Мультиметры. Вопросы / Ответы / Мнения. Часть 3

ПРОДОЛЖЕНИЕ. Начало в Часть 1 и Часть 2

Развенчание мифов о цифровых мультиметрах: понимание функций и областей применения

Рынок цифровых мультиметров (ЦММ) претерпел значительные изменения в последние годы, обусловленные развитием технологий, ростом спроса на прецизионные измерительные приборы и усложнением электронных систем. Цифровые мультиметры стали незаменимыми инструментами для специалистов в различных отраслях, включая электронику, автомобилестроение, производство и телекоммуникации. В данной материале представлен более-менее всесторонний обзор рынка цифровых мультиметров, рассматриваются ключевые тенденции, факторы, проблемы и перспективы развития.

Обзор рынка:

Объём мирового рынка цифровых мультиметров в 2021 году оценивался в 0,61 млрд долларов США, и, по прогнозам, к 2031 году он достигнет 1,1 млрд долларов США, демонстрируя среднегодовой темп роста 6,7% в период с 2022 по 2031 год.

Цифровые мультиметры, также известные как ЦММ или мультитестеры, — это универсальные приборы для измерения напряжения, тока и сопротивления в электронных цепях. В отличие от аналоговых, цифровые мультиметры отображают показания в виде числовых значений, обеспечивая более высокую точность и простоту использования. Рынок цифровых мультиметров демонстрирует устойчивый рост, обусловленный усложнением электронных устройств, потребностью в точных измерениях и быстрым развитием технологий.

Ключевые факторы:

Технологические достижения: Индустрия цифровых мультиметров переживает всплеск инноваций, производители внедряют такие передовые функции, как автоматический выбор диапазона, измерение истинного среднеквадратичного значения (RMS) и возможности подключения. Эти технологические достижения повышают эффективность и точность измерений, удовлетворяя меняющиеся потребности специалистов.

Растущий спрос в производстве электроники: Распространение электронных устройств и постоянная миниатюризация компонентов привели к росту спроса на точные измерительные приборы. Цифровые мультиметры играют ключевую роль в контроле качества, диагностике и техническом обслуживании в секторе производства электроники, внося значительный вклад в рост рынка.

Повышенное внимание к безопасности: Вопросы безопасности в различных отраслях промышленности привели к внедрению цифровых мультиметров, которые обладают такими функциями, как бесконтактное определение напряжения, защита от перегрузки и высокое качество сборки. Эти функции безопасности делают цифровые мультиметры незаменимыми инструментами для специалистов, работающих в условиях высокой опасности поражения электрическим током. Интеграция Интернета вещей и возможностей подключения: Интеграция цифровых мультиметров с Интернетом вещей (IoT) и возможностями подключения стала заметной тенденцией. Цифровые мультиметры, оснащенные Bluetooth или USB-подключением, позволяют пользователям удаленно контролировать и записывать результаты измерений, повышая эффективность и упрощая анализ данных.

Ведущие игроки рынка: -

• Fluke Corporation

• Gossen Metrawatt GmbH

• TEKTRONIX, INC.

• FLIR Systems, Inc.

• Keysight Technologies

• Rohde & Schwarz GmbH & Co KG

• Yokogawa Electric Corporation

• National Instruments Corporation

• Sanwa Electric Instrument Co., Ltd.

• HIOKI E.E. CORPORATION

Какой мультиметр лучше всего подходит для измерения значений маломощных и чувствительных цепей: цифровой мультиметр с ручным выбором диапазона или цифровой мультиметр с автоматическим выбором диапазона?

Что вы подразумеваете под «низкой мощностью» и что вы подразумеваете под «чувствительной цепью»?

Гораздо важнее, чтобы измеритель оказывал как можно меньшее влияние на цепь. Цепь малой мощности с импедансом порядка 1 кОм не будет сильно подвержена влиянию входного импеданса 10 МОм даже на недорогом цифровом мультиметре. Если же речь идёт о цепях с высоким сопротивлением, то 10 МОм может быть слишком мало.

Диапазоны измерения малых токов практически любого цифрового мультиметра, как правило, характеризуются довольно высоким сопротивлением, что может привести к искажению показаний. Бывает сложно найти мультиметры, в характеристиках которых это указано.

Какое напряжение использует мультиметр для измерения сопротивления?

При измерении сопротивления стандартный мультиметр не подаёт постоянное напряжение на нагрузку, при этом, измеряет ток. Он делает наоборот: он подаёт известный ток и измеряет напряжение на нагрузке. Величина тока зависит от диапазона: ток относительно невелик для высоких диапазонов и относительно велик для низких диапазонов.

