Voltmeeter

Voltmeeter on mõõteriist pinge mõõtmiseks. Voltmeeter näitab pinget voltides või selle kord- ja osaühikutes (vt Ühikute detsimaaleesliited). Vajaliku mõõtepiirkonna saamiseks ühendatakse mõõtemehhanismiga jadamisi sobiva suurusega eeltakisti, kasutatakse pingejagurit (atenuaatorit) või pingetrafot. Elektroonsetel voltmeetritel muudetakse mõõtevõimendite võimendustegurit või muundusosade ülekandetegurit. Esimesed voltmeetrid olid elektrostaatilised, need valmistati elektromeetri edasiarendusena ja võeti kasutusele pärast voldi kehtestamist pinge mõõtühikuks (1861. aastal). Tänapäeval on kasutusel osutiga (skaalanäiduga) analoogvoltmeetrid ja digitaalsed (numbernäiduga) voltmeetrid. Voltmeeter ühendatakse mõõdetava vooluahelaga rööbiti, s.t voltmeetri klemmid ühendatakse ahelaelemendi otste või ahelaosa punktidega, millevahelist pinget on vaja teada saada. Alalispinge mõõtmisel tuleb silmas pidada ka polaarsust (s.t valida õige polaarsus) või jälgida näidu suunda, kui on tegemist kahepolaarse ehk nulliga keskel mõõtemehhanismiga. Ideaalse voltmeetri sisendtakistus on lõpmata suur, nii et ta ei mõjuta mõõdetavat vooluahelat. Tegelikult võtab voltmeeter mõõdetavast ahelast teatavat voolu, mis läbib voltmeetrit või tema sisendahelat. Otsetoimega osutivoltmeetril on sise(nd)takistuseks näiteks pöördpooli takistuse ja eeltakisti takistuse summa. Seega on sisendtakistus sellistel voltmeetritel seda suurem, mida suurem on pingemõõtepiirkond. Elektroonsete voltmeetrite sisendtakistus on tavaliselt 10 MΩ ja sisendmahtuvus mõnekümne pF suurusjärgus. Seetõttu osutub peamiseks parasiitse mahtuvuse allikaks tihti voltmeetri külgeühendamiseks kasutatav juhe. Koaksiaaljuhtmetel ja varjestatud juhtmetel (kaablitel) on mahtuvus tüüpiliselt suurusjärgus 1 pF iga pikkuse cm kohta. Juhtme ekvivalentset mahtuvust saab vähendada, kui kasutada ekvipotentsiaalset varjestust. Kõrgsagedusvoltmeetrid on sobitatud sisendtakistusega (tavaliselt lainetakistusega 50 oomi). Vektorvoltmeetrite puhul tuleb arvesse võtta ka ühendusjuhtmete (kaablite) pikkust, sest laine levikul nendes tekib hilistumine ja seega sagedusest sõltuv faasinihe. Näiteks sagedusel 1 MHz tekitab 1 m pikkune juhe umbes 1-kraadise faasinihke. Enamikul juhtudel püütakse saavutada väljundi (näidu) lineaarne sõltuvus mõõdetava pinge mõõdetava parameetri väärtusest ehk lineaarne skaala. Teatud juhtudel tekib loomulikult mittelineaarse funktsiooni kaudu kirjeldatav väljundi (näidu) sõltuvus mõõdetava pinge parameetri väärtusest. Näiteks efektiivväärtuse voltmeetritel võib kasutatava mõõtemuunduri füüsikalise põhimõtte alusel tekkida ruutsõltuvus ehk ruutskaala. Mõnedel juhtudel püütakse saavutada logaritmilist seost. Näiteks helisignaali taseme (nivoo) puhul soovitakse indikatsiooni kolme dekaadi ulatuses (umbes vahemikus 1...1000 mV ehk –60...0 dB). Täpsus on lineaarsõltuvuste korral reeglina kõrge, ulatudes osutiga analoogindikaatorite korral parimatel juhtudel 0,1% suurusjärku, jäädes tüüpiliselt siiski 1% suurusjärku. Pingemuunduritel (mõõtedetektoritel) ja numbrilise väljundiga seadmetel on täpsus mõnevõrra suurem (tüüpiliselt 0,1% suurusjärgus või veelgi parem, näiteks isegi 0,0001% 10-voldises diapasoonis). Digitaalse väljundi korral on täpsus seotud ka analoog-digitaalmuunduri väljundi järkude (bittide) arvuga. Tavaliselt võib 8-bitise väljundi korral eeldada umbes 1% täpsust, 12 biti korral umbes 0,1% täpsust ja 16 biti korral umbes 0,01% täpsust. Digitaalse indikaatori (näidiku) kümnendjärkude arv võib selle juures olla oluliselt kõrgemat täpsust eeldav (näiteks 3½ 1% mõõtetäpsuse korral või 6½ 0.01% mõõtetäpsuse korral). Mittelineaarsete skaalade korral on täpsuse määratlemine keerukas. Probleemirohke on ka vektorvoltmeetrite täpsuse küsimus. Täpsuse osas tuleb arvestada ka lisavigadega, näiteks ümbritseva keskkonna temperatuurist sõltuvalt, või ka mõõdetava signaali parameetritest (näiteks sagedusest või kujutegurist) sõltuvalt. Voltmeetreid on pikka aega teostatud otsetoimega osutiriistadena, mille mõõtemuunduriks on magnetelektriline (pöördpool-), elektromagnetiline või elektrodünaamiline mõõtemehhanism (vt Osutiriistade mõõtemehhanismid). 