Мультиметр врёт: 6 самых частых ошибок профессионалов

Время чтения: 16 минут

Для диагностики радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) современные специалисты применяют различные типы метрологических средств. Каждое из них имеет ограничения по условиям и методике проведения испытаний. Эти сведения изложены в соответствующей технической документации.

Современный мультиметр — это основной прибор по частоте использования любителями и профессионалами. Несмотря на относительную простоту такого измерителя, даже опытные специалисты совершают ошибки. Большинство из них возникает из-за невнимательности.

Перегорел предохранитель? Значит, вы измеряли ток в режиме измерения напряжения. Качественные мультиметры максимально автоматизированы, поэтому можно не обращать внимания на полярность и величину тестируемого напряжения. Но измерители не могут сами переключать режимы между гнёздами, на которые подаются исследуемые сигналы. За переключениями должен следить оператор.

При этом вероятность ошибок возрастает из-за того, что большинство тестеров имеет два разных гнезда для испытаний малых и больших токов. На одно можно подавать токи в несколько сотен миллиампер. На другое — сигналы до нескольких десятков ампер. Для правильного измерения тока мультиметром нужно соединить прибор с объектом исследований, используя соответствующее гнездо и соединительные проводники достаточного сечения.

При тестировании токов внутреннее сопротивление мультиметра очень мало. Оно зависит от предела измерения и при диагностике токов амперного диапазона составляет десятые доли ома.

Если вы тестировали прибором ток, а затем решили исследовать разность потенциалов, не забывайте переключить прибор в соответствующие режимы. В противном случае для источника такой аппарат будет представлять короткое замыкание. В результате в тестируемом устройстве сработает электронная защита от перегрузки по току. При её отсутствии перегорит встроенный предохранитель.

Есть особенность работы с мультиметрами при тестировании больших токов. В этом случае на встроенном в прибор шунте рассеивается значительная мощность. Поэтому производители измерителей ограничивают время непрерывного тестирования. При его превышении шунт выйдет из строя из-за перегрева и аппарат придётся ремонтировать.

Если нет возможности разорвать цепь для измерения тока, тестируемый ток большой или соединительные провода под напряжением — лучше использовать токовые клещи.

Тестирование элементов РЭА in-circuit (без выпаивания из платы) не гарантирует получение безошибочного результата, поскольку на клеммах мультиметра в режиме испытания сопротивлений присутствует конечное напряжение. Его бывает достаточно для отпирания полупроводниковых переходов диодов и транзисторов, входящих в исследуемое устройство. Поэтому сопротивление участка цепи окажется значительно меньше ожидаемого. Рассмотрим пример.

Если на резисторе нет следов сильного перегрева, то он в большинстве случаев исправен. Не хотите выпаивать компонент — попробуйте поменять полярность подключения мультиметра. Если результат не изменится, резистор исправен.

Когда показания прибора «дрейфуют», значит, в исследуемой цепи имеются полупроводники и (или) конденсаторы.

Истинный результат состояния компонента вы получите, когда отпаяете один вывод из схемы, а затем измерите сопротивление детали.

Если для диагностики пассивных элементов применять измерители LCR и ESR-метры, в которых испытания проводятся на высоких частотах, то влияние параллельных цепей на итог испытаний будет несущественным.

Осциллограф показывает ровную линию развёртки. Пульсации не видны, но они есть. Исследование амплитуды пульсаций по питанию от пика до пика возможно только с помощью осциллографа. Напряжение питания РЭА чаще многократно выше, чем амплитуда пульсаций. Поэтому, если измеритель включён в режим открытого входа (DC), вы увидите ровную линию. Она будет смещена по вертикали относительно нулевой отметки на величину питающего напряжения. При этом пульсации не видны.

Прибор в режиме закрытого входа (AC) покажет наличие пульсаций, если чувствительность канала вертикального отклонения будет не хуже 50 мВ на деление. Скорость развёртки по горизонтали рекомендуется выбирать в пределах 1–5 мс на деление.

Чтобы отделить пульсации от возможных наводок, возникающих из-за воздействия внешних радиопомех, земляной проводник, соединяющий измерительный щуп с общей шиной питания тестируемого устройства, должен быть максимально коротким.

Для таких экспериментов я использую коаксиальный кабель, подключённый к осциллографу с помощью стандартного соединителя BNC. Противоположный конец кабеля разделываю на длину 1–1,5 см. Его центральный проводник и экранирующая оболочка припаиваются к шине питания и земляному проводнику соответственно.

Существует ещё один надёжный способ отделить пульсации от внешних наводок — по частоте колебаний. Частота сетевых пульсаций аналоговых источников питания составляет 50 Гц. Для источников с преобразованием энергии она находится в диапазоне от нескольких десятков до нескольких сотен кГц и зависит от нагрузки источника.

Для сравнения — частота наведённых высокочастотных колебаний лежит в мегагерцовом диапазоне.

Выбирайте правильный режим работы прибора и проверяйте наличие флуктуаций напряжения на максимальной чувствительности измерителя.

Прибор показывает 2,3 В. Должно быть 3,3 В. Прибор врёт?

Скорее всего, устройство не врёт. Входное сопротивление тестера в режиме испытания разности потенциалов составляет десятки МОм. Если вы тестируете цепь, активная составляющая импеданса которой сопоставима с входным сопротивлением авометра, то измеритель шунтирует цепь. Поэтому из-за эффекта делителя напряжения результат теста оказывается меньше ожидаемого. Это характерно для RC цепочек с большим значением R, высокоомных резистивных схем, пьезоэлементов и т. д.

Для работы с такими схемами я бы рекомендовал использовать щуп осциллографа, обладающий большим входным сопротивлением.

