Цифровые измерительные приборы: достоинства и недостатки, принцип работы
Цифровые приборы — один из самых революционных способов измерения различных физических величин за всю историю человечества. Можно сказать, что в целом с момента появления цифровых технологий важность этого типа устройств во многом определила будущее всего нашего существования.
Все измерительные приборы подразделяются на аналоговые и цифровые.
Цифровые измерительные приборы обладают высоким быстродействием и высоким классом точности. Они применяются для измерения широкого класса электрических и неэлектрических величин.
В отличии от цифровых аналоговые приборы не хранят измеренные данные и не совместимы с цифровыми микропроцессорными устройствами. По этой причине необходимо записывать каждое проведенное с его помощью измерение, что может быть утомительным и требующим большого количество времени.
Главный недостаток цифровых измерительных приборов заключается в том, что они нуждаются во внешнем источнике питания или подзарядке аккумулятора после определенного времени использования. Также точность, скорость и эффективность цифровых приборов в делают их дороже аналоговых.
Цифровые измерительные приборы — приборы, в которых измеряемая входная аналоговая величина X автоматически опытным путем сравнивается с дискретными значениями известной (образцовой) величины N и результаты измерения выдаются в цифровом виде (Чем отличаются аналоговые, дискретные и цифровые сигналы).
Структурная схема цифрового вольтметра
При выполнении операций сравнения в цифровых измерительных приборах производится квантование по уровню и времени значений непрерывных измеряемых величин. Результат измерения (численный эквивалент измеряемой величины) образуется после выполнения операций цифрового кодирования и представляется в избранном коде (десятичном для отображения или двоичном для дальнейшей обработки).
Операции сравнения в цифровых измерительных приборах выполняются специальными устройствами сравнения. Обычно конечный результат измерения в таких приборах получается после запоминания и некоторой обработки результатов отдельных операций сравнения аналоговой величины X с различными дискретными значениями образцовой величины N (так же может производиться сравнение известных долей X с N, имеющей одно значение).
Числовой эквивалент X в измерительный прибор представляется с помощью выходных устройств в виде, удобном для восприятия (цифровая индикация), а в необходимых случаях — в виде, удобном для ввода в электронно-вычислительную машину (ЭВМ) или в систему автоматического управления (цифровые регуляторы, программируемые логические контроллеры, интеллектуальные реле, частотные преобразователи). Во втором случае приборы чаще всего называются цировыми датчиками.
В общем случае цифровые измерительные приборы содержат аналогово-цифровые преобразователи, блок формирования образцовой величины N или набор заранее сформированных величин N, устройства сравнения, логические устройства и выходные устройства.
В автоматических цифровых измерительных приборах обязательно наличие устройства, обеспечивающего управление работой его функциональных узлов. Кроме обязательных функциональных блоков прибор может содержать дополнительные, например, преобразователи непрерывных величин X в промежуточные непрерывные величины.
Такие преобразователи используются в измерительных приборах в тех случаях, когда промежуточную X можно более просто измерить, чем исходную. К преобразованиям X в электрические величины прибегают весьма часто при измерении разнообразных неэлектрических величин, в свою очередь, электрические часто представляются эквивалентными интервалами времени и т. д.
Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) являются устройствами, которые принимают входные аналоговые сигналы и выдают на выходе соответствующие им цифровые сигналы, пригодные для работы с ЭВМ и другими цифровыми устройствами, т.е. обычно физический сигнал сначала преобразуется в аналоговый (аналогичный по отношению к исходному сигналу), а затем аналоговый сигнал преобразуется в цифровой.
В цифровых измерительных приборах используются различные методы автоматических измерений и измерительные схемы. Наличие дискретных N определяет специфику главным образом способов сравнения.
X и N можно сравнивать методами уравновешивания и совпадения. При 1-м методе управление изменением значений N производится до тех пор, пока не будет обеспечено равенство (с погрешностью дискретности) значений X в N или эффектов, ими производимых. По 2-му методу все значения N одновременно сравниваются с X, и значение X определяется по совпавшему с ним (с погрешностью дискретности) значению N .
При методе совпадения обычно используется одновременно несколько устройств сравнений, либо X имеет возможность воздействовать на одно общее устройство, считывающее совпавшее с ним значение N.
Различаются методы следящего, развертывающего и поразрядного уравновешивания, а также методы совпадения со следящим счетом или следящим считыванием, периодическим счетом или периодическим считыванием результатов сравнения.
Первые в истории цифровые измерительные приборы представляли собой системы пространственного кодирования.
