Скидка на подшипники из наличия!
Новое поступление товара в 2026 году!
Как работает мультиметр — вопрос, за которым стоит несколько разных физических задач, объединённых в одном корпусе. Прибор измеряет напряжение, силу тока и сопротивление, а в современных моделях ещё и частоту, ёмкость, температуру и параметры полупроводников. В основе всех режимов лежит общий принцип: измеряемую величину преобразуют в напряжение, которое затем оценивает либо стрелочный механизм, либо аналого-цифровой преобразователь.
Ниже разобрано устройство и принцип измерения мультиметра по каждой функции: как входной делитель и шунт приводят сигнал к рабочему диапазону, как работает АЦП в цифровом приборе, чем измерение переменного тока отличается от постоянного и почему важна разница между аналоговым и цифровым исполнением. Терминология и обозначения даны в привязке к действующим стандартам средств измерений.
Мультиметр (ампервольтомметр, тестер) — комбинированный электроизмерительный прибор, в минимальном наборе объединяющий вольтметр, амперметр и омметр. К базовым функциям почти всегда добавлены проверка целостности цепи («прозвонка») и тест полупроводникового перехода, а в расширенных моделях — измерение частоты, ёмкости, температуры и ряда других величин.
Несмотря на разнообразие режимов, аппаратное ядро прибора едино. Любую измеряемую величину схема сводит к напряжению постоянного тока в стандартном диапазоне, удобном для измерительного узла. Дальше это напряжение либо отклоняет стрелку магнитоэлектрического механизма (аналоговый прибор), либо оцифровывается АЦП и выводится на дисплей (цифровой прибор).
Назначение каждого режима и характерный способ подключения прибора к цепи сведены в таблицу.
Вольтметр включается параллельно тому участку, напряжение на котором нужно измерить. Чтобы прибор почти не отбирал ток и не искажал режим цепи, его входное сопротивление делают максимально большим.
У типового цифрового вольтметра входное сопротивление около 10 МОм и, в отличие от аналогового прибора, практически не зависит от выбранного предела.
Измеряемое напряжение в общем случае превышает то, которое способно принять измерительное ядро, поэтому на входе стоит резистивный делитель (входной аттенюатор). Переключатель пределов меняет коэффициент деления так, чтобы на ядро всегда попадала доля полной величины, лежащая в его рабочем окне. Именно поэтому при ручном выборе предел указывают заведомо больше ожидаемого значения, а при автоматическом — этим занимается логика прибора.
k = (R1 + R2) / R2
R2
U_яд = U_вх / k
У аналогового прибора роль преобразователя напряжения в отклонение играет тот же магнитоэлектрический механизм, но последовательно с ним включают добавочные резисторы: чем выше предел, тем больше добавочное сопротивление. Принцип общий — привести измеряемое напряжение к величине, безопасной и удобной для индикатора.
Амперметр, наоборот, включают последовательно — в разрыв цепи, чтобы через прибор протекал весь измеряемый ток. Здесь требование к сопротивлению противоположное: оно должно быть как можно меньше, иначе прибор заметно изменит ток и упадёт лишнее напряжение.
Непосредственно измерить ток схема не умеет — она работает с напряжением. Поэтому ток пропускают через точный резистор малого номинала, шунт, и измеряют падение напряжения на нём. По закону Ома это падение прямо пропорционально току.
I = U_ш / R_ш
U_ш
R_ш
R_ш = 0,01 Ом
I = 2 А
U_ш = 2 × 0,01 = 0,02 В
Для разных диапазонов используют разные шунты, переключаемые тем же галетным переключателем. Сильноточный режим почти всегда выведен на отдельное гнездо и защищён собственным предохранителем — это конструктивная мера против перегрузки.
Падение напряжения, вносимое прибором в режиме амперметра, у портативных моделей обычно невелико. Тем не менее длительное измерение большого тока нагревает шунт и внутренние элементы, поэтому такие измерения выполняют кратко, а очень большие токи измеряют бесконтактно — токовыми клещами.
В режиме омметра прибор использует собственный источник энергии. Через измеряемый элемент пропускается стабилизированный ток от внутренней схемы, и измеряется возникающее на нём падение напряжения. Зная заданный ток и измеренное напряжение, прибор вычисляет сопротивление по закону Ома.
R = U / I
I
U
Из принципа вытекает важное практическое правило: измерение сопротивления проводят только на обесточенном участке. Постороннее напряжение в цепи искажает результат и способно повредить прибор. Кроме того, измеряемый резистор не должен быть зашунтирован параллельными ветвями — иначе измеряется сопротивление всей группы, а не отдельного элемента.
