Όργανα μέτρησης και συσκευές εργαστηρίου ΕΝΟΤΗΤΑ 02 Όργανα μέτρησης και συσκευές εργαστηρίου
02.1 Ψηφιακά πολύμετρα
ΣΤΟΧΟΙ Σ’ αυτό το μάθημα θα μάθουμε: Να χειριζόμαστε και να συνδέουμε με τον ορθό τρόπο το ψηφιακό πολύμετρο για την εκτέλεση μετρήσεων. Να εκτελούμε τις πιο κάτω μετρήσεις: Της αντίστασης Της τάσης (συνεχούς και εναλλασσόμενης) Της έντασης (συνεχούς και εναλλασσόμενης) Της συνέχειας κυκλώματος (Continuity test).
2.1 Όργανα μέτρησης ηλεκτρικών μεγεθών 2.1.1 Εισαγωγή Η τάση και η ένταση είναι μετρήσιμα μεγέθη, η μέτρηση των οποίων πραγματοποιείται με τη χρήση κατάλληλων οργάνων. Τα όργανα αυτά που χρησιμοποιούνται για το σκοπό αυτό ονομάζονται όργανα μέτρησης. Όπως οι ηλεκτρικοί κινητήρες έτσι και τα όργανα μέτρησης μετατρέπουν το ηλεκτρικό ρεύμα σε κίνηση. Σε ένα κινητήρα, το μαγνητικό πεδίο που δημιουργήθηκε από τη διέλευση του ηλεκτρικού ρεύματος μέσω ενός πηνίου δημιουργεί την περιστροφή του τύμπανου του κινητήρα. Κατά παρόμοιο τρόπο, το δημιουργούμενο μαγνητικό πεδίο κατά τη διέλευση ηλεκτρικού ρεύματος μέσω ενός οργάνου μέτρησης προκαλεί τη μετακίνηση του δείκτη ή της βελόνας του οργάνου, μπροστά σε μία βαθμονομημένη κλίμακα μέτρησης. Η θέση στην οποία η βελόνα του οργάνου ακινητοποιείται αντιστοιχεί σε ένδειξη της τιμής μέτρησης του ρεύματος που διέρχεται μέσω του οργάνου.
Τα περισσότερα αυτοκίνητα έχουν όργανα μέτρησης βασιζόμενα στην ίδια αρχή λειτουργίας και βασικά μετρούν την τιμή του ρεύματος διέλευσης που αντιστοιχεί στη μετρούμενη ποσότητα του μεγέθους π.χ. βενζίνης ή θερμοκρασίας κλπ. Το ποιο κάτω σχήμα δείχνει πώς ένα όργανο μέτρησης της έντασης (Αμπερόμετρο) συνδέεται στο κύκλωμα.
Η ανάγνωση της ένδειξης των οργάνων μέτρησης γίνεται στη θέση που η βελόνα σταθεροποιείται, μπροστά σε μία βαθμονομημένη κλίμακα με υποδιαιρέσεις, όπως δείχνει το ποιο κάτω σχήμα.
2.1.2 Βολτόμετρα Τα Βολτόμετρα χρησιμοποιούνται για τη μέτρηση τάσεων. Όταν ένα βολτόμετρο συνδέεται παράλληλα προς μία πηγή τάσης, ένα μικρό ρεύμα διέρχεται μέσω του οργάνου. Η ποσότητα αυτή του ρεύματος είναι ανάλογη με την τιμή της υπό μέτρηση τάσης. Η κλίμακα του οργάνου βαθμονομείται σε Volts για την ανάγνωση της ένδειξης. 2.1.2.α Τύποι βολτόμετρων Υπάρχουν δύο βασικοί τύποι βολτόμετρων. Τα βολτόμετρα συνεχούς ρεύματος DC και τα βολτόμετρα εναλλασσόμενου ρεύματος AC. Προσοχή χρειάζεται για την κατάλληλη χρήση του καθενός από τους δύο τύπους. Όταν ένα βολτόμετρο AC χρησιμοποιείται σε μία πηγή συνεχούς ρεύματος DC σαν αποτέλεσμα θα έχουμε μια ανακριβή ένδειξη μέτρησης. Αλλά όταν ένα όργανο DC, χρησιμοποιείται για τη μέτρηση εναλλασσόμενων τάσεων AC το όργανο ενδέχεται να καταστραφεί.
