Что такое измерительный прибор?
Измерительный прибор – это любое устройство, предназначенное для точного определения и отображения электрической величины в форме, читаемой человеком. Обычно эта «читаемая форма» является визуальной: движение указателя на шкале, последовательность светящихся индикаторов, образующих «гистограмму», или какой-то дисплей, состоящий из изображений цифр. Для анализа и тестирования цепей существуют измерительные приборы, предназначенные для точного измерения базовых величин: напряжение, ток и сопротивление. Также существует множество других типов измерительных приборов, но в этой главе в основном рассматривается конструкция и работа этих трех базовых типов.
Большинство современных измерительных приборов – это «цифровые» устройства, что означает, что они выводят результаты измерений в виде чисел на цифровом дисплее. Старые типы измерительных приборов являются механическими по своей природе, в них для отображения результатов измерений используется некое стрелочное устройство. В любом случае принципы, применяемые для получения отображаемых единиц при измерении (относительно) больших величин напряжения, тока или сопротивления, одинаковы.
Что такое измерительный механизм?
Отображающий механизм измерительного прибора часто называют измерительным механизмом (термин, заимствованный из механики), осуществляющим перемещение указателя по шкале, чтобы можно было прочитать измеренное значение. Хотя современные цифровые измерительные приборы не имеют движущихся частей, термин «измерительный механизм» может применяться к базовому устройству, которое выполняет функцию дисплея.
Электромагнитный измерительный механизм
Конструкция цифровых «механизмов» выходит за рамки данной главы, а конструкция подвижных механизмов измерительных приборов очень понятна. Большинство измерительных механизмов основано на принципе электромагнетизма: электрический ток через проводник создает магнитное поле, перпендикулярное оси протекания тока. Чем больше электрический ток, тем более сильное магнитное поле создается.
Если магнитное поле, сформированное проводником, может взаимодействовать с другим магнитным полем, то между двумя источниками полей будет генерироваться физическая сила. Если один из этих источников может свободно перемещаться относительно другого, то это будет происходить по мере того, как через провод будет проходить ток, причем движение (обычно против сопротивления пружины) будет пропорционально силе тока.
Первые измерительные механизмы были известны как гальванометры и обычно разрабатывались с учетом максимальной чувствительности. Очень простой гальванометр можно сделать из намагниченной иглы (такой как стрелка магнитного компаса), подвешенной на нитке и помещенной в катушку из проволоки. Ток через катушку из проволоки создает магнитное поле, которое отклоняет стрелку от указывания в направлении магнитного поля Земли. Старинный гальванометр показан на следующей фотографии:
Такие инструменты в свое время были полезны, но в современном мире им мало применения, кроме как для проверки концепций и простейших экспериментальных устройств. Они очень чувствительны к любому движению и к любым возмущениям в естественном магнитном поле Земли. Термин «гальванометр» обычно относится к любой конструкции электромагнитного измерительного механизма, созданной для обеспечения исключительной чувствительности, а не обязательно к примитивному устройству, подобно показанному на фотографии.
Практические электромагнитные измерительные механизмы теперь могут быть выполнены в виде поворотной катушки из проволоки, подвешенной в сильном магнитном поле и защищенной от большинства внешних воздействий. Такая конструкция обычно известна как механизм с постоянным магнитом и подвижной катушкой или PMMC (permanent-magnet, moving coil):
На изображении выше «стрелка» измерительного механизма показана в положении примерно на 35% от полной шкалы, при этом ноль находится на левой стороне дуги, а полная шкала – в крайней правой точке дуги. Увеличение измеряемого тока приведет к тому, что стрелка будет указывать дальше вправо, а уменьшение приведет к тому, что стрелка опустится обратно к своей точке покоя слева. Дуга на дисплее измерительного прибора помечена числами, чтобы указывать значение измеряемой величины, какой бы она ни была.
Другими словами, если требуется ток 50 мкА, чтобы полностью переместить стрелку вправо (то есть полная шкала механизма составляет 50 мкА), на шкале будет записано 0 мкА на крайнем левом конце и 50 мкА на крайнем правом конце, значение 25 мкА будет отмечено на середине шкалы. По всей вероятности, шкала будет разделена на гораздо более мелкие отметки, вероятно, каждые 5 или 1 мкА, чтобы каждый, кто наблюдает за механизмом, мог по положению стрелки определить более точные показания прибора.
Измерительный механизм будет иметь пару металлических клемм на задней панели для входа и выхода тока. Большинство измерительных механизмов чувствительны к полярности: ток в одном направлении перемещает стрелку вправо, а в другом – влево. У некоторых измерительных механизмов стрелка находится в центре пружины в середине развертки шкалы, а не слева, что позволяет проводить измерения любой полярности:
Обычные чувствительные к полярности механизмы включают в себя конструкции Д’Арсонваля и Вестона, оба прибора относятся к типу PMMC. Ток через провод в одном направлении будет создавать вращающий момент по часовой стрелке на механизме стрелки, тогда как ток в другом направлении будет создавать вращающий момент против часовой стрелки.
Некоторые измерительные механизмы нечувствительны к полярности, отклонение стрелки в них зависит от притяжения ненамагниченной подвижной железной планки к неподвижному проводу, через который протекает ток. Такие измерители идеально подходят для измерения переменного тока (AC). Чувствительный к полярности измерительный механизм при подключении к источнику переменного тока будет просто бесполезно дергаться назад и вперед.
Электростатический измерительный механизм
В то время как большинство измерительных механизмов основаны на электромагнетизме (ток, протекающий через проводник, создает перпендикулярное магнитное поле), некоторые из них основаны на электростатике: то есть силе притяжения или отталкивания, создаваемой электрическими зарядами в пространстве. То же самое происходит с некоторыми материалами (такими как воск и шерсть) при трении друг о друга. Если напряжение прикладывается между двумя проводящими поверхностями с воздушным зазором между ними, возникает физическая сила, притягивающая эти две поверхности друг к другу и способная привести в движение какой-то индикаторный механизм.
Эта физическая сила прямо пропорциональна напряжению, приложенному между пластинами, и обратно пропорциональна квадрату расстояния между пластинами. Эта сила не зависит от полярности напряжения, что делает этот тип измерительных механизмов нечувствительным к полярности:
К сожалению, сила, создаваемая электростатическим притяжением, очень мала для обычных напряжений. Фактически, она настолько мала, что такие конструкции измерительных механизмов непрактичны для использования в обычных измерительных приборах. Обычно электростатические измерительные механизмы используются для измерения очень высоких напряжений (многие тысячи вольт).
Однако одним большим преимуществом электростатического измерительного механизма является тот факт, что он имеет чрезвычайно высокое сопротивление, тогда как электромагнитные измерительные механизмы (которые зависят от протекания тока через провод для создания магнитного поля) имеют гораздо меньшее сопротивление. Как мы увидим позже, увеличение сопротивления (приводящее к меньшему току, потребляемому измерительной цепью) делает вольтметр лучше.
Электронно-лучевая трубка
Гораздо более распространенное применение измерения электростатического напряжения наблюдается в устройстве, известном как электронно-лучевая трубка или ЭЛТ (в англоязычной литературе применяется термин CRT, Cathode Ray Tube, «катодная лучевая трубка»). Это специальные стеклянные трубки, очень похожие на трубки старых телевизоров (кинескопы). В электронно-лучевой трубке пучок электронов, движущихся в вакууме, отклоняется от своего курса под действием напряжения между парами металлических пластин, расположенных по обе стороны от пучка.
