Мультиметри. Запитання / Відповіді / Думки. Частина 3

ПРОДОВЖЕННЯ. Початок у Частину 1 та Частину 2

Розвінчання міфів про цифрові мультиметри: розуміння функцій та сфер застосування

Ринок цифрових мультиметрів (ЦММ) зазнав значних змін в останні роки, зумовлених розвитком технологій, зростанням попиту на прецизійні вимірювальні прилади та ускладненням електронних систем. Цифрові мультиметри стали незамінними інструментами для фахівців у різних галузях, включаючи електроніку, автомобілебудування, виробництво та телекомунікації. У цьому матеріалі представлений більш-менш всебічний огляд ринку цифрових мультиметрів, розглядаються ключові тенденції, чинники, проблеми та перспективи розвитку.

Огляд ринку:

Обсяг світового ринку цифрових мультиметрів у 2021 році оцінювався в 0,61 млрд. доларів США, і, за прогнозами, до 2031 року він досягне 1,1 млрд. доларів США, демонструючи середньорічний темп зростання 6,7% у період з 2022 по 2031 рік.

Цифрові мультиметри, також відомі як ЦММ або мультитестери, — універсальні прилади для вимірювання напруги, струму та опору в електронних ланцюгах. На відміну від аналогових, цифрові мультиметри відображають показання у вигляді числових значень, забезпечуючи більш високу точність та простоту використання. Ринок цифрових мультиметрів демонструє стійке зростання, зумовлене ускладненням електронних пристроїв, потребою в точних вимірах та швидким розвитком технологій.

Ключові фактори:

Технологічні досягнення: Індустрія цифрових мультиметрів переживає сплеск інновацій, виробники впроваджують такі передові функції, як автоматичний вибір діапазону, вимір справжнього середньоквадратичного значення (RMS) та можливості підключення. Ці технологічні досягнення підвищують ефективність і точність вимірювань, задовольняючи потреби фахівців, що змінюються.

Зростання попиту у виробництві електроніки: Поширення електронних пристроїв та постійна мініатюризація компонентів призвели до зростання попиту на точні вимірювальні прилади. Цифрові мультиметри відіграють ключову роль у контролі якості, діагностиці та технічному обслуговуванні в секторі виробництва електроніки, вносячи значний внесок у зростання ринку.

Підвищена увага до безпеки: Питання безпеки в різних галузях промисловості призвели до впровадження цифрових мультиметрів, які мають такі функції, як безконтактне визначення напруги, захист від перевантаження та висока якість складання. Ці функції безпеки роблять цифрові мультиметри незамінними інструментами для фахівців, які працюють в умовах високої небезпеки ураження електричним струмом. Інтеграція Інтернету речей та можливостей підключення: Інтеграція цифрових мультиметрів з Інтернетом речей (IoT) та можливостями підключення стала помітною тенденцією. Цифрові мультиметри, оснащені Bluetooth або USB-підключенням, дозволяють користувачам віддалено контролювати та записувати результати вимірювань, підвищуючи ефективність та спрощуючи аналіз даних.

Провідні гравці ринку: -

• 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

Який мультиметр найкраще підходить для вимірювання значень малопотужних та чутливих кіл: цифровий мультиметр із ручним вибором діапазону чи цифровий мультиметр із автоматичним вибором діапазону?

Що ви маєте на увазі під «низькою потужністю» і що ви маєте на увазі під «чутливим ланцюгом»?

Набагато важливіше, щоб вимірювач надавав якнайменше вплив на ланцюг. Ланцюг малої потужності з імпедансом порядку 1 ком не буде сильно схильний до впливу вхідного імпедансу 10 МОм навіть на недорогому цифровому мультиметрі. Якщо йдеться про ланцюгах з високим опором, то 10 МОм може бути занадто мало.

Діапазони вимірювання малих струмів практично будь-якого цифрового мультиметра зазвичай характеризуються досить високим опором, що може призвести до спотворення показань. Буває складно знайти мультиметри, в характеристиках яких зазначено.

Яка напруга використовує мультиметр для вимірювання опору?

При вимірі опору стандартний мультиметр не подає постійної напруги на навантаження, при цьому вимірює струм. Він робить навпаки: він подає відомий струм та вимірює напругу на навантаженні. Розмір струму залежить від діапазону: струм відносно невеликий для високих діапазонів і відносно великий для низьких діапазонів.

Нижче наведено деякі вимірювання, які я провів за допомогою портативного мультиметра Fluke 87. Наприклад, в діапазоні від 0 до 40 кОм мультиметр подає струм близько 10 мкА, а потім вимірює напругу на навантаженні. У діапазоні від 0 МОм до 4 МОМ мультиметр подає струм близько 0,1 мкА, а потім вимірює напругу на навантаженні.