Ανάγνωση Βολτόμετρου Τα Βολτόμετρα βαθμονομούνται σε κλίμακες με μέγιστες ενδείξεις και περιοχές μετρήσεων π.χ. 0-10 V, 0-50V, 0-250V, 0-1000V Το όργανο του ποιο κάτω σχήματος έχει περιοχή μέτρησης από 0-50 Volts. Προσοχή χρειάζεται έτσι ώστε η τιμή της προς μέτρηση τάσης να βρίσκεται στη περιοχή μέτρησης της κλίμακας του οργάνου.
Ένα όργανο ενδέχεται να καταστραφεί σε περίπτωση που η τιμή της υπό μέτρηση τάσης είναι μεγαλύτερη της μέγιστης τιμής μέτρησης του οργάνου. Μεγαλύτερες τιμές τάσης προκαλούν υπερεντάσεις και κατά συνέπεια, ο δείκτης του οργάνου πιθανόν να υποστεί στρέβλωση έχοντας την τάση να κινηθεί πέραν του σημείου τερματισμού της κλίμακας ή τα κυκλώματα των οργάνων να υπερθερμανθούν και πιθανόν τα ευαίσθητα μέρη (πηνία) των οργάνων να καταστραφούν.
2.1.3 Αμπερόμετρα Τα όργανα που χρησιμοποιούνται για τη μέτρηση της έντασης του ρεύματος που διαρρέει ένα κύκλωμα ονομάζονται Αμπερόμετρα. Αμπερόμετρα χρησιμοποιούνται με διάφορες περιοχές μετρήσεων ανάλογα με την τιμή του υπό μέτρηση ρεύματος π.χ. 0-10 Α, 0-30 Α η για το έλεγχο ηλεκτρονικών συσκευών με περιοχές μέτρησης 0-500 μΑ, 0-10 mA ή 0-250 mA. Πάντοτε χρησιμοποιούμε ένα Αμπερόμετρο συνεχούς ρεύματος DC για τη μέτρηση συνεχών ρευμάτων και Αμπερόμετρα εναλλασσόμενου ρεύματος AC για τη μέτρηση εναλλασσόμενων ρευμάτων. Προφυλάξεις πρέπει να λαμβάνονται ως προς την επιλογή της κατάλληλης περιοχής μέτρησης του οργάνου (κλίμακα).
Για παράδειγμα, αν το όργανο έχει διάφορες περιοχές μέτρησης πάντοτε ξεκινάμε με την μεγαλύτερη κλίμακα. Ακολούθως με τη βοήθεια ενός διακόπτη σταδιακά επιλέγουμε την κατάλληλη περιοχή μέτρησης έτσι ώστε να λάβουμε την ακριβέστερη ένδειξη. Σε περίπτωση που ο δείκτης του οργάνου έχει την τάση να κινηθεί πιο πέρα από τα όρια της περιοχής κλίμακας, ακαριαία θέτουμε το όργανο εκτός λειτουργίας και επιλέγουμε μεγαλύτερη κλίμακα. Επίσης ποτέ δεν χρησιμοποιούμε ένα βολτόμετρο για τη μέτρηση ρευμάτων ή ένα αμπερομετρο για τη μέτρηση τάσεων. Κάθε όργανο σχεδιάζεται να μετρά μόνο συγκεκριμένα ηλεκτρικά μεγέθη.
2.1.4 Πολύμετρα Πολύμετρο είναι ένα όργανο που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την μέτρηση διάφορων ηλεκτρικών μεγεθών όπως τάσης, έντασης και αντίστασης όπως δείχνει το ποιο κάτω σχήμα.