Ниже приведены некоторые измерения, которые я провёл с помощью портативного мультиметра Fluke 87. Например, в диапазоне от 0 кОм до 40 кОм мультиметр подаёт ток около 10 мкА, а затем измеряет напряжение на нагрузке. В диапазоне от 0 МОм до 4 МОм мультиметр подаёт ток около 0,1 мкА, а затем измеряет напряжение на нагрузке.

Таким образом, это работает следующим образом: мультиметр подаёт постоянный ток через нагрузку с некоторым номинальным значением, а затем измеряет напряжение на нагрузке. Он также измеряет точное значение тока, измеряя падение напряжения на последовательном резисторе внутри мультиметра (например, резисторе сопротивлением 10 Ом). Это можно представить так: счётчик сначала вычисляет ток по закону Ома (делит напряжение, измеренное на внутреннем резисторе сопротивлением 10 Ом, на 10), а затем по закону Ома вычисляет сопротивление нагрузки (делит напряжение, измеренное на нагрузке, на ток). А если вдуматься, то становится очевидно, что счётчик измеряет сопротивление нагрузки, измеряя отношение двух напряжений: напряжения на внутреннем резисторе и напряжения на нагрузке.

Можно ли измерить импеданс мультиметром?

Некоторые мультиметры могут измерять переменный ток и напряжение (примерно до 1 кГц). Эти приборы позволяют измерить импеданс (без учета фазового угла между напряжением и током).

Генератор сигналов и сопутствующий осциллограф обеспечат грубое (8-битное) измерение импеданса при правильной настройке. Большинство осциллографов используют заземлённый щуп, а большинство генераторов сигналов также имеют заземлённый выход, поэтому вам придётся либо отключить генератор сигналов (лучший вариант), либо использовать дифференциальный щуп для измерения напряжения (неплохая идея, учитывая ограниченное разрешение осциллографа). Я делал это в те времена, когда был нищим и не мог позволить себе хороший анализатор импеданса… :-), и результаты были приемлемыми для данного случая.

Существуют также приборы для измерения ёмкости и индуктивности кроссовера громкоговорителей. Их можно принудительно настроить для корректного измерения импеданса, но только на одной частоте, поскольку они выдают сигнал возбуждения с частотой около 1 кГц. Существуют специализированные анализаторы импеданса, которые измеряют фазовый угол и генерируют сигнал возбуждения на выбираемых частотах.

На работе у нас есть Hioki IM3570, работающий от постоянного тока до 3 МГц; он обеспечивает 4-контактное измерение по шкале Кельвина. Но он недешев — около 6 тысяч долларов.

Каким должно быть сопротивление мультиметра при измерении тока?

Остальные респонденты ответили: «Как можно меньше». На самом деле они имеют в виду: «Как можно меньше, обеспечивая при этом точность измерения».

Для измерения тока можно использовать четыре компонента/инструмента:

1. Шунтирующий резистор.

2. Трансформатор тока (только переменного тока).

3. Датчик Холла.

4. Схема амперметра с обратной связью.

В стандартном мультиметре для измерения тока используется шунтирующий резистор (№ 1 выше). Сопротивление шунта не может быть 0 Ом по двум причинам: а) резистора 0 Ом не существует, и б) даже если бы существовал резистор 0 Ом, на нём было бы 0 В независимо от тока, что делает его бесполезным для измерения тока. Сопротивление шунта также не может быть очень, очень малым, например, 0,000000001 Ом. Почему? Потому что напряжение на нём также было бы очень, очень малым. И точно измерить крайне низкое напряжение сложно. Если вы не используете очень дорогую схему, при измерении очень низких напряжений возникнут проблемы с шумом и дрейфом. Результаты измерений также будут искажены напряжениями, создаваемыми термоэлектрическими соединениями в цепи. Кроме того, удачи вам в поисках точного резистора с прослеживаемостью NIST и сопротивлением 0,000000001 Ом.

Итак…

Если сопротивление шунта слишком мало, отношение сигнал/шум (SNR) будет слишком низким, и вы получите зашумлённые и неточные показания.

Если сопротивление слишком велико, вы (вероятно) внесёте слишком много помех в цепь. Другими словами, измерение повлияет на ток. В большинстве случаев ток уменьшается просто в процессе измерения. Исключением является измерение тока источника постоянного тока; теоретически сопротивление шунта не должно влиять на него (до определённого предела). Таким образом, «наилучшее» значение сопротивления для шунтирующего резистора — «не слишком низкое, не слишком высокое». :) Всё дело в компромиссах. Хороший инженер или техник сам подберёт приемлемое значение для шунтирующего резистора в конкретном случае.