1920. aastatel hakati kasutama elektroonseid voltmeetreid, milles mõõdetav pinge antakse sisendpingejaguri kaudu suure sisendtakistusega elektronvõimendile. Selliste voltmeetrite puhul võivad mõõtepiirkonnad alata millivoltidest või veelgi madalamalt, sõltuvalt kasutatud võimendi võimendusteguri suurusest. Vastavalt nimetatakse neid siis millivoltmeetriteks, mikrovoltmeetriteks või isegi nanovoltmeetriteks. Mõõtepiirkondade muutmiseks väiksema arvu kui 10 kordsusega (tavaliselt 2 ja 5, või 3,16 korda) kasutatakse nendes peamiselt võimendite võimenduse ümberlülitamist. Nii jääb sisendpingejaguri ülesandeks ainult suurte (näiteks 10...1000 V) mõõdetavate pingete allajagamine võimendi sisendile andmiseks sobivale tasemele (näiteks 1 V piirkonda). Paljudel juhtudel lihtsustub sellega sisendpingejaguri ehitus tunduvalt. Vahelduvpinge voltmeetrid töötavad tavaliselt vahelduvsignaali alaldamise printsiibil, ja on enamasti seega alaldatud pinge keskväärtuse mõõtmise vahendid, kuid on selle juures gradueeritud siinuspinge efektiivväärtuse (RMS) järgi. Keerukama kujuga pingete korral võib nende puhul tekkida signaali kujust sõltuv täiendav mõõteviga. Tõelise efektiivväärtuse (true RMS) mõõtmiseks tuleb kasutada teisi vahelduvpinge detektorite tüüpe (vt jaotist "Voltmeetrite eriliigid"). Selliste nn analoogvoltmeetrite eeliseks on näidu ülevaatlikkus, aga samuti näidu muutuste visuaalse jälgimise võimalikkus. Puuduseks on aga numbrilise lugemi saamise tülikus ja seejuures vea tekkimise võimalus, näiteks skaalajaotuste interpreteerimisel. Tänapäeval on üldiselt kasutusel digitaalvoltmeetrid, milles mõõtetulemus esitatakse numbrilisel kujul. Kui erinevus analoogvoltmeetritest ainult sellega piirdubki, pole erinevus analoogvoltmeetrist kuigi suur – ainult indikatsioon on täpsem. Niisamuti nagu elektroonsetes analoogvoltmeetrites, antakse mõõdetav analoogpinge suure takistusega (tüüpiliselt 10 MΩ) sisendiga võimendisse tavaliselt läbi sisendisse ühendatud pingejaguri kõrgevoldiliste mõõtepiirkondade (üle 10 V) saamiseks. Selle juures saab piirduda ainult dekaadsete pingejagurite kasutamisega, sest numbrilise indikatsiooni ulatus on reeglina piisavalt suur, nii et 10-st väiksemaid mõõtepiirkondade kordsusarve polegi vaja kasutada. Vastavalt vajadusele atenueeritud ja võimendatud ning muundatud (detekteeritud vahelduvast alaliseks) signaal antakse edasi tavaliselt analoog-digitaalmuundurit sisaldavasse mikrokontrollerisse, milles analoogsignaal muundatakse digitaalseks (enamasti kahendkoodiks või ka kahend-kümnendkoodiks) ja edastatakse vajalikul viisil töödeldud kujul väljundile, ja mõõtetulemuse visuaalseks esitamiseks numbernäiduna kas valgusdioodidel põhinevale või LCD-näidikule. Keerukama ekraani kasutamise korral võidakse sellel esitada palju enam informatsiooni, sealhulgas ka analoognäidu imitatsiooni. Kontrolleri arvutusvõimalusi kasutades saab korrigeerida mitmeid mõõtevigasid ja muundada mõõtetulemusi kasutaja poolt soovitud kujule. Digitaalvoltmeeter võimaldab tavaliselt mõõta nii alalis- kui ka vahelduvpinget (ka selle efektiivväärtust). Sageduste osas piirdutakse enamasti helisageduste alaga, mida on mõningal määral laiendatud kõrgemate sageduste suunas, sest analoog-digitaalmuundurite töökiirus osutub siin piiravaks asjaoluks. Kõrgematel sagedustel töötamiseks võidakse, nagu analoogvoltmeetriteski, kasutada vahelduvpinge alaldamist mõõtealaldi ehk mõõtedetektori abil või muud analoogtehnikas realiseeritavat mõõtemuundamise võtet. Vastavalt peavad siis olema sama laia töösagedusalaga ka sisendis kasutatavad pingejagurid ja võimendid. Digitaalvoltmeetris võivad ühes seadmes olla realiseeritud mitu eri liiki