Советы и рекомендации по использованию цифрового мультиметра (DMM)

Цифровой мультиметр (DMM) — это, пожалуй, самый полезный инструмент в коллекции техника по приборам. Этот испытательный прибор, если им правильно пользоваться, дает ценную информацию о состоянии и работе многих электрических и электронных систем. Мультиметр хорошего качества не только способен точно показывать электрическое напряжение, ток и сопротивление, но и полезен для более сложных тестов. Тема этого раздела — как использовать цифровой мультиметр для некоторых из этих сложных тестов. Для всех этих тестов я предлагаю использовать высококачественный полевой мультиметр. Я лично большой поклонник приборов марки Fluke, поскольку использовал эту марку почти всю свою профессиональную карьеру. Способность этих мультиметров точно измерять истинную среднеквадратичную амплитуду, различать сигналы переменного и постоянного тока, измерять сигналы переменного тока в широком диапазоне частот и выдерживать как механическое, так и электрическое воздействие, является, без преувеличения, выдающейся.

Регистрация неконтролируемых измерений

Многие современные мультиметры имеют функцию, которая регистрирует самые высокие и самые низкие измерения, обнаруженные во время теста. На мультиметрах марки Fluke это называется функцией Min/Max. Эта функция чрезвычайно полезна при диагностике периодических проблем, когда соответствующие напряжения или токи, указывающие или вызывающие проблему, не являются постоянными, а скорее появляются и исчезают. Много раз я использовал эту функцию для мониторинга сигнала с периодическим «сбоем», пока я занимался другими задачами.

Самая базовая функция захвата высокого-низкого уровня на мультиметре сообщает вам только самые высокие и самые низкие измеренные показания во время интервала теста (и то только в течение времени сканирования измерителя — очень короткий переходный сигнал может остаться незамеченным измерителем, если его длительность меньше времени сканирования измерителя). Более продвинутые мультиметры фактически регистрируют время, когда происходит событие, что, очевидно, является более полезной функцией. Если ваш бюджет на инструмент позволяет поддерживать цифровой мультиметр с возможностью «регистрации», потратьте дополнительные деньги и найдите время, чтобы узнать, как работает эта функция!

Избегание «фантомных» показаний напряжения

Моя первая «фишка»  состоит не столько в особенности высококачественного цифрового мультиметра, а сколько в решении распространенной проблемы, вызванной использованием этого самого высококачественного цифрового мультиметра. 

Большинство цифровых мультиметров демонстрируют очень высокое входное сопротивление в режимах измерения напряжения. Это похвально, так как идеальный вольтметр должен иметь бесконечное входное сопротивление (чтобы не «нагружать» измеряемый им сигнал напряжения). Однако в промышленных приложениях это высокое входное сопротивление может привести к тому, что измеритель будет регистрировать наличие напряжения там, где его по праву не должно быть.

Рассмотрим случай проверки отсутствия напряжения переменного тока на изолированном силовом проводнике, который случайно находится рядом с другими (находящимися под напряжением) силовыми проводниками переменного тока в пределах длинного отрезка кабелепровода:

При разомкнутом состоянии выключателя питания, питающего провод 5, не должно быть никакого переменного напряжения между проводом 5 и нейтралью (L2), однако вольтметр регистрирует немного более 10 вольт переменного тока. Это «фантомное напряжение» возникает из-за емкостной связи между проводом 5 и проводом 8 (все еще под напряжением) по всей длине их общих путей в кабелепроводе. Такие фантомные напряжения могут быть очень обманчивыми, если техник сталкивается с ними при устранении неисправностей неисправной электрической системы. Фантомные напряжения создают впечатление соединения (или, по крайней мере, высокоомного соединения), где на самом деле нет непрерывности. Показанный пример, где фантомное напряжение составляет 10,3 вольта по сравнению со значением напряжения источника 120 вольт, на самом деле довольно скромен. При увеличении паразитной емкости между проводниками (более длинные провода проходят в непосредственной близости и/или более одного «соседнего» провода под напряжением) величина фантомного напряжения начинает приближаться к величине напряжения источника.

