятки, але вони нечасті.

Розрахунки в цьому розділі та багато інших електронних розрахунків можна виконати на комп'ютері за допомогою програми SPICE (Simulation Program with IC Emphasis) від Microsim Corp., Ірвайн, Каліфорнія (www.microsim.com). Крім того, дешева демонстраційна версія доступна в Intusoft, Сан-Педро, Каліфорнія. (www.intusoft.com).

ПРОДОВЖЕННЯ СЛІДУЄ …

Магазин Gtest® - авторизований постачальник мультиметрів до України: https://gtest.com.ua/izmeritelnye-pribory/multimetry