Мультиметры. Виды и работа. Применение и измерение. Выбираем мультиметр

Публикации по КИПиА

Некоторые основы

Разрешение, разрядность и отсчеты

Характеристика мультиметра, называемая разрешением, количественно определяет степень точности измерений, которые может выполнять прибор. Зная величину разрешения измерительного прибора, можно определить, сможет ли он обнаружить небольшое изменение в измеряемом сигнале.

Например, если разрешение цифрового мультиметра составляет 1 мВ для диапазона 4 В, при напряжении в 1 В можно увидеть изменение, равное 1 мВ (1/1000 одного вольта). Вы бы не стали покупать линейку с ценой деления один дюйм (или один сантиметр) при необходимости измерений с точностью до четверти дюйма (или одного миллиметра).

Градусник, измеряющий температуру тела только в целых градусах, будет малопригоден, если учесть, что нормальная температура тела составляет 36,6 °C. Вам необходим градусник с разрешением в одну десятую градуса.

Термины «разряды» и «отсчеты» используются для характеристики величины разрешения измерительного прибора. Цифровые мультиметры классифицируются по количеству отсчетов или разрядов, которые они отображают. Измерительный прибор с разрешением в 3 и 1⁄2 разряда отображает три полных разряда в диапазоне от 0 до 9 и один «полуразряд», в котором отображается только «1» или разряд остается пустым.

Измерительный прибор с разрешением в 3 и 1⁄2 разряда отображает до 1999 отсчетов разрешения. Измерительный прибор с разрешением в 4 и 1⁄2 разряда отображает до 19 999 отсчетов разрешения.

Характеристика измерительного прибора в отсчетах разрешения является более точной, чем в разрядах. Современные измерительные приборы с разрядностью в 3 и 1⁄2 разряда могут иметь еще большее разрешение до 3200, 4000 или 6000 отсчетов. Для некоторых измерений приборы с 3200 отсчетами обеспечивают более высокое разрешение.

Например, измерительный прибор с 1999 отсчетами не сможет выполнить измерение с точностью до одной десятой вольта, если вы измеряете напряжение, равное 200 В и выше. Тем не менее измерительный прибор с 3200 отсчетами отобразит одну десятую вольта при напряжении до 320 В. Если вы измеряете напряжение до 320 В, разрешение не отличается от разрешения более дорогих измерительных приборов с 20 000 отсчетов.

Погрешность

Погрешностью называется самая большая допустимая ошибка, возникающая при определенных рабочих условиях. Иными словами, это обозначение того, насколько близки отображаемые измерительным прибором величины к фактическому значению измеряемого сигнала.

Погрешность цифрового мультиметра обычно выражена в процентах от показания. Погрешность, равная одному проценту от показания, говорит о том, что для отображаемого значения в 100 В фактическое значение напряжения может быть любым в пределах от 99 до 101 В.

В технических характеристиках также может быть указан диапазон разрядов, который добавляется к базовой характеристике погрешности. Это значение обозначает число отсчетов, на которое может изменяться крайний правый разряд на дисплее. Таким образом, погрешность из предыдущего примера можно выразить в виде ± (1 % + 2). Таким образом,для отображенного значения в 100 В фактическое значение напряжения будет находиться в пределах от 98,8 до 101,2 В.

Характеристики аналогового измерительного прибора задаются погрешностью относительно полной шкалы, а не относительно отображенного значения. Типичная погрешность аналогового измерительного прибора составляет ± 2 % или ± 3 % от полной шкалы. Погрешность, равная одной десятой от полной шкалы, становится погрешностью, равной от 20 до 30 % от показания.

Типичная основная погрешность цифрового мультиметра находится в пределах от ± (0,7 % + 1) до ± (0,1 % + 1) от показания и ниже.

Закон Ома

Напряжение, силу тока и сопротивление в любом участке электрической цепи можно рассчитать с помощью закона Ома, который связывает между собой напряжение, силу ток и сопротивление. Из школьного курса физики известно, что напряжение равняется силе тока, умноженной на сопротивление (см. рис. 1).

Таким образом, если известны любые два значения в формуле, третье значение можно определить. В цифровом мультиметре закон Ома используется для непосредственного измерения и отображения значений сопротивления, силы тока или напряжения. Ниже вы узнаете, как использовать цифровой мультиметр для быстрого получения необходимой информации.