Как определить эмиттер, коллектор и базу транзистора с помощью мультиметра? Какое сопротивление больше: между базой и эмиттером или между базой и коллектором?

В биполярном транзисторе каждый PN-переход по сути является диодом. Следовательно, вы можете использовать мультиметр для проверки каждой пары выводов устройства (при этом третий вывод остаётся неподключённым в каждом тесте), чтобы определить местоположение и ориентацию каждого диода. Неудивительно, что эта задача упрощается, если на вашем мультиметре есть функция проверки диодов. Как бы то ни было, найти «базу» транзистора относительно легко, но определить, какой из двух других выводов является коллектором или эмиттером, сложнее. Тем не менее, это возможно. Ниже я опишу методы поиска базы, а затем методы поиска двух других выводов.

В поисках Базы

Например, в биполярном NPN-транзисторе есть PN-переход, образованный базой и коллектором, и ещё один PN-переход, образованный базой и эмиттером. Таким образом, проверяя каждый «кандидат на диод», можно определить, какой вывод является базой. Некоторые цифровые мультиметры имеют функцию проверки диодов, которая позволяет определить, смещен ли диод в прямом направлении. Как правило, любой мультиметр должен иметь функцию омметра для измерения сопротивления (с низким значением для обнаружения коротких замыканий (низкое сопротивление) или обрывов (высокое сопротивление)). Проверьте каждую из трёх пар (выводы 1+2, 1+3 и 2+3) в обеих ориентациях (прямой и обратной), чтобы найти два PN-диода (смещенных в прямом направлении (т.е. с низким сопротивлением), у которых «+» подключен к P, а «-» — к N). Общий вывод «P» будет базой. Два других вывода будут коллектором и эмиттером.

Определение выводов коллектора и эмиттера

К сожалению, нет простого способа надёжно различить эти два типа с помощью обычного мультиметра. Поскольку оба PN-перехода представляют собой диоды с резко нелинейной зависимостью тока от напряжения, невозможно надёжно измерить «сопротивление» (которое в данном случае не чётко определено) каждого PN-перехода, чтобы определить, какой из них какой.

Таким образом, есть два способа различить коллектор и эмиттер:

Если в вашем мультиметре есть функция проверки диодов, которая измеряет падение напряжения на проверяемом диоде с прямым смещением, вы можете сравнить падение напряжения на двух диодах-кандидатах. Диод с большим падением напряжения будет соответствовать эмиттеру транзистора..

Если у вас нет сложного мультиметра, вам потребуется небольшая дополнительная настройка, чтобы определить, какой вывод является эмиттером, а какой — коллектором. Вам нужно собрать простую схему для эффективного измерения коэффициента усиления биполярного транзистора в обоих случаях.

Например, (в случае NPN-транзистора), чтобы определить, какой из них является коллектором, а какой — эмиттером, можно собрать простую вырожденную схему с общим эмиттером.

Вы можете выполнить следующие действия:

а. Подключите один из потенциальных коллекторов/эмиттеров к резистору сопротивлением 2 кОм, подключенному к 5 В с другой стороны. Этот вывод — ваша «догадка», где находится коллектор.

б. Подключите другие потенциальные коллекторы/эмиттеры к резистору сопротивлением 2 кОм, подключенному к 0 В с другой стороны. Этот вывод — ваша «догадка», где находится эмиттер.

в. Подключите обнаруженную базу к источнику постоянного напряжения 1 В.

г. Измерьте напряжение на КАЖДОМ из двух резисторов. Если оба резистора примерно равны 0,3 В (т.е. 1 В минус падение напряжения на диоде 0,7 В), то ваше предположение верно. Эмиттер отстает от базы на 0,7 В, и ток через эмиттер равен току через коллектор, поэтому на обоих резисторах одинаковое падение напряжения. Однако, если падение напряжения на резисторе, подключенном к 0 В, значительно больше, то ваше предположение неверно, и ваш транзистор «перевернут».

Чем аналоговый мультиметр отличается от цифрового мультиметра, и какой из них точнее?

Аналоговые измерители используют подвижную катушку и печатную шкалу. В самых простых измерителях, таких как классический Simpson 260, измеритель имеет механизм с сопротивлением 20 000 Ом на вольт, что означает, что для отклонения стрелки измерителя на полную шкалу требуется 50 мкА. При шкале 10 В нагрузка цепи составляет 200 000 Ом. Это влияет на схему гораздо сильнее, чем 10 МОм цифрового измерителя.

