Цифровые мультиметры

Цифровой мультиметр подобен аналоговому и способен измерять напряжение, ток и сопротивление. Основным отличием является то, что результаты измерений выводятся на устройство десятичной цифровой индикации. В большинстве цифровых мультиметров имеется жидкокристаллический индикатор (дисплей). Значения тока, напряжения или сопротивления выводятся в виде десятичных цифр на семисегментные индикаторы. Индикация более старых цифровых мультиметров осуществляется с использованием индикаторов на светоизлучающих диодах. В некоторых стендовых больших мультиметрах все еще используются светодиодные индикаторы.

В дополнение к удобствам, связанным с использованием десятичных дисплеев, цифровые мультиметры обеспечивают более высокую точность измерений. Цифровой мультиметр обеспечивает точность измерений от 0,5 % до 1 % от фактического значения. Такие точные измерения предпочтительны при тестировании электронных схем, поскольку они дают наилучшую информацию о состоянии схем. Цифровые мультиметры имеют также более высокую разрешающую способность измерительной системы, что обеспечивает более точные измерения с большим числом десятичных разрядов.

Мультиметр имеет два вывода. Черный вывод называется общим выводом или выводом массы. Красный вывод называется потенциальным выводом. Черный вывод вставляется в гнездо СОМ на передней панели мультиметра. Красный вывод вставляется в отверстие с маркировочными символами Омы и Вольты ( и V).

Другие гнезда на передней панели мультиметра используются при измерении тока. Черный вывод остается в гнезде СОМ, красный вывод вставляется в отверстие мА или в 10 А при выполнении измерений тока до 1 А или 10 А.

Перед тем, как подключить испытательные выводы мультиметра, когда измеряемое напряжение или ток не известны, необходимо установить предел измерения физических величин на максимум. Это позволяет предотвратить выход из строя прибора. При слишком маленьких измеряемых значениях необходимо производить переключение на более низкие пределы измерений, чтобы получить наиболее оптимальные показания прибора.

Если показания измеряемой величины известны, то для получения наиболее точных значений измерения всегда необходимо выбрать такой предел измерения, который несколько выше измеряемой величины. Например, при измерение напряжения 15 В, установите переключатель на предел измерений 20 В, а не на предел измерений 200 В.

Большинство мультиметров имеют следующие пределы измерений:

♦ напряжения: 200 мкВ, 2 мВ, 20 мВ, 200 мВ, 2 В, 20 В, 200 В, 1000 В;

♦ токи: 200 мкА, 2 мА, 20 мА, 200 мА, 1 А;

♦ сопротивления: 200 Ом, 2 кОм, 20 кОм, 200 кОм, 2 Мом.

Для измерения трех базовых электрических величин (напряжения, тока и омического сопротивления) часто используется мультиметр.

Включение средств измерения в цепь

Амперметры. При измерении тока амперметр всегда включается последовательно (в разрыв ветви) с элементами ветви, ток в которой измеряется. Обмотка амперметра рассчитана на небольшие токи. Для увеличения пределов измерения амперметра используют измерительные цепи, включающие в себя шунты, при этом R_ш  R_н . Шунты – резисторы, сопротивление которых мало зависит от температуры. При включении шунта параллельно прибору (рис. 20) основная часть измеряемого тока I проходит через шунт, а ток I_и, проходящий через измерительный механизм, не превышает допустимого значения.

По заданному коэффициенту расширения пределов измерения амперметром и известному сопротивлению амперметра можно рассчитать сопротивление шунта.

Неизвестное сопротивление R можно найти, используя закон Ома, если известны I ток, проходящий через сопротивление, и напряжение U на его зажимах

R= U/I.

Выражение является законом Ома для участка цепи: сила тока на участке цепи прямо пропорциональна напряжению, приложенному к этому участку и обратно пропорциональна сопротивлению.

Рис. 20. Подключение шунтирующего сопротивления

Включение измерительного прибора в исследуемую электрическую цепь в некоторой степени изменяет её режим работы. Это изменение вызывается тем, что работающий прибор потребляет определенную энергию. Поэтому при исследовании объектов малой мощности могут существенно исказиться результаты. Желательно, чтобы собственное потребление энергии измерительным прибором было как можно меньше.

Простейшим примером влияния собственного потребления энергии измерительными приборами на результаты измерения служит косвенное измерение сопротивления резистора при помощи вольтметра и амперметра с вычислением по закону Ома. Для такого измерения возможны две схемы включения приборов.

Если в одно и то же время должны быть измерены напряжение и ток цепи, необходимо производить измерение для высокоомных нагрузок, по схеме, представленной на рис. 21.

Рис. 21. Схема электрической цепи для измерения высокоомных нагрузок

На основании закона Ома можно записать

, (22)

где R – сопротивление резистора, R_А – сопротивление амперметра и R_изм – измеренное сопротивление резистора.

Из выражения (22) следует, что схема, представленная на рис. 18, пригодна для измерения больших сопротивлений, когда R  R_А. Ошибка измерения будет тем меньше, чем меньше сопротивление амперметра.

Вольтметры. Напряжение можно измерить, подключив вольтметр параллельно к измеряемому элементу или участку цепи. Для расширения пределов измерения вольтметра применяют добавочные резисторы, которые включают последовательно с обмоткой вольтметра.

Схема вольтметра магнитоэлектрической системы приведена на рис. 22. Добавочный резистор R_доб, включённый последовательно с рамкой измерительного механизма, ограничивает ток I, протекающий через неё, до допустимых значений.

Рис. 22. Схема вольтметра магнитоэлектрической системы

Сопротивление добавочного резистора можно определить, если известен коэффициент расширения пределов измерения вольтметром и сопротивление вольтметра.

Если в одно и то же время должны быть измерены напряжение и ток цепи, необходимо производить измерение для низкоомных нагрузок по схеме, представленной на рис. 23.

Рис. 23. Схема электрической цепи для низкоомных нагрузок

В этом случае

, (23)

где R – сопротивление резистора, R_V – сопротивление вольтметра и R_изм – измеренное сопротивление резистора.

Из уравнения (23) следует, что измерение будет тем точнее, чем больше неравенство R  R_V. Ошибка измерения будет тем меньше, чем больше сопротивление вольтметра.

Ваттметры. Принцип работы ваттметров (рис. 24) основан на том, что уравнение преобразования электродинамического механизма содержит произведение токов в катушках. Схема соединения катушек ваттметра и его включения в цепь для измерения мощности, потребляемой нагрузкой Z_н, приведена на рис. 6 (“” – начала обмоток).

Ток I₁ в неподвижной катушке равен току нагрузки, а ток I₂ в подвижной катушке пропорционален приложенному напряжению, с учётом этого уравнение шкалы для ваттметра имеет линейный характер.

Рис. 24. Схема соединения катушек ваттметра