Ещё каких-то 50–70 лет тому назад понятие «портативный» практически не к чему было применять. Техника создавалась на относительно крупной элементной базе: электровакуумных лампах или дискретных электронных компонентах, малоинформативных, но крупногабаритных вакуумных люминесцентных трубках и индикаторах, тяжёлых металлических шасси и прочих «монументальных» технических решениях. Вся радиоаппаратура в основной своей массе была стационарной. Конечно, существовали переносные образцы радиоприёмников и магнитофонов, которые могли бы использоваться вне помещений, но габариты и масса всё равно не позволяли назвать их портативными в современном понимании этого слова.
То же касалось и измерительной аппаратуры, которая, пожалуй, за исключением простейших авометров – «цешек», требовала сетевого электрического питания и стационарного размещения (смотри статью «Основы измерений в радиотехнике. Часть 1»).
Статья ставит целью познакомить читателя с такими измерительными приборами, как мультиметры. Дать общее представление о них в целом, портативных разновидностях и представить обзор наиболее эргономичных, автономных и функциональных моделей.
Время чтения: 21 минута
Выбрать портативный измерительный инструмент? Это очень просто!
Сейчас есть два типа мультиметров: аналоговые и цифровые. Аналоговые появились намного раньше и применяются уже более 100 лет. Цифровые для массового потребителя стали доступны около полувека лет назад, а портативные модели и того менее.
Аналоговые мультиметры
Для отображения информации они используют стрелочный индикатор (гальванометр), имеющий несколько шкал для каждой измеряемой величины (и диапазона). Конструктивно они очень просты и по сути состоят из гальванометра и набора гасящих резисторов, коммутируемых переключателем выбора режима и диапазона.
К плюсам отнесём конструктивную простоту, доступность и наглядность при измерении некоторых изменяющихся величин.
Их недостатки — невысокая точность, хрупкость механических частей, и, что главное, небольшой входной импеданс, оказывающий заметное влияние на измеряемую систему («Основы измерений в радиотехнике. Часть 2»). Бывают и высокоточные приборы, использующие стрелочный индикатор, но они, как правило, не комбинированные (то есть не мультиметры) и не портативные.
Цифровые мультиметры
Они не только выводят информацию об измеряемой величине с помощью «цифр», используя жидкокристаллический знакосинтезирующий монохромный или графический цветной индикатор (дисплей), но и оперируют с цифровыми данными, а не с аналоговыми.
Принцип действия основан на преобразовании аналогового значения напряжения, силы тока, сопротивления и других величин в цифровой вид с помощью аналого-цифрового преобразования (АЦП, смотри статью «ТОП-10 типовых узлов в схемотехнике цифровых устройств»), обработки цифровых данных и выводе их на индикатор (дисплей).
К плюсам можно отнести:
- Значительно более высокую точность, которая даже у недорогих моделей несравненно выше, чем у аналоговых комбинированных измерительных приборов.
- Высокий входной импеданс, оказывающий минимальное влияние на измеряемую систему.
- Наглядность и удобство при считывании результата.
- Широкие возможности: помимо напряжения, силы тока и сопротивления, многие портативные модели измеряют индуктивность, ёмкость, частоту, падение напряжения, температуру с помощью выносного датчика (смотри статью «Тепловая диагностика радиоэлектронного оборудования»), коэффициент усиления биполярных транзисторов и прочие параметры.
- Наличие дополнительного функционала, такого как измерение максимумов, минимумов и средних значений, запоминание показаний, передача данных на персональный компьютер.
Явных минусов практически нет: даже стоимость простых дешёвых моделей соизмерима с ценой аналоговых вариантов.
Безопасность использования
Каждый электроизмерительный прибор проходит сертификацию, определяющую область его безопасной эксплуатации. Соответствующим образом и производитель проектирует их для конкретных задач. При выборе мультиметра учитывайте соответствие вашей области применения и категории безопасности.
В настоящее время действующий стандарт EN/IEC 61010 определяет четыре группы электробезопасности и соответствующие им области возможного применения:
| CAT I | Бытовые электронные приборы, имеющие защиту и гальваническую развязку от электрической сети. |
| CAT II | Бытовые электроприборы, подключаемые к однофазной сети, а также розетки для подключения. |
| CAT III | Коммутационное оборудование однофазных и трёхфазных электрических сетей, электродвигатели, шины и фидеры промышленного электропитания, бытовые и промышленные системы освещения. |
| CAT IV | Первичное коммутационное оборудование, счётчики электрической энергии, технологические вводы энергоснабжения, подземные и воздушные линии электропередачи до 0.4 кВ. |
Прибор обязан иметь маркировку категории электробезопасности. Её отсутствие указывает, что он не проходил соответствующей сертификации и применение может быть небезопасно.
Выбор режима и диапазона измерения
Выбор режима (рода работы) у портативных мультиметров выполняется, как правило, поворотным переключателем — селектором. Перед использованием требуется выставить селектор в нужное положение, соответствующее измеряемой величине.
Селектор режима может быть совмещён с переключателем диапазонов у мультиметров с ручным выбором. Он крайне важен: при выборе более высокого диапазона будет «страдать» точность, а низкого — сломается прибор. Мультиметры с автоматическим выбором диапазона сами выставляют нужный.
Ручной и автоматический выбор диапазона
Ручное переключение требует большей аккуратности в эксплуатации, так как выбор неверного диапазона, как сказано выше, может как минимум привести к снижению точности, а как максимум — к поломке. Если значение измеряемой величины неизвестно, то измерять начинают с наиболее высокого диапазона, понижая его. Последующие замеры искомой величины можно проводить уже на нужном диапазоне. Таким образом обеспечится наибольшая точность и скорость.
Мультиметры с автоматическим выбором избавляют оператора от вынужденного подбора диапазона — всю «работу» делает микроконтроллер. Они удобнее, но это удобство достигнуто снижением скорости работы. При необходимости нескольких десятков или сотен измерений одной и той же величины суммарное время автовыбора становится значительным.
Выбор типа управления — ручной или автоматический, — следует производить из круга решаемых задач.
Количество отсчётов, разрешение и точность
Количество отсчётов — это максимальная информационная ёмкость индикатора (дисплея) мультиметра. К примеру, индикатор на 2000 отсчётов максимум показывает 1999, то есть на единицу меньше. Индикатор же на 4000 отсчётов — 3999. Эти два типа больше всего распространены, хотя также существуют индикаторы на 5000, 20000 и даже 50000 отсчётов. Количество отсчётов индикатора определяет максимальный диапазон и разрешение мультиметра — порядок цифр после десятичного знака.
К примеру, рассмотрим разницу при измерении напряжения величиной 280 В с помощью мультиметра с индикатором на 2000 и 4000 отсчётов:
- Модель на 2000 отсчётов в диапазоне 600 В отобразит 280 В: максимальное разрешение составляет 1 вольт.
- Разновидность на 4000 отсчётов в диапазоне 400 В будет иметь максимальное разрешение 0.1 В и отобразит результат как 280.0 В.
Точность указывается в паспорте в виде процентного отклонения от действительного значения плюс некоторое количество отсчётов крайнего правого разряда:
, где e% — процентное отклонение от действительного значения; c — число отсчётов крайнего правого разряда.
Для примера рассмотрим точность измерения мультиметра, максимальная погрешность которого в диапазоне 2 В составляет 1.9999 ±(0.05% + 3), где 0.05% означают, что измеренное значение может отличаться от действительного до 0.01 В в любую сторону плюс до трёх знаков в крайнем правом разряде.
Терминалы для подключения щупов
На рисунке ниже изображён распространённый набор терминалов для подключения щупов. Хорошо видна маркировка категории электробезопасности и наличия защитного предохранителя.
Как правило, набор терминалов обычного мультиметра состоит из гнезда для подключения щупа, общего для всех режимов (чёрного цвета) и нескольких гнёзд для второго щупа (красного цвета). При измерении напряжения, силы тока невысоких величин (до 1—2 ампер), сопротивления, ёмкости, индуктивности используется, как правило, одно и то же гнездо, а для силы тока больших величин (более 2 ампер) используется другое гнездо, так как в цепь нужно включать низкоомный шунтирующий резистор.