Если вы сталкиваетесь по работе или дома с ремонтом бытовой, автомобильной, промышленной и прочей электроники, занимаетесь электропроводкой и пр., то для поиска неисправностей вам необходим универсальный измерительный прибор – мультиметр . Он способен измерять все основные электрические параметры – вольты, амперы, омы, выполнять прозвонку цепей и p-n переходов, замерять емкости и коэффициент усиления транзисторов. Для многих прикладных задач вполне достаточно такого прибора, чтобы сделать заключение об исправности/неисправности и найти поломку.

Разновидности мультиметров

Все мультиметры принято делить на стрелочные и электронные. По внешнему виду они отличаются способом отображения результатов измерений. Первые оснащаются стрелочным индикатором, на котором имеется множество шкал для разных замеров: своя шкала для измерения сопротивлений, разных пределов напряжений, токов и пр.

Электронный мультиметр оснащается цифровым жидкокристаллическим экраном, на котором обычными арабскими цифрами отображаются измеренные значения. В работе он однозначно удобнее стрелочного. У стрелочного прибора велика вероятность неправильного считывания данных в зависимости от угла зрения или неточной калибровки шкалы. В электронных этот момент исключен, так как вам не требуется сопоставлять положение стрелки со шкалой – на экране отображается измеренное значение. Кроме того, электронные мультиметры «прощают» пользователю некоторые ошибки во время работы. В зависимости от сложности прибора, в электронных приборах допускается неправильный выбор полюсов измерительных щупов, неверная установка пределов измерения и пр.

В основном в магазинах продаются электронные мультиметры, так как аналоговые капризнее и неудобнее в эксплуатации. Они, в свою очередь, подразделяются на:

• мультиметры , используемые для измерения большинства электрических величин;
• клещи , в основном применяемые для измерения токов бесконтактным способом, а также других электрических характеристик;
• детекторы , позволяющие определять места, где проходит скрытая проводка;
• компактные тестеры для оперативного контроля электрических цепей.

Выбор мультиметра по характеристикам

Для начала стоит посмотреть, что умеет измерять мультиметр. Обычно такой прибор измеряет:

• напряжение в нескольких диапазонах (пределах), начиная от мВ и заканчивая сотнями вольт;
• ток – также в нескольких диапазонах;
• постоянное и переменное напряжение , а также постоянный и переменный ток ;
• сопротивление – в нескольких пределах, обычно от единиц Ом до МОм;
• выполняет прозвонку цепей с подачей звукового сигнала;
• позволяет оценить коэффициент усиления транзистора .

Хорошо, если мультиметр выполняет оценку работоспособности p-n переходов (позволяет прозванивать диоды и транзисторы и делать оценку их исправности), а также оценивать значения емкости и индуктивности. Эти функции увеличивают стоимость прибора, но значительно расширяют спектр его использования. При этом необходимо отметить, что измерение емкости и индуктивности в универсальных мультиметрах выполняется с высокой погрешностью и пригодно только для оценочных измерений. Если вам требуется точно измерять эти электрические параметры – необходимо использовать специализированные приборы.

Смотрим на погрешность

Любое измерение – в том числе и электрических величин выполняется с погрешностью. Она является такой же характеристикой прибора, как и его пределы измерений. Понятно, что чем точнее прибор измеряет, тем дороже он стоит, так как для достижения высокой точности требуется устанавливать элементы с точными характеристиками. Мультиметры обеспечивают погрешность измерений с точностью от 0,025 до 3%. При этом погрешность измерений в разных пределах и для различных величин также различается и указывается в инструкции по эксплуатации и паспорте на прибор.

Для бытового использования, когда вам требуется выполнить такие операции как:

• замерить напряжение аккумулятора, батарейки или сетевого напряжения;
• выполнить прозвонку проводки или цепей;
• другие несложные электрические измерения,

вполне достаточно мультиметров с погрешностью 2-3% .

Для точных измерений, когда мультиметр используется для ремонта электронной техники, такая погрешность оказывается велика. Есть правило, что измерительный прибор следует выбирать так, чтобы его погрешность была в три раза меньше пределов изменений контролируемой величины. Например, вам требуется измерить напряжение 3,3 В плюс-минус 0,1 В. В этом случае нужно использовать мультиметр, измеряющий напряжение с погрешностью 1 % или лучше, так как пределы изменения контролируемого параметра - 3%.