Другой возможной причиной значительных расхождений между ожидаемыми и фактическими результатами исследований может быть попытка измерения уровня цифровых сигналов с изменяющейся скважностью с помощью тестера. Такие сигналы используются, например, в схемах с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ).

Мультиметр имеет полосу пропускания около 10 кГц. В ШИМ применяются частоты в несколько раз выше. Поэтому такой измеритель усредняет результат испытаний, который будет значительно отличаться от реальности. В этом случае ошибки при измерении осциллографом будут минимальными.

Правильное применение осциллоскопа для рассмотренных испытаний позволит избежать любых ошибок.

Бывает так, что добавил мультиметр в цепь питания и схема перестала работать. Проблема измерения тока возникает при работе с аппаратурой, питаемой небольшим напряжением от электрохимических источников (аккумуляторов или батарей). К подобным схемам относятся, например, устройства умного дома, датчики, которые большую часть времени работают в спящем режиме и т. д. Особенностью перечисленной техники является сверхмалое потребление тока в спящем и значительное потребление в активном режиме.

Измеритель, включённый последовательно с нагрузкой для измерения тока, становится частью этой нагрузки. Это явление называют нагрузочным эффектом прибора.

Чтобы понимать, как правильно измерить ток мультиметром и при этом получить допустимую для практики погрешность, нужно знать соотношение между сопротивлением нагрузки и внутренним сопротивлением тестера в режиме измерения тока. Если отношение этих величин 100 к 1, то точность тестирования будет примерно 1%, что вполне приемлемо.

На практике критична не только точность, но и величина падения напряжения на измерителе. Если падение слишком велико, тестируемое изделие может работать некорректно. Например, для тока 1А и сопротивления измерителя 0.5 Ом разность потенциалов на нём составит 0.5В. Если напряжение источника 3В, то в нагрузку попадёт лишь 2.5В, что может привести к сбоям в функционировании аппаратуры.

Поэтому для точных измерений нужно выбирать приборы с минимальным входным сопротивлением или использовать токовые клещи.

Хорошим решением рассмотренной проблемы будет применение лабораторного источника питания с индикацией тока нагрузки. Такой подход не требует использования мультиметра и обеспечит результаты испытаний, максимально близкие к реальности.

Обычный авометр подходит для тестирования не во всех случаях. При возникновении сомнений в итогах испытаний лучше провести их с использованием других средств измерений.

Режим измерения напряжения True RMS (истинного среднеквадратичного значения амплитуды) есть не во всех моделях мультиметров. Обычный прибор позволяет тестировать среднеквадратичное значение только для синусоидальных колебаний. Применительно к сигналам другой формы погрешность измерений недопустимо велика и измеритель превращается в «показометр».

Особенность аппарата с функцией True RMS заключается в том, что он вычисляет среднеквадратичное значение амплитуды для колебаний ШИМ, меандра, несимметричных и колебаний звуковой частоты.

Например, по паспорту зарядное устройство выдаёт 5 В. Мультиметр показывает 3,8 В. Кто из них врёт?

Заряд большинства аккумуляторов происходит от источников несимметричных напряжений сложной формы. Поэтому, если для исследования работы зарядного блока применять измеритель без True RMS, результаты исследований будут далеки от реальности.

Отличной альтернативой прибору рассматриваемого класса будет осциллограф с функцией тестирования RMS. С его помощью вы сможете не только оценить работоспособность зарядного блока, но и отследить временные параметры заряда. Наблюдение этих осциллограмм расширит ваш технический кругозор и пригодится в дальнейшей работе.

Правильный выбор типа измерителя возможен только тогда, когда инженер представляет принцип работы диагностируемой схемы.

Отдельного внимания заслуживают ошибки, допускаемые инженерами при реализации схем тестирования. В моей практике был случай, когда нужно было испытать работу волоконно-оптической линии связи (ВОЛС), организованной на терминальных оптических мультиплексорах ПолиКом®-200U+-SFP. Исследованию подлежала помехоустойчивость ВОЛС при изменении напряжения промышленной сети.

Оптические мультиплексоры (1 и 2) были соединены ВОЛС протяжённостью 10 км. Источником и приёмником тестового сигнала являлся анализатор ИКМ потока Беркут-Е1 (4).

Нестабильность промышленной сети имитировалась лабораторным автотрансформатором ЛАТР (3), выходной сигнал которого контролировался автоматическим мультиметром OWON XDM 2041.

Критерием оценки помехоустойчивости служила величина BER (Bit Error Ratio — вероятность ошибки на бит), которая измерялась анализатором Беркут-Е1. Измеритель питался от штатного сетевого блока. Встроенные аккумуляторы в аппарате отсутствовали.

Выходной сигнал ЛАТР изменялся в рабочем диапазоне ПолиКом®-200U+-SFP от 100 до 240В с шагом в 5В. При каждом новом значении напряжения питания измерялась величина BER.

В ВОЛС на ПолиКом®-200U+-SFP на передачу и приём используются разные длины волн (1550 и 1310 нм), условия распространения которых отличаются. Поэтому тестирование пришлось повторить для каждой длины волны.

В ходе теста были получены странные результаты. В диапазоне от 110 до 240В значения BER были в пределах нормы, а от 100 до 110В они были существенно больше ожидаемых.

Причина получения таких итогов оказалась проста: по ошибке Беркут-Е1 был подключён не к сети 220В, а к ЛАТР. Область напряжений питания от 100 до 110В не входила в рабочий диапазон измерителя, поэтому источником ошибок был сам измеритель.

Человеческий фактор ещё никто не отменял. Рекомендуется тщательно проверять схему соединений до начала тестирования.