Мультиметр

Мультиметр (от лат. multum — много и греч. μέτρον — мера), также тестер, авометр (ампервольтомметр) — электроизмерительный прибор, объединяющий в одном корпусе функции нескольких измерительных устройств. Минимальный набор функций мультиметра включает измерение напряжения, силы тока и электрического сопротивления. В зависимости от типа и класса прибора, мультиметр может также измерять ёмкость конденсаторов, индуктивность, частоту, температуру, параметры транзисторов и диодов, а также проверять целостность электрических цепей (прозвонка).

История

Первые комбинированные измерительные приборы появились в начале XX века. В 1920-х годах американский инженер Дональд Макэди (Donald Macadie), работавший в почтовом ведомстве Великобритании, создал устройство, способное измерять напряжение, ток и сопротивление. Он назвал его «Авометр» (Avometer) — от сокращения «Ампер-Вольт-Ом». В 1923 году компания Automatic Coil Winder and Electrical Equipment Company (ACWEECO) начала серийный выпуск этого прибора. Первый авометр был громоздким и имел низкую точность по современным меркам, но стал революционным для своего времени, избавив электриков от необходимости носить с собой несколько отдельных приборов.

В СССР первые мультиметры появились в 1930-х годах. Широкое распространение получили аналоговые тестеры серии Ц-20, Ц-40, Ц-4317 и другие. Они были выполнены на базе магнитоэлектрического измерительного механизма и использовались в промышленности, радиолюбительстве и быту. В 1960-х годах с развитием полупроводниковой электроники начали появляться цифровые мультиметры. Первый цифровой мультиметр был выпущен в 1967 году компанией Hewlett-Packard (ныне Keysight Technologies) — модель HP 3455A. С 1970-х годов цифровые мультиметры стали вытеснять аналоговые благодаря большей точности, удобству считывания показаний и возможности подключения к компьютерам.

Классификация

Мультиметры классифицируются по нескольким основным признакам.

По типу отображения информации

• Аналоговые (стрелочные) — используют магнитоэлектрический измерительный механизм с движущейся стрелкой и шкалой. Показания считываются визуально по положению стрелки. Обладают низкой точностью (класс точности обычно 1,5—4,0), но позволяют наглядно наблюдать динамику изменения сигнала. Требуют аккуратности при считывании (необходимо учитывать параллакс). В настоящее время используются редко, в основном в учебных целях или для настройки аналоговой аппаратуры.
• Цифровые (электронные) — преобразуют аналоговый сигнал в цифровой код с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП) и отображают результат на жидкокристаллическом (ЖК) или светодиодном (LED) дисплее. Обеспечивают высокую точность (класс точности от 0,5 до 0,01), автоматический выбор диапазона, запоминание результатов, интерфейсы для связи с ПК. Являются основным типом современных мультиметров.

По функциональным возможностям

• Базовые (простые) — измеряют напряжение постоянного и переменного тока, силу постоянного и переменного тока, сопротивление, проверяют диоды и целостность цепей (прозвонка). Часто имеют функцию автоматического выбора диапазона (Auto Range) и удержания показаний (Hold).
• Среднего класса — дополнительно измеряют ёмкость конденсаторов, частоту, температуру (с помощью термопары), коэффициент усиления транзисторов (hFE), скважность импульсов. Могут иметь функцию True RMS (истинное среднеквадратичное значение) для корректного измерения несинусоидальных сигналов.
• Профессиональные (прецизионные) — обладают высокой точностью (до 6,5 разрядов), широким диапазоном измерений, возможностью работы с высокими напряжениями и токами, встроенной памятью, интерфейсами RS-232, USB, Bluetooth, Wi-Fi для передачи данных на компьютер. Используются в лабораториях, метрологических службах, на производстве.

По конструктивному исполнению

• Ручные (портативные) — компактные, с автономным питанием (батарейки, аккумуляторы). Наиболее распространённый тип. Имеют защитный корпус, часто с прорезиненными вставками.
• Настольные (лабораторные) — стационарные, с питанием от сети переменного тока. Обычно более точные, имеют больший дисплей, более богатый функционал и интерфейсы для подключения к ПК.
• Клещи (токоизмерительные клещи) — разновидность мультиметра, позволяющая измерять силу тока без разрыва цепи, путём охвата проводника магнитной системой. Используются для измерения больших токов (до 1000 А и более) в промышленных установках.

Устройство и принцип работы

Основу цифрового мультиметра составляет аналого-цифровой преобразователь (АЦП) — чаще всего типа двойного интегрирования (dual-slope) или последовательного приближения (SAR). АЦП преобразует входное аналоговое напряжение в цифровой код, который затем обрабатывается микроконтроллером и выводится на дисплей.