Режим прозвонки — частный случай омметра: при сопротивлении ниже некоторого порога прибор подаёт звуковой сигнал, что позволяет проверять целостность проводников, не глядя на дисплей. Режим проверки диода пропускает через переход небольшой ток и показывает прямое падение напряжения на нём, по которому судят об исправности и типе полупроводникового элемента.
Постоянное напряжение не меняется во времени, и оцифровать его просто. С переменным сигналом сложнее: его мгновенное значение непрерывно меняется, а характеризовать его принято действующим (среднеквадратичным, RMS) значением — тем, которое по тепловому действию эквивалентно постоянному напряжению той же величины.
Чтобы измерить переменную величину, прибор сначала преобразует её к постоянному напряжению. Здесь есть два подхода, и от выбора зависит точность.
В простых приборах сигнал выпрямляется, вычисляется его среднее значение, а затем результат умножается на постоянный коэффициент, связывающий среднее и среднеквадратичное значения идеальной синусоиды. Для синусоиды этот коэффициент составляет около 1,11. Метод корректен, пока форма сигнала близка к синусоидальной; на искажённых, импульсных и несинусоидальных сигналах он даёт ошибку.
Приборы с маркировкой True RMS вычисляют действующее значение непосредственно из формы сигнала, а не домножают среднее на фиксированный коэффициент. Благодаря этому они корректно измеряют несинусоидальные и искажённые сигналы — например, на выходе преобразователей частоты и нелинейных нагрузок.
Точность True RMS сохраняется только внутри указанного для прибора частотного диапазона. За его пределами погрешность растёт, поэтому при работе с высокочастотными или резко несинусоидальными сигналами всегда сверяются с паспортным частотным окном.
Сердце цифрового мультиметра — аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Он превращает приведённое к рабочему диапазону постоянное напряжение в число, которое управляющая логика пересчитывает в показание с учётом выбранного предела и выводит на дисплей. В мультиметрах применяют интегрирующие АЦП — они медленнее быстрых преобразователей, но обеспечивают высокую помехоустойчивость и линейность, что для измерительного прибора важнее скорости.
Классическая для тестеров схема. Преобразование идёт в две стадии. Сначала входное напряжение в течение фиксированного времени интегрируется — конденсатор заряжается тем быстрее, чем больше напряжение. Затем вход переключается на опорное напряжение противоположной полярности, и интегратор разряжается с постоянной скоростью; время разряда измеряется счётчиком. Это время прямо пропорционально входному напряжению, а результат счёта и есть цифровой код.
t1
U_вх
t2
t2 / t1
В современных приборах распространены сигма-дельта преобразователи. Сигнал оцифровывается на частоте, многократно превышающей необходимую, а затем цифровой фильтр выделяет полезную полосу. Такой АЦП даёт высокую линейность и разрешение, а в сочетании с микроконтроллером позволяет реализовать автоматическую установку нуля и самокалибровку.
Хотя цифровые приборы вытеснили стрелочные в большинстве задач, понимание различий помогает выбрать инструмент под конкретную работу.
В его основе — магнитоэлектрический механизм (по сути микроамперметр). Для измерения напряжения к нему добавляют добавочные резисторы, для тока — шунты, а переменный сигнал перед механизмом выпрямляют диодами. Ключевая характеристика стрелочного вольтметра — чувствительность, выраженная в омах на вольт: она определяет входное сопротивление на данном пределе.
50 мкА
1 / 0,00005 = 20 000 Ом/В
Отсюда главный недостаток: на высоких пределах входное сопротивление стрелочного вольтметра остаётся сравнительно низким, и в высокоомных цепях прибор занижает показания. Шкала омметра у стрелочного прибора нелинейная и обратная (нулю сопротивления соответствует крайнее отклонение).
Входное сопротивление высокое и постоянное на всех пределах напряжения, отсчёт прямой и однозначный, доступны дополнительные функции и автоматический выбор предела. Платой за это становится зависимость от исправного питания и, в дешёвых моделях, чувствительность к помехам на быстро меняющихся сигналах.
Чтобы понимать, насколько можно доверять показанию, нужно различать три величины: разрядность дисплея, способ нормирования погрешности и класс точности.
