Что такое измерительный прибор?

Измерительный прибор - это устройство, предназначенное для точного определения электрических величин и отображения их в понятной человеку форме. Форма эта обычно носит визуальный характер и представляет собой движение стрелки по шкале, последовательность лампочек, цифровой дисплей и т.д.. Для анализа и тестирования схем разработаны приборы, которые могут точно измерить основные электрические величины: напряжение, силу тока и сопротивление. Помимо перечисленных, существует множество других типов измерительных приборов, но этот раздел прежде всего охватывает проектирование и работу трех основных.

Основную массу современных измерительных приборов составляют цифровые устройства, в которых измеряемая величина отображается на цифровом дисплее. В основе более старых приборов лежат механические принципы. Измеряемая величина в них отображается на стрелочном индикаторе. И в первом и во втором случаях принципы непосредственного измерения электрических величин одинаковы.

Рассмотрение цифровых измерительных приборов выходит за рамки данного раздела, поэтому все внимание здесь будет уделено стрелочным приборам. Большинство стрелочных индикаторов таких приборов основано на принципе электромагнетизма. Согласно этого принципа, электрический ток, проходящий через проводник, создает магнитное поле перпендикулярное оси потока электронов. Чем больше ток, тем сильнее создаваемое им магнитное поле. Если магнитному полю, созданному проводником, позволить взаимодействие с другим магнитным полем, то между двумя источниками полей возникнет физическая сила. При этом, если один из источников поля может свободно перемещаться по отношению к другому, то под воздействием электрического тока он переместится (как правило, против сопротивления пружины) на угол, пропорциональный силе тока. 

Первыми электроизмерительными приборами были гальванометры. Самый простой гальванометр состоял из подвешенной на струне намагниченной стрелки, находящейся в пределах неподвижной катушки с током. Проходящий через эту катушку ток создавал магнитное поле, которое отклоняло стрелку от направления магнитного поля земли. Старинный струнный гальванометр показан на следующей фотографии:

Такие инструменты были очень полезны в свое время, но для них находится место  и в современном мире, что доказывает правильность концепции элементарных измерительных устройств. Эти приборы весьма чувствительны к любым, даже незначительным, изменениям в естественном магнитном поле земли. В настоящее время термин "гальванометр" относится к любой конструкции электромагнитных стрелочных индикаторов, обладающих высокой чувствительностью. Практически такие индикаторы представляют собой проводящую рамку (обычно намотана тонким проводом), закрепленную на оси в магнитном поле постоянного магнита. При отсутствии тока в рамке она удерживается пружиной в некотором нулевом положении. Если же по рамке протекает ток, то рамка отклоняется на угол, пропорциональный силе тока, зависящий от жесткости пружины и индукции магнитного поля. Стрелка, закрепленная на рамке, показывает значение тока в тех единицах, в которых отградуирована шкала индикатора. На следующем рисунке показана конструкция стрелочного индикатора:

Здесь стрелка индикатора показывает примерно 35 % от полного масштаба шкалы. Увеличение измеряемого тока отклонит стрелку вправо, ближе к 100 %, а уменьшение - влево, ближе к нулю. На шкалу индикатора наносятся цифры, которые указывают значение измеряемой величины. Например, если максимальный измеряемый индикатором ток составляет 50 мкА, то в левом конце шкалы будет стоять цифра 0, в правом - цифра 50, а посередине - 25. Шкала реальных индикаторов разбита на гораздо большее количество делений, чтобы обеспечить более точное считывание значений измеряемой величины.

На тыльной стороне любого стрелочного индикатора имеется пара контактов для подключения измеряемого тока. Большинство индикаторов чувствительны к полярности, одно направление тока отклоняет их стрелку вправо, а другое - влево. У некоторых индикаторов стрелка центрируется пружиной посередине шкалы, позволяя измерять любую полярность:

В этом индикаторе поток электронов в одном направлении отклонит стрелку вправо от нуля, а в противоположном направлении - влево от нуля.