Модели подороже оснащены дополнительными гнёздами для подключения щупов при замерах ёмкости, индуктивности и других величин с большей точностью.
Обычно мультиметр не умеет определять правильность подключения щупов пользователем и воспрепятствовать работе при каком-либо несоответствии. Таким образом, на пользователе лежит большая ответственность, особенно при работе с высоковольтными и/или сильноточными электроустановками.
Несоответствие режима работы и схемы подключения щупов может привести к повреждению прибора, возникновению нарушения в работе электроустановки и/или электротравме.
Профессиональные измерители часто оборудуются звуковой и световой сигнализацией такого несоответствия. Если характер исследований требует частой смены режима и переключения щупов, рекомендую модели с защитной сигнализацией. Ещё нужно учесть наличие защитных плавких вставок (предохранителей), прерывающих измерительную цепь при протекании чрезмерно большого тока.
Основной функционал
|
Измерение напряжения постоянного тока (DC) |
Режим используется для напряжения постоянного тока или напряжения смещения переменного тока. Аналоговые измерители требуют обязательного соблюдения полярности при подключении щупов к измеряемой системе; цифровые же, как правило, толерантны к ней и в любом случае будут замерять. В случае неверной полярности перед измеренным значением на индикаторе будет гореть символ «–». При покупке учитывайте входной импеданс и максимальное значение измеряемого напряжения.
|
|
Измерение напряжения переменного тока (AC) |
Измеряет эту величину для промышленной частоты (до 400 герц), вернее, его действующего значения. (то же, что и среднеквадратическое значение или RMS), то есть равного величине такого постоянного тока, который за время, равное одному периоду AC, произведёт такую же работу. Как правило, массовые портативные приборы неспособны измерять этот параметр с частотой более промышленной, а также имеющего форму, отличную от синусоидальной. Если нужно измерить сильно зашумлённое AC-напряжение (смотри статью «Электромагнитные помехи. Выявляем и устраняем»), форма которого искажена, или несинусоидальной формы, выбирайте модели, умеющие рассчитывать истинное среднеквадратического значения или True RMS. Используя более сложные математические расчёты, они покажут бо́льшую точность. |
   
|
|
Мультиметр подключается в разрыв измеряемой цепи. Следует обратить пристальное внимание на несколько моментов:
|
|
Измерение сопротивления |
Предназначен для измерения электрического сопротивления и обратной ему величины электрической проводимости. Как правило, портативные мультиметры поддерживают этот режим с точностью от единиц Ом до Мегаом. При меньших величинах начинают «играть роль» сопротивления щупов и их проводников, которые могут быть соизмеримы или даже превышать измеряемые значения. Для высоких сопротивлений они не могут обеспечить измерительную цепь достаточной величиной напряжения, которая для десятков Мегаом должна быть на уровне сотен вольт. Здесь понадобятся специализированные приборы: миллиомметры и мегаомметры, а также RLC-метры, которые будут рассмотрены в третьей части статьи. |
 |
Определение исправности цепи или «прозвонка» |
Производится оповещение пользователя о результате с помощью звуковой (иногда в дополнение и световой) сигнализации, позволяющей производить работу, не переводя внимание на индикатор. Режим не измерительный, то есть никак не регламентируется и не калибруется. Производитель сам решает, какое сопротивление считается граничным: как правило, величина сопротивления цепи, при котором она будет считаться «исправной», не превышает нескольких десятков ом. |
|
Измерение падения напряжения на p-n-переходах полупроводниковых приборов |
Режим для работы с полупроводниками (смотри статью «Что такое полупроводник?») — диодами или биполярными транзисторами (смотри статью «Транзисторы: принцип работы, схема включения, чем отличаются биполярные и полевые»). Величина падения напряжения на p-n-переходах полупроводников постоянна и зависит лишь от их типа. Замеры в этом режиме помогают определить исправность электронного прибора и приблизительно определить его тип. Ток, создаваемый мультиметром, безопасен даже для чувствительных полупроводниковых компонентов. |
Расширенный функционал
|
Измерение ёмкости |