Точность считывания шкалы аналогового измерителя редко считается превышающей 1% и зависит от правильного считывания шкалы пользователем. Но цифровые измерители показывают до 3,5 знаков на обычных измерителях и до 4, 5 и 6 знаков на лучших лабораторных измерителях. Таким образом, вы можете легко разрешить 0,01%, что делает цифровые измерители гораздо более высокоразрешающими, и обычно точность соизмерима.

Таким образом, по нагрузке, разрешению и точности цифровой измеритель безоговорочно выигрывает. Однако им требуется батарея, и на них трудно отслеживать тенденции. Некоторые аналоговые счетчики имеют входные каскады с высоким входным импедансом, которые усиливают сигнал и снижают нагрузку на схему до минимального уровня цифровых мультиметров, но они работают от батарей и по-прежнему не обеспечивают высокого разрешения или точности показаний, намного превышающей 1%.

Безопасно ли проверять цепь под напряжением с помощью мультиметра?

Очень условное «да». Всё зависит от того, насколько она «живая». Если это цепь 12 В, то проблем нет. Напряжение до 50 В будет приемлемым, хотя даже короткое замыкание источника питания низкого напряжения, например, автомобильного аккумулятора, может вызвать проблемы.

Если речь идёт о сетевом напряжении (более 100 В или более 200 В, в зависимости от вашего местоположения), оно становится лишь относительно безопасным. Необходимо соблюдать осторожность, чтобы не прикасаться голыми руками к проводникам под напряжением, следить за тем, чтобы щуп не выпадал из мультиметра, оставляя болтающийся конец под напряжением, и не замыкать что-либо щупами (последнее правило применимо к любому напряжению, но последствия короткого замыкания в сети, как правило, несколько серьёзнее).

Всё, что выше сетевого напряжения, я бы не трогал без специальной подготовки и оборудования.

Помните, что сетевое напряжение может убить и убивает.

Каким должно быть сопротивление мультиметра при измерении напряжения?

В идеальном мире сопротивление должно быть «бесконечным». Это непрактично по многим причинам. Одна из них – теоретическая.

Напряжение определяется как энергия на единицу заряда, поэтому для измерения напряжения необходимо, по крайней мере, пропустить один заряд и измерить его энергию.

Однако, если какой-либо заряд вообще поступает, это может изменить напряжение источника, и показания будут НЕ такими, как до этого заряда.

Поэтому на протяжении всей моей жизни я стремился создавать мультиметры с всё более высоким входным сопротивлением, чтобы меньше влиять на измеряемую цепь.

У каждой цепи есть своё собственное сопротивление, то есть насколько изменяется напряжение при любой величине потребляемого тока.

Если бы у счётчика было точно такое же сопротивление, как у источника, то он показал бы ровно ПОЛОВИНУ правильного значения.

Если вам нужны показания с точностью до 1%, счётчик ДОЛЖЕН иметь сопротивление, как минимум в 100 раз превышающее сопротивление цепи. Обратите внимание, я говорю «ИМПЕДАНС», а не «сопротивление». Если вы измеряете цепь переменного тока, то любая проводимость переменного тока снижает импеданс измерителя, уменьшая измеряемое им напряжение.

Итак, если вам нужна высокая точность показаний 0,01%, ваш измеритель должен иметь сопротивление НЕ МЕНЕЕ 10 000 раз больше импеданса вашей цепи.

Теперь вы понимаете, почему на ваш вопрос нет однозначного ответа? Единственный правильный ответ заключается в том, что сопротивление измерителя должно быть не ниже необходимого для достижения необходимой вам точности.

Что такое амперметр, вольтметр и мультиметр? Чем они отличаются друг от друга?

Амперметр — это прибор для измерения электрического тока в амперах, что соответствует заряду в секунду.

Вольтметр — это прибор для измерения электрического потенциала в вольтах.

Оба прибора в простейшем случае представляют собой аналоговые или цифровые устройства с фиксированным диапазоном измерения, откалиброванные для измерения переменного или постоянного тока. Многие из них предназначены для установки в оборудование в качестве индикаторов или устройств для считывания показаний.

Стандартный Аналоговый Вольтметр

Стандартный Цифровой Вольтметр

Мультиметр — это комбинированный/интегрированный прибор, предназначенный для автономного тестирования. Он сочетает в себе вольтметр, амперметр для измерения переменного и постоянного тока (вольт и ампер), а также другие функции, как минимум, сопротивления и ёмкости. Он имеет переключаемые диапазоны измерения, например, основной диапазон показаний может охватывать диапазон от 200 мВ до 2000 вольт. Иногда переключение диапазонов происходит автоматически. Раньше такие приборы были аналоговыми (обычно называемыми вольтметрами), но в настоящее время большинство из них цифровые и называются цифровыми мультиметрами (DMM).

Ручной, портативный цифровой мультиметр: