Измеряемая величина вольтметра: что он измеряет, как вольтметр включают в цепь и как пользоваться?

Содержание

что он измеряет, как вольтметр включают в цепь и как пользоваться?

Самый востребованный прибор для измерения электрических параметров – это вольтметр. Снятие показаний проводится методом непосредственного отсчета, то есть модуль прибора подключается к тому участку цепи, с которого снимаются показания. Единица измерения – вольты.

Что измеряет вольтметр? Ответ не так однозначен, как кажется. Как минимум две величины, измеряемые этим прибором, на одних и тех же контактах будут отличаться. Это напряжение под нагрузкой и электродвижущая сила (ЭДС).

Последний параметр является разностью потенциалов между выходными контактами источника питания, и его величина существенно выше, чем действительное значение напряжения.

Для пользователей, не имеющих электротехнического образования, необходимо знать, как вольтметр включают в цепь. В отличие от амперметра – прибор подключается к измеряемому участку цепи параллельно.

При этом измерение производится именно на том участке цепи, который находится между измерительными контактами. Если одна электрическая схема состоит из множества последовательных нагрузочных элементов с разными параметрами – напряжение на каждом участке цепи будет различным.

Если прибор подключить непосредственно к контактам элемента питания (например батарейки), вы увидите величину ЭДС, а вовсе не действительное значение напряжения.

Классификация вольтметров

По принципу действия измерительного модуля:

Оснащенные электромеханическим исполнительным механизмом.
Процесс измерения построен на непосредственной линейной зависимости механического движения от измеряемой величины. Стрелка размещается на рамке-обмотке, которая на свободной оси размещена внутри постоянного магнитного поля.

Когда к рамке прикладывается напряжение – вокруг нее возникает электромагнитное поле. Головка проворачивается в магнитном поле постоянного магнита.

Оснащенные электронным измерительным инструментом.
Специальный блок преобразует приложенное напряжение в импульсный или аналоговый код, который передается на блок отображения. Он в свою очередь может быть цифровым или аналоговым.

По назначению:

Измерение напряжения (ЭДС) постоянного тока;
Измерение напряжения (ЭДС) переменного тока;

Приборы, способные измерять импульсное напряжение;
Фазочувствительные. Измеряют квадратурную составляющую напряжения первой гармоники. Основное применение – звуковая аппаратура;
Селективные. Измеряют напряжение в виде синусоиды, в узком диапазоне частот. Настройка измерительной головки на частоту способствует более точному измерению величины;
Универсальные. Из названия следует, что ими можно измерять напряжение (ЭДС) в любых условиях. Как правило, оснащены наборами гасящих резисторов (шунтов).

По способу исполнения:

Переносные.
Поскольку питание для работы прибора не требуется (за исключением электронных систем), эти вольтметры занимают мало места и имеют удобный корпус. Разновидностью прибора является мультиметр. Несмотря на компактные размеры, точность измерения достаточно высока.

Стационарные.
Размещены в мощном корпусе, как правило, имеют крупную шкалу. Имеют возможность механической установки прибора как по горизонтали, так и предела измерения. Имеют более высокую стоимость, но хорошая точность позволяет применять такие приборы даже в лабораториях.

Щитовые.
Выглядят, как переносные, устанавливаются в ниши контрольных шкафов.

Важно! Технология рабочей головки позволяет вольтметрам работать постоянно, в режиме 365/24. Для непрерывного мониторинга параметров электроустановок это очень удобно.

Прибор имеет очень малое внутреннее сопротивление. Причем независимо от конструкции: механический или электронный. Во время измерения неважно, как работает вольтметр, и на каком участке измеряется напряжение. На цепь не будет оказано никакого влияния.

Как пользоваться вольтметром?

Казалось бы, чего проще – подключай и меряй. На самом деле есть несколько правил, которые мы рекомендуем выполнять.

Надо знать диапазон измерений. Вольтметр – достаточно чувствительный прибор, при перегрузке обмотка рамки или электронная схема моментально выйдет из строя. Если у вас милливольтметр – не следует совать проверочные провода в розетку бытовой сети 220 вольт;

Механические приборы должны быть размещены в соответствие с инструкцией. На корпусе есть обозначение вертикального или горизонтального положения корпуса;
Включается в цепь вольтметр независимо от наличия нагрузки или рабочего напряжения;
Внимание! Если вы измеряете напряжение более 60 вольт – пользуйтесь проводами с увеличенным изолирующим покрытием. По возможности используйте диэлектрические перчатки, особенно при измерении величин от 400 вольт и выше.

Прибор в целом достаточно примитивный. При наличии старой базы деталей, доставшейся от СССР, можно изготовить неплохой вольтметр своими руками.

Как сделать вольтметр из подручных материалов?

Прежде всего, необходима головка прибора и набор резисторов и радиодеталей.

Для установления различного диапазона измерений необходим магазин резисторов. Их подключают последовательно с прибором. На каждом будет гаситься напряжение до приемлемой величины.

Диоды нужны для измерения переменного и постоянного напряжения с помощью одного и того же прибора. Вы создаете как бы переключатель диапазонов измерения.

Подготовьте нагрузку с изменяемой величиной. Убедитесь в том, что при повороте реостата, стрелка равномерно движется от начала шкалы до ее границы.