Таким чином, це працює таким чином: мультиметр подає постійний струм через навантаження з деяким номінальним значенням, а потім вимірює напругу на навантаженні. Він також вимірює точне значення струму, вимірюючи падіння напруги на послідовному резисторі всередині мультиметра (наприклад, опором резисторі 10 Ом). Це можна так: лічильник спочатку обчислює струм за законом Ома (ділить напруга, виміряне на внутрішньому резисторі опором 10 Ом, на 10), та був за законом Ома обчислює опір навантаження (ділить напруга, виміряне на навантаженні, на струм). А якщо вдуматися, стає очевидно, що лічильник вимірює опір навантаження, вимірюючи ставлення двох напруг: напруги на внутрішньому резисторі і напруги на навантаженні.

Чи можна виміряти імпеданс мультиметром?

Деякі мультиметри можуть вимірювати змінний струм та напругу (приблизно до 1 кГц). Ці прилади дозволяють виміряти імпеданс (без урахування фазового кута між напругою та струмом).

Генератор сигналів та супутній осцилограф забезпечать грубе (8-бітове) вимірювання імпедансу при правильному налаштуванні. Більшість осцилографів використовують заземлений щуп, а більшість генераторів сигналів також мають заземлений вихід, тому вам доведеться або вимкнути генератор сигналів (кращий варіант), або використовувати диференціальний щуп для вимірювання напруги (непогана ідея, враховуючи обмежений дозвіл осцилографа). Я робив це в ті часи, коли був жебраком і не міг дозволити собі гарний аналізатор імпедансу… :-), і результати були прийнятними для цього випадку.

Існують також прилади для вимірювання ємності та індуктивності кросовера гучномовців. Їх можна примусово налаштувати для коректного виміру імпедансу, але тільки на одній частоті, оскільки вони видають сигнал збудження частотою близько 1 кГц. Існують спеціалізовані аналізатори імпедансу, які вимірюють фазовий кут і генерують сигнал збудження на частотах, що вибираються.

На роботі ми маємо Hioki IM3570, що працює від постійного струму до 3 МГц; він забезпечує 4-контактний вимір за шкалою Кельвіна. Але він недешевий – близько 6 тисяч доларів.

Яким має бути опір мультиметра під час вимірювання струму?

Інші респонденти відповіли: «Як можна менше». Насправді вони мають на увазі: "Як можна менше, забезпечуючи при цьому точність вимірювання".

Для вимірювання струму можна використовувати чотири компоненти/інструменти:

1. Шунтуючий резистор.

2. Трансформатор струму (тільки змінного струму).

3. Датчик Холла.

4. Схема амперметра із зворотним зв'язком.

У стандартному мультиметрі для вимірювання струму використовується резистор шунтування (№ 1 вище). Опір шунта не може бути 0 Ом з двох причин: а) резистора 0 Ом не існує, і б) навіть якби існував резистор 0 Ом, на ньому було б 0 незалежно від струму, що робить його марним для вимірювання струму. Опір шунта також може бути дуже, дуже малим, наприклад, 0,000000001 Ом. Чому? Тому що напруга на ньому також була б дуже малою. І точно виміряти вкрай низьку напругу складно. Якщо ви не використовуєте дуже дорогу схему, при вимірі дуже низьких напруг виникнуть проблеми з шумом та дрейфом. Результати вимірювань також будуть спотворені напругами, створюваними термоелектричними з'єднаннями ланцюга. Крім того, удачі вам у пошуках точного резистора з простежуваністю NIST та опором 0,000000001 Ом.

Отже…

Якщо опір шунта занадто малий, ставлення сигнал/шум (SNR) буде занадто низьким, і ви отримаєте зашумлені та неточні показання.

Якщо опір занадто великий, ви (ймовірно) внесете занадто багато перешкод у ланцюг. Інакше кажучи, вимір вплине струм. Найчастіше струм зменшується просто у процесі виміру. Винятком є ​​вимір струму джерела постійного струму; теоретично опір шунта не повинен впливати на нього (до певної межі). Таким чином, «найкраще» значення опору для резистора, що шунтує, — «не надто низьке, не надто високе». :) Вся справа у компромісах. Хороший інженер або технік сам підбере прийнятне значення для резистора шунтуючого в конкретному випадку.

Як визначити емітер, колектор та базу транзистора за допомогою мультиметра? Який опір більший: між базою та емітером чи між базою та колектором?