Диапазоны измерения

Следующий важный момент – измерительные диапазоны. Они показывают в каких пределах, для измерения каких величин можно использовать прибор. Причем обращать внимание нужно как на верхний предел измерения, так и на нижний. Особенно важно точно соблюдать требования по верхнему пределу измерений. Если указано, что прибор не может измерять напряжение величиной более 500 В , не стоит забиться с ним в старый телевизор для замера параметров на электродах кинескопа. Это небезопасно как для прибора, так и для вас. Прибор в лучшем случае уйдет в ограничение, если у него есть встроенная защита, а в худшем – сгорит.

Аналогичное справедливо и для измерения токов и других параметров. Обратите внимание на то, что для цепей постоянного и переменного тока пределы измерений бывают разными. Не стоит использовать мультиметр и для измерения величин, которые находятся ниже его предела. Если прибор, например, не способен замерить точно миллиомы или милливольты, то не стоит и пытаться, так как мультиметр будет что-то показывать, но верить его показаниям за установленными производителем пределами измерений нельзя.

Диапазон измерений электрических величин обычно разбивается производителями на несколько пределов, например, от 1 до 10 В, от 10 до 100 В и от 100 до 500 В и т.д. Это делается из-за того, что обеспечить необходимую погрешность измерений во всем диапазоне невозможно. Поэтому при переключении пределов производится выбор измерительной схемы, обеспечивающей нужную точность в указанном диапазоне. Современные мультиметры нередко «прощают» владельцам ошибки при выборе пределов измерений, автоматически выбирая нужный и сообщая об этом индикацией на экране. Но не стоит путать измерение разных электрических величин – особенно напряжения и тока, так как это приведет к плачевным результатам из-за короткого замыкания. если включить режим амперметра вместо вольтметра.

Дисплей, эргономика прибора и щупы

Обязательно обратите внимание на удобство использования мультиметра. Экран должен быть ярким и информативным. В зависимости от типа и цены прибора, результаты измерения демонстрируются с точностью до сотых и тысячных долей после запятой. Но при этом следует понимать, что смысл в возможности демонстрации точных значений есть только тогда, когда мультиметр обладает низкой погрешностью измерений.

Посмотрите на переключатель режимов работы. Он должен быть удобным, четко переключаться и при этом быть хорошо закрепленным. Если это не так, то со временем переключатель разболтается и выбирать нужный режим станет неудобно и сложно.

Посмотрите на входы для подключения измерительных щупов. Они должны обеспечивать надежный контакт с щупом, но при этом исключать возможный контакт человека с токопроводящими цепями в месте соединения. Это, во-первых, обеспечивает безопасность, а во-вторых, исключает влияние на измеряемые параметры. Сам мультиметр должен быть эргономичным и удобно помещаться на столе или в руке, чтобы замеры выполнялись точно и быстро.

Обязательно следует оценить качество щупов. Они должны плотно входить в предназначенные для них разъемы на приборе, контакты не должны люфтить и болтаться, обеспечивая постоянный и надежный контакт. Провода щупов должны быть прочными и надежными, выдерживать изгибы, а изоляция – не перетираться. Электроды на концах щупов, с помощью которых выполняются измерения, должны быть острыми и удобными для того, чтобы добраться в труднодоступное место.

Дополнительные функции

Кроме измерения электрических величин, мультиметры оснащаются дополнительными функциями. Очень полезно, например, наличие функции прозвонки. Вы присоединяете электроды к двум отрезкам цепи. Если контакт есть, раздается звуковой сигнал, а на экране обычно одновременно демонстрируется сопротивление цепи. Режим используется для проверки целостности электрических цепей в приборах, проводке и пр. Стоит отметить, что это один из наиболее часто используемых режимов работы мультиметра. Вместо него можно использовать режим измерения сопротивления, но прозвонка удобна тем, что при ее использовании выдается звуковой сигнал и не надо отвлекаться на экран.

Нередко в устройства включается режим проверки коэффициента усиления транзисторов. Результат получается с высокой погрешностью, но этого достаточно для того, чтобы проверить исправность транзистора, для чего эта функция и нужна. В некоторых устройствах есть функция проверки исправности p-n перехода . Его можно прозвонить омметром – оценивая величину омического сопротивления в прямом и обратном направлении, а можно, подавая небольшое напряжение. В этом случае, при прямом включении падение напряжения на p-n переходе составляет 0,4-0,6 В. Такая функция удобна тем, что позволяет делать оценку исправности переходов, не выпаивая элементы из плат, что с помощью омметра не всегда возможно. Конечно, эта функция, является оценочной, но в поиске неисправностей здорово помогает.