Разрядность определяет, сколько значащих цифр выводит дисплей. Запись «3,5 разряда» означает три полноценных разряда (0–9) и один старший с ограниченным диапазоном, что соответствует показаниям примерно до 1999 — около 2000 отсчётов. Прибор «4,5 разряда» доходит примерно до 19999 (порядка 20000 отсчётов) и обеспечивает более тонкое разрешение. Разрядность характеризует разрешающую способность, но сама по себе не равна точности.
Предел допускаемой погрешности цифрового мультиметра обычно задают в виде суммы двух слагаемых: процента от показания и нескольких единиц младшего разряда.
±(a% + N ед.)
a%
N
±(1,0% + 3)
100,0 В
0,1 В
0,01 × 100,0 + 3 × 0,1 = 1,0 + 0,3 = 1,3 В
98,7
101,3 В
Погрешность измерения переменного сигнала, как правило, выше, чем постоянного, и быстро растёт с частотой за пределами рабочего диапазона прибора. Паспортные значения всегда привязаны к конкретному пределу и частотному окну.
Общие положения деления средств измерений на классы точности, способы нормирования метрологических характеристик и обозначения классов устанавливает профильный стандарт государственной системы обеспечения единства измерений. Для конкретного прибора нормируемые характеристики и форма выражения погрешности приводятся в его эксплуатационной документации; именно ею, а не общими оценками, следует руководствоваться при ответственных измерениях.
Безопасность мультиметра определяется не только диапазоном измеряемого напряжения, но и способностью выдержать кратковременные перенапряжения (переходные импульсы), характерные для разных точек электросети. Для этого введены категории измерений CAT I–CAT IV. Чем ближе точка измерения к источнику питания и вводу, тем выше энергия возможного импульса и тем выше требуемая категория.
Маркировка прибора объединяет категорию и напряжение, например «CAT III» с указанием номинального напряжения. Один и тот же прибор может иметь более высокое допустимое напряжение в менее тяжёлой категории и более низкое — в более тяжёлой. Щупы и измерительные провода имеют собственную категорию и должны быть не ниже категории прибора.
Общие требования безопасности к контрольно-измерительным приборам устанавливает базовый стандарт серии, а частные требования к ручным мультиметрам, измеряющим сетевое напряжение, и к испытательным и измерительным цепям — отдельные части той же серии. Выводы, предназначенные для измерения сетевого напряжения, должны иметь категорию не ниже CAT III. Подбирайте прибор и принадлежности по категории той цепи, в которой ведётся работа.
Прибор включается последовательно, ток проходит через точный резистор малого сопротивления — шунт. На шунте возникает падение напряжения, пропорциональное току; именно это напряжение измеряет схема и пересчитывает в значение тока по закону Ома.
Вольтметр имеет очень высокое сопротивление и почти не отбирает ток, поэтому его включают параллельно участку, не нарушая режим цепи. Амперметр, наоборот, имеет очень малое сопротивление и должен пропускать через себя весь измеряемый ток, поэтому его ставят в разрыв цепи.
АЦП измеряет постоянное напряжение, приведённое входными цепями к его рабочему диапазону. Любая функция — ток, сопротивление, переменное напряжение — предварительно преобразуется в такое напряжение, которое АЦП превращает в цифровой код.
Обычный прибор выпрямляет сигнал, усредняет его и умножает на коэффициент, верный только для идеальной синусоиды. Прибор True RMS вычисляет действующее значение непосредственно из формы сигнала, поэтому корректно измеряет искажённые и несинусоидальные сигналы в пределах своего частотного диапазона.
Это предел допускаемой погрешности: процент берётся от текущего показания, а к нему добавляется фиксированное число единиц младшего разряда дисплея. Первая часть зависит от величины сигнала, вторая — постоянная добавка, заметная при малых показаниях.
В режиме омметра прибор сам пропускает через элемент известный ток от внутреннего источника. Постороннее напряжение в цепи складывается с измерительным, искажает результат и может повредить прибор. Кроме того, параллельные ветви занижают измеренное сопротивление.
Это разрешающая способность: «3,5 разряда» означает три полных разряда и один старший с ограниченным диапазоном, то есть показания примерно до 1999. Разрядность определяет, насколько мелко прибор различает значения, но сама по себе не равна точности — точность задаётся пределом допускаемой погрешности.
Категория измерений показывает, какие переходные перенапряжения прибор безопасно выдерживает в данной точке электроустановки. Чем ближе к вводу и источнику питания ведётся измерение, тем выше требуемая категория. Прибор и щупы должны соответствовать категории и напряжению измеряемой цепи.
Вы можете задать любой вопрос на тему нашей продукции или работы нашего сайта.