У біполярному транзисторі кожен PN-перехід є діодом. Отже, ви можете використовувати мультиметр для перевірки кожної пари висновків пристрою (при цьому третій висновок залишається непідключеним у кожному тесті), щоб визначити місце розташування та орієнтацію кожного діода. Не дивно, що це завдання спрощується, якщо на мультиметрі є функція перевірки діодів. Як би там не було, знайти «базу» транзистора відносно легко, але визначити, який із двох інших висновків є колектором чи емітером, складніше. Проте це можливо. Нижче я опишу методи пошуку бази, а потім методи пошуку двох інших висновків.

У пошуках Бази

Наприклад, у біполярному NPN-транзисторі є PN-перехід, утворений базою та колектором, і ще один PN-перехід, утворений базою та емітером. Таким чином, перевіряючи кожен кандидат на діод, можна визначити, який висновок є базою. Деякі цифрові мультиметри мають функцію перевірки діодів, яка дозволяє визначити, чи зміщений діод у прямому напрямку. Як правило, будь-який мультиметр повинен мати функцію омметра для вимірювання опору (з низьким значенням для виявлення коротких замикань (низький опір) або урвищ (високий опір)). Перевірте кожну з трьох пар (висновки 1+2, 1+3 і 2+3) в обох орієнтаціях (прямої та зворотної), щоб знайти два PN-діоди (зміщені у прямому напрямку (тобто з низьким опором), у яких «+» підключений до P, а «-»). Загальний висновок P буде базою. Два інші висновки будуть колектором та емітером.

Визначення висновків колектора та емітера

На жаль, немає простого способу надійно розрізнити ці два типи за допомогою звичайного мультиметра. Оскільки обидва PN-переходи є діодами з різко нелінійною залежністю струму від напруги, неможливо надійно виміряти «опір» (який в даному випадку не чітко визначено) кожного PN-переходу, щоб визначити, який з них який.

Таким чином, є два способи розрізнити колектор та емітер:

Якщо у вашому мультиметрі є функція перевірки діодів, яка вимірює падіння напруги на діоді, що перевіряється, з прямим зміщенням, ви можете порівняти падіння напруги на двох діодах-кандидатах. Діод з великим падінням напруги буде відповідати емітеру транзистора.

Якщо у вас немає складного мультиметра, вам знадобиться невелике додаткове налаштування, щоб визначити, який висновок є емітером, а який колектором. Вам потрібно зібрати просту схему для ефективного вимірювання коефіцієнта посилення біполярного транзистора в обох випадках.

Наприклад, (у разі NPN-транзистора), щоб визначити, який з них є колектором, а який емітером, можна зібрати просту вироджену схему із загальним емітером.

Ви можете виконати такі дії:

а. Підключіть один із потенційних колекторів/емітерів до резистора опором 2 кОм, підключеного до 5 В з іншого боку. Цей висновок — ваш «здогад», де знаходиться колектор.

б. Підключіть інші потенційні колектори/емітери до резистори опором 2 кОм, підключеного до 0 В з іншого боку. Цей висновок — ваш «здогад», де знаходиться емітер.

в. Підключіть виявлену базу до джерела постійної напруги 1 ст.

г. Виміряйте напругу на КОЖНОМУ з двох резисторів. Якщо обидва резистори приблизно дорівнюють 0,3 В (тобто 1 В мінус падіння напруги на діоді 0,7 В), то ваше припущення вірне. Емітер відстає від бази на 0,7, і струм через емітер дорівнює струму через колектор, тому на обох резисторах однакове падіння напруги. Однак, якщо падіння напруги на резисторі, підключеному до 0 В значно більше, то ваше припущення неправильне, і ваш транзистор «перевернуть».

Чим аналоговий мультиметр відрізняється від цифрового мультиметра і який з них точніше?

Аналогові вимірювачі використовують рухливу котушку та друкарську шкалу. У найпростіших вимірювачах, таких як класичний Simpson 260, вимірювач має механізм із опором 20 000 Ом на вольт, що означає, що для відхилення стрілки вимірника на повну шкалу потрібно 50 мкА. При шкалі 10 навантаження ланцюга становить 200 000 Ом. Це впливає на схему набагато сильніше, ніж 10 МОм цифрового вимірника.

Точність зчитування шкали аналогового вимірювача рідко вважається перевищує 1% і від правильного зчитування шкали користувачем. Але цифрові вимірювачі показують до 3,5 знаків на звичайних вимірювачах та до 4, 5 та 6 знаків на кращих лабораторних вимірювачах. Таким чином, ви можете легко дозволити 0,01%, що робить цифрові вимірювачі набагато більш високороздільні, і зазвичай точність порівнянна.

