Мультиметр - Multimeter

Аналоговый мультиметр Sanwa YX360TRF

А мультиметр или мультитестер, также известный как ВОМ (вольт-ом-миллиамперметр), является электронный измерительный инструмент который объединяет несколько функций измерения в одном устройстве. Типичный мультиметр может измерять Напряжение, Текущий, и сопротивление. Аналоговые мультиметры использовать микроамперметр с движущимся указателем для отображения показаний. Цифровые мультиметры (DMM, ДВОМ) имеют числовой дисплей, а также могут отображать графическую полосу, представляющую измеренное значение. Цифровые мультиметры сделали аналоговые мультиметры устаревшими, поскольку теперь они дешевле, точнее и физически более надежны.

Мультиметр может быть портативным устройством, полезным для основных вина поисковые и выездные сервисные работы, или настольный прибор, который может выполнять измерения с очень высокой степенью точности. Мультиметры доступны в широком диапазоне функций и цен. Дешевые мультиметры могут стоить меньше АМЕРИКАНСКИЙ ДОЛЛАР$ 10, а лабораторные модели с сертифицированными калибровка может стоить больше, чем АМЕРИКАНСКИЙ ДОЛЛАР$ 5,000.

История

Карманный мультиметр 1920-х годов
Avometer Модель 8

Первым устройством для определения тока с подвижной стрелкой был гальванометр в 1820 году. Они использовались для измерения сопротивления и напряжения с помощью Мост Уитстона и сравнение неизвестной величины с эталонным напряжением или сопротивлением. Хотя эти устройства были полезны в лаборатории, они были очень медленными и непрактичными в полевых условиях. Эти гальванометры были громоздкими и хрупкими.

В Д'Арсонваль-Уэстон Движение измерителя использует движущуюся катушку, которая несет указатель и вращается на шарнирах или тугой связке ленты. Катушка вращается в постоянном магнитном поле и удерживается тонкими спиральными пружинами, которые также служат для передачи тока в движущуюся катушку. Он дает пропорциональное измерение, а не просто обнаружение, а отклонение не зависит от ориентации измерителя. Вместо балансировки моста значения можно было непосредственно считывать со шкалы прибора, что делало измерения быстрыми и легкими.

Базовый измеритель с подвижной катушкой подходит только для измерений постоянного тока, обычно в диапазоне от 10 мкА до 100 мА. Его легко адаптировать для считывания более сильных токов с помощью шунтов (сопротивления, параллельного основному движению) или для считывания напряжения с помощью последовательных сопротивлений, известных как умножители. Чтобы считывать переменные токи или напряжения, необходим выпрямитель. Одним из первых подходящих выпрямителей был выпрямитель из оксида меди, разработанный и произведенный Union Switch & Signal Company, Swissvale, Пенсильвания, позже частью Westinghouse Brake and Signal Company, с 1927 года.[1]

Мультиметры были изобретены в начале 1920-х годов как радиоприемники и другие вакуумная труба электронные устройства стал более распространенным. В изобретение первого мультиметра приписывают инженеру британского почтового отделения Дональду Макади, который был недоволен необходимостью носить с собой множество отдельных инструментов, необходимых для обслуживания телекоммуникации схемы.[2] Макади изобрел прибор, который мог измерять амперы (амперы), вольт и Ом, поэтому многофункциональный счетчик получил название Avometer.[3] Измеритель состоял из измерителя с подвижной катушкой, резисторов напряжения и прецизионных резисторов, а также переключателей и розеток для выбора диапазона.

Компания по производству автоматических мотальных машин и электрического оборудования (ACWEECO), основанная в 1923 году, была создана для производства авометра и машины для намотки катушек, также разработанной и запатентованной MacAdie. Несмотря на то, что он был акционером ACWEECO, г-н Макади продолжал работать в почтовом отделении до выхода на пенсию в 1933 году. Его сын, Хью С. Макади, пришел в ACWEECO в 1927 году и стал техническим директором.[4][5][3] Первый AVO поступил в продажу в 1923 году, и многие его характеристики оставались практически неизменными до последней модели 8.

Общие свойства мультиметров

Любой измеритель будет до некоторой степени загружать тестируемую цепь. Например, мультиметр, использующий движение подвижной катушки с током отклонения полной шкалы 50 микроампер (мкА), самая высокая общедоступная чувствительность, должна потреблять не менее 50 мкА из тестируемой цепи, чтобы измеритель достиг верхнего края своей шкалы. Это может настолько нагружать цепь с высоким импедансом, что повлияет на нее, что приведет к низкому показанию. Ток полного отклонения также может быть выражен в «омах на вольт» (Ом / В). Значение в омах на вольт часто называют «чувствительностью» прибора. Таким образом, измеритель с перемещением 50 мкА будет иметь «чувствительность» 20 000 Ом / В. «На вольт» относится к тому факту, что импеданс, который измеритель представляет тестируемой цепи, будет равен 20 000 Ом, умноженному на напряжение полной шкалы, на которое установлен измеритель. Например, если измеритель настроен на диапазон полной шкалы 300 В, полное сопротивление измерителя будет 6 МОм. 20000 Ом / В - это лучшая (самая высокая) чувствительность, доступная для типичных аналоговых мультиметров без внутренних усилителей. Для измерителей, которые имеют внутренние усилители (VTVM, FETVM и т. Д.), Входное сопротивление фиксируется схемой усилителя.

