Мультиметр: как выбрать и измерять без ошибок

Категория измерений: защита от импульсов

Самое опасное для прибора и человека в сети — не рабочее напряжение, а короткие импульсные перенапряжения от коммутации двигателей, конденсаторов, преобразователей частоты и молний. Если импульс пробивает промежуток между входами прибора, через прибор и щупы течёт ток короткого замыкания сети, а дуга может перекинуться с щупов на зажимы — это дуговой разряд с ожогами, а не просто сгоревший прибор (Fluke, «ABCs of multimeter safety»).

Стандарт IEC 61010-1 делит электроустановку на категории измерений по тому, насколько сильные импульсы возможны в точке измерения: импульс затухает, проходя через импеданс проводки, поэтому у ввода в здание он самый мощный, а в электронике за блоком питания — самый слабый. Подробнее о маркировке — в словарной статье «Категория измерений».

Категории и испытательные импульсы — по таблицам 1 и 2 документа Fluke 1263690J. В более ранних документах (руководство Fluke 114–117) низшую категорию называют CAT I. Из таблицы следуют три правила:

• Число вольт сравнивают только внутри категории. CAT II 1000 В и CAT III 600 В испытывают одним и тем же импульсом 6 кВ, но у CAT III источник 2 Ом, а у CAT II — 12 Ом: ток импульса для CAT III в шесть раз больше. Прибор CAT III 600 В защищён лучше.
• Выбирают по самому опасному месту, где прибор может оказаться. Для настольной электроники хватает CAT II, но если тем же прибором проверяют щиток — нужна CAT III.
• Наружные линии — всегда CAT IV, даже если это 230 В до сарая: в них наводятся импульсы от молний.

Токовые входы и предохранители

В режиме тока прибор — почти перемычка: у входа 10 А Fluke сопротивление около 0,01 Ом против 10 МОм на входе напряжения. Если оставить щуп в гнезде A и приложить его к источнику напряжения, положение переключателя уже не важно — через прибор идёт ток короткого замыкания. Единственное, что его остановит, — предохранитель токового входа.

Поэтому у предохранителя мультиметра нормированы не только ток и скорость, но и напряжение и отключающая способность — наибольший ток короткого замыкания, который он разорвёт без взрыва и повторного пробоя дугой («Отключающая способность»):

Миниатюрный стеклянный предохранитель того же номинального тока рассчитан на другое напряжение и другой ток отключения; Fluke предупреждает, что с неуказанным предохранителем защита прибора может быть нарушена. Руководство Fluke 115/117 описывает и проверку предохранителя самим прибором — делайте её перед измерением тока.

Полезные признаки защищённого прибора: предупреждение при неверном гнезде (Fluke 115 и 117 при повороте переключателя на A показывают LEAd и подают сигнал; у 114 входа A нет), защита входа V/Ω от перегрузки и раздельные гнёзда мА и A у приборов, которые меряют малые токи.

Входное сопротивление: 10 МОм и LoZ

На пределах напряжения входное сопротивление Fluke 87V — 10 МОм (меньше 100 пФ параллельно). В высокоомных цепях этого уже мало: прибор становится параллельной нагрузкой («Входное сопротивление»). Пример — ниже.

У электриков обратная задача: на отключённом проводе, проложенном рядом с живым, высокоомный вход показывает наведённое через ёмкость «призрачное» напряжение. Для этого у Fluke 114 и 117 есть режим Auto-V LoZ с входным сопротивлением около 3 кОм: наводка под такой нагрузкой садится, а реальное напряжение сети остаётся. В схемах электроники LoZ не нужен — 3 кОм заметно нагружают большинство узлов.

True RMS и коэффициент амплитуды

Переменное напряжение мультиметр показывает как действующее значение. Простые приборы измеряют средневыпрямленное значение и умножают его на 1,11 — коэффициент формы синуса: Vrms = 0,707·Vpk = 1,11·Vavg (Keysight 5988-6916). На синусе это верно, на меандре прибор покажет на 10 % больше, а на токе нелинейной нагрузки — импульсном, как у блока питания компьютера, — до 50 % меньше (Fluke, «Why True RMS?»). True RMS вычисляет действующее значение по определению («True RMS»).

Но и у True RMS есть границы:

• Коэффициент амплитуды — отношение пика к действующему значению («Коэффициент амплитуды»). Fluke 87V допускает 3 на полной шкале и 6 на половине; для несинусоидальных сигналов к погрешности добавляют типично 2 % показания и 2 % шкалы. Fluke 114–117 — 3 при 4000 единиц с линейным спадом до 1,5 на полной шкале.
• Нижняя граница предела. Переменные пределы 114–117 нормированы от 1 % предела, 87V — от 3 %; при замкнутых щупах прибор True RMS может показывать несколько единиц — это не неисправность.
• Полоса частот. У 87V погрешность ± (0,7 % + 2…4) нормирована на 45–65 Гц и растёт к килогерцам. Для ШИМ и импульсов в электронике мультиметр — плохой инструмент.
• Закрытый вход. Режим V~ закрыт по постоянному току: на сигнале с постоянной составляющей прибор покажет только переменную часть.