В этих приборах (датчиках) в соответствии со схемой измерения измеряемая величина с помощью аналогового преобразователя преобразуется в линейное перемещение или угол поворота.
Далее в аналого-дискретном преобразователе происходит кодирование полученного перемещения или угла поворота при помощи специальной кодовой маски, которая наносится на специальные кодовые диски, барабаны, линейки, пластины, электроннолучевые трубки и т. п.
Маски создают символы (0 или 1) кода числа N в виде проводящих и непроводящих, прозрачных и непрозрачных, магнитных и немагнитных участков и т. п. С этих участков специальные считывающие устройства снимают вводимый код.
Наибольшее распространение получил метод устранения ошибок неоднозначности, основанный на применении специальных циклических кодов, в которых соседние числа отличаются только в одном разряде, т. е. ошибка считывания не может превышать шага квантования. Это достигается за счет того, что при изменении любого числа на единицу в циклическом коде изменяется только один символ (например, используется код Грея).
В зависимости от выполнения кодирующего устройства преобразователи пространственного кодирования могут быть разделены на контактные, магнитные, индуктивные, емкостные и фотоэлектрические преобразователи (смотрите — Как устроены и работают энкодеры).
Аналоговый или цифровой мультиметр, отличия, что выбрать
Выбирая мультиметр, первое, с чем сталкивается покупатель — это дилемма, какой тестер взять: аналоговый или цифровой. Первые крупнее, но стоят дешевле, вторые — маленькие и аккуратные, но выйдут дороже. Рассмотрим в чем их отличия, преимущества и недостатки, чтобы понять, стоит ли переплачивать. Приведенные далее критерии выбора помогут подойти к покупке более осознанно.
Что такое мультиметр
Прибор получил свое русское название от транслитерации с английского multimert, что в переводе означает «функциональный измеритель». Это тестер, способный измерять разные величины и значения, среди которых:
- напряжение тока (V);
- сила тока (А);
- сопротивление проводника или полупроводника (Ом);
- емкость конденсатора (Сх);
- целостность цепи (есть контакт или разорвана).
Некоторые специализированные модели способны определять температуру деталей и даже совершать замеры без непосредственного прикасания к токопроводящим контактам.
Какие бывают мультиметры
Мультиметры выпускают в виде мобильных устройств, чтобы часто носить их с собой по большому предприятию или при выездной работе. Они функционируют от батарей типа «Крона» и автономны. Разнятся приборы по форм-фактору от очень компактных, напоминающих по форме шариковую ручку, до обычных прямоугольных, похожих на первые мобильные телефоны кнопочного типа. Они применяются в быту и профессиональной среде.
Другие разновидности предназначены для стационарного использования и подключаются к розетке 220 В. Они крупнее и предполагают настольную установку. Основная сфера использования — обслуживание и ремонт промышленного оборудования.
Еще мультиметры делятся по принципу работы на аналоговые и цифровые. Рассмотрим их устройство и отличия более детально.
Аналоговые мультиметры
Аналоговая версия крупнее по габаритам, поскольку внутри корпуса размещается микроамперметр магнитоэлектрического действия, группа шунтов для измерения тока и резисторы для замера напряжения. Результат выводится на аналоговый циферблат с прорисованными значениями. Показатели отображаются магнитной стрелкой, которая отклоняется на заданную величину.
К плюсам аналоговых мультиметров относятся:
- более доступная стоимость;
- меньшая чувствительность к помехам при замере сопротивления или величины напряжения;
- возможность отображения динамики сигнала, если показатели колеблются (стрелка сразу отреагирует, а цифровой прибор покажет усредненное значение).
Из минусов аналоговых мультиметров выделяют:
- высокую погрешность показаний;
- крупные габариты, делающие частую транспортировку неудобной;
- изначально требуется установка нуля, иначе погрешность будет еще больше;
- отклонения в показаниях при удержании прибора на весу или на вибрирующем основании;
- расчет некоторых величин вручную (например, среднеквадратичные значения);
- неточность считывания данных, если смотреть на аналоговый экран сбоку.
Цифровые мультиметры
Принцип обработки и отображения результатов у цифрового мультиметра совершенно другой. Здесь действует аналого-цифровой преобразователь (АЦП), в котором есть данные опорного сигнала. Система сравнивает их с поступающими и выдает итоговое значение. В дополнение к этому предусмотрен ЖК-экран, на котором выводятся цифры. Отпадает необходимость следить за стрелкой и присматриваться к градуированной шкале, определяя точные данные.