Первый Avometer имел чувствительность 60 Ом / В, три диапазона постоянного тока (12 мА, 1,2 А и 12 А), три диапазона постоянного напряжения (12, 120 и 600 В или, опционально, 1200 В) и 10 000 Ом. диапазон сопротивления. Усовершенствованная версия 1927 года увеличила это число до 13 диапазонов и движение 166,6 Ом / В (6 мА). «Универсальная» версия с дополнительными диапазонами переменного тока и переменного напряжения предлагалась с 1933 года, а в 1936 году Avometer Model 7 с двойной чувствительностью предлагал 500 и 100 Ом / В.[6] В период с середины 1930-х до 1950-х годов значение 1000 Ом / В стало фактическим стандартом чувствительности для радиосвязи, и это значение часто цитировалось в сервисных листах. Однако некоторые производители, такие как Simpson, Triplett и Weston, все в США, до Второй мировой войны произвели 20 000 Ом / В VOM, и некоторые из них были экспортированы. После 1945–46 годов ожидаемым стандартом для электроники стало 20 000 Ом / В, но некоторые производители предлагали еще более чувствительные инструменты. Для промышленного и другого «сильноточного» использования продолжалось производство мультиметров с низкой чувствительностью, которые считались более надежными, чем более чувствительные типы.

Качественные аналоговые (аналоговые) мультиметры по-прежнему выпускают несколько производителей, в том числе Шовен Арну (Франция), Госсен Метраватт (Германия) и Симпсон и Триплетт (СОЕДИНЕННЫЕ ШТАТЫ АМЕРИКИ).

Измерители в стиле карманных часов были широко распространены в 1920-х годах. Металлический корпус обычно подключали к отрицательной клемме, что вызывало многочисленные поражения электрическим током. Технические характеристики этих устройств часто были грубыми, например, на изображении есть сопротивление всего 33 Ом / В, нелинейный шкала и без регулировки нуля.

Вольтметры с вакуумной трубкой или клапан вольтметры (VTVM, VVM) использовались для измерения напряжения в электронных схемах, где высокие входное сопротивление было необходимо. VTVM имел фиксированное входное сопротивление обычно 1 МОм или более, обычно за счет использования катодный повторитель входной цепи и, следовательно, не сильно нагружали тестируемую цепь. VTVM использовались до появления электронных высокоомных аналоговых транзистор и полевой транзистор вольтметры (FETVOM). Современные цифровые измерители (DVM) и некоторые современные аналоговые измерители также используют электронные входные схемы для достижения высокого входного импеданса - их диапазоны напряжения функционально эквивалентны VTVM. Входной импеданс некоторых плохо спроектированных DVM (особенно некоторых ранних разработок) будет меняться в течение выборка и хранение внутренний цикл измерения, вызывающий нарушения в некоторых тестируемых чувствительных цепях.

Дополнительные шкалы, такие как децибелы, а также функции измерения, такие как емкость, усиление транзистора, частота, рабочий цикл, удержание дисплея и непрерывность, которая звучит как зуммер когда измеряемое сопротивление мало, используются многие мультиметры. В то время как мультиметры могут быть дополнены более специализированным оборудованием в наборе технических средств, некоторые мультиметры включают дополнительные функции для специализированных приложений (температура с термопара зонд индуктивность, подключение к компьютер, говоря измеренное значение и т. д.).

Операция

А4 1⁄2цифровой мультиметр Fluke 87V

Мультиметр - это комбинация вольтметра постоянного тока, вольтметра переменного тока, амперметр, и омметр. Аналоговый мультиметр без усилителя сочетает в себе измерительный механизм, резисторы диапазона и переключатели; VTVM представляют собой аналоговые измерители с усилением и содержат активную схему.

Для аналогового движения счетчика постоянное напряжение измеряется с помощью последовательного резистора, подключенного между движением счетчика и проверяемой цепью. Переключатель (обычно поворотный) позволяет подключать большее сопротивление последовательно с перемещением измерителя для считывания более высоких напряжений. Произведение основного полномасштабного тока отклонения механизма и суммы последовательного сопротивления и собственного сопротивления механизма дает полное напряжение диапазона. Например, для измерительного механизма требуется 1 мА для полного диапазона. - отклонение шкалы с внутренним сопротивлением 500 Ом в диапазоне 10 В мультиметра будет иметь 9 500 Ом последовательного сопротивления.[7]

Для аналоговых диапазонов тока подходят низкоомные шунты соединены параллельно движению счетчика, чтобы отвести большую часть тока вокруг катушки. Опять же, в случае гипотетического движения 1 мА, 500 Ом в диапазоне 1 А, сопротивление шунта будет чуть более 0,5 Ом.

Инструменты с подвижной катушкой могут реагировать только на среднее значение тока через них. Для измерения переменного тока, который постоянно меняется вверх и вниз, выпрямитель вставляется в схему так, что каждый отрицательный полупериод инвертируется; в результате получается изменяющееся и ненулевое напряжение постоянного тока, максимальное значение которого будет составлять половину от пикового напряжения переменного тока, предполагая симметричную форму волны. Поскольку выпрямленное среднее значение и среднеквадратичное значение (RMS) значения формы волны одинаковы только для прямоугольной волны, простые схемы выпрямительного типа могут быть откалиброваны только для синусоидальных сигналов. Для других форм волн требуется другой коэффициент калибровки для связи среднеквадратичного и среднего значения. Этот тип схемы обычно имеет довольно ограниченный частотный диапазон. Поскольку практические выпрямители имеют ненулевое падение напряжения, точность и чувствительность при низких значениях переменного напряжения низки.[8]

Для измерения сопротивления переключатели размещают в приборе небольшую батарею, пропускающую ток через тестируемое устройство и катушку измерителя. Поскольку доступный ток зависит от состояния заряда батареи, которое меняется со временем, мультиметр обычно имеет регулировку шкалы Ом, чтобы обнулить его. В обычных схемах аналоговых мультиметров отклонение измерителя обратно пропорционально сопротивлению, поэтому полная шкала будет равна 0 Ом, а более высокое сопротивление будет соответствовать меньшим отклонениям. Шкала Ом сжата, поэтому разрешение лучше при более низких значениях сопротивления.

Приборы с усилением упрощают конструкцию цепей последовательных и шунтирующих резисторов. Внутреннее сопротивление катушки не зависит от выбора последовательных и шунтирующих резисторов; таким образом, последовательная сеть становится делитель напряжения. Если требуются измерения переменного тока, выпрямитель можно разместить после каскада усилителя, что повысит точность на низких частотах.