Обычно мультиметры измеряют ёмкость с достаточной точностью от единиц нанофарад до тысяч микрофарад. При меньших значениях ёмкости щупов и их проводников вносят погрешности, которые могут быть соизмеримы или даже превышать измеряемую ёмкость; а для замеров высоких значений ёмкости (десятки тысяч микрофарад) портативные мультиметры ввиду простоты конструкции не могут обеспечить достаточно высокую скорость зарядки и разрядки конденсатора. Для этого существуют специализированные приборы: RLC-метры. Возможность измерения индуктивности в мультиметрах, как правило, отсутствует. |
|
Коэффициент усиления биполярных транзисторов |
Этот параметр измеряется по постоянному току. Для подключения измеряемого транзистора используется отдельная многоконтактная колодка. |
|
Измерение частоты |
Используется для измерения частоты колебаний напряжения переменного тока. Как правило, мультиметры уступают в этом режиме частотомерам и осциллографам. |
|
Измерение температуры |
Замеры проводятся с помощью выносного датчика — термопары. Мультиметр измеряет величину термоЭДС термопары и отображает на экране значение температуры, соответствующее определённому и сохранённому в памяти значению термоЭДС. Как правило, калибровке режим не поддаётся и точность показаний может быть обеспечена только при использовании входящей в комплект термопары. |
|
Бесконтактное определение наличия напряжения |
Позволяет бесконтактным способом определить наличие напряжения на токоведущих частях электроустановок путём измерения электрического поля. Может использоваться для обнаружения скрытой электрической проводки. |
    
|
|
|
Цифровой мультиметр UT89X от производителя UNI-T — яркий пример удивительного сочетания обширного функционала, точности, дизайна и эргономики. Предназначен для измерения напряжения и силы постоянного и переменного тока, сопротивления, ёмкости, частоты и температуры.
Обладает также возможностью определения падения напряжения на p-n-переходе полупроводниковых приборов, исправности электрической цепи («прозвонки»), коэффициента усиления биполярных транзисторов и коэффициента заполнения ШИМ-сигнала. UT89X имеет ручное переключение диапазона и потому очень быстро работает.
Индикатор (дисплей) обладает информационной ёмкостью 6000 отсчётов, достаточной для отображения результатов с высокой точностью. Обширный базовый функционал расширяется дополнительными опциями, такими как режим измерения истинного среднеквадратичного значения величины напряжения переменного тока (True RMS), бесконтактным определением наличия напряжения (NCV) и множеством математических функций. Корпус изготовлен из прочного нескользящего пластика и обладает высокими эстетическими и эргономическими качествами.
Плюсы:
- Невысокая цена.
- Богатый функционал.
- Высокая скорость и точность.
- Отличная эргономика.
Минусы:
- Обозначенная производителем категория электробезопасности II/III не подразумевает проведение измерений на первичных цепях электроустановок.
- Длительность активной работы: не более 10 секунд с 90-секундным интервалом.
Цифровой мультиметр с автоматическим выбором пределов измерения UT61E+ дополняет и без того немалую номенклатуру измерителей компании UNI-T. Имеет весь базовый функционал предыдущей модели и немного сверху него.
Измерение напряжения переменного тока осуществляется в режиме True RMS и LPF, предназначенном для фильтрации высокочастотных помех. Как и предыдущая модель, умеет работать с полупроводниками и биполярными транзисторами. Дисплей обладает огромной информационной ёмкостью 22000 отсчётов и дополнительной областью, имитирующей аналоговый стрелочный измерительный прибор. Корпусы и щупов изготовлены из прочного нескользящего пластика, обладающего низкой величиной утечки тока, и предназначены для профессиональной эксплуатации в условиях производств.
Плюсы:
- Обширные функциональные возможности.
- Высокая скорость и точность.
- Отличная эргономика.
- Категория электробезопасности IV.
Минусы:
- Относительно высокая стоимость
- Время измерения силы тока не должно превышать 10 секунд с интервалом в 90 секунд.
Портативных измерительных приборов множество. Они удобны, точны, для работающих «в поле» инженеров-электроников или техников они стали просто спасением.
В первой части статьи мы рассмотрели портативные мультиметры. Во второй части вы узнаете, как работают портативные осциллографы, в чём их преимущества и на какие модели обратить внимание.
