Чем отличаются дешёвые мультиметры от промышленных

.
.
.



Tak Tsang, Agilent Technologies



____Ни для кого не секрет, что электрические и механические перегрузки укорачивают жизнь портативного мультиметра. Но некоторые инструменты переносят плохое обращение намного более стойко, чем другие.
____Ручной цифровой мультиметр (HHDMM) сегодня легко можно купить на eBay за 20 долларов, и даже дешевле. Но еще легче найти на Интернет форумах посты с плачем по поводу плохой точности и надежности таких мультиметров, если и не всех, то многих из них. Совершенно очевидно, что между приборами разных ценовых диапазонов должны быть существенные различия.


____Пользователи, давно работающие с измерительными приборами, возможно, помнят времена, когда портативные мультиметры имели, в основном, аналоговые стрелочные шкалы. Сейчас они практически исчезли, и иногда встречаются лишь в изделиях нижнего ценового сегмента. Основным аргументом в защиту аналоговых шкал обычно была возможность удобного наблюдения за тенденциями в изменении измеряемого параметра. В последние годы этот аргумент звучит менее убедительно, поскольку возросшая скорость выборки мультиметров позволяет им точнее отслеживать динамику поведения входных величин. Однако главным недостатком стрелочных мультиметров является их входной импеданс, значительно более низкий, чем у цифровых приборов, из-за которого их точность оказывается намного хуже, чем у цифровых конкурентов.
____Корпуса, в которые прячется электроника мультиметров, как правило, изготавливаются из ABS пластика, и могут считаться относительно долговечными. Однако их конструкция очень сильно зависит от цены прибора. Наименее дорогие мультиметры часто выпускаются в простых прямоугольных корпусах, поскольку затраты на изготовление пресс-форм для них минимальны. Сложные контуры корпусов увеличивают начальную стоимость пресс-форм, но изготовители мультиметров считают это оправданным компромиссом.
____Скругление углов корпуса – лишь одна из многочисленных стратегий защиты от неизбежных падений и ударов. Например, второй уровень защиты мультиметра U1273A обеспечивается многослойным литьем, создающим второй слой корпуса из упругой, напоминающей резину пластмассы PC/ABS, закрывающий те поверхности, вероятность подвергнуть ударам которые особенно высока. Этот второй текстурированный слой, в сочетании с «приталенной» формой, образуют корпус, очень удобно лежащий в руке. Промышленные мультиметры конструируются таким образом, чтобы без повреждений выдерживать падение под любым углом с высоты 1 м на поверхность из твердой древесины, как это предписывается спецификацией IEC 61010. В некоторых приборах меньшего размера используется более дешевый способ защиты от падений: сделанные из эластичной пластмассы обтягивающие хольстеры.


____Изучив, как собираются корпуса недорогих мультиметров, вы обнаружите, что в большинстве случаев они состоят из двух половинок, скрепленных саморезами. Проблема в том, что элементы питания и предохранители находятся внутри прибора. Периодическое вскрытие корпусов для их обслуживания может стать утомительным. В устройствах класса High-End, таких, как U1273A, используются отдельные батарейные отсеки с индивидуальной крышкой и кольцевым уплотнением, которые фиксируются винтом для металла. Это позволяет в условиях пыли и влаги промышленной атмосферы обеспечить мультиметру защиту уровня IP54. Однако встречаются подобные мультиметры не очень часто.



____В простейших мультиметрах используются 3½-разрядные жидкокристаллические (ЖК) дисплеи. Каждая цифра состоит из семи сегментов, образуя привычную восьмерку. Приборы с расширенным набором функций имеют дополнительные элементы индикации, отображающие единицы измерения, вид напряжения (переменное или постоянное) и т. д. Фактически, каждый изготовитель заказывает ЖК-индикаторы c собственной конфигурацией элементов, не все из которых могут отображаться в более дешевых моделях.
____Но, несмотря на постоянное совершенствование технологии ЖК-индикаторов, они по-прежнему имеют плохой контраст, небольшой угол обзора, и становятся инерционными в холодную погоду. Дешевизна и малое потребление мощности – единственные причины, побуждающие изготовителей идти на компромисс, устанавливая ЖК-индикаторы в свои приборы.


