Multimetry analogowe – kiedy warto ich używać

Multimetry analogowe – kiedy warto ich używać

Multimetry analogowe – kiedy warto ich używać

Wydawać by się mogło, że multimetry cyfrowe wyparły już kompletnie z rynku mierniki analogowe. Są jednak obszary, w których warto zastosować multimetr cyfrowy, pozwoli bowiem niższym kosztem niż cyfrowy i bez narażania na uszkodzenie wykonać dokładny i miarodajny pomiar.

Podstawą techniki pomiarowej w przeszłości były mierniki analogowe. Stanowiły codzienne narzędzie pracy pomiarowców. Musiały zatem być przygotowane do pełnienia rozmaitych funkcji pomiarowych. Mieliśmy woltomierze i amperomierze prądu stałego i zmiennego, omomierze, megaomomierze, urządzenia do pomiaru częstotliwości i wiele innych. Dynamiczny rozwój techniki cyfrowej wprowadził jednak konkurencję dla urządzeń analogowych, czyli mierniki cyfrowe. Okazywało się z czasem, że urządzenia cyfrowe zaczęły wypierać analogowe. Ale i w obecnych czasach multimetry analogowe znajdują zastosowania, w których są konkurencyjne dla ich cyfrowych odpowiedników.

Czym jest multimetr analogowy?

W przeszłości do pomiaru odmiennych wartości elektrycznych używano różnych mierników. A zatem do pomiaru napięcia służył woltomierz, do pomiaru prądu – amperomierz. Mierniki te miały też ograniczone zakresy pomiarowe. To znaczy na ogół miały jeden zakres pomiarowy, tak jak zaprezentowane na rysunku 1 mierniki tablicowe.

Rys. 1. Analogowe mierniki tablicowe (źródło: www.lumel.com.pl)

W celu poszerzenia zakresu pomiarowego w miernikach analogowych stosowało się i stosuje różnego typu szeregowo lub równolegle dołączone rezystory. W praktyce oznacza to, że w celu wykonania pomiarów w innym zakresie trzeba wykonać zmiany przyłączenia do zacisków pomiarowych – w mierniku takim, jak zaprezentowany na rysunku 2, lub konieczne jest przestawienie pokrętła wybierającego zakres – w mierniku takim jak np. zaprezentowany na rysunku 3.

Rys. 2. Woltomierz analogowy SEW z zaciskami dla różnych zakresów pomiarowych (źródło: ndn.com.pl)

Rys. 3. Woltomierz analogowy Era z pokrętłem zmiany zakresów (źródło: ndn.com.pl)

Multimetr analogowy jest niczym innym jak uniwersalnym przyrządem pomiarowym, który łączy w sobie cechy wielozakresowego amperomierza, woltomierza i omomierza. Urządzenia tego typu bardzo często działają zarówno na prąd stały, jak i zmienny (patrz rysunek 4). Ciekawostką jest również możliwość wykonywania przez niektóre multimetry dodatkowych pomiarów takich jak: pomiar wzmocnienia prądowego tranzystorów bipolarnych (przykład na rysunku 5), test baterii czy np. pomiar spadku napięcia diody prostowniczej.

Rys. 4. Przykładowy multimetr analogowy firmy Protek

Rys. 5. Multimetr analogowy z pomiarem wzmocnienia prądowego tranzystorów BJT (źródło: http://www.sew.com.tw)

Typy multimetrów analogowych

Multimetry analogowe dzielą się ze względu na zasilanie na trzy zasadnicze typy. Pierwsza grupa to multimetry niewymagające zasilania, które moc do poruszenia wskazówką (ustrojem pomiarowym) pobierają z obwodu mierzonego. Tego typu multimetry charakteryzują się dość dużym poborem mocy z obwodu mierzonego, co w przypadku wykonywania pomiarów w obwodach małej mocy może skutkować wprowadzeniem znacznego błędu pomiarowego. Multimetry bez zasilania nie mają funkcji omomierza (chyba że wyposażone są w pokrętło napędzające generator induktorowy). Niewątpliwą zaletą multimetrów niewymagających zasilania jest brak konieczności posiadania baterii do wykonania pomiarów.

Drugi typ multimetrów wykorzystuje zasilanie tylko dla obwodów pomocniczych. Dzięki temu zmniejsza się nieco pobór mocy z obwodu mierzonego, ale i tak wpływ miernika na obwód mierzony jest dość duży.

Trzecią grupą są multimetry wykorzystujące zasilanie w głównym obwodzie pomiarowym. Charakteryzują się niskim poborem mocy z obwodu mierzonego. W przypadku pracy jako woltomierz miernik taki będzie się charakteryzował bardzo wysoką rezystancją wejściową, dzięki czemu pobierze tylko znikomy prąd z obwodu mierzonego. Amperomierz będzie charakteryzował się za to niską rezystancją, a co za tym idzie − znikomym spadkiem napięcia. Tego typu multimetry analogowe przydadzą się zatem doskonale do pomiaru bardzo małych prądów (w zakresie mikroamperów). Multimetry analogowe w pełni zasilane mają podobne parametry wejściowe (rezystancję wejściową) jak multimetry cyfrowe.