Подключите параллельно новый прибор, и юстировочный. Меняя нагрузку, добейтесь максимально точных значений контрольного прибора. В нужном диапазоне фиксируйте нагрузку, и наносите разметку на шкалу новодела. После калибровки прибор готов к работе.

Обратите внимание

Если вы хотите получать точные измерения постоянно – проверяйте прибор не реже чем один раз в полгода.

Посмотрите видео о вольтметре. Подробно о простом. Как пользоваться вольтметром, что им измеряют и как подключить к прибору.

принцип работы, конфигурация, измерения, схемы, формулы — Кови

Вольтметр — это измерительный прибор, используемый для определения уровня напряжения в электрической цепи при параллельном подключении к измеряемой части цепи.

При анализе работы электрических и электронных схем или при попытке понять, почему схема работает не так, как ожидалось, в конечном итоге вам придется использовать вольтметр для измерения различных уровней напряжения. Вольтметры, используемые для измерения напряжения, бывают разных форм и размеров, аналоговые или цифровые, или как часть цифрового мультиметра, который чаще всего используется сегодня.

Вольтметры также могут использоваться для измерения постоянного напряжения, а также синусоидального переменного напряжения, но введение вольтметра в качестве измерительного прибора в цепь может нарушить ее устойчивое состояние.

Как следует из названия, вольтметр — это прибор, используемый для измерения напряжения (В), то есть разности потенциалов между любыми двумя точками в цепи. Чтобы измерить напряжение (разность потенциалов), вольтметр должен быть подключен параллельно компоненту, напряжение которого вы хотите измерить.

Вольтметры можно использовать для измерения падения напряжения на одном компоненте или источнике питания, а также для измерения суммы падений напряжения на двух или более точках или компонентах в цепи.

Например, если подключить вольтметр к клеммам полностью заряженного автомобильного аккумулятора, он покажет 12,6 вольт. То есть между положительным и отрицательным полюсами батареи существует разность потенциалов в 12,6 вольт. Таким образом, напряжение, V всегда измеряется поперек или параллельно компоненту цепи.

Самым основным типом аналогового вольтметра постоянного тока является вольтметр с постоянным магнитом и подвижной катушкой (PMMC), также известный как механизм Дарсонваля.

Этот тип аналогового измерительного механизма представляет собой прибор для измерения тока (гальванометр), который может быть настроен на работу в качестве вольтметра или амперметра, основное различие заключается в способе их подключения в цепь.

В механизме с подвижной катушкой используется неподвижный постоянный магнит и катушка из очень тонкой проволоки, которая может двигаться (отсюда и название «подвижная катушка») в магнитном поле магнита.

При подключении к цепи через катушку протекает электрический ток, который, в свою очередь, создает собственное магнитное поле (электромагнетизм), реагирующее на магнитное поле, создаваемое окружающим постоянным магнитом, заставляя катушку двигаться.

Поскольку гальванометр реагирует на внутренний ток, если мы знаем внутреннее сопротивление катушки (намотанной из медной проволоки), мы можем просто использовать закон Ома для определения соответствующей измеряемой разности потенциалов.

Содержание

Конструкция измерительного прибора с подвижной катушкой на постоянном магните

Величина перемещения электромагнитной катушки, называемая «отклонением», пропорциональна силе тока, протекающего через катушку, необходимой для создания магнитного поля, необходимого для отклонения иглы.

Обычно к катушке подключен указатель, или игла, поэтому движение катушки вызывает отклонение указателя по линейной шкале для указания измеряемой величины, при этом угол отклонения пропорционален входному току. Таким образом, стрелка гальванометра перемещается в ответ на ток.

Обычно для контроля угла отклонения используются тонкие спиральные демпфирующие пружины типа часовых механизмов, предотвращающие колебания или быстрые движения, которые могут повредить указатель, а также удерживающие движение катушки в состоянии покоя, когда ток через катушку не проходит.

Обычно стрелка перемещается между нулем слева и полномасштабным отклонением (FSD) в крайнем правом углу шкалы. Некоторые измерительные механизмы имеют пружинный центрированный указатель, при этом нулевое положение покоя находится в середине шкалы, что позволяет перемещать указатель в обоих направлениях. Это удобно при измерении напряжения любой полярности.

Хотя этот механизм измерителя PMMC линейно реагирует на протекание тока в подвижной катушке, он может быть адаптирован для измерения напряжения путем добавления сопротивления последовательно с движением катушки. Сочетание последовательного сопротивления с движением подвижной катушки образует вольтметр постоянного тока, который может давать точные результаты после калибровки.

Измерение напряжения

Когда электрические заряды находятся в равновесии, напряжение между любыми двумя точками цепи равно нулю, а если по цепи течет ток (движение заряда), то между двумя или более различными точками цепи будет существовать напряжение.

Используя гальванометр, мы можем измерить не только ток, протекающий между двумя точками, но и разность напряжений между ними, согласно закону Ома, поскольку эти величины пропорциональны друг другу. Таким образом, используя градуированный вольтметр, мы можем измерить разность потенциалов между любыми двумя точками цепи.

Но как преобразовать прибор, работающий с током, в прибор, который можно использовать для измерения напряжения? Отклонение измерительного прибора с подвижной катушкой на постоянном магните пропорционально силе тока, проходящего через его подвижную катушку.

Если его полномасштабное отклонение (FSD) умножить на внутреннее сопротивление подвижной катушки, то измеритель можно заставить считывать напряжение вместо тока, превратив таким образом измеритель с подвижной катушкой на постоянном магните в вольтметр постоянного тока.

