Портативни цифрови мултимери

Принцип на действие, измервания, параметри и разновидности

Едва ли има друг електрически измервателен прибор, който да е толкова популярен, както мултимерът (мултицет). Специалистите с най-дълъг опит го познават и като стрелкови прибор наречен авомер, но това наименование не подхожда на модерните цифрови мултимери - освен ток (ампер - а), напрежение (волт - в) и съпротивление (ом - о) те измерват и много други величини.

Принцип на действие

Портативният цифров мултимер съдържа блок за измерване на постоянно напрежение и представянето му като число на дисплея. Идея за структурата на блока е дадена на фиг. 1, като напрежението се подава между букси V и СОМ. Буферът BUF осигурява голямото съпротивление (обикновено 1 или 10 MW) между буксите, необходимо за измерване на напрежение. Следва аналоговоцифров преобразувател ADC, който преобразува напрежението в число М. Когато се измерват други величини, те по подходящ начин се преобразуват в постоянно напрежение, а на дисплея се изписва и тяхното измерение. Цифровият блок DIG преобразува числото по подходящ начин за изобразяване на дисплея D. В зависимост от вида на мултимера, блокът DIG може да има множество други функции, например за запомня числото със или без запазване на показанието на дисплея заедно с датата и часът на провеждане на измерването. Блоковете BUF, ADC и DIG практически се реализират като интегрална схема.

Измервания

Трябва да се извършват само чрез свързващите сонди, давани като принадлежност към мултимера. За максимална точност на измерването на дисплея трябва да има най-големият възможен брой цифри.

При измерване на постоянно напрежение чрез превключвателя се избира обхватът, в който е очакваната стойност на напрежението. Когато тя е неизвестна се започва с най-големия обхват и след появата на показанието той евентуално се променя за осигуряване на максимално точно измерване, т. е. на най-много значещи цифри. При избора на обхват на входа на ADC се подава подходяща част от измерваното напрежение и същевременно се премества десетичната точка на дисплея. Минималното постоянно напрежение, което може да бъде измерено, е около 1 mV, а максималното - няколкостотин V.

При измерване на променливи напрежения мултимерът вътрешно ги преобразува в постоянни. Повечето мултимери могат да измерват само ефективни стойности на синусоидални напрежения, каквото би трябвало да е мрежовото. При всякаква друга форма преобразуването не е точно, като грешката е толкова по-голяма, колкото формата на напрежението е по-различно от синусоида. Съществуват и мултимери за точно измерване при произволна форма, означавани като True-RMS. В този случай вместо ефективна е правилно да се използва понятието средноквадратична стойност.

Не трябва да се забравя, че портативните мултимери могат да измерват променливи напрежения само със сравнително ниска честота - максималната й стойност е между няколкостотин Hz и няколко kHz. Напрежения с по-висока честота са безопасни за мултимера, но измерването им е грешно.

Измерването на постоянен ток се осъществява чрез прекъсване на токовата верига и “вмъкване” в нея на мултимера, включен на токов обхват. Токът протича през вграден в мултимера прецизен резистор и обуславя върху него напрежение, което се измерва. За да не се променят реално условията на работа на веригата поради включването на мултимера, трябва резисторът да е с достатъчно малко съпротивление - напрежението върху него не надхвърля 0,2 V. Минималният измерван ток е около 1 микроампер, а максималният най-често е 2 А, но доста мултимери мерят и до 10 А.

Съществува реална опасност от повреда на мултимера при протичане на ток над максималния му обхват. За нейното избягване вграден предпазител автоматично прекъсва веригата, а възстановяването на действието му става чрез натискане на бутон. Важно е да се има предвид, че обхватът над 2 А в мултимерите е без предпазител и няма защита от повреда. Все пак някои прибори допускат двойно по-голям ток за десетина s, който трябва да бъде последван от “почивка” за десетина минути.

Аналогично и с подобни граници е измерването на променлив ток. В сила са същите ограниченията за честотата, както при измерване на променливо напрежение.