Таким чином, за навантаженням, роздільною здатністю та точності цифровий вимірювач беззастережно виграє. Однак їм потрібна батарея, і на них важко відстежувати тенденції. Деякі аналогові лічильники мають вхідні каскади з високим вхідним імпедансом, які посилюють сигнал і знижують навантаження на схему до мінімального рівня цифрових мультиметрів, але вони працюють від батарей і, як і раніше, не забезпечують високої роздільної здатності або точності показань, що набагато перевищує 1%.

Чи безпечно перевіряти ланцюг під напругою за допомогою мультиметра?

Дуже умовне «так». Все залежить від того, наскільки вона жива. Якщо це ланцюг 12, то проблем немає. Напруга до 50 В буде прийнятною, хоча навіть коротке замикання джерела живлення низької напруги, наприклад автомобільного акумулятора, може викликати проблеми.

Якщо йдеться про мережну напругу (більше 100 В або більше 200 В, залежно від вашого розташування), вона стає лише відносно безпечною. Необхідно дотримуватися обережності, щоб не торкатися голими руками до провідників під напругою, стежити за тим, щоб щуп не випадав з мультиметра, залишаючи кінець, що бовтається під напругою, і не замикати що-небудь щупами (останнє правило застосовно до будь-якої напруги, але наслідки короткого зами.

Все, що вище за мережну напругу, я б не чіпав без спеціальної підготовки та обладнання.

Пам'ятайте, що мережна напруга може вбити та вбиває.

Яким має бути опір мультиметра під час вимірювання напруги?

В ідеальному світі опір має бути «нескінченним». Це непрактично з багатьох причин. Одна з них – теоретична.

Напруга визначається як енергія на одиницю заряду, тому для вимірювання напруги необхідно принаймні пропустити один заряд і виміряти його енергію.

Однак, якщо якийсь заряд взагалі надходить, це може змінити напругу джерела, і показання будуть не такими, як до цього заряду.

Тому протягом усього мого життя я прагнув створювати мультиметри з усе більш високим вхідним опором, щоб менше впливати на ланцюг, що вимірюється.

У кожного ланцюга є свій власний опір, тобто наскільки змінюється напруга за будь-якої величини споживаного струму.

Якби у лічильника був такий самий опір, як у джерела, то він показав би рівно ПОЛОВИНУ правильного значення.

Якщо вам потрібні показання з точністю до 1%, лічильник повинен мати опір, що мінімум в 100 разів перевищує опір ланцюга. Зверніть увагу, я говорю «ІМПЕДАНС», а не «опір». Якщо ви вимірюєте ланцюг змінного струму, то будь-яка провідність змінного струму знижує імпеданс вимірювача, зменшуючи напругу, що вимірюється ним.

Отже, якщо вам потрібна висока точність показань 0,01%, ваш вимірювач повинен мати опір НЕ МЕНШЕ 10 000 разів більше за імпеданс вашого ланцюга.

Тепер ви розумієте, чому на ваше запитання немає однозначної відповіді? Єдина правильна відповідь полягає в тому, що опір вимірювача повинен бути не нижче необхідного для досягнення необхідної вам точності.

Що таке амперметр, вольтметр та мультиметр? Чим вони відрізняються одна від одної?

Амперметр – це прилад для вимірювання електричного струму в амперах, що відповідає заряду за секунду.

Вольтметр – це прилад для вимірювання електричного потенціалу у вольтах.

Обидва прилади в найпростішому випадку є аналоговими або цифровими пристроями з фіксованим діапазоном вимірювання, відкалібровані для вимірювання змінного або постійного струму. Багато з них призначені для встановлення в обладнання як індикатори або пристрої для зчитування показань.

Стандартний Аналоговий Вольтметр

Стандартний Цифровий Вольтметр

Мультиметр це комбінований/інтегрований прилад, призначений для автономного тестування. Він поєднує в собі вольтметр, амперметр для вимірювання змінного та постійного струму (вольт та ампер), а також інші функції, як мінімум, опору та ємності. Він має діапазони вимірювання, що перемикаються, наприклад, основний діапазон показань може охоплювати діапазон від 200 мВ до 2000 вольт. Іноді перемикання діапазонів відбувається автоматично. Раніше такі прилади були аналоговими (зазвичай званими вольтметрами), але в даний час більшість з них цифрові і називаються цифровими мультиметрами (DMM).

Ручний, портативний цифровий мультиметр:

DUOYI DY2201C, РК-цифровий універсальний та автомобільний мультиметр

Аналоговий Мультиметр:

Настільний цифровий мультиметр лабораторної якості: MDM8155А високоточний мультиметр

Далі буде

Магазин Gtest® - авторизований постачальник генераторів сигналів в Україну: https://gtest.com.ua/izmeritelnye-pribory/generatory

Постачання зі складу та на замовлення