Однако из-за конструкции подвижной катушки большинство измерителей PMMC являются очень чувствительными приборами, которые могут иметь полномасштабный ток отклонения, номиналы IG всего лишь 100 мкА (или меньше). Если, например, сопротивление подвижной катушки RG составляет 500Ω, то максимальное полномасштабное напряжение, которое мы могли бы измерить, составит всего 50 мВ (V = I*R = 100 мкА x 500Ω).

Поэтому для того, чтобы чувствительная подвижная катушка вольтметра PMMC могла измерять более высокие значения напряжения, нам необходимо найти способ уменьшить измеряемое напряжение до значения, которое измеритель может выдержать, и это достигается путем установки резистора, называемого умножителем, последовательно с внутренним сопротивлением катушки измерителя.

Предположим, что мы хотим использовать наш гальванометр 100 мкА, 500 Ом для измерения напряжения в цепи до 1,0 вольта. Очевидно, что мы не можем подключить измерительный прибор напрямую для измерения 1 вольта, поскольку, как мы видели ранее, максимальное напряжение, которое он может измерить, составляет 50 милливольт (50 мВ). Но, используя закон Ома, мы можем рассчитать значение последовательного резистора RS, которое необходимо для получения полномасштабного движения измерителя при измерении разности потенциалов в один вольт.

Таким образом, если ток, при котором гальванометр дает полное отклонение шкалы, составляет 100 мкА, то необходимое последовательное сопротивление RS рассчитывается как 9,5 кОм. Таким образом, гальванометр можно превратить в вольтметр, просто подключив последовательно с ним достаточно большое сопротивление, как показано на рисунке.

Последовательное сопротивление вольтметра

Обратите внимание, что это последовательное сопротивление RS всегда будет выше, чем внутреннее сопротивление катушки, RG ограничивает силу тока через обмотки катушки. Комбинация движения измерительного прибора с внешним последовательным сопротивлением образует основу простого аналогового вольтметра.

Пример вольтметра No1

Гальванометр PMMC имеет внутреннее сопротивление катушки 100Ω и производит полномасштабное отклонение на 200 мВ. Найдите сопротивление умножителя, необходимое для того, чтобы измерительный прибор давал полное отклонение при измерении постоянного напряжения 5 вольт.

Поэтому требуемое последовательное сопротивление имеет значение 2,4kΩ.

Мы можем использовать этот метод для измерения любого значения напряжения, изменяя значение резисторов умножителя по мере необходимости, если мы знаем значения тока или напряжения полномасштабного отклонения (FSD) (IFSD или VFSD) гальванометра. Затем все, что нам нужно сделать, это перемаркировать шкалу, чтобы отсчитывать от нуля до нового значения измеряемого напряжения.

Эта простая последовательно соединенная схема делителя напряжения может быть расширена до ряда различных резисторов «умножителей», что позволяет использовать вольтметр для измерения ряда различных уровней напряжения одним щелчком переключателя.

Конструкция многодиапазонного вольтметра

Наш простой вольтметр постоянного тока, описанный выше, можно расширить, используя ряд последовательных сопротивлений, каждое из которых рассчитано на определенный диапазон напряжения, которые можно выбирать по одному с помощью одного многополюсного переключателя, что позволяет нашему аналоговому вольтметру измерять более широкий диапазон уровней напряжения одним движением.

Этот тип конфигурации вольтметра называется многодиапазонным вольтметром, при этом диапазоны выбираются в зависимости от количества положений переключателя, например, 4-позиционный, 5-позиционный и т.д.

Прямая конфигурация многодиапазонного вольтметра

В этой конфигурации вольтметра каждый множительный резистор RS многодиапазонного вольтметра подключается последовательно с измерителем, как и раньше, чтобы получить желаемый диапазон напряжения. Так, если мы предположим, что наш измеритель 50 мВ FSD требуется для измерения следующих диапазонов напряжения: 10 В, 50 В, 100 В, 250 В и 500 В, то необходимые последовательные резисторы рассчитываются так же, как и раньше:

Приведение схемы прямого многодиапазонного вольтметра из:

Хотя эта конфигурация прямого вольтметра работает очень хорошо для считывания нашего диапазона напряжений, значения множительных резисторов, необходимые для получения правильного FSD измерителя для рассчитанных диапазонов, могут давать значения резисторов, которые не являются стандартными предпочтительными значениями, или требуют спаивания резисторов для получения точного значения.

Рассчитанные нами значения от 99,5kΩ до 4,9995MΩ не являются общепринятыми значениями резисторов, поэтому нам необходимо найти вариацию вышеописанной конструкции вольтметра, которая будет использовать более общедоступные значения резисторов.

Конфигурация косвенного многодиапазонного вольтметра

Более практичной конструкцией является косвенная конфигурация вольтметра, в которой одно или несколько последовательных сопротивлений соединяются в последовательную цепь с измерителем для получения нужного диапазона напряжения. Преимуществом здесь является то, что мы можем использовать стандартные предпочтительные значения для умножающих резисторов.