Едно от масовите приложения на мултимерите е за проверка на наличието на електрическа верига, например изправността на проводник, електрическа връзка или затворен контакт. За целта мултимерът пропуска постоянен ток около 1 mA и при наличие на верига на дисплея се появяват нули, което обикновено е съпроводено със звуков сигнал. По принцип наличието на верига означава нейно съпротивление под определена стойност, обикновено около 50 ома. Липсата на верига се индицира с “1” на дисплея. По същия начин може да се провери дали даден високоговорител или слушалки (но не и тонколони) не са прекъснали. Две са основните правила, които трябва да се спазват при тази проверка. На първо място захранващото напрежение на схемата, в която е проверяваната верига, трябва да бъде изключено. Освен това трябва да сме сигурни, че успоредно на проверяваната верига няма друга, например не може да се установи дали контакт на реле е отворен, ако успоредно на него има друг затворен.

За измерване на съпротивления (например на лампи, нагреватели, резистори) мултимерът установява през елемента точно определен постоянен ток, чиято стойност зависи от избрания обхват и измерва напрежението върху елемента, като показанието е непосредствено в ома (или производни). Минималното измервано съпротивление е около 1 ом, а максималното - няколко десетки мегаома. И при измерване на съпротивления трябва да се спазват някои правила. Най-добре е елементът да не е свързан в никаква електрическа верига. Когато това е трудно осъществимо, трябва поне единият му извод да се изключи от веригата и на нея да не е подадено напрежение. Последното е в сила и при свързан във веригата елемент, но тогава трябва да сме сигурни, че успоредно на него няма друг. Все пак е допустимо наличието на успоредно свързан кондензатор, но той задължително трябва да е разреден. Второто правило се отнася за измерване на съпротивления над десетина kW. Не трябва двата извода на елемента едновременно да бъдат хванати с ръка, тъй като успоредно на него ще свърже съпротивлението на част от тялото ни, което в някои случаи (например влажни ръце) може да е само няколко десетки kW. Така измерването ще се окаже грешно.

Специфична и полезна възможност на мултимерите е определянето на вида на неизвестен термистор. За целта се измерва съпротивлението му и след това той се нагрява, например със сешоар или поялник. Увеличаването на съпротивлението означава, че термисторът е тип РТС (с положителен температурен коефициент), а при намаляването му - че е тип NTC (отрицателен температурен коефициент).

Все по-голяма част от съвременните мултимери са използват и за измерване на други електрически величини, както и на температура. Стойността на последната в определена точка извън мултимера се определя с помощта на термодвойка, свързана към него. Реално се измерва постоянното напрежение, което термодвойката създава в резултат на нагряването си, а мултимерът показва температурата в °С. Долната граница на измерваната температура е минус няколко десетки градуса, а горната зависи от типа на термодвойката и е между +400 и +1000°С.

С помощта на мултимер може да се проверява изправността на диоди, но само когато тази функция е предвидена в него. След нейния избор, диодът се свързва към съответния цокъл на лицевия панел на уреда или между изводите за измерване на напрежение. При изправен диод свързването му в едната посока определя показание на дисплея 0,5-0,7 V когато е маломощен и 0,7-1 V когато е мощен, а в другата посока показанието е за отворена верига. Всякакви други показания означават неизправен диод. Тази проверка може да се прави и за светодиоди, само ако мултимерът осигурява достатъчно голямо напрежение върху тях. Причината е, че те се отпушват при напрежение между 1,4 и 3,6 V в зависимост от цвета им.

По същия начин може да се провери изправността на маломощни биполярни транзистори, тъй като преходите им между базата и емитера и между базата и колектора имат поведение на диоди. Тази проверка не дава достоверни резултати за транзистори с вградени резистори или диоди (последните нерядко се поставят между колектора и емитера на мощни транзистори). Някои мултимери могат да измерват коефициента на усилване по ток (hFE или b) на биполярни транзистори.

С всеки мултимер може да се провери изправността на кондензатор, но най-напред той трябва да се разреди. При капацитет до около 1 mF разреждането се прави чрез даване накъсо на изводите на кондензатора. При по-голям капацитет разреждането трябва да се прави през резистор със съпротивление R около 10U, където U е работното напрежение на кондензатора и мощност около 200UC, като С е капацитетът на кондензатора. Времето за практически пълно разреждане на кондензатора е 5RC. Самата проверка се извършва чрез измерване на съпротивлението на кондензатора за постоянен ток. За целта мултимерът се поставя на най-големия си съпротивителен обхват и кондензаторът се свързва към клемите за измерване на съпротивление. Показанието на дисплея е “0” при даден накъсо кондензатор и “1” при изправен. Кондензаторите над няколко mF се зареждат сравнително бавно, през което време изписаното на дисплея съпротивление расте, докато надхвърли максималния обхват при пълно зареждане.

Измерването на капацитета на кондензатори става все по-популярно в портативните цифрови мултимери. Извършва се като през кондензатора се пропусне променлив ток I с определена честота f (обикновено 400 Hz), създаван в самия мултимер. Токът определя променливо напрежение UC=0,5I/(pfC) върху кондензатора, което се измерва и по неговата стойност мултимерът изчислява капацитета, който се изписва на дисплея. Могат да се измерват капацитети от няколко pF до няколко стотици mF.

Аналогично, но по-рядко може да се измерва индуктивност на бобини, електромагнити, намотки на релета и др. Напрежението върху нея е UL = 2pfLI и по него в мултимера се изчислява стойността й. Минималната измервана индуктивност е десетина 1 mH, а максималната - няколко десетки Н. Освен това може да се измери и омовото съпротивление на елемента по описания начин.

За измерване на честотата на променливо напрежение, то трябва да се подаде на буксите за измерване на напрежение и да се избере обхват, който е до 3 пъти по-голям от стойността му. След установяване на превключвателя на мултимера в съответното положение, стойността на честотата се получава на дисплея. Принципът на самото измерване е изяснен на фиг. 2. Чрез подходяща схема в мултимера се задава интервалът за измерване Ta, обикновено около 0,1 s. При първата промяна на напрежението от отрицателно в положително (точка А) започват да се броят периодите на вграден в мултимера генератор с честота fe. Това продължава до последната подобна промяна в рамките на интервала (точка В), като количеството на периодите е Ne. Следователно интервалът Tr е равен на NeTe, където Te = 1/fe е периодът на импулсите от генератора. Същевременно се преброяват и периодите Nx на напрежението (два на фиг. 2), а интервалът Tr е равен и на NxTx, като Tx = 1/fx и fx е търсената честота. От така полученото равенство NxTx = NeTe в блок DIG на мултимера се изчислява fx = Nxfe/Ne. Минималната измервана честота е честота е части от Hz, а максималната - няколко MHz.

По подобен начин може да се измерва и продължителността на правоъгълни импулси на напрежение, като е необходимо амплитудата им да е достатъчно голяма за избрания обхват. В началото на импулса започват да се броят периодите от генератора и броенето се прекратява в края му. При преброени импулси Ne, продължителността на измервания импулс е Ne/fe.

Аналогично е измерването на коефициента на запълване d на правоъгълни импулси - определя се продължителността t+ на положителния импулс, тази на отрицателния t- и в блок DIG се изчислява d = t+/(t+ + t-).

Основни параметри

Разредността показва броя на цифрите, с които измерваната величина се изписва на дисплея без значение къде е десетичната точка. Портативните мултимери най-често са 3 1/2-разредни, което означава дисплей с 4 цифри, но първата може да е само 1 или изгасена. Следователно за величини, започващи с 1, мултимерът е 4-разреден, а за останалите е 3-разреден. По-малко са 4 1/2-разредните портативни мултимери. Има и 3 3/4-разредни с първа цифра между 0 и 3 или 0 и 5, последвана от още 3 цифри.

Друг основен параметър е грешката на измерване, която по принцип зависи от вида и стойността на измерваната величина и от обхвата. Определянето на грешката при дадено измерване може да стане с помощта на данните от проспекта на конкретния модел, но най-общо казано, измерването е толкова по-точно, колкото величината е по-близка до горния край на обхвата.

Разновидности на мултимерите

Много голямото разнообразие на приложенията и необходимостта от отчитане на специфични техни особености налага въвеждането на допълнителни функции и съответно създаване на различни видове мултимери. На първо място това са мултимерите с автоматично избиране на обхвати, които осигуряват минимално възможната грешка и ускоряват работата. Те имат само превключвател за избор на вида на измерваната величина. Запомнящите мултимери могат да съхраняват в паметта си до няколко хиляди резултата заедно с датата и часа на провеждане на измерването, както и да определят тяхната минимална, средна и максимална стойност. За наблюдаване на формата на измерваното променливо напрежение има мултимери, комбиниращи функцията на едно- или двулъчев осцилоскоп. Друга комбинация е на мултимер с фазомер. Между последния и обикновените фазомери са комбинираните пробници, които работят като фазомер и същевременно чрез няколко светодиода показват приблизителната стойност на напрежението.