Analogowe urządzenia pomiarowe mogą wykorzystywać wiele różnych typów ustrojów pomiarowych: magnetoelektryczne, elektromagnetyczne, elektrodynamiczne i ferrodynamiczne. W multimetrach stosuje się na ogół ustroje magnetoelektryczne (symbol miernika z takim ustrojem pokazano na rysunku 6, symbole prezentowane są w miernikach na ich tablicy czołowej), które są z natury miernikami prądu stałego. W celu wykonania pomiarów w obwodach prądu przemiennego multimetry z ustrojem magnetoelektrycznym wykorzystują dodatkowe obwody przetworników elektrycznych. Najbardziej powszechne są przetworniki prostownikowe (symbol takiego miernika zaprezentowano na rysunku 7). Zasada działania tego przetwornika jest dość prosta, dochodzi bowiem w nim do wyprostowania sygnału przemiennego i odfiltrowania składowej zmiennej tego przebiegu. Wynikiem działania przetwornika jest zmiana sygnału przemiennego na stały, którego wartość odpowiada wartości szczytowej sygnału przemiennego. Na podstawie tej szczytowej wartości miernik zostaje skalowany do wartości skutecznej za pomocą współczynnika, który prawdziwy jest dla funkcji sinusoidalnej. Zależność pomiędzy wartością szczytową (Ua) a skuteczną (Urms) funkcji sinusoidalnej opisana jest wzorem:

Zależność ta okaże się jednak prawdziwa tylko dla funkcji sinusoidalnej. Takie przetworzenie pomiaru prowadzi do znacznych błędów w sytuacji, gdy mierzony sygnał jest odkształcony (jego kształt odbiega od funkcji sinusoidalnej). Należy wziąć pod uwagę, że obecnie coraz więcej mierzonych w sieciach elektrycznych przebiegów bywa odkształconych. Przetwornik prostownikowy jest zatem urządzeniem mało odpowiadającym obecnemu zapotrzebowaniu pomiarowców.

Rys. 6. Symbol miernika z ustrojem magnetoelektrycznym

Rys. 7. Symbol miernika z ustrojem magnetoelekrtycznym i przetwornikiem prostownikowym

W celu wykonania dokładnego pomiaru wartości skutecznej w magnetoelektrycznych miernikach analogowych stosuje się inny typ przetwornika. Mowa tu o przetworniku termoelektrycznym. Przykład miernika wyposażonego w tego typu przetwornik zaprezentowano na rysunku 8, a jego symbol − na 9. Urządzenia te mierzą wartość skuteczną na podstawie wydzielającego się w rezystorze ciepła, dzięki czemu są w stanie wykonywać pomiar wartości RMS dla przebiegów silnie odkształconych i dla przebiegów o wysokiej częstotliwości. Są jednak wykorzystywane jak urządzenia laboratoryjne, głównie ze względu na ich cenę.

Rys. 8. Miernik Keysight/Agilent/HP Model: 3400B z przetwornikiem termoelektrycznym (źródło: www.axiomtest.com)

Rys. 9. Symbol miernika z ustrojem magnetoelektrycznym i przetwornikiem termoelektrycznym

Bardzo dobre właściwości w zakresie pomiaru wartości skutecznej przebiegów odkształconych ma ustrój elektromagnetyczny (symbol na rysunku 10). Próżno go jednak szukać w multimetrach analogowych. Ustrój tego typu wykorzystywany jest powszechnie w miernikach tablicowych.

Rys. 10. Symbol miernika z ustrojem elektromagnetycznym

Wady multimetrów analogowych w porównaniu z cyfrowymi

Rozwój techniki cyfrowej spowodował, że cyfrowe urządzenia pomiarowe w wielu wypadkach mają znacznie lepsze parametry od urządzeń analogowych. Podobnie jest w przypadku multimetrów. Wchodząc w szczegóły, należy wymienić następujące wady urządzeń analogowych:

  • multimetry analogowe są cięższe i większe od swoich cyfrowych odpowiedników,

  • analogowe urządzenia wymagają prowadzenia pomiarów w pozycji poziomej lub pionowej, co uniemożliwia np. trzymanie ich w ręku podczas pomiaru,

  • multimetry analogowe mają utrudniony odczyt względem cyfrowych, ponieważ wykorzystywana jest w nich skala z wieloma podziałkami, które są trudne do odczytu i często wymagają przeliczenia wartości (nie można ich odczytać wprost),

  • brak automatycznej zmiany zakresów (trzeba robić to ręcznie),

  • dokładność pomiaru jest niższa dla rozwiązań analogowych,

  • w miernikach analogowych występuje błąd paralaksy,

  • multimetry analogowe (w większości wypadków) mają trudności z pomiarem prawdziwej wartości skutecznej przy przebiegach odkształconych,

  • parametry wejściowe (rezystancja wejściowa) dla wielu zakresów w najlepszym wypadku jedynie dorównują miernikom cyfrowym.