Полезно наличие измерения значений емкостей и индуктивностей. Универсальные мультиметры выполняют эти измерения не очень точно, но для оценки исправности и проверки деталей этого часто бывает достаточно. Кроме того, дополнительно производитель может встроить в прибор термометр. С его помощью можно, например, замерить температуру элементов схемы и оценить – не перегреваются ли силовые элементы в источники питания и пр.

Питание мультиметров обычно осуществляется от батареек. Также используются аккумуляторы. Количество и тип зависит от прибора. Обычно используются элементы питания типа АА или ААА.

По цене мультиметры делятся на:

• недорогие бытовые приборы, стоимостью до 1000 рублей . Такие мультиметры способны выполнять измерения большинства электрических величин;
• приборы среднего класса, стоимостью от 1000 до 10000 рублей . Могут не только измерять напряжение, ток и сопротивление, но и емкости, индуктивности. Ряд приборов измеряют частоту, оснащаются функцией запоминания результатов измерений и пр.;
• приборы профессионального класса, стоимостью от 10000 рублей . Используются профессионалами для энергетических, а также точных электрических и радиотехнических измерений.

Мультиметр

Цифровой мультиметр

Комбинированный прибор «Ц4324»

Мультиметр высокой точности Gossen Metra Hit 23S. Базовая погрешность 0,05 % измеряемой величины + 3 младших разряда

Количество разрядов не определяет точность прибора. Точность измерений зависит от точности АЦП , от точности, термо- и временной стабильности применённых радиоэлементов, от качества защиты от внешних наводок, от качества проведённой калибровки .

Типичные диапазоны измерений, например для распространённого мультиметра M832:

• постоянное напряжение: 0..200 мВ, 2 В, 20 В, 200 В, 1000 В
• переменное напряжение: 0..200 В, 750 В
• постоянный ток: 0..2 мА, 20 мА, 200 мА, 10 А (обычно через отдельный вход)
• переменный ток: нет
• сопротивления: 0..200 Ом, 2 кОм, 20 кОм, 200 кОм, 2 МОм.

Аналоговые мультиметры

Аналоговый мультиметр состоит из стрелочного магнитоэлектрического измерительного прибора, набора добавочных резисторов для измерения напряжения и набора шунтов для измерения тока. Измерение сопротивления производится с использованием встроенного или от внешнего источника.

Советские аналоговые мультиметры чаще всего производились под шифром, начинающимся с буквы Ц, из-за чего широко распространилось их неофициальное название «цэшка».

Одним из первых измерительных приборов такого рода был тестер ТТ-1 , комбинированный измерительный прибор - один из первых, и первый массово изготовленный промышленностью СССР, портативных измерительных приборов. Прибор ТТ-1 имел огромную значимость для народного хозяйства СССР по причине того что это первый массовый прибор для настройки электрооборудования выпущенный в массовом количестве, в послевоенные годы, в количестве сотен тысяч штук. Например, максимальный пиковый объём выпуска рыбинским приборостроительным заводом до 8000 данных приборов в месяц. Прибор изначально предназначался для армии, однако простая, надежная и удобная конструкция обеспечили популярность прибора во всех сферах народного хозяйства. Даже в настоящее время, несмотря на появление новой элементной базы, концепции измерительных приборов такого класса принципиально не изменились (диапазоны, методы измерения величин, способы переключения электрических цепей, способ работы), что свидетельствует о тщательно продуманной конструкции прибора ТТ-1.

Прибор ТТ-1 стал одним из первых переносных тестеров распространенных в СССР, успех прибора определил делнейшее направление приборов данного типа. На основе тестера ТТ-1 были созданы десятки подобных приборов, и получившие распространение, например в учебных заведениях СССР. Приборы созданные на основе ТТ-1 это, например, ТТ-2, «Школьный», АВО-63 и многие другие.

В последующих приборах устранили недостатки прибора ТТ-1, повысили удобство и надежность работы, в более новых приборах данного класса, таких как: ТТ-2, ТТ-3 и ТЛ-4, «Школьный», ТЛ-4М, Ц20, Ц52, Ц57, Ц434, Ц435, Ц4311, Ц4313, Ц4324, Ц4328, Ц4341, Ц43101, Ц4352, Ф4313, АВО-5, АВО-5М1, АВО-63.

