10.4 Elektryczne przyrządy pomiarowe

Woltomierze i amperomierze

Woltomierze (ang. voltmeter) służą do pomiaru napięcia (różnicy potencjałów), natomiast amperomierze (ang. ammeter) umożliwiają pomiar natężenia prądu. Niektóre urządzenia pomiarowe w kokpitach samochodowych, aparatach cyfrowych, telefonach komórkowych czy wzmacniaczach są w rzeczywistości woltomierzami lub amperomierzami (Ilustracja 10.34). Wewnętrzna budowa najprostszych z tych mierników i sposób, w jaki są podłączone do monitorowanych przez nie systemów, dają głębszy wgląd w zastosowania połączeń szeregowych i równoległych.

Ilustracja 10.34 Wskaźnik poziomu paliwa (pierwszy z lewej) i wskaźnik temperatury (pierwszy z prawej) w tym volkswagenie z 1996 r. są w rzeczywistości woltomierzami, w których rejestrowane napięcie wyjściowe przeliczane jest na odpowiednie jednostki. Są one proporcjonalne do ilości benzyny w zbiorniku lub temperatury silnika. Źródło: Christian Giersing

Pomiar natężenia prądu za pomocą amperomierza

Aby zmierzyć natężenie prądu płynącego przez urządzenie lub element, należy szeregowo podłączyć do niego amperomierz. Stosuje się połączenie szeregowe, ponieważ przez obiekty połączone szeregowo przepływa prąd o takim samym natężeniu (Ilustracja 10.35, gdzie amperomierz oznaczono symbolem A).

Ilustracja 10.35 (a) Gdy chcemy użyć amperomierza do pomiaru natężenia prądu płynącego przez dwa szeregowo połączone oporniki podłączone do źródła napięcia, wystarczy jedno urządzenie umieszczone szeregowo z tymi opornikami – w połączeniu szeregowym natężenie prądu płynącego przez poszczególne elementy jest takie samo. (b) Gdy dwa oporniki są połączone równolegle ze źródłem napięcia, potrzebujemy trzech urządzeń lub trzech niezależnych odczytów z amperomierza, aby zmierzyć natężenie prądu płynącego ze źródła napięcia i przez każdy z oporników. Amperomierz musi być połączony szeregowo z elementem, dla którego wyznaczamy natężenie prądu.

Amperomierz musi mieć bardzo mały opór, będący ułamkiem $\mathrm{m\Omega }$. Jeżeli opór nie jest pomijalnie mały, umieszczenie amperomierza w obwodzie może zmienić równoważny opór obwodu i wpłynąć na natężenie mierzonego prądu. Ponieważ prąd przepływa przez miernik umieszczony w obwodzie, dla ochrony przed zbyt dużym natężeniem amperomierze zwykle wyposaża się w bezpieczniki.

Pomiar napięcia za pomocą woltomierza

Woltomierz podłączamy równolegle do każdego urządzenia, na którym mierzymy napięcie. Stosujemy połączenie równoległe, ponieważ na obiektach połączonych w ten sposób różnica potencjałów jest taka sama (Ilustracja 10.36; woltomierz oznaczono symbolem V).

Ilustracja 10.36 Aby zmierzyć różnicę potencjałów w tym obwodzie szeregowym, woltomierz (V) podłączamy równolegle do źródła napięcia lub któregokolwiek opornika. Zauważmy, że napięcie jest mierzone pomiędzy biegunem dodatnim a biegunem ujemnym źródła napięcia. Nie jest możliwe podłączenie woltomierza bezpośrednio do SEM z pominięciem oporu wewnętrznego.

Ponieważ woltomierze podłącza się równolegle, muszą one mieć bardzo duży opór. Woltomierze cyfrowe zamieniają napięcie analogowe na wartość cyfrową, aby ją pokazać na cyfrowym wyświetlaczu (Ilustracja 10.37). Niedrogie woltomierze mają opory rzędu dziesiątek $\mathrm{M\Omega }$, natomiast bardzo precyzyjne urządzenia - rzędu dziesiątek $\mathrm{G\Omega }$. Wartość oporu może się zmieniać w zależności od aktualnego zakresu miernika.

Ilustracja 10.37 (a) Analogowy woltomierz wykorzystuje do pomiaru napięcia galwanometr. (b) Mierniki cyfrowe do pomiaru napięcia używają przetwornika analogowo-cyfrowego. Źródło (a) i (b): Joseph J. Trout

Mierniki analogowe i cyfrowe

W laboratorium fizycznym stosuje się dwa rodzaje mierników: analogowe i cyfrowe. Termin „analogowy” odnosi się do sygnałów lub danych reprezentowanych przez zmieniającą się w sposób ciągły wielkość fizyczną, taką jak napięcie lub natężenie prądu. Miernik analogowy (ang. analog meter) wykorzystuje galwanometr, który jest cewką z drutu o małej rezystancji, umieszczoną w polu magnetycznym, z dołączoną wskazówką przemieszczającą się po skali. Prąd przepływa przez cewkę, powodując jej obrót. Aby używać galwanometru jako amperomierza, należy przyłączyć opornik o niewielkim oporze równolegle z cewką. Aby używać go jako woltomierza, należy przyłączyć opornik o dużym oporze szeregowo z cewką. Miernik cyfrowy (ang. digitalmeter) wykorzystuje urządzenie nazywane przetwornikiem analogowo-cyfrowym i przedstawia natężenie prądu lub napięcie w postaci szeregu zer i jedynek, które są wykorzystywane do sterowania wyświetlaczem cyfrowym. Mierniki analogowe zostały w większości zastąpione przez mierniki cyfrowe.

Omomierze

Omomierz (ang. ohmmeter) jest urządzeniem służącym do pomiaru oporu elementu obwodu lub urządzenia. Działanie omomierza opiera się na prawie Ohma. Tradycyjne omomierze zawierały wewnętrzne (wbudowane) źródło napięcia (np. baterię), które po podłączeniu do badanego elementu obwodu powodowało przepływ prądu przez ten element. Następnie galwanometr był wykorzystywany do pomiaru natężenia prądu, a opór był wyznaczany z prawa Ohma. Nowoczesne mierniki cyfrowe wykorzystują stałoprądowe źródło do przepuszczania prądu przez badany element, mierząc spadek potencjału na tym elemencie. W każdym przypadku opór jest mierzony za pomocą prawa Ohma ($R=U∕I$), gdzie napięcie jest znane i mierzy się natężenie prądu albo znane jest natężenie prądu i mierzy się napięcie.

Element, którego opór jest mierzony, powinien być odizolowany od obwodu, w przeciwnym razie mierzony będzie równoważny opór obwodu. Omomierza nigdy nie powinno się podłączać do obwodu, do którego podłączone jest źródło napięcia i w którym płynie prąd. Może to spowodować uszkodzenie miernika.