Цифровые приборы, которые обязательно включают усилители, используют те же принципы, что и аналоговые, для измерения сопротивления. Для измерения сопротивления обычно через тестируемое устройство пропускают небольшой постоянный ток, и цифровой мультиметр считывает результирующее падение напряжения; это устраняет сжатие шкалы, характерное для аналоговых измерителей, но требует источника точного тока. Цифровой мультиметр с автоматическим выбором диапазона может автоматически настраивать масштабирующую сеть, чтобы измерительные схемы использовали полную точность аналого-цифрового преобразователя.

Во всех типах мультиметров качество переключающих элементов имеет решающее значение для стабильных и точных измерений. Лучшие цифровые мультиметры используют в переключателях позолоченные контакты; менее дорогие счетчики используют никелирование или вообще не используют никелирование, полагаясь на следы припоя печатной платы для контактов. Точность и стабильность (например, изменение температуры, старение или изменение напряжения / тока) внутренних резисторов измерителя (и других компонентов) являются ограничивающим фактором в долгосрочной точности и точности прибора.

Измеренные значения

А токоизмерительные клещи

Современные мультиметры могут измерять множество значений. Наиболее распространены:

В частота Диапазон, в котором измерения переменного тока являются точными, важен, зависит от схемы и конструкции и должен быть определен, чтобы пользователи могли оценить измеренные значения. Некоторые измерители измеряют токи до миллиампер или даже микроампер. Все счетчики имеют напряжение нагрузки (вызвано комбинацией используемого шунта и схемотехники счетчика), а некоторые (даже дорогие) имеют достаточно высокие напряжения нагрузки, что серьезно ухудшает показания низкого тока. Технические характеристики счетчика должны включать нагрузочное напряжение счетчика.

Кроме того, некоторые мультиметры также измеряют:

Цифровые мультиметры могут также включать схемы для:

  • Тестер непрерывности; зуммер звучит, когда сопротивление цепи достаточно низкое (насколько низкое сопротивление варьируется от измерителя к метру), поэтому тест следует рассматривать как неточный.
  • Диоды (измерение прямого падения диодных переходов).
  • Транзисторы (измерение текущий прирост и другие параметры в некоторых типах транзисторов)
  • Проверка батарей для простых батарей 1,5 В и 9 В. Это измерение с токовой нагрузкой, которое моделирует нагрузку от батареи; при нормальных диапазонах напряжения аккумулятор потребляет очень мало тока.

Разные датчики могут быть присоединены к мультиметрам (или включены в них) для выполнения таких измерений, как:

  • уровень света
  • уровень звукового давления
  • кислотность / щелочность (pH)
  • относительная влажность
  • очень небольшой ток (вплоть до наноампер с некоторыми адаптерами)
  • очень малые сопротивления (до микроом для некоторых адаптеров)
  • большие токи - доступны адаптеры, использующие индуктивность (только переменный ток) или эффект Холла датчики (как переменного, так и постоянного тока), обычно через изолированные зажимные губки, чтобы избежать прямого контакта с цепями с высокой допустимой токовой нагрузкой, которые могут быть опасными, для счетчика и оператора
  • очень высокое напряжение - доступны адаптеры, которые образуют делитель напряжения с внутренним сопротивлением измерителя, позволяющим измерять до тысяч вольт. Однако очень высокие напряжения часто имеют неожиданное поведение, помимо воздействия на оператора (возможно, со смертельным исходом); высокое напряжение, которое фактически достигает внутренней схемы измерителя, может повредить внутренние части, возможно, вывести измеритель или навсегда испортить его работу.

Разрешение

Разрешение и точность

Разрешение мультиметра - это наименьшая часть шкалы, которая может быть отображена, и зависит от шкалы. На некоторых цифровых мультиметрах его можно настроить, чтобы измерения с более высоким разрешением занимали больше времени. Например, мультиметр с разрешением 1 мВ по шкале 10 В может показывать изменения в измерениях с шагом 1 мВ.

Абсолютная точность - это ошибка измерения по сравнению с идеальным измерением. Относительная точность - это ошибка измерения по сравнению с устройством, используемым для калибровки мультиметра. Большинство таблиц данных мультиметра обеспечивают относительную точность. Чтобы вычислить абсолютную точность из относительной точности мультиметра, добавьте абсолютную точность устройства, используемого для калибровки мультиметра, к относительной точности мультиметра.[9]

Цифровой

Разрешение мультиметра часто указывается в десятичных дробях. цифры решено и отображается. Если самая значащая цифра не может принимать все значения от 0 до 9, ее обычно называют дробной цифрой. Например, мультиметр, который может показывать до 19999 (плюс встроенная десятичная точка), считается считывающим4 1⁄2 цифры.

По соглашению, если самая значимая цифра может быть 0 или 1, она называется половинной цифрой; если он может принимать более высокие значения, не достигая 9 (часто 3 или 5), его можно назвать тремя четвертями цифры. А5 1⁄2-разрядный мультиметр будет отображать одну «половину цифры», которая может отображать только 0 или 1, за которой следуют пять цифр, принимающих все значения от 0 до 9.[10] Такой измеритель может показывать положительные или отрицательные значения от 0 до 199999. A3 3⁄4-цифровой счетчик может отображать количество от 0 до 3999 или 5999, в зависимости от производителя.

Цифровой дисплей можно легко расширить в разрешающая способность дополнительные цифры не имеют значения, если они не сопровождаются тщательной разработкой и калибровкой аналоговых частей мультиметра. Значимые (т.е. высокоточные) измерения требуют хорошего понимания технических характеристик прибора, хорошего контроля условий измерения и прослеживаемости калибровки прибора. Однако даже если его разрешение превышает точность, измеритель может быть полезен для сравнения измерений. Например, показания счетчика5 1⁄2 стабильные цифры могут указывать на то, что один номинальный резистор 100 кОм примерно на 7 Ом больше другого, хотя погрешность каждого измерения составляет 0,2% от показания плюс 0,05% от значения полной шкалы.