Модернизация касалась например материала и формы корпуса, металл, или более легкий карболит. Факта наличия или отсутствие переключателя рода измерения (разработчик повышая надежность работы, жертвует усложнением коммутации при переходе с одного режима измерения на другой режим). Выбор типа переключателя, например, ламельно-контроллерного типа вместо галетного (который в ТТ-1 был слабым местом). В последующих приборах отказались от купроксного выпрямитея в пользу германиевых диодов типа Д2Б. Расширили пределы измерения напряжения до 1000 В, добавляли нижний предел от 0-2 В, 0-0,2 мА с целью повышения точности измерения.

Технические характеристики, возможности измерения первых аналоговых приборов, выпускаемых серийно в 1952 году были скромными, для сравнения приведем параметры тестера ТТ-1:

При этом сопротивление прибора при измерении постоянного напряжения 5 кОм/вольт максимального значения выбранного диапазона, для переменного напряжения 3,3 кОм/вольт.

Отсчет производится непосредственно по шкале. Погрешность измерения составляет:

• ±3 % от номинального значения шкал постоянного тока
• ±5 % от максимального значения шкал переменного тока
• ±10 % от величины измеряемого сопротивления.

Основные режимы измерений

• ACV (англ. alternating current voltage - напряжение переменного тока) - измерение переменного напряжения.
• DCV (англ. direct current voltage - напряжение постоянного тока) - измерение постоянного напряжения.
• DCA (англ. direct current amperage - сила тока постоянного тока) - измерение постоянного тока.
• Ω - измерение электрического сопротивления.

Дополнительные функции

В некоторых мультиметрах доступны также функции:

• Прозво́нка - измерение электрического сопротивления со звуковой (иногда и световой) сигнализацией низкого сопротивления цепи (обычно менее 50 Ом).
• Генерация тестового сигнала простейшей формы (гармонической или импульсной) - как своеобразный вариант прозвонки.
• Тест диодов - проверка целостности полупроводниковых диодов и нахождение их «прямого напряжения».
• Тест транзисторов - проверка полупроводниковых транзисторов и, как правило, нахождение их h 21э (например, тестеры ТЛ-4М, Ц-4341).
• Измерение электрической ёмкости (Ц-4341).
• Измерение индуктивности (редко).
• Измерение температуры , с применением внешнего датчика (как правило, термопара К-типа).
• Измерение частоты гармонического сигнала.
• Измерение большого сопротивления (обычно до сотен МОм; требуется дополнительное питание)
• Измерение большой силы тока (с использованием подключаемых/встроенных токовых клещей)

И служебные:

• Автоотключение питания
• Подсветка дисплея
• Фиксирование результатов измерений (отображаемое значение и/или максимальное)
• Автоматическое определение пределов
• Индикация разряда батарейки
• Индикация перегрузки
• Режим относительных измерений
• Запись и хранение результатов измерений

Примечания

Литература

• Бензарь В. К. Словарь-справочник по электротехнике, промышленной электронике и автоматике. - 2-е изд., пер. и доп. - Мн. : Вышэйшая школа, 1985. - С. 7. - 176 с.

Я столкнулся с фактом, который удивил меня и скорее всего удивит и вас. Оказывается, измерить напряжение в сети с точностью хотя бы до одного вольта - почти невыполнимая задача.

Шесть приборов на этом фото показывают разные значения, причём максимальное отличается от минимального, более чем на 6 вольт.

В процессе подготовки статьи об измерителях мощности я провёл эксперимент с одновременным измерением сетевого напряжения несколькими приборами и получив такие разные результаты начал разбираться с точностью.

Обычно для цифровых приборов производители указывают точность в виде ±(0.8%+10). Эта запись означает плюс-минус 0.8% плюс 10 единиц младшего разряда. Например, если прибор измеряет напряжение и показывает целые и десятые значения, то при напряжении 230 вольт его точность будет ±(230/100*0.8+10*0.1), то есть ±2.84 В (десять единиц младшего разряда в данном случае составляют 1 вольт).

Иногда указывается точность в виде ±(0.5FS+0.01). FS - это Full Scale . Такая запись означает, что прибор может иметь отклонения показаний до 0.5% от предела диапазона измерения плюс 0.01 вольта (если это вольтметр). Например, если диапазон 750V и указано ±(0.5FS+0.01), отклонение может быть до ±(750/100*0.5+0.01), т. е. ±3.76 В независимо от того, какое напряжение измеряется.

Есть два неприятных нюанса.

Часто в характеристиках прибора производители указывают общие значения точности для типа измерения, а на отдельных диапазонах всё может быть ещё хуже. Так, для моего мультиметра UNI-T UT61E, который я всегда считал очень точным, для измерения переменного напряжения везде, в том числе на сайте производителя указана точность ±(0.8%+10), но если внимательно почитать инструкцию , на 48й странице можно обнаружить вот такую табличку:

В диапазоне 750 V на частоте сети точность измерения на самом деле составляет ±(1.2%+10), то есть ±3.76 В на напряжении 230 В.

Второй нюанс в том, что запись точности зависит от того, сколько знаков после запятой показывает прибор. ±(1%+20) может оказаться точнее, чем ±(1%+3), если первый прибор показывает два знака после запятой, а второй один. В характеристиках приборов количество знаков после запятой на каждом диапазоне указывают редко, поэтому о реальной точности можно только гадать.

Из таблички, приведённой выше, я узнал удивительное. Оказывается, мой UNI-T UT61E на напряжении до 220 вольт показывает два знака после запятой, и значит имеет точность ±1.86 В на напряжении 220 В, ведь в данном случае в записи ±(0.8%+10) 10 - это всего лишь 0.1 В, а вот при напряжении более 220 вольт он начинает показывать один знак после запятой и точность снижается более, чем вдвое.

Я вам ещё не сосем заморочил голову? :)

С моим вторым мультиметром Mastech MY65 всё ещё интереснее. На его коробке указана точность измерения переменного напряжения для диапазона 750V ±(0.15%+3). У прибора в этом диапазоне один знак после запятой, значит точность вроде как ±0.645 В на напряжении 230 В.

Но не тут то было! В коробке лежит инструкция, в ней уже ±(1%+15) на том же диапазоне 750 V, а это уже ±3.8 В на напряжении 230 В.

Но и это ещё не всё. Смотрим официальный сайт . А там уже ±(1.2%+15), то есть ±4.26 В на 230 В. Точность неожиданно уменьшилась почти в семь раз!

Этот MY65 вообще странный. Под этим названием продаются два разных мультиметра. Вот, например на одном и том же сайте зелёный MY65 и жёлтый MY65 с разными возможностями, разной конструкцией и разными параметрами.

В китайских интернет-магазинах часто встречается вот такая штука за 3.5 доллара, которая втыкается в розетку и показывает напряжение.

Знаете, какая у неё точность? ±(1.5%+2). Теперь вы знаете, как это расшифровать. Штука показывает целые вольты, значит на напряжении 230 вольт её точность составляет ±(230/100*1.5+2), то есть ±5.45 В. Как в анекдоте, плюс-минус трамвайная остановка.

Так как же измерить напряжение в сети с гарантированной точностью хотя бы до вольта в бытовых условиях? А никак!
Самый точный мультиметр, который мне удалось найти в сети - UNI-T UT71C стоит $136 и при измерении переменного напряжения в диапазоне 750 V показывает два знака после запятой и имеет точность ±(0.4%+30), то есть на напряжении 230 вольт ±1.22 В.

На самом деле всё не так плохо. Многие приборы имеют реальную точность на порядок выше заявленной. Но эта точность не гарантируется производителем. Может будет гораздо точнее, чем обещали, а может и нет.

P.s. Спасибо Олегу Артамонову за консультации при подготовке статьи.

2016, Алексей Надёжин

Измеряемые величины не могут быть определены абсолютно достоверно. Измерительные инструменты и системы всегда имеют некоторое допустимое отклонение и помехи, которые выражаются степенью неточности. К тому же, необходимо учитывать и особенности конкретных приборов.

В отношении неточности измерений часто используются следующие термины:

• Погрешность - ошибка между истинным и измеренным значением
• Точность — случайный разброс измеренных значений вокруг их среднего
• Разрешение — наименьшая различаемая величина измеренного значения

Часто эти термины путаются. Поэтому здесь я хотел бы подробно рассмотреть вышеуказанные понятия.

Неточность измерения

Неточности измерения могут быть разделены на систематические и случайные измерительные ошибки. Систематические ошибки вызваны отклонениями при усилении и настройкой «нуля» измерительного оборудования. Случайные ошибки вызваны шумом и и/или токами.