Эквивалентная схема показана ниже, где цифровой мультиметр смоделирован как сопротивление 10 МОм:

Аналоговый вольтметр никогда бы не зарегистрировал 10,3 вольта при тех же условиях из-за его существенно более низкого входного сопротивления. Таким образом, показания «фантомного напряжения» являются продуктом современного испытательного оборудования больше, чем что-либо еще.

Очевидным решением этой проблемы является использование другого вольтметра — с гораздо меньшим входным сопротивлением. Но что делать технику, если его единственный вольтметр — это высокоомный цифровой мультиметр? Конечно, подключите небольшое сопротивление параллельно входным клеммам мультиметра! Fluke, как оказалось, продает именно этот тип аксессуара, «адаптер паразитного напряжения» SV225, с целью устранения паразитных показаний напряжения на высокоомном цифровом мультиметре:

При искусственном уменьшении входного сопротивления вольтметра за счет применения этого аксессуара емкостная связь недостаточна для создания существенного падения напряжения на входных клеммах вольтметра, что исключает. Теперь техник может с уверенностью приступить к проверке наличия управляющего сигнала переменного тока (или напряжения питания).

Бесконтактное определение переменного напряжения

В то время как последняя «фишка» мультиметра заключался в устранении паразитного эффекта, этот трюк является моделированием того же эффекта: показания «фантомного напряжения», полученные посредством ёмкостной связи высокоомного вольтметра с проводником, на который подано переменное напряжение (относительно земли). Вы можете использовать высокоомный вольтметр переменного тока для выполнения качественных измерений переменного напряжения питания с привязкой к земле, установив измеритель на максимально возможный чувствительный диапазон переменного тока, заземлив один измерительный провод и просто прикоснувшись другим измерительным проводом к изоляции проверяемого проводника. Наличие напряжения (обычно в диапазоне милливольт переменного тока) в непосредственной близости от находящегося под напряжением проводника будет указывать на возбуждение этого проводника. Этот трюк полезен для определения того, находятся ли под напряжением определенные провода переменного тока или управления в месте, где единственный доступ к этим проводам — это их изолирующие оболочки. Примером такой ситуации может служить ситуация, когда вы сняли крышку с колена кабелепровода или другого фитинга, чтобы получить доступ к жгуту проводов, и обнаружили, что эти провода помечены для легкой идентификации, но провода не заканчиваются какими-либо открытыми металлическими клеммами, к которым можно было бы прикоснуться наконечниками щупов мультиметра. В этом случае вы можете надежно подключить один щуп к корпусу металлического фитинга кабелепровода, одновременно по отдельности касаясь наконечником другого щупа нужных проводников (по одному за раз), наблюдая за показаниями счетчика в милливольтах переменного тока.

Несколько существенных оговорок ограничивают полезность этой «фишки»:

• Невозможность количественного измерения
• Возможность «ложноотрицательных» показаний (невозможность обнаружения присутствующего напряжения)
• Возможность «ложноположительных» показаний (обнаружение «фантомного напряжения» от соседнего проводника)
• Исключительная применимость к переменному напряжению значительной величины (≥ 100 В переменного тока)

Будучи только качественным тестом, показания милливольт, отображаемые высокоомным вольтметром, ничего не говорят вам о фактической величине переменного напряжения между проводником и землей. Хотя входное сопротивление измерителя довольно постоянно, паразитная емкость, образованная площадью поверхности наконечника щупа и толщиной (и диэлектрической проницаемостью) изоляции проводника, довольно изменчива. Однако в условиях, когда можно установить достоверность измерения (например, в случаях, когда вы можете прикоснуться наконечником щупа к проводнику, который, как известно, находится под напряжением, чтобы установить «базовый» сигнал милливольта), этот метод полезен для быстрой проверки состояния возбуждения проводников, где омический (металл-металл) контакт невозможен.