Ο Βασικός τύπος Πολυμέτρου ονομάζεται A.V.O. (Ampere-Volt- Ohm). Ένα πολύμετρο έχει συνδυασμό κλιμάκων που περιλαμβάνουν περιοχές ενδείξεων τάσεων και εντάσεων. Τα ποιο κάτω σχήματα δείχνουν κλίμακα πολύμετρου με τρεις περιοχές μέτρησης τις οποίες μπορούμε να επιλέξουμε με τη βοήθεια ενός διακόπτη καθώς επίσης και το υπό μέτρηση μέγεθος, π.χ. τάση ή ένταση στο συνεχές DC, ή εναλλασσόμενο ρεύμα AC.
Το Πολύμετρο που φαίνεται στο ποιο κάτω σχήμα μετρά τάσεις και εντάσεις dc-ac καθώς και αντιστάσεις. Όλες οι μετρήσεις απαιτούν δύο συνδετικές επαφές. Όπως όλα τα είδη ηλεκτρικών συσκευών έχουν δύο ακροδέκτες, έτσι και τα πολύμετρα. Οι ακροδέκτες πολλές φορές έχουν κόκκινο χρώμα για το θετικό πόλο (+) και μαύρο για τον αρνητικό (-). Διαπίστωση της καλής ή μη, λειτουργίας ενός κυκλώματος γίνεται με τη βοήθεια των οργάνων μέτρησης. Για το σκοπό αυτό τοποθετούμε, τους δύο ακροδέκτες ελέγχου του οργάνου σε δύο σημεία του κυκλώματος υπό έλεγχο. Συνήθως οι ακροδέκτες αυτοί είναι χρώματος κόκκινου για τον θετικό και χρώματος μαύρου για τον αρνητικό.
2.1.4.α Μέτρηση τάσης. Κατά την μέτρηση τάσης οι ακροδέκτες ελέγχου του οργάνου έρχονται σε αγώγιμη επαφή με τους ακροδέκτες της πηγής ή της ηλεκτρικής συσκευής. 2.34 (παράλληλη σύνδεση). Ο κανόνας τη ίδιας πολικότητας των δύο ακροδεκτών του οργάνου και των δύο σημείων του κυκλώματος υπό έλεγχο τηρείται μόνο στο συνεχές ρεύμα DC.
2.1.4.β Μέτρηση ρεύματος. Κατά τη μέτρηση εντάσεων το πολύμετρο γίνεται μέρος του κυκλώματος. Το 2.35 δείχνει τη συνδεσμολογία.
Το κύκλωμα αποσυνδέεται (συνήθως σε ένα ακροδέκτη) και το όργανο παρεμβάλλεται και συνδέεται, μέσω των ακροδεκτών του, στα σημεία διακοπής (σύνδεση σε σειρά). Σε συνεχή ρεύματα ακολουθείται ο κανόνας της πολικότητας. Είσοδος του ρεύματος στον αρνητικό ακροδέκτη του οργάνου και έξοδος από τον θετικό. Υπενθυμίζουμε ότι το ρεύμα του κυκλώματος κυκλοφορεί από τον αρνητικό ακροδέκτη της πηγής και επιστρέφει στο θετικό ακροδέκτη. Οι ακροδέκτες ενός πολύμετρου δεν τοποθετούνται ποτέ απευθείας στους πόλους μιας πηγής συνεχούς ρεύματος όταν το πολύμετρο λειτουργεί σαν αμπερόμετρο. Κατά την μέτρηση τάσης με το πολύμετρο θεωρούμε τη λειτουργία του σαν βολτόμετρο. Σε περίπτωση μέτρησης ρευμάτων θεωρούμε ότι λειτουργεί σαν αμπερόμετρο. Κατά συνέπεια συνδέουμε τους ακροδέκτες ελέγχου του οργάνου ακολουθώντας τους κανόνες κατά περίπτωση.
2.1.5 Ωμόμετρα Όπως η τάση και η ένταση έτσι και η αντίσταση μπορεί να μετρηθεί με ένα όργανο που ονομάζεται Ωμόμετρο. Η κλίμακα ενός ωμομέτρου αναγράφεται σε Ohms [Ω] και βαθμονομείται από το άπειρο (00). Το ποιο κάτω σχήμα δείχνει την κλίμακα μέτρησης. Το μηδέν τοποθετείται στη δεξιά πλευρά της κλίμακας αντί στην αριστερή, όπως γίνεται με τα βολτόμετρα και αμπερόμετρα.
Ένα ωμόμετρο μετρά τη τιμή μιας αντίστασης τροφοδοτώντας ρεύμα μέσω αυτής. Ο δείκτης του οργάνου αντιδρά και μετακινείται κατά μήκος της κλίμακας με μικρή ή μεγάλη απόκλιση, ανάλογα με την τιμή του ρεύματος που διαρρέει την αντίσταση. Εάν η υπό μέτρηση αντίσταση είναι πολύ μικρή, ένα σχετικά μεγάλο ρεύμα διαρρέει την αντίσταση και το όργανο. Επομένως ο δείκτης αποκλίνει προς τα δεξιά της κλίμακας στην κατεύθυνση του μηδενός (τη μικρότερη δυνατή αντίσταση). Σε αντίθετη περίπτωση, όταν η υπό μέτρηση αντίσταση είναι μεγάλη, μικρότερο ρεύμα διαρρέει την αντίσταση με αποτέλεσμα ο δείκτης να αποκλίνει σχετικά μικρή απόσταση από την υψηλότερη δυνατή τιμή που είναι το άπειρο. Υπενθυμίζουμε ότι, επειδή δεν υπάρχουν αντιστάσεις με ιδανική αγωγιμότητα ούτε τέλειοι μονωτές, δεχόμαστε τις ενδείξεις μηδέν και άπειρο σαν οριακές.
Ένα ωμόμετρο πρέπει να μηδενίζεται πριν πάρουμε ενδείξεις μετρήσεων Ένα ωμόμετρο πρέπει να μηδενίζεται πριν πάρουμε ενδείξεις μετρήσεων. Ο μηδενισμός επιτυγχάνεται ως εξής: Τοποθετούμε το διακόπτη επιλογής στη θέση Rx1 Φέρουμε σε επαφή τους ακροδέκτες ελέγχου του οργάνου Ρυθμίζουμε το κουμπί <Ohms ad>μέχρι ο δείκτης του οργάνου να βρεθεί ακριβώς στο μηδέν όπως δείχνει το ποιο κάτω σχήμα Μηδενισμός Ωμόμετρου
Μετρήσεις αντιστάσεων γίνονται τοποθετώντας τους ακροδέκτες του οργάνου στα υπό έλεγχο σημεία της συσκευής. Ποτέ δεν γίνεται μέτρηση μιας αντίστασης όταν το κύκλωμα βρίσκεται υπό τάση, αν και μετρήσεις τάσης και έντασης πραγματοποιούνται όταν το κύκλωμα είναι σε λειτουργία. Αν αποπειραθούμε να μετρήσουμε αντιστάσεις όταν το κύκλωμα βρίσκεται σε λειτουργία ενδέχεται να καταστραφεί το όργανο.
2.1.6 Βαττόμετρα (μέτρηση της ηλεκτρικής ισχύος ΣΡ) Έμμεση μέτρηση ισχύος ΣΡ με βολτόμετρο και Αμτιερόμετρο Η ηλεκτρική ισχύς Ρ δίνεται από τη σχέση: Ρ=ΙV Κατά συνέπεια με τη βοήθεια ενός Βολτόμετρου και ενός Αμπερόμετρου μπορούμε έμμεσα να μετρήσουμε την ισχύ της συσκευής όπως δείχνει το ποιο πάνω σχήμα.
Άμεση μέτρηση της ισχύος δίνεται με το Βαττόμετρο W όπως δείχνει το παρακάτω σχήμα.