Поскольку электроны имеют отрицательный заряд, они, как правило, отталкиваются отрицательной пластиной и притягиваются к положительной пластине. Изменение полярности напряжения на этих двух пластинах приведет к отклонению электронного луча в противоположном направлении, что делает этот тип измерительного «механизма» чувствительным к полярности:
Электроны, имеющие гораздо меньшую массу, чем металлические пластины, под действием электростатической силы очень быстро и легко перемещаются. Их отклоненный путь можно проследить, когда электроны сталкиваются со стеклянным концом трубки, где они сталкиваются с покрытием из фосфорсодержащего вещества, испуская свет, видимый снаружи трубки. Чем больше напряжение между отклоняющими пластинами, тем дальше электронный луч будет «отклоняться» от своего прямого пути, и тем дальше от центра на конце трубки будет находиться светящееся пятно.
Фотография ЭЛТ показана ниже:
В реальной ЭЛТ, как показано на фотографии выше, есть две пары отклоняющих пластин, а не одна. Чтобы электронный луч можно было охватить по всей площади экрана, а не только по прямой линии, луч должен отклоняться более чем в одном измерении.
Хотя эти трубки способны точно регистрировать небольшие напряжения, они громоздки и требуют для работы дополнительного электропитания (в отличие от электромагнитных измерительных механизмов, которые более компактны и приводятся в действие величиной тока измеряемого сигнала, проходящего через них). К тому же они намного более хрупкие, чем другие типы электрических измерительных приборов. Обычно электронно-лучевые трубки используются в сочетании с точными внешними цепями для формирования более крупного измерительного оборудования, известного как осциллограф, который может отображать график изменения напряжения во времени, что является чрезвычайно полезным инструментом для определенных типов цепей, где уровни напряжения и/или тока меняются динамически.
Индикация полной шкалы
Независимо от типа или размера измерительного механизма, для него должно быть указано номинальное значение напряжения или тока, необходимое для получения значения, соответствующего полной шкале. Для электромагнитных измерительных механизмов это будет «ток полного отклонения», необходимый для поворота стрелки так, чтобы она указывала точно на конец шкалы индикации. Для электростатических измерительных механизмов значение полной шкалы будет выражено как значение напряжения, приводящее к максимальному отклонению стрелки, приводимой в действие пластинами, или значение напряжения в электронно-лучевой трубке, которое отклоняет электронный луч к краю экрана индикатора. В цифровых «механизмах» это величина напряжения, приводящая к индикации «максимального значения» на цифровом дисплее: когда цифры не могут отобразить большее количество.
Задача разработчика измерительного прибора состоит в том, чтобы взять заданный измерительный механизм и спроектировать необходимую внешнюю схему для индикации полной шкалы при некотором заданном значении напряжения или тока. Большинство измерительных механизмов (за исключением электростатических механизмов) весьма чувствительны и дают полную шкалу лишь при небольшой доле вольта или ампера. А это непрактично для большинства задач измерений напряжений и токов. Инженеру часто требуется измерительный прибор, способный измерять высокие напряжения и токи.
Сделав чувствительный измерительный механизм частью цепи делителя напряжения или тока, полезный диапазон измерения механизма может быть расширен до измерения гораздо более высоких уровней, чем те, что может показывать измерительный механизм в одиночку. Для создания цепей делителей, необходимых для соответствующего деления напряжения или тока, используются прецизионные резисторы. Один из уроков, который вы извлечете из этой главы, – это то, как спроектировать эти схемы делителей.
Резюме
- Измерительный «механизм» – это механизм измерительного прибора, используемый для индикации измеряемой величины.
- Электромагнитные измерительные механизмы работают по принципу магнитного поля, создаваемого электрическим током, протекающим через провод. Примеры электромагнитных измерительных механизмов включают в себя конструкции Д’Арсонваля, Вестона и конструкции с железной планкой.
- Электростатические измерительные механизмы работают по принципу физической силы, создаваемой электрическим полем между двумя пластинами.
- Электронно-лучевые трубки (ЭЛТ) используют электростатическое поле для изменения пути электронного луча, обеспечивая индикацию положения луча с помощью света, создаваемого, когда луч попадает на конец стеклянной трубки.