По той же причине сильно изменчивой паразитной ёмкости этот метод никогда не следует использовать для установления обесточивания проводника в целях безопасности. Единственный случай, когда вы должны доверять отсутствию показаний вольтметра относительно линейного напряжения, это когда тот же самый измеритель проверяется по известному источнику аналогичного напряжения в непосредственной близости, и когда тест выполняется с прямым контактом металла с металлом (наконечник щупа с проводом). Отсутствующий показания вольтметр может указывать на отсутствие опасного напряжения или на нечувствительный измеритель.

Обнаружение гармоник переменного тока

Наличие гармонических напряжений в системе питания переменного тока может вызвать множество неуловимых проблем. Существуют приборы для измерения качества электроэнергии для измерения гармонического содержания в системе питания, но удивительно хорошую качественную проверку гармоник можно выполнить с помощью мультиметра с функцией измерения частоты.

Настройка мультиметра на считывание переменного напряжения (или переменного тока, если это интересующая величина) и последующая активация функции измерения «частоты» должны дать измерение точно 60,0 Гц в правильно функционирующей системе питания (50,0 Гц в Европе и некоторых других частях мира). Единственный способ, которым счетчик должен когда-либо считывать что-либо существенно отличающееся от базовой частоты, — это если в цепи есть значительное гармоническое содержание. Например, если вы настроили мультиметр на измерение частоты переменного напряжения, а затем получили измерение 60 Гц, которое периодически подскакивало до некоторого более высокого значения (например, 78 Гц), а затем снова опускалось до 60 Гц, это будет означать, что ваш измеритель обнаруживает гармонические напряжения достаточной амплитуды, чтобы затруднить вашему измерителю «захват» основной частоты.

Очень важно отметить, что это грубый тест гармоник системы питания, и что измерения «твердой» базовой частоты не гарантируют отсутствия гармоник. Конечно, если ваш мультиметр выдает нестабильные показания при настройке на измерение частоты, это предполагает наличие сильных гармоник в цепи. Однако отсутствие такой нестабильности не обязательно означает, что цепь свободна от гармоник. Другими словами, стабильное показание частоты не является окончательным: цепь может быть свободна от гармоник, или гармоники могут быть настолько слабыми, что ваш мультиметр их игнорирует и отображает только основную частоту цепи.

Выявление шума в путях прохождения сигнала постоянного тока

Усугубляющим источником проблем в аналоговых электронных схемах является наличие переменного «шумового» напряжения, наложенного на сигналы постоянного тока. Такой «шум» сразу становится заметен, когда сигнал отображается на экране осциллографа, но сколько техников носят с собой портативный осциллограф для устранения неполадок?

Высококачественный мультиметр, демонстрирующий хорошую дискриминацию между измерением переменного и постоянного напряжения, очень полезен в качестве качественного прибора для обнаружения шума. Настройка мультиметра на считывание переменного напряжения и подключение его к источнику сигнала, где ожидается чистое (неизменное) постоянное напряжение, должно дать показание около нуля милливольт. Если на этот сигнал постоянного тока накладывается шум, он проявит себя как переменное напряжение, которое отобразит ваш измеритель.

Способность высококачественного (дискриминирующего) мультиметра измерять переменное напряжение не только полезна для обнаружения наличия «шумового» напряжения, наложенного на аналоговые сигналы постоянного тока, но и может дать подсказки относительно источника шума. Активировав функцию измерения частоты мультиметра во время измерения переменного напряжения (или милливольта переменного тока), вы сможете отслеживать частоту шума, чтобы увидеть ее значение и стабильность.

Однажды на работе я диагностировал проблему в аналоговой системе управления питанием, где устройство управления вело себя странно. Подозревая, что причиной проблемы может быть шум на линии измерительного сигнала, я настроил свой мультиметр Fluke на измерение переменного напряжения и измерил напряжение шума в несколько десятых вольта (наложенное на сигнал постоянного тока величиной в несколько вольт). Это сказало мне, что шум действительно был значительной проблемой. Нажав кнопку «Гц» на моем мультиметре, я измерил частоту шума 360 Гц, что является частотой «пульсации» шестиимпульсного (трехфазного) выпрямителя переменного тока в постоянный, работающего на базовой частоте 60 Гц. Это подсказало мне, где находится вероятный источник шума, что привело меня к физическому местоположению проблемы (плохой экран на кабельной трассе рядом с выходной проводкой выпрямителя мощности).

