Mierniki analogowe. Przeszłość, która zawsze będzie w przyszłości

Miernikiem analogowym nazywamy przyrząd pomiarowy, który wskazuje (bez funkcji rejestrowania) wartość mierzonego układu zgodnie z klasą dokładności (określoną zgodnie z normą PN-EN 60051-1:2000 „Elektryczne przyrządy pomiarowe wskazujące analogowe o działaniu bezpośrednim i ich przybory – Definicje i wymagania wspólne dla wszystkich arkuszy normy”), przy czym mówimy o klasach: 0.3, 1, 1.5, 2, 2.5, 3 oraz 5, które mówią nam o maksymalnym, dopuszczalnym (wyrażonym procentowo) błędzie wskazań miernika.

Miernik analogowy - albo inaczej miernik wskazówkowy do wskazania pomiaru - wykorzystuje ruch wskazówki przesuwający się po tle z naniesioną podziałką. Podziałka jest wykonana w odpowiedniej skali, zazwyczaj w postaci uporządkowanego zbioru znaków (przeważnie liczb) i kresek, co reprezentuje wynik zmierzonej wartości. Warto zaznaczyć, że na rynku występują takie urządzenia, w których oddzielony jest zakres wskazań od zakresu pomiarowego (rys. 1).
W ten sposób zaznacza się, że klasa dokładności przyrządu dotyczy jedynie zakresu pomiarowego.

Rys. 1 Zakres pomiarowy i zakres wskaźnika

Błędem paralaksy nazywamy niepoprawne odczytanie wyniku, powstałe w momencie, kiedy obserwator patrzy na tarczę pomiarową z nieodpowiedniego kąta (np. z boku) zamiast patrzeć na urządzenie na wprost. Wiele mierników powinno być wyposażonych w możliwość kalibracji wskaźnika (poprzez delikatne przesunięcie). Poprawnie nastawiony aparat jest wtedy, kiedy odbicie wskazówki pokrywa się ze wskaźnikiem. Warto zaznaczyć, że błąd ten nie wystąpi w przypadku miernika ze świetlną wskazówką.

Miernik analogowy w przeciwieństwie do miernika cyfrowego ma wskazania ciągłe (nie są one próbkowane). Wyróżniamy: układ pomiarowy i mechanizm pomiarowy (składający się z części nieruchomej i ruchomej). Układ pomiarowy ma za zadanie przekształcić wielkość mierzoną (np. napięcie) w inną wielkość, która w sposób bezpośredni wpłynie na mechanizm pomiarowy, co zaowocuje przesunięciem wskazówki na tle z podziałką.

Mierniki analogowe dzielimy na:

• mierniki magnetoelektryczne
• mierniki elektromagnetyczne
• mierniki elektrodynamiczne
• mierniki ferrodynamiczne
• mierniki elektrostatyczne

Różnią się one budową, zasadą działania, przeznaczeniem oraz swoimi właściwościami.

Miernik magnetoelektryczny jest miernikiem prądu stałego (ze względu na zasadę działania), jednak przy wykorzystaniu układu prostowniczego w aparacie, może być wykorzystany przy pomiarze prądu przemiennego. Wykorzystywane są jako amperomierze, woltomierze, omomierze oraz galwanometry. W skład miernika wchodzą: magnes trwały (źródło stałego pola elektromagnetycznego), cewka (umieszczona na stałe w polu magnetycznym) oraz sprężyny (utrzymujące cewkę w punkcie równowagi, który zależy od natężenia prądu elektrycznego). Pomiar odbywa się w skutek przepływu prądu elektrycznego przez cewkę, co powoduje powstanie zaburzenia w polu magnetycznym. Ustalenie nowego położenia równowagi (czyli nowego stabilnego poziomu dla układu) ma miejsce dzięki wystąpieniu siły, która powoduje obrócenie zwojnicy (do której jest zamontowany wskaźnik).

Miernik elektromagnetyczny jest aparatem mierzącym przede wszystkim wartości prądu przemiennego. Oczywiście można mierzyć prąd stały przy pomocy takiego miernika, jednak jego dokładność jest niska. Zasada działania jest prosta: ruchomy rdzeń ferromagnetyczny umieszczony jest w polu cewki, przez którą przepływa mierzony prąd. Do rdzenia umieszczona zazwyczaj jest wskazówka. Urządzenia te są stosunkowo niezawodne, co jest wynikiem braku ruchomej cewki, jaka występuję w mierniku magnetoelektrycznym.

Rys. 2 Miernik elektrodynamiczny

Miernik elektrodynamiczny charakteryzują się tym, że mają bardzo wysoką dokładność niezależnie od charakteru prądu (stałego czy przemiennego). Zasada działa takich aparatów polega na wykorzystaniu wzajemnego oddziaływania sił występującymi pomiędzy dwoma przewodami (lub cewkami) z prądem. Cewka w tym układzie jest układem nieruchomym, będąca zwykle dwoma osobnymi, ale jednakowymi sekcjami. Elementem ruchomym jest oddzielna cewka (do niej przymocowana jest wskazówka), która obraca się wewnątrz cewki nieruchomej i wytworzonym przez nią polu magnetycznym.

Miernik ferrodynamiczny powstał w wyniku wprowadzenia elementów żelaznych do obwodu magnetycznego mierników elektrodynamicznych (jest to zmieniona wersja miernika elektrodynamicznego, odporna na działania mechaniczne), co powoduje zwielokrotnienie strumienia magnetycznego wytwarzanego przez cewkę nieruchomą, zwiększając moment napędowy. Modyfikacja ta wpłynęła na zwiększenie się błędu pomiaru, poprzez pojawienie się błędu histerezy (związanej z magnesowaniem się ferromagnetyków).

Rys. 3 Miernik elektrostatyczny

Miernik elektrostatyczny w uproszczeniu jest kondensatorem powietrznym o jednej elektrodzie nieruchomej, a drugiej ruchomej (na Rys. 3 oznaczone jako „+” i „-”). Energia zużyta podczas wytwarzania momentu napędowego jest pobrana ze zmiany energii kondensatora. Mierniki takie są bardzo rzadko stosowane. Wykorzystywane są przede wszystkim jako woltomierze napięć stałych i przemiennych. Warto zaznaczyć, że przy pomiarze napięć stałych woltomierze nie pobierają praktycznie prądu.

Rys. 4 Amperomierz analogowy

Zalety miernika analogowego:

•  dużo większa odporność na udary mechaniczne niż mierniki cyfrowe, zapewniają większą wytrzymałość podczas normalnej pracy, gwarantując zawsze odpowiednią klasę dokładności;
• umożliwiają obserwację chwilowych skoków wartości mierzonych – w przeciwieństwie do układów cyfrowych, mamy do czynienia z ciągłym sygnałem, a nie próbkowaniem, co oznacza, że podczas obserwacji pomiaru, każda nieprawidłowość zostanie wyłapana (w przypadku układów cyfrowych, może ona nastąpić w okresie nie pobierania próbki sygnału);
• w szybki sposób widzimy zmiany kierunków przepływu sygnału, poprzez zmianę wychylenia wskazówki;
• łatwiejszy odbiór wskazań – wskazania liczbowe wymagają nieco większego skupienia, aby odczytać wyniki z wyświetlacza.
  W przypadku wskazań analogowych położenie wskazówki mówi nam dokładnie o danej wartości (wystarczy „rzut okiem” na miernik);
• układy analogowe mają dużo większą niezawodność;
• w   większości przypadku mierniki analogowe nie wymagają zewnętrznego źródła zasilania;
• mierniki analogowe przeważnie są tańsze niż ich cyfrowe odpowiedniki.

Rys. 5 Multimetr analogowy