Для измерения различных величин мультиметр использует набор резистивных делителей напряжения (для измерения напряжения), шунтов (для измерения тока) и опорных резисторов (для измерения сопротивления). Переключение между режимами и диапазонами осуществляется поворотным переключателем или кнопками.

Входной каскад мультиметра содержит защитные цепи: предохранители (для защиты от перегрузок по току), варисторы и газоразрядные разрядники (для защиты от перенапряжений), а также ограничительные резисторы. Современные мультиметры имеют категорию безопасности (CAT I, CAT II, CAT III, CAT IV), определяющую допустимое напряжение и условия эксплуатации.

Характеристики

Основные характеристики мультиметра:

• Разрядность — количество знаков после запятой на дисплее. Например, 3½ разряда означает, что прибор может отображать значения от 0 до 1999 (три полных разряда и один старший, принимающий значение 0 или 1). 4½ разряда — от 0 до 19999. Чем больше разрядов, тем выше разрешающая способность.
• Точность — выражается в процентах от показания (% rdg) и от диапазона (% dgt). Например, ±(0,5% + 3 ед. счёта) означает, что погрешность составляет 0,5% от измеряемого значения плюс 3 единицы младшего разряда.
• Диапазон измерений — минимальное и максимальное значение, которое может измерить прибор в каждом режиме.
• Входное сопротивление — для измерения напряжения. Чем оно выше, тем меньше влияние прибора на измеряемую цепь. У цифровых мультиметров обычно составляет 10 МОм.
• Частотный диапазон — для измерения переменного напряжения и тока. Обычно от 40 Гц до 1 кГц для простых моделей, до 100 кГц и выше для профессиональных.
• Категория безопасности — CAT I (до 50 В), CAT II (до 300 В), CAT III (до 600 В), CAT IV (до 1000 В). Определяет максимальное напряжение и уровень защиты от переходных импульсов.

Применение

Мультиметр является универсальным инструментом в электротехнике и электронике. Основные области применения:

• Электротехника — проверка целостности проводов и кабелей (прозвонка), измерение напряжения в розетках и распределительных щитах, измерение тока в нагрузке, проверка исправности предохранителей, выключателей, реле.
• Электроника — измерение напряжений питания и сигналов в схемах, проверка диодов, транзисторов, конденсаторов, резисторов, настройка и ремонт радиоаппаратуры, блоков питания, усилителей.
• Автомобильная диагностика — проверка напряжения аккумулятора, генератора, датчиков, цепей зажигания, поиск утечек тока.
• Бытовая техника — диагностика неисправностей стиральных машин, холодильников, телевизоров, зарядных устройств.
• Лабораторные исследования — прецизионные мультиметры используются для калибровки и поверки других измерительных приборов, в научных экспериментах.
• Образование — мультиметры широко применяются в учебных заведениях для обучения основам электротехники и электроники.

Правила безопасности

При работе с мультиметром необходимо соблюдать следующие правила:

• Перед началом измерений убедиться, что прибор исправен, а щупы не имеют повреждений изоляции.
• Выбирать правильный режим и диапазон измерений. Нельзя измерять напряжение в режиме измерения тока или сопротивления — это может привести к повреждению прибора и травме.
• При измерении напряжения или тока в цепях с напряжением выше 60 В постоянного тока или 30 В переменного тока использовать средства индивидуальной защиты (диэлектрические перчатки, коврики).
• Не превышать максимальное входное напряжение, указанное на приборе и в документации.
• После работы выключать прибор и отсоединять щупы.
• Не использовать мультиметр в условиях повышенной влажности или взрывоопасной среде.

Интересные факты

• Самый точный в мире мультиметр — Fluke 8508A — имеет разрешение 8,5 разрядов и погрешность менее 0,0001%.
• В 2020 году компания Keysight Technologies выпустила мультиметр с возможностью измерения тока до 10 000 А с помощью внешнего шунта.
• Первые цифровые мультиметры были размером с чемодан и весили более 10 кг.
• В СССР выпускался мультиметр Ц-4317, который до сих пор используется некоторыми радиолюбителями благодаря своей надёжности и простоте.
• В современных мультиметрах часто используется функция «автовыключение» для экономии батарей, если прибор не используется в течение определённого времени (обычно 15–30 минут).

Источники

• ГОСТ 22261-94 «Средства измерений электрических и магнитных величин. Общие технические условия».
• Паспорт и руководство по эксплуатации мультиметра Fluke 87V.
• «Электроизмерительные приборы» — учебник для вузов, под ред. В. А. Панфилова, 2005.
• «Цифровые мультиметры: устройство и применение» — статья в журнале «Радио», № 3, 2018.
• Каталог продукции Keysight Technologies (раздел «Цифровые мультиметры»).
• История компании Automatic Coil Winder and Electrical Equipment Company (ACWEECO).