Генерирование тестовых напряжений

Современные цифровые мультиметры — это фантастически мощные измерительные приборы, но знаете ли вы, что они также способны генерировать простые тестовые сигналы? Хотя это не является конструкционной целью функций сопротивления и проверки диодов мультиметра, измеритель выдает низкое постоянное напряжение в каждой из этих настроек.

Это полезно при качественном тестировании определенных приборов, таких как электронные индикаторы, регистраторы, контроллеры, модули сбора данных и реле сигнализации, все из которых предназначены для ввода сигнала постоянного напряжения от резистора 250 Ом, проводящего электронный сигнал передатчика 4-20 мА. Установив мультиметр на функцию проверки сопротивления (Ω) или диода, а затем подключив измерительные провода к входным клеммам прибора, можно заметить реакцию прибора.

Конечно, это только качественный тест, поскольку мультиметры не предназначены для вывода какой-либо точной величины напряжения ни в режиме сопротивления, ни в режиме проверки диодов. Однако для тестирования основного отклика индикатора процесса, регистратора, контроллера, канала сбора данных, входа DCS или любых других устройств, принимающих сигнал постоянного тока, это удобно и полезно. В каждом мультиметре, с которым я когда-либо пробовал это, функция проверки диодов выдает больше напряжения, чем функция измерения сопротивления. Это дает вам два уровня генерации «тестового сигнала»: низкий уровень (сопротивление) и высокий уровень (проверка диодов). Если вы заинтересованы в использовании вашего мультиметра для генерации тестовых напряжений, я рекомендую вам уделить время подключению вашего мультиметра к вольтметру с высоким импедансом (например, другому цифровому мультиметру, настроенному на измерение постоянного напряжения) и записать, какое напряжение выдает ваш измеритель в каждом режиме. Знание этого позволит вам проводить тесты, которые являются скорее количественными, чем качественными.

Использование мультиметра в качестве временной перемычки

Часто в процессе диагностики проблем в электрических и электронных системах возникает необходимость временно соединить две или более точек в цепи, чтобы заставить их отреагировать. Это называется «перемычкой», а провода, используемые для создания таких временных соединений, называются проводами-перемычками.

Не раз я оказывался в ситуации, когда мне нужно было временно соединить две точки в цепи, но у меня не было с собой проводов для такого соединения. В таких случаях я узнал, что можно использовать тестовые провода мультиметра, подключив их к токоизмерительным гнездам прибора. Большинство цифровых мультиметров имеют отдельное гнездо для красного тестового провода, внутренне соединенного с низкоомным шунтом, ведущим к общему (черному) гнезду тестового провода. Когда красный тестовый провод подключен к этому гнезду, оба тестовых провода фактически являются общими и действуют как один провод.

Прикосновение измерительных проводов измерителя к двум точкам в цепи теперь «соединит» эти две точки вместе, любой ток, протекающий через шунтирующее сопротивление мультиметра. При желании измеритель может быть включен для контроля того, сколько тока проходит через «перемычку», если это имеет диагностическое значение.

Дополнительным преимуществом использования мультиметра в режиме измерения тока в качестве тестовой перемычки является то, что эта настройка обычно защищена от тока предохранителем внутри измерителя. Применение перемычек к цепи под напряжением может таить в себе некоторую опасность, если между этими двумя точками существует значительный потенциал и возможность источника тока: в тот момент, когда перемычка соединяет эти точки, внутри провода может возникнуть опасный ток. Использование мультиметра таким образом дает вам плавкую перемычку: дополнительную степень безопасности в вашей диагностической процедуре.

Магазин Gtest® предлагает широкий выбор мультиметров на своей страничке: https://gtest.com.ua/izmeritelnye-pribory/multimetry