voltmeetrit. Selleks kasutatakse ära numbrilise signaalitöötluse võtteid (näiteks spektrianalüüsi). Selektiivvoltmeetrid on voltmeetrid, mis on varustatud sageduse osas selektiivsust omava filtriga. Reeglina on see filter reguleeritav (häälestatav) soovitud sagedusele ja kindlate omadustega (näiteks, hüveteguriga 100 või kindla ribalaiusega). Tööpõhimõtte poolsest on selektiivvoltmeetrid lähedased spektrianalüsaatorile ja raadiovastuvõtjale. Sünkroondetekteerimise kasutamisel saadakse sünkroonvoltmeeter (lock-in voltmeter), mis koos fasomeetriga kasutamisel annab vektorvoltmeetri, mis mõõdab moodulit ja faasi. Nende järgi saab arvutada ka vektori ortogonaalsed komponendid (reaal- ja imaginaarosa ehk sünfaasse ja kvadratuurse komponendi). Faasitundliku detekteerimise kasutamisel saadakse mõõtmistulemused, mis vastavad pinge vektori ortogonaalsetele komponentidele – sünfaassele ja kvadratuursele komponendile ehk reaal- ja imaginaarosale (pinge nn kompleksparameetrid). Nende järgi saab arvutada ka mooduli ja faasi. Tavaliselt nimetatakse just sellist voltmeetrit vektorvoltmeetriks. Efektiivväärtuse voltmeetrid mõõdavad pinge efektiivväärtust ehk ruutkeskmist väärtust (RMS), sealhulgas ka mittesiinuseliste pingete korral (nn. true RMS). Suures osas nendest kasutatakse selleks termoelektrilist muundurit. Teine osa efektiivväärtuse voltmeetreid põhineb signaali pinge ruutuvõtmisel, näiteks analoogkorruti abil. Ruutseose kasutamisele põhinemine piirab nende puhul oluliselt mõõdetava signaali diapasooni. Kui ruutjuurt ei võeta, on sellise voltmeetri skaala oma olemuselt ruutskaala. Kõrgsageduslikud voltmeetrid erinevad peale mõõdetava pinge kõrge sageduse veel selle poolest, et neid kasutatakse reeglina sobitatud ahelates. Tavaline lainetakistuse väärtus on 50 Ω, kuigi võidakse kasutada ka teisi lainetakistuse väärtusi (75, 150 ja 300 Ω). Omaette voltmeetrite liik on tippväärtuse voltmeetrid, mida kasutatakse, näiteks, impulsspingete amplituudi mõõtmiseks. Sama liigi alla võib tinglikult lugeda kuuluvateks ka helitehnikas kasutatavad helisignaali nivoo indikaatorid. Erilise liigina on vaadeldavad ka elektromeetrilised voltmeetrid, mida iseloomustab ülisuur sisendtakistus. Selle tagamiseks on nende puhul kasutatud väga spetsiifilisi tehnilisi lahendusi, millest kõige tuntum on ekvipotentsiaalne varjestamine. Voltmeetrite eriliigina on vaadeldavad ka vaheldupinge alalispingeks muundamise seadmed ehk mõõtemuundurid. Need võivad olla realiseeritud mitte universaalse mõõtevahendina kasutamiseks, vaid eriülesannete täitmiseks. Näiteks, võivad need olla kõrge mõõtetäpsusega (tavaliselt 0,01% suurusjärgus, kuid ka kuni 0,0001%) ja mõeldud kasutamiseks metroloogilistel eesmärkidel (voltmeetrite taatlemiseks jm). Toodetakse ka mõõteriistu, mis automaatselt valivad mõõtepiirkonna vastavalt mõõdetava pinge väärtusele, fikseerivad piirnäite, hoiavad mõõtetulemuse mingil hetkel mõõdetud väärtust püsivana näidikul ("mäletavad" tulemust). Numbernäidu puudus analoog- ehk skaalanäiduga võrreldes ilmneb siis, kui on vaja jälgida pinge ajalist muutumist (nt seadistustoimingutel, helitehnikas (audioelektroonikas), füüsikalistel mõõtmistel jne). Selleks sobivad digivoltmeetrid, millel on lisaks numbernäidikule ka analoogskaalaga näidik. Eestis on voltmeetrite tootmisega tegelenud Raadio-Elektroonika Tehas RET ja väljatöötamisega TREKB. Mitme voltmeetriliigi osas oli RET endises NSV Liidus juhtiv ettevõte (vahelduvvoolu millivoltmeetrid sagedusalale kuni 50 MHz). Mõlemad tegelesid ka voltmeetrite metroloogiliste vahendite loomisega (täpsed pingemuundurid, pingekalibraatorid jm). TTÜ-s (TPI-s) tegeleti voltmeetrite elektronsõlmede uurimise ja väljatöötamisega juba enne II maailmasõda (Paul Plakk) ja hiljem jätkati seda tegevust pikka aega peamiselt elektroonika kateedris. Elektromeetriliste voltmeetritega tegeleti Tartu Ülikoolis (Olev Saks). Multimeeter ENE, 10. kd, 1998, lk 486