Некоторые индикаторы нечувствительны к полярности. Принцип действия их основан на притяжении ненамагниченной железной планки к стационарному, находящемуся под напряжением проводу. Такие индикаторы идеально подходят для измерения переменного тока (АС). Если к источнику переменного тока подключить обычный, чувствительный к полярности индикатор, то ничего, кроме дрожания стрелки вы не увидите.

Помимо электромагнитных индикаторов существуют еще и электростатические, в которых притягивающая и отталкивающая сила создаются электрическими зарядами через воздушный зазор. Аналогичное явление можно увидеть, если потереть друг о дуга некоторые материалы (например воск и шерсть). Если к двум проводящим поверхностям, разделенным воздушным зазором, приложить напряжение, то возникнет физическая сила, притягивающая эти поверхности и способная переместить некоторый указательный механизм. Эта сила прямо пропорциональна напряжению между пластинами, и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Она независима от полярности, что делает нечувствительным к полярности и сам индикатор:

К сожалению, сила, производимая электростатическими индикаторами настолько мала, что их невозможно использовать в измерительных приборах общего пользования. Зато такие индикаторы можно использовать для измерения очень высоких напряжений (тысячи вольт). Одним из существенных преимуществ электростатических индикаторов является их  большое сопротивление, которое намного больше сопротивления электромагнитных индикаторов. В последующих статьях мы с вами увидим, что большое сопротивление делает вольтметр лучше (уменьшает влияние прибора на ток тестируемой схемы).

Электростатический принцип измерения напряжения нашел широкое применение в других устройствах, называемых электронно-лучевыми трубками или ЭЛТ. ЭЛТ представляет собой вакуумированную стеклянную колбу внутри которой находятся электронная пушка, отклоняющая система и люминесцентный экран. Электронная пушка предназначена для формирования узкого пучка электронов и его фокусировки на экран. От своего курса пучок электронов отклоняется при помощи напряжения на паре металлических пластин, расположенных по обе стороны этого пучка. Поскольку электроны заряжены отрицательно, они отталкиваются от отрицательной пластины, и притягиваются к положительной. Изменение полярности на этих пластинах приведет к отклонению пучка электронов в противоположном направлении.

Электроны, имеющие гораздо меньшую массу чем металлические пластины, легко и быстро отклоняются электростатической силой. Это отклонение очень легко проследить, поскольку электроны вызывают свечение экрана, попадая на фосфорное покрытие его внутренней поверхности. Чем больше напряжение на пластинах, тем сильнее отклоняется пучок электронов, и тем дальше от центра будет светящееся пятно.

Ниже представлена фотография электронно-лучевой трубки:

В реальной электронно-лучевой трубке, которая показана на фотографии, имеется не одна, а две пары отклоняющих пластин. В отличии от одной пары пластин, которая отклоняет луч только в одной плоскости, две пары позволяют охватить всю плоскость экрана.

К несомненным достоинствам электронно-лучевых трубок относится возможность точной регистрации малых напряжений. Но они обладают и рядом недостатков, к которым относятся громоздкость и потребность в дополнительном источнике питания. Кроме того они более хрупкие, чем другие типы индикаторов. Обычно электронно-лучевые трубки используются в сочетании с определенным набором схем, которые в совокупности формируют законченный электроизмерительный прибор, называемый осциллографом. Этот прибор способен отображать диаграмму измеряемого напряжения в течении длительного времени, что делает его чрезвычайно полезным при тестировании схем, уровни напряжений и/или токов которых динамически меняются.

Вне зависимости от типов и размеров индикаторов, все они имеют номинальные (предельные) значения напряжения или тока. В электромагнитных индикаторах это будет последнее деление шкалы, на которое может указать их стрелка. В электростатических индикаторах это будет либо последнее деление шкалы (для вольтметров), либо край индикации экрана (для электронно-лучевых трубок). В цифровых индикаторах это будет максимальное число на цифровом дисплее.

Большинство индикаторов (за исключением электростатических стрелочных) имеют очень высокую чувствительность, благодаря чему их номинальные (предельные) значения невелики. Чтобы расширить диапазон этих значений, проектировщики измерительных приборов разрабатывают необходимые внешние схемы. О таких схемах мы с вами поговорим в последующих статьях.