Указание «счетчика отображения» - еще один способ указать разрешение. Счетчики дисплея дают наибольшее число или наибольшее число плюс один (чтобы включить отображение всех нулей), которое может отображать дисплей мультиметра, игнорируя десятичный разделитель. Например,5 1⁄2-разрядный мультиметр также может быть указан как мультиметр с отображением 199999 или 200000 единиц. Часто счетчик на дисплее в спецификациях мультиметра называется просто «счетчиком».

Точность цифрового мультиметра может быть выражена в двухзначной форме, например «± 1% от показания +2 отсчета», что отражает различные источники ошибок в приборе.[11]

Аналоговый

Дисплей циферблата аналогового мультиметра

Аналоговые измерители - это более старые конструкции, но, несмотря на то, что они технически превосходят цифровые измерители с гистограммой, все же могут быть предпочтительнее[согласно кому? ] инженерами[который? ] и специалисты по устранению неполадок.[оригинальное исследование? ] Одна из причин заключается в том, что аналоговые измерители более чувствительны (или чувствительны) к изменениям в измеряемой цепи.[нужна цитата ] Цифровой мультиметр измеряет величину, измеряемую с течением времени, а затем отображает ее. Аналоговые мультиметры непрерывно считывают тестовое значение. Если есть небольшие изменения в показаниях, стрелка аналогового мультиметра будет пытаться отследить его, в отличие от цифрового измерителя, который должен ждать до следующего образца, давая задержки между каждым прерывистым считыванием (плюс цифровой измеритель может дополнительно потребовать время установления сходиться на значении). Значение цифрового дисплея, в отличие от аналогового дисплея, субъективно труднее читать. Эта функция непрерывного отслеживания становится важной, например, при тестировании конденсаторов или катушек. Правильно функционирующий конденсатор должен пропускать ток при приложении напряжения, затем ток медленно уменьшается до нуля, и эту «сигнатуру» легко увидеть на аналоговом мультиметре, но не на цифровом. Это похоже на испытание катушки, за исключением того, что ток начинается с низкого уровня и увеличивается.

В частности, измерения сопротивления на аналоговом измерителе могут иметь низкую точность из-за типичной схемы измерения сопротивления, которая сильно сжимает шкалу при более высоких значениях сопротивления. Недорогие аналоговые измерители могут иметь только одну шкалу сопротивления, что серьезно ограничивает диапазон точных измерений. Как правило, аналоговый измеритель имеет панель настройки для установки калибровки измерителя при нулевом сопротивлении, чтобы компенсировать изменяющееся напряжение батареи измерителя и сопротивление измерительных проводов измерителя.

Точность

Цифровые мультиметры обычно проводят измерения с точность превосходят свои аналоговые аналоги. Стандартные аналоговые мультиметры измеряют с погрешностью ± 3%,[12] хотя делаются приборы более высокой точности. Стандартные портативные цифровые мультиметры имеют точность ± 0,5% в диапазонах постоянного напряжения. Стандартные настольные мультиметры доступны с указанной точностью лучше ± 0,01%. Приборы лабораторного класса могут иметь точность в несколько единиц. частей на миллион.[13]

Показатели точности следует интерпретировать с осторожностью. Точность аналогового прибора обычно относится к полномасштабному отклонению; при измерении 30 В по шкале 100 В 3% счетчика возможна погрешность в 3 В, 10% от показания. Цифровые измерители обычно указывают точность в процентах от показаний плюс процент от полного значения, иногда выраженный в единицах, а не в процентах.

Заявленная точность определяется как нижняя граница диапазона милливольт (мВ) постоянного тока и известна как «базовая точность измерения постоянного напряжения». Более высокие диапазоны постоянного напряжения, тока, сопротивления, переменного тока и других диапазонов обычно имеют меньшую точность, чем базовые значения постоянного напряжения. Измерения переменного тока соответствуют указанной точности только в указанном диапазоне частоты.

Производители могут предоставить калибровка услуги, так что новые счетчики могут быть приобретены с сертификатом калибровки, указывающим, что счетчик был настроен на стандарты, прослеживаемые, например, до США Национальный институт стандартов и технологий (NIST) или другой национальный организация стандартов.

Испытательное оборудование имеет тенденцию к дрейф выходят из строя с течением времени, и на указанную точность нельзя полагаться бесконечно. Для более дорогого оборудования производители и третьи стороны предоставляют услуги по калибровке, чтобы старое оборудование могло быть откалибровано и повторно сертифицировано. Стоимость таких услуг непропорциональна недорогому оборудованию; однако предельная точность не требуется для большинства рутинных испытаний. Мультиметры, используемые для критических измерений, могут быть частью метрология программа для обеспечения калибровки.

Можно предположить, что мультиметр «в среднем реагирует» на сигналы переменного тока, если не указано, что он является типом «истинное среднеквадратичное значение». Мультиметр со средним откликом будет соответствовать указанной точности только для значений напряжения и силы переменного тока для чисто синусоидальных сигналов. Мультиметр с истинным среднеквадратичным значением, с другой стороны, будет соответствовать указанной точности по переменному напряжению и току с любым типом формы волны вплоть до указанного. пик фактор; Производительность RMS иногда требуется для измерителей, которые сообщают точные показания RMS только на определенных частотах (обычно низких) и с определенными формами волны (по существу всегда синусоидальными волнами).

Точность измерения напряжения и тока переменного тока может иметь разные характеристики на разных частотах.

Чувствительность и входное сопротивление

При использовании для измерения напряжения входной импеданс мультиметра должен быть очень высоким по сравнению с импедансом измеряемой цепи; в противном случае это может повлиять на работу схемы и показания будут неточными.

Измерители с электронными усилителями (все цифровые мультиметры и некоторые аналоговые измерители) имеют фиксированный входной импеданс, который достаточно высок, чтобы не мешать работе большинства цепей. Часто это один или десять мегоммы; то стандартизация входного сопротивления позволяет использовать внешние высокоомные зонды которые образуют делитель напряжения с входным сопротивлением для расширения диапазона напряжений до десятков тысяч вольт. Мультиметры высшего класса обычно обеспечивают входное сопротивление более 10 ГОм для диапазонов, меньших или равных 10 В. Некоторые высокопроизводительные мультиметры обеспечивают сопротивление> 10 ГОм для диапазонов более 10 В.[9]

Большинство аналоговых мультиметров с подвижной стрелкой небуферизованный, и потреблять ток от тестируемой цепи, чтобы отклонить указатель измерителя. В сопротивление измерителя варьируется в зависимости от базовой чувствительности движения измерителя и выбранного диапазона. Например, измеритель с типичной чувствительностью 20 000 Ом / В будет иметь входное сопротивление 2 МОм в диапазоне 100 В (100 В × 20 000 Ом / В = 2 000 000 Ом). В каждом диапазоне при полном напряжении диапазона полный ток, необходимый для отклонения движения измерителя, берется из тестируемой цепи. Движения измерителя с меньшей чувствительностью приемлемы для тестирования в цепях, где полное сопротивление источника мало по сравнению с импедансом измерителя, например, силовые цепи; эти счетчики более прочны механически. Некоторые измерения в сигнальных цепях требуют перемещений с более высокой чувствительностью, чтобы не нагружать тестируемую цепь импедансом измерителя.[14][15]

Чувствительность не следует путать с разрешающая способность измерителя, который определяется как наименьшее изменение сигнала (напряжение, ток, сопротивление и т. д.), которое может изменить наблюдаемые показания.[15]

Для цифровых мультиметров общего назначения самый низкий диапазон напряжения обычно составляет несколько сотен милливольт переменного или постоянного тока, но самый низкий диапазон тока может составлять несколько сотен микроампер, хотя доступны инструменты с большей чувствительностью по току. Мультиметры предназначены для (сетевого) "электрического" использования вместо общего электронная инженерия при использовании обычно не используются диапазоны тока в микроампер.

Для измерения низкого сопротивления необходимо вычесть сопротивление выводов (измеренное путем соприкосновения измерительных щупов) для обеспечения максимальной точности. Это можно сделать с помощью функции «дельта», «ноль» или «нуль» многих цифровых мультиметров.Контактное давление на испытуемое устройство и чистота поверхностей могут повлиять на измерения очень низких сопротивлений. Некоторые измерители предлагают четырехпроводный тест, когда два щупа подают напряжение источника, а другие измеряют. Использование очень высокого импеданса позволяет получить очень низкое падение напряжения на пробниках, а сопротивление пробников источника игнорируется, что приводит к очень точным результатам.

Верхний предел диапазонов измерения мультиметра значительно варьируется; измерения более 600 вольт, 10 ампер или 100мегоммы может потребоваться специализированный тестовый прибор.

Напряжение нагрузки

Каждый встроенный последовательно соединенный амперметр, включая мультиметр в диапазоне тока, имеет определенное сопротивление. Большинство мультиметров по своей сути измеряют напряжение и пропускают измеряемый ток через шунтирующее сопротивление, измеряя напряжение, возникающее на нем. Падение напряжения называется нагрузочным напряжением и выражается в вольтах на ампер. Значение может меняться в зависимости от диапазона, установленного измерителем, поскольку в разных диапазонах обычно используются разные шунтирующие резисторы.[16][17]

Напряжение нагрузки может быть значительным в областях цепи с очень низким напряжением. Для проверки его влияния на точность и работу внешней цепи счетчик можно переключать на различные диапазоны; текущее показание должно быть таким же, и работа схемы не должна нарушаться, если напряжение нагрузки не является проблемой. Если это напряжение является значительным, его можно уменьшить (также уменьшая присущую точность и точность измерения), используя более высокий диапазон тока.

Измерение переменного тока

Поскольку базовая индикаторная система аналогового или цифрового измерителя реагирует только на постоянный ток, мультиметр включает в себя схему преобразования переменного тока в постоянный для выполнения измерений переменного тока. Базовые счетчики используют выпрямительная схема для измерения среднего или пикового абсолютного значения напряжения, но откалиброваны для отображения рассчитанного среднеквадратичное значение (RMS) значение для синусоидальный форма волны; это даст правильные показания для переменного тока, используемого при распределении энергии. Руководства пользователя для некоторых таких счетчиков дают поправочные коэффициенты для некоторых простых не-синусоидальный формы волны, чтобы позволить правильный среднеквадратичное значение (RMS) эквивалентное значение, которое необходимо вычислить. Более дорогие мультиметры включают преобразователь переменного тока в постоянный, который измеряет истинное среднеквадратичное значение формы волны в определенных пределах; в руководстве пользователя счетчика могут быть указаны пределы пик фактор и частота, для которой действительна калибровка измерителя. Измерение среднеквадратичного значения необходимо для измерений несинусоидальных сигналов. периодический формы волны, такие как аудиосигналы и частотно-регулируемые приводы.

Цифровые мультиметры (DMM или DVOM)

Настольный мультиметр, Hewlett Packard 34401a.

Современные мультиметры часто бывают цифровыми из-за их точности, долговечности и дополнительных функций. В цифровом мультиметре тестируемый сигнал преобразуется в напряжение, а усилитель с электронным управлением усилением преобразует сигнал. А цифровой мультиметр отображает количество, измеренное в виде числа, что исключает параллакс ошибки.