Если мы снова возьмем измеритель FSD на 50 мВ и диапазоны напряжения 10 В, 50 В, 100 В, 250 В и 500 В, то необходимые последовательные резисторы умножения рассчитываются следующим образом:

Приведем схему косвенного многодиапазонного вольтметра из:

Затем мы видим, что при такой косвенной конфигурации 5-диапазонного вольтметра, чем выше измеряемое напряжение, тем больше множительных резисторов выбирается переключателем. Общее сопротивление, подключенное последовательно с вольтметром PMMC, будет равно сумме сопротивлений, так как RTOTAL = RS1 + RS2 + RS3 … и т.д.

Очевидно, что хотя обе схемы, прямая и косвенная конфигурация вольтметра, способны считывать одинаковые уровни напряжения, использование стандартных и предпочтительных значений резисторов 400kΩ, 500kΩ, 1M5Ω и 2M5Ω делает косвенный метод более простым и дешевым.

Очевидно, что выбор значений резисторов в конечном итоге зависит от FSD используемого гальванометра и уровней напряжения, которые необходимо измерить. В любом случае, простой многодиапазонный аналоговый вольтметр постоянного тока может быть построен путем подключения резисторов с множителем более высокой серии и переключателя. Большинство цифровых мультиметров в наши дни имеют автоматический диапазон.

Последний момент, который необходимо отметить при создании вольтметра постоянного тока, заключается в том, что идеальный вольтметр не будет оказывать никакого влияния на измеряемую часть цепи или компонент, поскольку он имеет бесконечное эквивалентное сопротивление.

Однако на практике при измерении напряжения подключение вольтметра к цепи, особенно к цепи с высоким сопротивлением, может снизить эффективное сопротивление цепи и, следовательно, уменьшить измеряемое напряжение между двумя точками.

Чтобы минимизировать этот эффект нагрузки, следует использовать измерительный прибор с высокой чувствительностью, то есть его полномасштабное отклонение достигается при меньшем отклоняющем токе, поэтому умножающее сопротивление, используемое для вольтметра, может быть как можно выше, чтобы уменьшить ток, проходящий через измерительный прибор PMMC. Чувствительность вольтметра измеряется в Ом/Вольт, (Ω/V).

Видеообзор: Принцип работы Вольтметра

Как определить точность цифрового мультиметра

Если вы не уверены, насколько точны измерения вашего цифрового мультиметра, найдите характеристики его точности в руководстве по эксплуатации, а затем прочтите его, чтобы узнать остальную часть истории.

Большинство ручных цифровых мультиметров более точны, чем можно было бы ожидать, включая самые дешевые модели. В дополнение к вольтам, омам и амперам многие также могут измерять частоту и емкость.

Точность электронного измерения определяет, насколько близко отображаемое значение к истинному значению измеряемого сигнала. Точность аналоговых счетчиков обычно указывается в процентах от показаний полной шкалы. Когда измеренное значение близко к полной шкале или, по крайней мере, превышает 2/3 полной шкалы, опубликованная точность имеет смысл. Однако чем дальше показание от полной шкалы, тем больше оно может отклоняться от истинного значения, если рассматривать его в процентах от показаний, а не в процентах от полной шкалы.

Например, аналоговый вольтметр с точностью ±3% настроен на диапазон от 0 до 100 В. Исходя из этой точности, его указатель может быть на 3 вольта (100 В x 0,03 = 3 В) ниже или выше истинного показания. Если истинное измеренное значение составляет, например, 90,0 В, счетчик может показывать от 87 В до 93 В или ± 3,3% от показания. Однако 10,0 В, измеренные по шкале 100 В того же вольтметра, могут показывать от 7 В до 13 В, или ± 30 % от фактического показания, в то время как измеритель технически соответствует спецификациям. Таким образом, чтобы поддерживать разумную точность, выберите диапазон аналогового измерителя, который поместит указатель между 2/3 полной шкалы и полной шкалой.

По сравнению с аналоговыми мультиметрами цифровые мультиметры (DMM) имеют много практических преимуществ. Они представляют данные измерений в прямом формате, который не требует вычисления точного значения, и они свободны от погрешности параллакса аналоговых счетчиков. В отличие от движений аналоговых счетчиков, дисплеи цифровых мультиметров не имеют движущихся частей, не подвержены износу и ударам. Цифровые мультиметры автоматически определяют полярность, показывают положительные и отрицательные значения, имеют гораздо лучшую защиту от перегрузки и предлагают как автоматический, так и ручной выбор диапазона.

Все эти особенности заставляют многих пользователей цифрового мультиметра полагать, что, поскольку счетчик отображает измеренное значение в прямом десятичном формате, отображаемое число является истинным значением измеряемого параметра. Другие читают руководство по эксплуатации счетчика, чтобы найти основные характеристики точности, например ±2%, и ожидают, что все показания будут в пределах этой погрешности. Однако для расчета фактического отклонения от истинного значения, которое производитель счетчика может заявить и которое все еще находится в пределах спецификаций, требуется гораздо более глубокое понимание опубликованных спецификаций электросчетчика. Например, сначала посмотрите, как разрешение и диапазон цифрового мультиметра влияют на точность, затем прочитайте следующие примеры и узнайте, что на самом деле имеют в виду производители измерителей.

Цифры на дисплее, счетчики цифрового мультиметра и разрешение
Большинство портативных цифровых мультиметров имеют так называемый «3½-значный» дисплей. Три полных числовых символа справа могут отображать любое значение от 0 до 9, но первая (самая значащая) цифра может быть только 0 или 1 и называется «½ цифрой». Такие счетчики могут отображать числа от 0 до 1999. Они также известны как цифровые мультиметры на 2000 отсчетов.