____Не во всех мультиметрах используются ЖК-индикаторы. Например, в приборе Agilent U1273A установлен матричный OLED дисплей с разрешением 128 × 64 точек. OLED отличаются исключительно высоким уровнем контраста, позволяющим считывать показания из противоположного конца помещения, и большим углом обзора, достигающим 160°. И, кончено же, матричные дисплеи могут отображать любую информацию, а не только цифры.
____Сердцем мультиметра является аналого-цифровой преобразователь (АЦП). АЦП, появившиеся еще в первых мультиметрах начала 1970-х годов, вы можете обнаружить в некоторых приборах и сейчас, 40 лет спустя. Многие радиолюбители до сих пор используют микросхему Intersil ICL7106 – недорогую, простую в обращении и легко встраиваемую в любую схему. В ICL7106 содержится один АЦП двойного интегрирования и схема управления 3½-разрядным дисплеем, неторопливо обновляющая показания с темпом 2 отсчета в секунду. Не многие электронные приборы имеют такую многолетнюю историю.
____В современных высококачественных цифровых мультиметрах используются АЦП намного более совершенные и быстрые, чем микросхема Intersil, способные решать множество задач. Как правило, это 24-битные дельта-сигма преобразователи, привлекательные сочетанием невысокой цены и хорошей точности. 24-битные устройства позволяют отображать максимальное число 30,000, обновляемое со скоростью 7 отсчетов в секунду, в то время как показания аналоговой шкалы одновременно могут регенерироваться 50 раз в секунду.
____Разумеется, для АЦП с более высоким разрешением требуются и более качественные источники опорного напряжения, а также прецизионные матрицы входных делителей. Совокупность всех схемных решений намного улучшает метрологические характеристики мультиметров. Быстродействия этих АЦП достаточно для выполнения различных дополнительных функций, таких как измерение частоты, преобразование среднеквадратичного значения, автоматический выбор диапазона измерений и контроль температуры.
____Любительский мультиметр на основе микросхемы 7106 мало пригоден для исследования схем с микропроцессорами. Но в современных приборах содержатся контроллеры достаточной производительности, чтобы обрабатывать большие потоки данных измерений. Оснащенные более мощными контроллерами, современные мультиметры способны решать задачи абсолютно недоступные дешевым моделям. Среди таких задач может быть автоматическая коррекция блуждающих напряжений, порождаемых токами утечки или термо ЭДС, измерение уровня гармоник, отображение результатов в дбВ или в дБм относительно опорного резистора, выбираемые масштабные коэффициенты для считывания показаний датчиков K или J термопар, синхронизируемая событиями регистрация данных с автоудержанием и многое другое.
____Нельзя забывать и о такой важной характеристике, как временной дрейф параметров. Просмотрев спецификации недорогого мультиметра, скорее всего, вы не обнаружите никаких упоминаний о том, как долго прибор сохраняет первоначальные настройки. Хотя, даже в дешевых приборах предусмотрены средства повторной калибровки. Как правило, это подстроечные резисторы на печатной плате, использовавшиеся при первоначальной установке параметров на выходе из производства. Проблема в том, что средняя стоимость поверки и калибровки прибора в аккредитованной лаборатории зачатую превышает стоимость самого устройства.
____В отличие от любительских, промышленные мультиметры, такие как U1273A, рассчитаны на годичный калибровочный цикл, в полном соответствии со стандартной отраслевой практикой. В приборе нет никаких подстроечных потенциометров. Все калибровки выполняются программно. Обмен информацией производится через ИК порт, расположенный на обратной стороне мультиметра. Весь процесс перекалибровки может быть автоматизирован.



____Иногда мультиметры приходится использовать в опасных условиях. Самый распространенный случай – измерения в промышленных силовых схемах, энергии которых достаточно для возникновения электрической дуги, представляющей угрозу для здоровья и жизни. Представьте, что оператор по ошибке вставил контакты щупов в гнезда для измерения тока, а не напряжения. В промышленной сети это может стать причиной замыкания, последствия которого будут смертельными. В коммерческом и жилом секторе защиту в такой ситуации обеспечили бы автоматические размыкатели цепи, однако в промышленных установках размыкатели и предохранители рассчитаны на несоизмеримо более высокие уровни энергий, и служить защитой от случайного замыкания щупами мультиметра не могут. Это значит, что защитить пользователя может только мультиметр.


____Надлежащим образом сконструированный мультиметр имеет высокоимпедансный вход с защитой от напряжений высоких энергий. А в батарейном отсеке приборов, подобных U1273A, можно увидеть два специальных предохранителя, каждый из которых защищает одно из двух гнезд, предназначенных для измерения силы тока. Изготовители предохранителей разрабатывают их специально для таких задач. Они достаточно малы, чтобы поместиться внутри прибора, но способны разорвать электрическую дугу с током до 10,000 А. Это специальные предохранители, и цена их весьма высока. Заменять их дешевыми аналогами категорически запрещено. В любительских мультиметрах подобной защиты нет. По этой причине любительские мультиметры никогда не должны использоваться для проверки промышленного оборудования.
____Случайные короткие замыкания – не единственная опасность, от которой должен защищать цифровой мультиметр. Не менее неприятны короткие броски напряжения амплитудой в несколько тысяч вольт, длящиеся в течение единиц миллисекунд. Самыми распространенными источниками таких всплесков являются грозовые разряды. При столь высоком напряжении эти всплески легко могут вызвать возникновение дуги между двумя расположенными рядом металлическими поверхностями. Проблема в том, что в отличие от простого статического разряда, всплеск напряжения на промышленном источнике питания затухает не сразу. Повышенное напряжение в линиях промышленной сети может сохраняться и после прекращения разряда. В воздухе достаточно проводящей плазмы для возникновения дуги, энергия которой, в свою очередь, порождает еще больше плазмы, поддерживающей разряд.
____Небольшие размеры корпусов мультиметров создают большие сложности разработчикам, которые должны расположить металлические поверхности как можно дальше друг от друга. Стандартом IEC определены минимальные длины путей утечки по поверхности и между контактами печатной платы, но для промышленных, коммерческих и домашних схем эти нормы различны. Любительские мультиметры не отвечают тем требованиям стандарта, которые соблюдены в промышленных приборах. Требования к длине путей утечки косвенно определяют минимальные размеры корпусов. Именно этим и объясняется, почему размеры современных мультиметров практически не отличаются от выпускавшихся в 1970-е годы.



источник