Современные цифровые мультиметры могут иметь Встраиваемый компьютер, который предоставляет множество удобных функций. Доступные улучшения измерения включают:

  • Автоматический выбор диапазона, который выбирает правильный диапазон для тестируемого количества, чтобы значащие цифры показаны. Например, четырехразрядный мультиметр автоматически выберет соответствующий диапазон для отображения 12,34 мВ вместо 0,012 В или перегрузки. Измерители с автоматическим выбором диапазона обычно включают в себя средство удержания измерителя на определенном диапазоне, потому что измерение, которое вызывает частые изменения диапазона, может отвлекать пользователя.
  • Автополярность для показаний постоянного тока показывает, является ли приложенное напряжение положительным (соответствует маркировке выводов счетчика) или отрицательным (полярность противоположна проводам счетчика).
  • Образец и удержание, который зафиксирует самое последнее показание для проверки после того, как прибор будет отключен от тестируемой цепи.
  • Текущие тесты для падение напряжения через полупроводниковые переходы. Пока не заменяет собой тестер транзисторов, и уж точно не для заметных измеритель кривой типа, это облегчает тестирование диодов и различных типов транзисторов.[18]
  • А графическое изображение проверяемой величины, как гистограмма. Это упрощает тестирование по принципу «годен / не годен», а также позволяет выявлять быстро меняющиеся тенденции.
  • Низкая пропускная способность осциллограф.[19]
  • Тестеры автомобильных цепей, включая тесты для автомобильных сигналов синхронизации и задержки (тестирование времени ожидания и оборотов двигателя обычно доступно как опция и не входит в базовые автомобильные цифровые мультиметры).
  • Простой получение данных функции для записи максимальных и минимальных показаний за определенный период или для выполнения ряда образцы через фиксированные интервалы.[20]
  • Интеграция с пинцетом для технология поверхностного монтажа.[21][нужен лучший источник ]
  • Комбинированный Измеритель LCR для малогабаритных SMD и сквозных компонентов.[22]

Современные счетчики могут быть сопряжены с персональный компьютер к ИК-порт ссылки, RS-232 связи, USB, или инструментальную шину, такую ​​как IEEE-488. Интерфейс позволяет компьютеру записывать измерения по мере их выполнения. Некоторые цифровые мультиметры могут сохранять измерения и выгружать их в компьютер.[23]

Первый цифровой мультиметр был изготовлен в 1955 году компанией Non Linear Systems.[24][25] Утверждается, что первые портативный цифровой мультиметр был разработан Фрэнком Бишопом из Intron Electronics в 1977 году,[26] который в то время явился крупным прорывом в обслуживании и поиске неисправностей в полевых условиях.

Аналоговые мультиметры

Недорогой аналоговый мультиметр со стрелкой гальванометра.

Мультиметр может быть реализован с гальванометр метровое движение, реже с барграф или смоделированный указатель, такой как жидкокристаллический дисплей (ЖК-дисплей) или вакуумный люминесцентный дисплей.[нужна цитата ] Аналоговые мультиметры были обычным явлением; качественный аналоговый прибор будет стоить примерно столько же, сколько цифровой мультиметр. Аналоговые мультиметры обладали описанными выше ограничениями по точности и точности считывания, поэтому не были созданы для обеспечения такой же точности, как цифровые инструменты.

Аналоговые измерители были интуитивно понятны там, где тенденция измерения была важнее точного значения, полученного в конкретный момент. Изменение угла или пропорции было легче интерпретировать, чем изменение значения цифрового отсчета. По этой причине некоторые цифровые мультиметры дополнительно имеют гистограмму в качестве второго дисплея, обычно с более высокой частотой дискретизации, чем используется для первичного считывания. Эти гистограммы с высокой частотой дискретизации имеют лучший отклик, чем физический указатель аналоговых измерителей, что делает устаревшую технологию устаревшей.[27] Благодаря быстрым колебаниям постоянного и переменного тока или их комбинации, современные цифровые измерители смогли отслеживать и отображать колебания лучше, чем аналоговые измерители, при этом также имея возможность разделять и одновременно отображать составляющие постоянного и переменного тока.[28]

Аналоговые измерительные приборы по своей природе более уязвимы физически и электрически, чем цифровые измерительные приборы. Многие аналоговые мультиметры имеют положение переключателя диапазонов, помеченное как «выключено» для защиты движения измерителя во время транспортировки, что оказывает низкое сопротивление движению измерителя, что приводит к динамическое торможение. Движение расходомера как отдельных компонентов можно защитить таким же образом путем подключения перемычки или перемычки между клеммами, когда они не используются. Измерители, которые имеют шунт через обмотку, например амперметр, могут не требовать дополнительного сопротивления для остановки неконтролируемых движений стрелки счетчика из-за низкого сопротивления шунта.

Движение измерителя в аналоговом мультиметре с подвижной стрелкой практически всегда выполняется с помощью подвижной катушки. гальванометр из д'Арсонваль типа, используя либо стержни с драгоценными камнями, либо тугие ленты для поддержки движущейся катушки. В базовом аналоговом мультиметре ток, отклоняющий катушку и указатель, снимается с измеряемой цепи; Обычно преимуществом является минимизация тока, потребляемого в цепи, что подразумевает наличие сложных механизмов. Чувствительность аналогового мультиметра указывается в единицах Ом на вольт. Например, очень дешевый мультиметр с чувствительностью 1000 Ом / В потребляет 1 мА из цепи при полном отклонении.[29] Более дорогие (и более хрупкие с механической точки зрения) мультиметры обычно имеют чувствительность 20000 Ом на вольт, а иногда и выше, при этом 50000 Ом на вольт (при потреблении 20 микроампер на полной шкале) являются примерно верхним пределом для портативных универсальных неусиленных устройств. аналоговый мультиметр.

Чтобы избежать нагрузки измеряемой цепи током, потребляемым движением измерителя, в некоторых аналоговых мультиметрах используется усилитель, вставленный между измеряемой цепью и движением измерителя. Хотя это увеличивает стоимость и сложность счетчика, за счет использования вакуумные трубки или же полевые транзисторы входное сопротивление можно сделать очень высоким и независимым от тока, необходимого для работы катушки движения счетчика. Такие мультиметры с усилением называются ВТВМ (ламповые вольтметры),[30] TVM (транзисторные вольтметры), FET-VOM и аналогичные названия.