Пик, действующее и среднее значение для синуса, меандра, треугольника и импульсов считает калькулятор RMS и пиковых значений.

Точность: как читать «± (% + единицы)»

Погрешность цифрового прибора задают двумя слагаемыми: долей от показания и числом единиц младшего разряда (Fluke 87V — при 18–28 °C, на год после калибровки). Вторая часть зависит от предела, поэтому одно и то же напряжение на разных пределах измеряется с разной точностью. Шаг показаний задаёт счёт дисплея: у 87V — 6000 единиц, в режиме высокого разрешения — 19 999.

Вне 18–28 °C добавляется температурная составляющая: у 87V — 0,05 × погрешность на каждый градус. И погрешность действует, пока прибор поверен: о том, как его показания связаны с эталоном, — в статье «Метрологическая прослеживаемость».

Ток: падение напряжения на приборе

Амперметр включают в разрыв, и падение на его шунте вычитается из напряжения нагрузки. У Fluke 87V типичное падение — 100 мкВ на мкА на пределах 600 и 6000 мкА, 1,8 мВ на мА на пределах 60 и 400 мА и 0,03 В на А на пределах 6 и 10 А («Burden voltage»). По перегрузке: вход 400 мА держит 400 мА длительно, вход 10 А — 10 А длительно до 35 °C и 20 А не дольше 30 с. Для токов потребления микроконтроллера в спящем режиме важнее именно малое падение на нижнем пределе.

Сопротивление, прозвонка и диоды

Омметр сам подаёт ток в измеряемый элемент. У Fluke 87V он типично 1 мА на пределе 600 Ом и падает до 0,5 мкА на пределе 50 МОм; режим проверки диода — предел 3,000 В при токе около 0,6 мА. Поэтому в схеме все три режима применяют только без питания и после разряда конденсаторов (Fluke 114–117): чужое напряжение исказит показание и может повредить прибор, а параллельные цепи схемы занижают сопротивление.

Прозвонка — быстрый поиск обрывов и замыканий, а не измерение: у Fluke 114–117 сигнал включается ниже 20 Ом и выключается выше 250 Ом. Точное сопротивление меряют режимом Ω, а малое — четырёхпроводным методом («Четырёхпроводное измерение»).

Пример: погрешность трёх измерений

1. Напряжение 5,000 В на пределе 6,000 В (наш расчёт по характеристикам Fluke):

У Fluke 87V результат 5,000 ± 0,004 В. Прибор класса Fluke 114 на том же пределе: 0,5 % · 5 В + 2 · 0,001 В = ± 0,027 В — в восемь раз хуже.

2. Напряжение 0,1 В. На пределе 6,000 В единица разряда — 1 мВ, и 87V даёт 0,00005 + 0,001 ≈ ± 1,05 мВ, то есть около 1 % показания. На пределе 600,0 мВ: 0,1 % · 100 мВ + 0,1 мВ = ± 0,2 мВ — 0,2 %. Наш вывод: малые напряжения измеряют на нижнем пределе, автоматический выбор предела это обычно и делает.

3. Влияние 10 МОм. Делитель из двух резисторов по 1 МОм от 10 В: в средней точке 5 В, выходное сопротивление делителя 0,5 МОм. Вольтметр 10 МОм покажет 5 · 10 / (10 + 0,5) ≈ 4,76 В — на 4,8 % меньше (наш расчёт). Это больше погрешности любого мультиметра: в высокоомных узлах учитывайте нагрузку прибором или измеряйте через буферный повторитель. Делитель считает калькулятор делителя напряжения.

4. Ток 50 мА на пределе 60 мА: падение на 87V 1,8 мВ/мА · 50 мА = 90 мВ (наш расчёт). Для нагрузки от 3,3 В это 2,7 % напряжения питания — ток с прибором в цепи будет чуть меньше, чем без него.

Безопасная работа

• Перед измерением напряжения проверьте, что красный щуп не в гнезде тока.
• Метод трёх точек: проверьте прибор на заведомо живой цепи, потом измеряйте объект, потом снова проверьте живую цепь — так видно, что прибор не отказал посередине (Fluke).
• На живых цепях сначала подключают щуп общего провода, потом фазный; снимают в обратном порядке. Пальцы — за упорами щупов. Прибор лучше повесить или положить, чем держать в руках.
• Щупы: целая изоляция и та же категория, напряжение и ток, что у прибора; Fluke советует проверять щупы на целостность перед работой и не пользоваться ими, если показания высокие или нестабильные.

Частые ошибки

• «1000 V» без категории. Напряжение на корпусе — предел измерения, а не стойкость к импульсам; смотрите категорию и знак испытательной лаборатории.
• Дешёвые щупы к хорошему прибору. Категория системы — по самому слабому звену.
• Неоригинальный предохранитель. Без нормированной отключающей способности защита токового входа не работает.
• Малое напряжение на большом пределе. Единицы младшего разряда съедают точность.
• Усредняющий прибор на несинусоиде. Ошибка до десятков процентов; нужен True RMS с запасом по коэффициенту амплитуды.
• Сопротивление в схеме под питанием. Показание неверно, прибор под угрозой.