2.1.7 Ψηφιακά Πολύμετρα. Τα Ψηφιακά πολύμετρα εξυπηρετούν τον ίδιο σκοπό όπως τα αναλογικό πολύμετρα, άλλα δεν έχουν την ίδια αρχή λειτουργίας που βασίζεται στις ηλεκτρομαγνητικές ιδιότητες. Σε αντίθεση με τα αναλογικά, τα ψηφιακά πολύμετρα απεικονίζουν ψηφιακές ενδείξεις, όπως ένας ηλεκτρονικός υπολογιστής ή ένα ηλεκτρονικό ψηφιακό ρολόι. Ένα από τα πλεονεκτήματα του είναι ότι καταργεί την αναλογική κλίμακα με τις υποδιαιρέσεις της και αντ' αυτής αυτόματα απεικονίζει τις απαιτούμενες ενδείξεις ψηφιακά με ικανοποιητική ακρίβεια.
Το ψηφιακό ηλεκτρονικό πολύμετρο (digital multimeter) έχει εκτοπίσει από την αγορά το πολύμετρο με βελόνη. Μπορεί να μετρήσει τα εξής πράγματα: (α) Ηλεκτρική τάση (β) Ηλεκτρικό ρεύμα (γ) Αντίσταση (δ) Χωρητικότητα (ε) Παραμέτρους τρανζίστορ (ς) Θερμοκρασία Προσόψεις ψηφιακών πολυμέτρων φαίνονται ποιο κάτω. Πάνω ψηλά υπάρχει η πινακίδα. Η πινακίδα διαθέτει πέντε ψηφία (LED) με τα οποία δείχνει την τιμή της ποσότητας που μετρούμε. Ένα μικρό κουμπάκι επιλέγει αν θα μετρήσουμε A.C. ή D.C. Το μεγάλο κουμπί διαλέγει την ποσότητα που θα μετρήσουμε. Έχουμε, για παράδειγμα: Τάση: 200 mV, 2 V, 20 V, 200 V, 1000 V Ρεύμα: 200 μΑ, 2 mA, 20 mA, 200 mA, 10 A Ωμική αντίσταση: 20 ΜΩ, 2 ΜΩ, 200 kQ, 20 kQ, 2 kQ, 200 Ω Χωρητικότητα: 2000 pF, 2 μΡ, 20 μΡ
Πρέπει να δοθεί μεγάλη προσοχή στην επιλογή των θέσεων στις οποίες θα μπουν οι ακροδέκτες. Ο ένας ακροδέκτης (ο μαύρος) εισάγεται στη θέση common. Υπάρχουν ξεχωριστές θέσεις για τα Α, τα mΑ, τα V και τα Ω. Η θερμοκρασία μετριέται με ειδικό ακροδέκτη ανίχνευσης (sensor). Η μύτη του ακροδέκτη τοποθετείται στο χώρο στον οποίο θα μετρήσουμε τη θερμοκρασία. Η χρήση του ψηφιακού πολύμετρου δεν απαιτεί την ανάγνωση κλιμάκων ή τον πολλαπλασιασμό συντελεστών στον πίνακα ένδειξης. Η τιμή δίνεται απευθείας στην πινακίδα. Πρέπει όμως να διαλέγουμε σωστά την κλίμακα στο κουμπί επιλογής. Οι μπαταρίες πρέπει να αλλάζονται όταν χρειάζεται. Το μικρό κουμπάκι είναι προτιμότερο να είναι στη θέση OFF όταν το πολύμετρο δε χρησιμοποιείται. Όταν χρησιμοποιείται στη μέτρηση ρεύματος, το πολύμετρο τοποθετείται ηλεκτρικά σε σειρά με τη γραμμή στην οποία θα μετρήσουμε το ρεύμα. Για μέτρηση τάσης τοποθετείται παράλληλα. Για μέτρηση αντίστασης το πολύμετρο τοποθετείται παράλληλα, αλλά με νεκρό το κύκλωμα και αποσυνδεμένο.
ΑΝΑΚΕΦΑΛΑΙΩΣΗ Τύποι Ανάγνωση Βολτόμετρα βολτόμετρων Βολτόμετρου Πολύμετρα (ΑVO) Όργανα μέτρησης και συσκευές εργαστηρίου Αμπερόμετρα Ψηφιακά Πολύμετρα Ωμόμετρα Βαττόμετρα