Из-за отсутствия усиления обычный аналоговый мультиметр обычно менее восприимчив к радиочастотные помехи, и поэтому продолжают занимать видное место в некоторых областях, даже в мире более точных и гибких электронных мультиметров.[31]

Зонды

Основная статья: Тестовый зонд
Измерительные провода мультиметра

Мультиметр может использовать множество различных щупов для подключения к проверяемой цепи или устройству. Зажимы под крокодил, выдвижные зажимы-крючки и заостренные датчики - три наиболее распространенных типа. Щупы для пинцета используются для близко расположенных контрольных точек, как, например, устройства для поверхностного монтажа. Разъемы присоединяются к гибким, хорошо изолированным выводам, заканчивающимся разъемами, подходящими для счетчика. Зонды подключаются к переносным счетчикам, как правило, закрытыми или утопленными. банановые домкраты, в то время как настольные измерители могут использовать банановые домкраты или же Разъемы BNC. Заглушки 2 мм и обязательные сообщения также использовались время от времени, но сегодня используются реже. Действительно, рейтинги безопасности теперь требуют закрытых банановых домкратов.

Банановые домкраты обычно размещаются со стандартизированным межцентровым расстоянием 3⁄4 дюйма (19 мм), чтобы можно было подключить стандартные адаптеры или устройства, такие как умножитель напряжения или датчики термопары.

Токоизмерительные клещи зажимать вокруг дирижер проводящий ток для измерения без необходимости последовательного подключения счетчика к цепи или вообще создания металлического контакта. В приборах для измерения переменного тока используется принцип трансформатора; Токоизмерительные клещи для измерения слабого или постоянного тока требуют более экзотических датчиков, таких как, например, системы на основе эффекта Холла, которые измеряют неизменяющееся магнитное поле для определения тока.

Безопасность

Пример защиты входа на мультиметре Fluke 28 Series II с рейтингом CAT-IV

Большинство мультиметров включают предохранитель или два предохранителя, которые иногда предотвращают повреждение мультиметра из-за перегрузки по току в самом высоком диапазоне тока. (Для дополнительной безопасности доступны измерительные провода со встроенными предохранителями.) Распространенной ошибкой при работе мультиметра является установка измерителя на измерение сопротивления или тока, а затем подключение его напрямую к источнику напряжения с низким сопротивлением. Такие ошибки часто быстро разрушают незаплавленные счетчики; плавленые счетчики часто выживают. Предохранители, используемые в счетчиках, должны пропускать максимальный измерительный ток прибора, но предназначены для отключения, если ошибка оператора подвергнет счетчик неисправности с низким импедансом. Счетчики с ненадлежащим или небезопасным предохранителем не были редкостью; эта ситуация привела к созданию Категории IEC61010 оценить безопасность и надежность счетчиков.

Цифровые счетчики делятся на четыре категории в зависимости от их предполагаемого применения в соответствии с IEC 61010-1.[32] и поддерживаются страновыми и региональными группами стандартов, такими как CEN Стандарт EN61010.[33]

  • Категория I: используется там, где оборудование не подключено напрямую к сети
  • Категория II: используется в оконечных цепях однофазной сети
  • Категория III: используется на стационарно установленных нагрузках, таких как распределительные щиты, двигатели и трехфазные розетки.
  • Категория IV: используется в местах, где уровни тока короткого замыкания могут быть очень высокими, например, подъезды к источникам питания, главные панели, счетчики питания и первичное оборудование защиты от перенапряжения.

Каждый рейтинг категории также определяет максимальные безопасные переходные напряжения для выбранных диапазонов измерения в измерителе.[34][35] Счетчики категории также имеют защиту от перегрузки по току.[36] На счетчиках, позволяющих взаимодействовать с компьютерами, оптическая изоляция может использоваться для защиты подключенного оборудования от высокого напряжения в измеряемой цепи.

Мультиметры хорошего качества, соответствующие стандартам категории II и выше, включают керамические предохранители с высокой разрывной способностью (HRC), обычно рассчитанные на ток более 20 кА; у них гораздо меньше шансов взорваться, чем у более обычных стеклянных предохранителей.[37] Они также будут включать в себя высокоэнергетический MOV для перенапряжения (Metal Oxide Варистор ) защита и защита от перегрузки по току в виде Полисвитч.[38]

Альтернативы DMM

Качественный цифровой мультиметр с электроникой общего назначения обычно считается подходящим для измерений при уровнях сигнала более 1 мВ или 1 мкА или ниже примерно 100 МОм; эти значения далеки от теоретических пределов чувствительности и представляют значительный интерес в некоторых схемах проектирования. Другие инструменты - в основном аналогичные, но с более высокой чувствительностью - используются для точных измерений очень малых или очень больших величин. К ним относятся нановольтметры, электрометры (для очень низких токов и напряжений с очень высоким сопротивлением источника, например 1 ТОм) и пикоамперметры. Принадлежности для более типичных мультиметров также позволяют выполнять некоторые из этих измерений. Такие измерения ограничены доступными технологиями и, в конечном итоге, присущими тепловой шум.

Источник питания

Аналоговые измерители могут измерять напряжение и ток, используя питание от тестовой цепи, но требуют дополнительного внутреннего источника напряжения для проверки сопротивления, в то время как электронные измерители всегда требуют внутреннего источника питания для работы своих внутренних цепей. В портативных счетчиках используются батареи, в то время как настольные счетчики обычно питаются от сети; любое расположение позволяет измерителю проверять устройства. Тестирование часто требует, чтобы тестируемый компонент был изолирован от цепи, в которой он установлен, поскольку в противном случае пути паразитных токов или утечек могут исказить измерения. В некоторых случаях напряжение от мультиметра может включить активные устройства, исказив измерение, а в крайних случаях даже повредить элемент исследуемой цепи.

Безопасность

Самый безопасный (как для мультиметра, тестируемой цепи, так и для оператора) отключать компонент от его цепи и почти всегда отключать питание исследуемого устройства. Отключение всех силовых соединений от оборудования с питанием от сети перед тестированием (и обеспечение безопасной разрядки всех устройств большой емкости) - самый безопасный выбор. Оставление оборудования подключенным к электросети во время проведения измерений должно быть лишь очень тщательно продуманной альтернативой. Среди прочего, существует взаимодействие между заземлением испытательного оборудования с настенным питанием и тестируемым устройством, которое является небезопасным и может повредить испытательное оборудование и тестируемое устройство. Это особенно важно, когда есть подозрение на неисправность любого из соединенных между собой устройств. Испытательное оборудование с питанием от батарей может быть самым безопасным выбором в таких ситуациях.