Разрешение цифрового мультиметра зависит от максимального количества отсчетов аналого-цифрового преобразователя (АЦП) во время полного преобразования. Например, теоретическое разрешение счетчика на 2000 отсчетов с 3½-разрядным дисплеем составляет (1/2000)(100%) = 0,05%. Однако практическое разрешение также учитывает количество наименее значимых отсчетов — аналогично рейтингу точности.

Наиболее точное показание для аналогового счетчика — это положение стрелки между 2/3 полной шкалы и полной шкалой.

Как правило, при измерении напряжения постоянного тока используются возможности полного счета АЦП, поскольку преобразование сигнала довольно прямолинейно: используются резистивные делители и фильтры. Другие функции могут иметь ограниченный диапазон или требовать обработки сигнала, которая ограничивает входной диапазон АЦП и дает более грубое разрешение. Ручные цифровые мультиметры с высоким разрешением часто имеют 4,5-разрядный дисплей (20000 отсчетов) и могут отображать любое значение от 0 до 19. 999. Счетчики на 40000 отсчетов имеют 4¾-разрядный дисплей и могут отображать любое значение от 0 до 39999. Где-то посередине находятся 3¾-разрядные дисплеи или цифровые мультиметры на 4000 отсчетов. Многие цифровые мультиметры временно закрывают первую цифру, если она содержит ноль.

Большее количество отсчетов должно привести к более высокому разрешению, и обычно цифровые мультиметры с более высоким разрешением имеют более высокую точность. Однако точность цифрового мультиметра также зависит от других конструктивных факторов, таких как точность АЦП, допуски компонентов, уровень шума и стабильность внутренних эталонов. Таким образом, не следует автоматически предполагать, что 4½-разрядный счетчик в 10 раз более точен, чем 3½-разрядный. Кроме того, поскольку цифровые мультиметры имеют автоматическое определение полярности, они отображают отрицательные значения, равные по диапазону положительным значениям. То есть дисплей цифрового мультиметра с 3½ разрядами может отображать любое число от -19 доОт 99 до 0 и от 0 до 1999.

Диапазоны
Сначала выберите самый высокий диапазон, чтобы уберечь измеритель от повреждений, затем переключайтесь на более низкие диапазоны, чтобы получить наиболее точные измерения, доступные для данного расходомера. Выбор диапазона на самых дешевых цифровых мультиметрах обычно осуществляется вручную: пользователь устанавливает поворотный переключатель в положение, соответствующее диапазону требуемой функции. Например, типичный набор доступных диапазонов в вольтах постоянного тока 3½-разрядного цифрового мультиметра будет включать 200 мВ, 2 В, 20 В, 200 В и 1000 В (или более низкое значение). Верхний диапазон ограничен максимальным напряжением, с которым измеритель может безопасно работать.

Для счетчиков с ручным изменением диапазона переключитесь на диапазон, обеспечивающий максимальное количество разрядов для неизвестного напряжения. Например, при измерении 1,5-вольтовой батареи в самом высоком диапазоне 1000 В будет отображаться только «1». При переключении на диапазон 200 В на дисплее будет отображаться 1,5, в диапазоне 20 В может отображаться 1,52, а наиболее точное показание получается в диапазоне 2 В: возможно, 1,523. Это станет более очевидным в следующем разделе, посвященном точности цифрового мультиметра.

Точность цифрового мультиметра
В некоторых руководствах по эксплуатации базовая погрешность счетчика указана как ± % от показаний. Например, если базовая погрешность измерителя в диапазоне напряжения постоянного тока составляет ±1 %, а истинное напряжение составляет 1,00 В, ожидается, что измеритель будет отображать показание 1,00 В ±1 % или от 0,99 до 1,01 В. Однако базовая точность не учитывает внутреннюю работу АЦП (который лежит в основе каждого цифрового мультиметра) и других схем на аналоговой стороне. Эти схемы и АЦП имеют допуски, нелинейности и смещения, которые варьируются от функции к функции. Кроме того, шум сигнала может потребовать ограничения разрешения. Чтобы предоставить пользователям измерителей более точное значение, производители цифровых мультиметров представляют спецификации точности в следующем формате:

Полные характеристики точности: ±(% от показания + число LSD)

Где:

Показание = истинное значение сигнала, измеряемое цифровым мультиметром

LSD = младший значащий разряд

LSD представляет величину неопределенности из-за внутренних смещений, шума и ошибок округления. Для данного цифрового мультиметра количество LSD варьируется от функции к функции и даже от диапазона к диапазону для одной и той же функции. Точность и выбор диапазона нужно рассматривать самостоятельно, иначе недоразумение может привести к грубым ошибкам. Например, рассмотрим следующее:

Цифровой мультиметр с 3,5-разрядным дисплеем измеряет выходной сигнал опорного сигнала с точностью 1,2 В. Предположим, что истинное напряжение составляет 1200 В. В руководстве по цифровому мультиметру указана точность измерения напряжения постоянного тока как ±(0,5% + 3). Как следует измерять напряжение и интерпретировать показания?

Сначала установите прибор на диапазон 200 В. Дисплей отобразит измеренное напряжение как XX.X. Процент показаний составляет (1,200)(0,5)/100 = 0,006 В, что даже невозможно увидеть на дисплее, поскольку отображается только одна цифра после запятой. Однако при учете трех допустимых значений LSD следует учитывать, что последняя цифра на дисплее может отличаться на ±3 значения. Так, измеритель может отображать значение 1,2 ± 0,3 В или диапазон 0,9V до 1,5 В. Это потенциальная ошибка ± 25 % с учетом всех факторов, которая неприемлема для точного измерения.

Установите переключатель в положение 20 В, и он отобразит значение в виде X.XX, что повышает точность. Полную точность можно рассчитать как ± (1,200)(0,5)/100 +0,03) = ± 0,036 В. Таким образом, любое показание между 1,16 В и 1,23 В находится в пределах технических характеристик точности. Эта полная точность составляет ± 3% от показаний, что лучше, но все же недостаточно точно.

Наконец, установите цифровой мультиметр на диапазон 2 В. Формат отображения изменится на X.XXX. Процент чтения не меняется, но третий LSD становится меньшим фактором. Полную точность можно определить как ± (1,200)(0,5)/100 +0,003) = ±0,009V. Показания счетчика могут находиться только в узком диапазоне от 1,191 В до 1,209 В. Теперь полная точность составляет всего ± 0,75% от показаний, что достаточно для измерения. Таким образом, выбор наименьшего диапазона измерения до того, как цифровой мультиметр выйдет за пределы диапазона, снижает негативное влияние количества LSD и дает наиболее точные результаты.

Время, температура и влажность
Когда был изготовлен или откалиброван ваш прибор? Большинство производителей счетчиков и службы калибровки гарантируют характеристики точности только в течение одного года. После этого цифровой мультиметр может не поддерживать свою точность в опубликованных пределах. Таким образом, если точность должна быть гарантирована, счетчик необходимо калибровать примерно раз в год.

Наиболее точное показание цифрового счетчика находится в наименьшем диапазоне, в котором самая значащая цифра находится в крайнем левом положении. Выберите самый низкий диапазон измерения на цифровом мультиметре до того, как он выйдет за пределы диапазона, чтобы считывать наиболее точные результаты. Например, на первом рисунке цифровой мультиметр считывает неизвестное низкое напряжение (которое выглядит равным 1,4 В), отображаемое в диапазоне 200 В постоянного тока. Первоначально чтение выглядит приемлемым. Однако переключение на диапазон 20 В постоянного тока повышает точность; показание теперь составляет 1,58 В, потому что ошибка младшего разряда (LSD) помещается в сотые доли вольта. Наконец, после переключения цифрового мультиметра в положение 2 В пост. тока показание составляет 1,602 В. Тогда становится очевидным, почему отсчет LSD может стать более значительным источником ошибки, чем точность, если не учитывать выбор диапазона.

Не используйте измеритель, если температура окружающей среды выше или ниже указанного диапазона рабочих температур. В дополнение к спецификациям рабочей температуры электронных компонентов внутри счетчика, ЖК-дисплеи печально известны тем, что становятся вялыми и в конечном итоге гаснут при отрицательных температурах. При высоких температурах ЖК-дисплеи отображают фантомные изображения выключенных сегментов, и они со временем темнеют.

Многие высококачественные цифровые мультиметры, выпускаемые крупными производителями, имеют диапазон рабочих температур от 20°C до +55°C.

Такой широкий диапазон температур гарантирует, что измеритель будет работать достаточно хорошо в большинстве внутренних и наружных условий. Однако опасайтесь недорогих счетчиков: многие из них гарантированно надежно работают только при температуре от 0°C до +40°C. В любом случае эти характеристики верны только тогда, когда относительная влажность ниже определенного значения, обычно от 80 до 90%.

Не путайте рабочую температуру с температурным диапазоном, для которого производитель указывает точность счетчика.

По сравнению с диапазоном рабочих температур от 20°C до +55°C, характеристики точности обычно гарантируются только в гораздо более узком диапазоне от 18°C до 28°C (23±5°C) и часто при более низком уровне влажности. В некоторых спецификациях счетчика указано значение температурного коэффициента, которое помогает рассчитать точность конкретной функции для всего диапазона рабочих температур. Типичным примером температурного коэффициента может быть 0,05 умножения (указанная точность) на каждый °C между 20°C и 18°C и от 28°C до +55°C. Однако не думайте, что все счетчики будут иметь одинаковый температурный коэффициент. Если в руководстве по эксплуатации счетчика это не указано, потеря точности из-за колебаний температуры окружающей среды может быть намного выше. Также влияние влажности усиливается при более высокой температуре.

Обсудите это на сайте Engineering Exchange:

Для получения дополнительной информации:

http://www.fluke.com

http://www.omega.com

http://www.tek.com

http://www.agilent.com

http://www.ul.com

http://www.nist.gov

Рубрики: Статьи Design World, Мультиметры, Датчики (положение + другое) , Тест + измерение • испытательное оборудование

Мультиметр

Цифровой мультиметр

Мультиметр или мультитестер , также известный как вольтметр или ВОМ , представляет собой электронный измерительный прибор, который сочетает в себе несколько измерительных функций в одном устройстве. Типичный мультиметр может включать в себя такие функции, как возможность измерения напряжения, тока и сопротивления. Мультиметры могут использовать аналоговые или цифровые схемы — аналоговые мультиметры и цифровые мультиметры (часто сокращенно DMM или ДВОМ . ) Аналоговые приборы обычно основаны на микроамперметре, стрелка которого перемещается по калибровочной шкале для всех возможных измерений; цифровые приборы обычно отображают цифры, но могут отображать полосу, длина которой пропорциональна измеряемой величине.

Мультиметр может быть ручным устройством, полезным для базовой диагностики неисправностей и работы в полевых условиях, или настольным прибором, который может выполнять измерения с очень высокой степенью точности. Их можно использовать для устранения неполадок с электричеством в широком спектре промышленных и бытовых устройств, таких как электронное оборудование, средства управления двигателем, бытовая техника, источники питания и системы электропроводки.

1 Quantities measured
2 Resolution
- 2.1 Digital
- 2.2 Analog
3 Accuracy
4 Sensitivity and input impedance
4 Burden voltage
5 Alternating current датчик
6 См. также
7 Каталожные номера

Измеряемые величины

Современные мультиметры могут измерять множество величин. Общие:

Напряжение, переменное и постоянное, в вольтах.
Ток переменный и постоянный, в амперах.
Необходимо указать диапазон частот, для которого измерения переменного тока являются точными.

Сопротивление в омах.

Кроме того, некоторые мультиметры измеряют:

Емкость в фарадах.
Электропроводность в сименсах.
Децибел.
Рабочий цикл в процентах.
Частота в герцах.
Индуктивность в генри.
Температура в градусах Цельсия или Фаренгейта с соответствующим датчиком температуры, часто с термопарой.

Цифровые мультиметры могут также включать цепи для:

Непрерывности цепи; подает звуковой сигнал, когда цепь работает.
Диоды (измерение прямого падения диодных переходов, т. е. диодов и транзисторных переходов) и транзисторы (измерение коэффициента усиления по току и других параметров).
Проверка аккумуляторов для простых 1,5-вольтовых и 9-вольтовых аккумуляторов. Это шкала напряжения с токовой нагрузкой. Проверка батареи (без учета внутреннего сопротивления, которое увеличивается по мере разрядки батареи) менее точна при использовании шкалы напряжения постоянного тока.

Разрешение

Цифровой

Разрешение мультиметра часто указывается в «цифрах» разрешения. Например, термин 5½ цифр относится к количеству цифр, отображаемых на дисплее мультиметра.

По соглашению половина цифры может отображать либо ноль, либо единицу, а цифра в три четверти может отображать число больше единицы, но не девять. Обычно цифра в три четверти относится к максимальному значению 3 или 5. Дробная цифра всегда является старшей цифрой в отображаемом значении. 5½-разрядный мультиметр будет иметь пять полных разрядов, которые отображают значения от 0 до 9, и один полуразряд, который может отображать только 0 или 1. ^[3] Такой измеритель может показывать положительные или отрицательные значения от 0 до 19.9999. Трехразрядный счетчик может отображать количество от 0 до 3999 или 5999, в зависимости от производителя.

В то время как точность цифрового дисплея можно легко увеличить, дополнительные цифры не имеют значения, если они не сопровождаются тщательным проектированием и калибровкой аналоговых частей мультиметра. Значимые измерения с высоким разрешением требуют хорошего понимания технических характеристик прибора, хорошего контроля условий измерения и прослеживаемости калибровки прибора.

Указание «числа отображения» — еще один способ указать разрешение. Отсчеты дисплея дают наибольшее число или наибольшее число плюс один (чтобы число счета выглядело лучше), которое может отображать дисплей мультиметра, игнорируя десятичный разделитель. Например, 5½-разрядный мультиметр также может быть указан как мультиметр с 199999 отсчетами или 200000 отсчетов. Часто отображаемый счетчик просто называется счетчиком в спецификациях мультиметра.

Аналоговый

Разрешение аналоговых мультиметров ограничено шириной стрелки шкалы, вибрацией стрелки, точностью печати шкал, калибровкой нуля, количеством диапазонов и ошибками из-за негоризонтального использования механического дисплея . Точность полученных показаний также часто снижается из-за неправильного подсчета делений, ошибок в ментальной арифметике, ошибок наблюдения за параллаксом и далеко не идеального зрения. Зеркальные шкалы и большие перемещения измерителя используются для улучшения разрешения; обычно используется эквивалентное разрешение от двух с половиной до трех цифр (и обычно его достаточно для ограниченной точности, необходимой для большинства измерений).

Измерения сопротивления, в частности, имеют низкую точность из-за типичной схемы измерения сопротивления, которая сильно сжимает шкалу при более высоких значениях сопротивления. Недорогие аналоговые измерители могут иметь только одну шкалу сопротивления, что серьезно ограничивает диапазон точных измерений. Как правило, аналоговый измеритель имеет панель регулировки для установки нулевой калибровки измерителя, чтобы компенсировать изменяющееся напряжение батареи измерителя.

Точность

Цифровые мультиметры обычно выполняют измерения с большей точностью, чем их аналоговые аналоги. Стандартные аналоговые мультиметры обычно измеряют с точностью до трех процентов, ^[4], хотя производятся приборы с более высокой точностью. Стандартные портативные цифровые мультиметры имеют точность 0,5% в диапазоне постоянного напряжения. Стандартные настольные мультиметры доступны с заявленной точностью лучше ±0,01%. Приборы лабораторного класса могут иметь точность в несколько частей на миллион. ^[5]

Значения точности следует интерпретировать с осторожностью. Точность аналогового прибора обычно относится к полному отклонению; измерение 10 В на шкале 100 В 3%-го измерителя подвержено погрешности 3 В, 30% показания. Цифровые счетчики обычно определяют точность как процент от показаний плюс процент от значения полной шкалы, иногда выражаемый в единицах, а не в процентах.

Указанная погрешность соответствует нижнему диапазону постоянного тока в милливольтах (мВ) и известна как «базовая погрешность измерения постоянного напряжения». Более высокие диапазоны напряжения постоянного тока, тока, сопротивления, переменного тока и другие диапазоны обычно имеют более низкую точность, чем базовое значение напряжения постоянного тока. Измерения переменного тока соответствуют указанной точности только в указанном диапазоне частот.

Производители могут предоставлять услуги по калибровке, чтобы новые счетчики можно было приобрести с сертификатом калибровки, указывающим, что счетчик был отрегулирован в соответствии со стандартами, прослеживаемыми, например, Национальным институтом стандартов и технологий США (NIST) или другой национальной лабораторией стандартов .

Испытательное оборудование имеет тенденцию к отклонению от калибровки с течением времени, и нельзя бесконечно полагаться на заданную точность. Для более дорогого оборудования производители и третьи стороны предоставляют услуги по калибровке, чтобы старое оборудование можно было повторно откалибровать и повторно сертифицировать. Стоимость таких услуг несоизмерима с недорогим оборудованием; однако для большинства рутинных испытаний не требуется предельной точности. Мультиметры, используемые для важных измерений, могут быть частью программы метрологии для обеспечения калибровки.

Чувствительность и входное сопротивление

При использовании для измерения напряжения входное сопротивление мультиметра должно быть очень высоким по сравнению с сопротивлением измеряемой цепи; в противном случае работа схемы может быть изменена, и показания также будут неточными.

Счетчики с электронными усилителями (все цифровые мультиметры и некоторые аналоговые счетчики) имеют фиксированный входной импеданс, достаточно высокий, чтобы не мешать большинству цепей. Часто это либо один, либо десять МОм; стандартизация входного сопротивления позволяет использовать внешние высокоомные щупы, образующие делитель напряжения с входным сопротивлением, что позволяет расширить диапазон напряжений до десятков тысяч вольт.

Большинство аналоговых мультиметров с подвижной стрелкой не имеют буфера и потребляют ток из тестируемой цепи для отклонения стрелки измерителя. Импеданс измерителя варьируется в зависимости от базовой чувствительности движения измерителя и выбранного диапазона. Например, счетчик с типичной чувствительностью 20 000 Ом/вольт будет иметь входное сопротивление в два миллиона Ом в диапазоне 100 вольт (100 В * 20 000 Ом/вольт = 2 000 000 Ом). На каждом диапазоне, при полном напряжении диапазона, полный ток, необходимый для отклонения движения счетчика, снимается с тестируемой цепи. Движения измерителя с более низкой чувствительностью допустимы для тестирования в цепях, где полное сопротивление источника низкое по сравнению с полным сопротивлением измерителя, например, в силовых цепях; эти счетчики более прочны механически. Некоторые измерения в сигнальных цепях требуют перемещения с большей чувствительностью, чтобы не нагружать тестируемую цепь полным сопротивлением измерителя. ^[6]

Иногда чувствительность путают с разрешающей способностью измерителя, которая определяется как наименьшее изменение напряжения, тока или сопротивления, которое может изменить наблюдаемое показание.

Для цифровых мультиметров общего назначения самый низкий диапазон напряжения обычно составляет несколько сотен милливольт переменного или постоянного тока, но самый низкий диапазон тока может составлять несколько сотен миллиампер, хотя доступны приборы с большей чувствительностью к току. Измерение низкого сопротивления требует вычитания сопротивления выводов (измеряемого касанием испытательных щупов) для достижения наибольшей точности.

Верхний предел диапазона измерений мультиметра значительно различается; измерения свыше 600 вольт, 10 ампер или 100 МОм могут потребовать специального измерительного прибора.

Нагрузочное напряжение

Любой амперметр, включая мультиметр в диапазоне токов, имеет определенное сопротивление. Большинство мультиметров по своей сути измеряют напряжение и пропускают измеряемый ток через шунтирующее сопротивление, измеряя возникающее на нем напряжение. Падение напряжения называется напряжением нагрузки и выражается в вольтах на ампер. Значение может меняться в зависимости от диапазона, выбранного измерителем, поскольку в разных диапазонах обычно используются разные шунтирующие резисторы. ^[7] ^[8]

Напряжение нагрузки может быть значительным в низковольтных цепях. Для проверки его влияния на точность и работу внешней цепи счетчик можно переключать на разные диапазоны; показание тока должно быть таким же, и работа схемы не должна сказываться, если напряжение нагрузки не является проблемой. Если это напряжение является значительным, его можно уменьшить (что также снижает присущую точность и прецизионность измерения) за счет использования более высокого диапазона тока.

Измерение переменного тока

Поскольку базовая система индикаторов в аналоговом или цифровом измерителе реагирует только на постоянный ток, мультиметр включает в себя схему преобразования переменного тока в постоянный для измерения переменного тока. В базовых измерителях используется схема выпрямителя для измерения среднего или пикового абсолютного значения напряжения, но они откалиброваны для отображения рассчитанного среднеквадратичного значения (RMS) для синусоидальной формы волны; это даст правильные показания переменного тока, используемого в распределении электроэнергии.