Gdy weźmiemy to wszystko pod uwagę, powstaje więc wątpliwość, czy w obecnych czasach istnieje sens stosowania multimetrów analogowych? Na to pytanie odpowiadamy w dalszej części tekstu.

Obszary zastosowań multimetrów analogowych

Istnieją pewne obszary zastosowań, w których wykorzystanie multimetrów analogowych jest efektywniejsze niż mierników cyfrowych. Pierwszy taki obszar to wykonywanie pomiarów w nieprzyjaznym środowisku elektromagnetycznym. W sytuacji, gdy mamy do czynienia z występowaniem zaburzeń elektromagnetycznych, np. na skutek obecności przekształtników energoelektronicznych, nawet niskiej klasy multimetr analogowy będzie pokazywał poprawnie wartości mierzone. Natomiast w przypadku multimetrów cyfrowych można spodziewać się dużych błędów pomiarowych (lub należy zainwestować w sprzęt cyfrowy laboratoryjny wysokiej klasy, który jest chroniony przed wnikaniem zakłóceń). Nawet jeśli mamy do czynienia z multimetrem cyfrowym true rms (podającym normalnie poprawnie wartość skuteczną dla przebiegów odkształconych) mierzącym wartości z przebiegami sinusoidalnymi, które poddane są zaburzeniom wysokiej częstotliwości, możemy być pewni, że pomiar będzie zawierał błędy. Wielce prawdopodobne jest, że mierzona wartość będzie się zmieniała w czasie, pomimo że mierzony sygnał nie będzie zmieniał swojej wartości. Problemów tego typu można się ustrzec, wykorzystując multimetr analogowy.

Bardzo dużą zaletą multimetrów analogowych jest możliwość obserwowania zmian wartości mierzonej. Jeśli np. wartość skuteczna napięcia będzie się wahać, a pomiar wykonamy multimetrem cyfrowym, to nie da nam on praktycznie porządnej informacji o mierzonych wartościach. Zmiany wartości skutecznej mierzonej wartości można łatwo obserwować na mierniku analogowym, wykonuje on bowiem pomiar w sposób ciągły. Wprawne oko pomiarowca wychwyci, jaka jest średnia wartość skuteczna sygnału i jak bardzo waha się ona (czyli jaka jest amplituda zmian wartości skutecznej). W świecie cyfrowym taką właściwość posiadają jedynie kosztowne analizatory jakości energii elektrycznej, i to też w ograniczonym zakresie.

Multimetr analogowy pozwala także na obserwowanie zmian wartości mierzonej w stanach przejściowych, jeśli nie są nazbyt szybkie. Możemy np. stwierdzić, czy podczas włączania zasilacz wytwarza przeregulowanie wartości napięcia wyjściowego i jaka jest maksymalna wartość tego przeregulowania. Możemy również stwierdzić, czy ustalenie wartości wyjściowej napięcia przebiega z oscylacjami, czy bez. W świecie cyfrowym należałoby do takich badań wykorzystać znacznie droższy od multimetrów analogowego oscyloskop.

Analogowe przyrządy pomiarowe charakteryzują się także dość dobrą odpornością na chwilowe przekroczenia dopuszczalnych wartości sygnałów mierzonych. W przypadku wystąpienia krótkotrwałego podskoku napięcia w trakcie jego pomiaru istnieje wysokie prawdopodobieństwo, że miernik cyfrowy ulegnie uszkodzeniu. Natomiast miernik analogowy musi być poddany długotrwałemu przekroczeniu, aby uległ uszkodzeniu. Gdy spodziewamy się zatem występowania podskoków wartości sygnału mierzonego i przekroczeń zakresu pomiarowego, lepiej jest wykorzystać miernik analogowy.

Prostota budowy mierników analogowych powoduje, że są uważane za urządzenia niezawodne. Dodatkowo w przypadku wielu pomiarów brak jest konieczności zasilenia miernika, która może być kłopotliwa, szczególnie przy długotrwałych pomiarach.

Autor: dr inż. Łukasz Rosłaniec absolwent studiów magisterskich i doktoranckich na Wydziale Elektrycznym Politechniki Warszawskiej, specjalista w zakresie układów zasilania rezerwowego, rozproszonych źródeł energii, jakości energii elektrycznej, a także energoelektroniki
Słowa kluczowe:
multimetrmultimetry