Счетчики, предназначенные для тестирования в опасные места или для использования на взрывные цепи может потребовать использования батареи, указанной производителем, для поддержания уровня безопасности.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ «Новый электронный выпрямитель», L.O. Grondahl & P.H. Гейгер, Транзакции, Американский институт инженеров-электриков, февраль 1927 г., стр. 358–366.
  2. ^ "Общество промышленной археологии Большого Лондона". glias.org.uk. Получено 2 ноября 2010.
  3. ^ а б «АВО» (MediaWiki ). gracesguide.co.uk. Получено 2 ноября 2010.
  4. ^ Архивы библиотеки Имперского колледжа - документы Дональда Макади 1871–1956 гг. MS2015 / 21
  5. ^ Электрик 15 июня 1923 г., стр. 666
  6. ^ Реклама - Электрик, 1 июня 1934 г.
  7. ^ Фрэнк Спитцер, Барри Ховарт Принципы современного приборостроения, Холт, Райнхарт и Уинстон, 1972 г. ISBN  0-03-080208-3 стр. 32–40
  8. ^ Стивен А. Дайер, Wiley Survey of Instruments and Measurement, John Wiley & Sons, 2004 г. ISBN  0471221651, стр. 277–281
  9. ^ а б «Технические характеристики мультиметра модели 2002». Keithley Instruments.
  10. ^ «Основы измерения цифрового мультиметра». Национальные инструменты. Получено 26 января 2008.
  11. ^ Стивен А. Дайер, Wiley Survey of Instruments and Measurement, John Wiley & Sons, 2004 г. ISBN  0471221651, п. 290
  12. ^ Милтон Кауфман. Справочник по расчетам электроники для инженеров и техников. Макгроу-Хилл.
  13. ^ Agilent Technologies. «Лист технических данных цифрового мультиметра Agilent 3458A» (PDF). Keysight Technologies. Получено 28 января 2007.
  14. ^ Хорн, Делтон (1993). Как проверить почти все электронное. Макгроу-Хилл / ТАБ Электроника. С. 4–6. ISBN  0-8306-4127-0.
  15. ^ а б Сискинд, Чарльз С. (1956). Электрические схемы.
  16. ^ «Объяснение нагрузочного напряжения от производителя мультиметра Fluke». Fluke. Получено 2 ноября 2010.
  17. ^ «µCurrent EEVblog - Видеоблог по электронной инженерии». EEVblog. Получено 20 января 2015.
  18. ^ Гольдвассер, Сэмюэл. «Базовые испытания полупроводниковых приборов». Получено 28 января 2007.
  19. ^ Extech Instruments. "Двухканальный мультископ Extech 5 МГц". Получено 28 января 2007.
  20. ^ "Extech Dual Channel, мультиметр для регистрации данных". Extech Instruments. Архивировано из оригинал 3 апреля 2007 г.. Получено 28 января 2007.
  21. ^ Siborg Systems Inc. «Цифровой мультиметр Умный пинцет от Сиборга». Получено 23 апреля 2008.
  22. ^ Advance Devices Inc. «Цифровой мультиметр / измеритель LCR Smart Tweezers» (PDF). Архивировано из оригинал (PDF) 9 января 2007 г.. Получено 20 января 2009.
  23. ^ Fluke Производство. «Регистрация и анализ событий с помощью программного обеспечения FlukeView Forms» (PDF). Получено 28 января 2007.
  24. ^ «Измерение влияния DVM». EETimes.com. Получено 26 января 2008.
  25. ^ Дайер, Стивен (2001). Обзор КИПиА. п. 286. ISBN  0-471-39484-X.
  26. ^ "Интрон Электроникс | О компании". www.intronelectronics.com.au. Получено 17 июля 2016.
  27. ^ Джонс, Дэйв (25 марта 2018 г.). ""EEVblog # 1067 - Аналоговые против цифровых мультиметров!"". YouTube. Получено 17 марта 2020.
  28. ^ Смит, Джо (24 августа 2014 г.). ""Brymen BM869s против Fluke"". YouTube. Получено 17 марта 2020.
  29. ^ Фрэнк Спитцер и Барри Хорват Принципы современного приборостроения, Holt, Rinehart and Winston Inc., Нью-Йорк, 1972 г., без ISBN, Библиотека Конгресса 72-77731, стр. 39
  30. ^ "Неполное руководство для идиотов по VTVM". tone-lizard.com. Архивировано из оригинал 6 октября 2003 г.. Получено 28 января 2007.
  31. ^ Уилсон, Марк (2008). Справочник ARRL по радиосвязи. ISBN  978-0-87259-101-1.
  32. ^ «Стандарт безопасности IEC 61010-1 с 1.1.2004». Архивировано из оригинал 2 декабря 2006 г.
  33. ^ Требования безопасности к электрическому оборудованию для измерения, контроля и лабораторного использования. Основные требования. 1993. ISBN  0-580-22433-3.
  34. ^ Дайер, Стивен (2001). Обзор КИПиА. п. 285. ISBN  0-471-39484-X.
  35. ^ «Анатомия качественного измерителя». В архиве из оригинала 18 октября 2006 г.. Получено 5 ноября 2015.
  36. ^ Маллин, Рэй (2005). Электропроводка: Жилая. Томпсон Делмар Обучение. п. 6. ISBN  1-4018-5020-0.
  37. ^ Джонс, Дэвид. «Защита входного предохранителя мультиметра». EEVblog. Получено 28 декабря 2012.
  38. ^ Джонс, Дэвид. «Учебное пособие по защите входа мультиметра». EEVblog. Получено 28 декабря 2012.

внешняя ссылка