Это дает следующие преимущества перед аналоговыми версиями:
- удобство восприятия и легкость снятия показаний;
- высокая точность результатов;
- данные не зависят от положения мультиметра в пространстве;
- быстрая обработка после считывания;
- есть автонастройка для определения величины тока;
- прибор не портится при ошибочном подключении полярности;
- компактные габариты корпуса и малый вес.
Недостатки цифровых мультиметров есть, но их немного:
- более высокая стоимость;
- на морозе дисплей с кристаллами замерзает и не работает;
- при севшей батарее изображение тускнеет;
- нагрев корпуса от соседних источников тепла приводит к ошибкам.
Критерии выбора мультиметра
Факты показывают, что цифровые мультиметры более функциональны и пользуются повышенной популярностью, чем аналоговые, хоть и стоят дороже. Поэтому целесообразно купить цифровой мультиметр, и дальше в статье мы рассмотрим критерии выбора именно таких моделей.
Класс электробезопасности
Этот параметр связан с максимальными токами, с которыми способен работать прибор. По ним мультиметры делятся для:
- низковольтных цепей;
- локальных цепей;
- распределительных схем подачи питания в здания;
- распределительных схем вне пределов здания.
Если прикоснуться щупами мультиметра, рассчитанными на 600 В, к контактам, по которым протекает 1000 В, то аппарат просто уйдет в защиту и измерить данные не получится. Для ремонта мобильных телефонов и планшетов достаточно мультиметра самой слабой категории. Когда предстоит возиться с проводкой в квартире, нужен прибор с максимумом до 500 В, чего хватит даже с запасом (ведь в локальных внутридомовых сетях бывает 220-400 В). Самый простой и доступный вариант для этого — DT-101.
Форм-фактор, габариты и вес
Все цифровые мультиметры достаточно компактны, но одни поместятся в рабочую сумку, а другие даже в карман куртки. Если предстоит часто использовать тестер «на ходу», выполняя замеры и переходя от одной точки к другой, то лучше выбрать мультиметр поменьше и полегче, например, DT-3260, напоминающий по форме ручку.
Погрешность
У всех мультиметров есть отклонения выдаваемых значений от фактических, которые называются погрешностью. Для бытовых задач и ремонта техники достаточно прибора с отклонением 2-2.5%. Для работы с высокоточным оборудованием тестер тоже должен максимально отражать данные. Тогда выбирайте погрешность 0.8-1.0%. Такая характеристика есть, например, у модели DT-960B.
Для ультра чувствительного оборудования необходим тестер с погрешностью 0.5%, как у DT-9959 МУЛЬТИМЕТР ЦИФРОВОЙ TRUE RMS.
Сопротивление
Все мультиметры способны замерять сопротивление проводника, вот только здесь приборы разнятся по возможностям. Аппараты для дома или ремонта автомобиля имеют предел 2 МОм. Замер сопротивления больших кабелей с внушительным сечением нуждается в показателях 40-60 МОм. Достойный тестер с такой характеристикой — DT-932N.
Размер экрана и подсветка
От размеров экрана зависит удобство считывания информации. В отличие от телефонов, планшетов и телевизоров, габариты дисплея в мультиметрах измеряются не в дюймах, а обозначаются номерами размеров. Самый маленький — 2. Для людей с хорошим зрением этого вполне достаточно. Если хотите цифры крупнее — выбирайте размер 3, 4 или 5. Хороший пример мультиметра с крупным экраном 5-го размера — DT-9930 LCR-Metr.
Подсветка упростит снятие показаний при недостаточном освещении. Это важная функция, ведь на чердаках и в подвалах света всегда не хватает. Есть черно-белые дисплеи, а бывают и цветные графические. С последними работать удобно, но стоят они дороже.
Дополнительные функции
В зависимости от нужд пользователя могут пригодиться следующие функции, встречающиеся в некоторых мультиметрах:
- Наличие измерителя температуры. Помогает узнать температуру проводника в диапазоне от -20 до +80 градусов.
- Измеритель емкости. Указывает на возможности и объемы накопления электроэнергии.
- Фонарик. Поможет осветить путь.
- Режим Hold. «Заморозит» данные на экране, если их не видно в момент прикосновения щупами к клеммам.
- Сопряжение с компьютером. Бывает проводное или по Bluetooth. Поможет быстро передать данные для дальнейших расчетов.
- Влагозащитное исполнение. Бывает на уровне IP67 и позволяет работать под водой.
В одних мультиметрах есть все вышеперечисленные функции сразу, в других — только некоторые. Выбирайте модель исходя из будущих задач.
Хотя аналоговые мультиметры стоят дешевле — они уже морально устарели и уступили дорогу цифровым. Для комфортной и точной работы выбирайте электронный тестер, обладающий большим количеством функций.