Часто понятия погрешность и точность рассматриваются как синонимы. Однако, эти термины имеют совершенно различные значения. Погрешность показывает, насколько близко измеренное значение к его реальной величине, то есть отклонение между измеренным и фактическим значением. Точность относится к случайному разбросу измеряемых величин.

Когда мы проводим некоторое число измерений до момента стабилизации напряжения или же какого-то другого параметра, то в измеренных значениях будет наблюдаться некоторая вариация. Это вызвано тепловым шумом в измерительной цепи измерительного оборудования и измерительной установки. Ниже, на левом графике показаны эти изменения.

Определения неопределенностей. Слева — серия измерений. Справа — значения в виде гистограммы.

Гистограмма

Измеренные значения могут быть изображены в виде гистограммы, как показано справа на рисунке. Гистограмма показывает, как часто наблюдается измеренное значение. Самая высокая точка на гистограмме, это чаще всего наблюдаемое измеренное значение, в случае симметричного распределения равно среднему значению (изображено синей линии на обоих графиках). Черная линия представляет истинное значение параметра. Разница между средним измеренной величины и истинным значением и является погрешностью. Ширина гистограммы показывает разброс отдельных измерений. Этот разброс измерений называется точностью.

Используйте правильные термины

Погрешность и точность, таким образом, имеют различные значения. Поэтому вполне возможно, что измерение является очень точным, но имеющим погрешность. Или наоборот, с малой погрешностью, но не точное. В общем, измерение считается достоверным, если оно точное, и с малой погрешностью.

Погрешность

Погрешность является индикатором корректности измерения. Из-за того, что в одном измерении точность оказывает влияние на погрешность, то учитывается среднее серии измерений.

Погрешность измерительного прибора обычно задается двумя значениями: погрешностью показания и погрешностью по всей шкале. Эти две характеристики вместе определяют общую погрешность измерения. Эти значения погрешности измерения указываются в процентах или в ppm (parts per million , частей на миллион) относительно действуюшего национального стандарта. 1% соответствует 10000 ppm .

Погрешность приводится для указанных температурных диапазонов и для определенного периода времени после калибровки. Обратите внимание, что в разных диапазонах, возможны, и различные погрешности.

Погрешность показаний

Указание процентного отклонения без дополнительной спецификации также относится к показанию. Допустимые отклонения делителей напряжения, точность усиления и абсолютные отклонения при считывании и оцифровке являются причинами этой погрешности.

Неточность показаний в 5% для значения 70 В

Вольтметр, который показывает 70.00 В и имеет спецификацию «± 5% от показаний», будет обладать погрешностью в ±3.5 В (5% от 70 В). Фактическое напряжение будет лежать между 66.5 и 73.5 вольтами.

Погрешность по всей шкале

Этот тип погрешности обусловлен ошибками смещения и ошибками линейности усилителей. Для приборов, которые оцифровывают сигналы, присутствует нелинейность преобразования и погрешности АЦП. Эта характеристика относится ко всему используемому диапазону измерений.

Вольтметр может иметь характеристику «3% шкалы». Если во время измерения выбран диапазон 100 В (равный полной шкале), то погрешность составляет 3% от 100 В = 3 В независимо от измеренного напряжения. Если показание в этом диапазоне 70 В, то реальное напряжение лежит между 67 и 73 вольтами.

Погрешность 3% шкалы в диапазоне 100 В

Из приведенного выше рисунка ясно, что этот тип допустимых отклонений не зависит от показаний. При показании 0 В реальное напряжение лежит между -3 и 3 вольтами.

Погрешность шкалы в цифрах

Часто для цифровых мультиметров приводится погрешность шкалы в разрядах вместо процентного значения.

У цифрового мультиметра с 3½ разрядным дисплеем (диапазон от -1999 до 1999), в спецификации может быть указано «+ 2 цифры». Это означает, что погрешность показания 2 единицы. Например: если выбирается диапазон 20 вольт (± 19.99), то погрешность шкалы составляет ±0.02 В. На дисплее отображается значение 10.00, а фактическое значение будет между 9.98 и 10.02 вольтами.

Вычисление погрешности измерения

Спецификации допустимых отклонений показания и шкалы вместе определяют полную погрешность измерения прибора. Ниже при расчете используются те же значения, что и в приведенных выше примерах:

Точность: ±5% показания (3% шкалы)

Диапазон: 100 В

Показание: 70 В

Полная погрешность измерения вычисляется следующим образом:

В этом случае, полная погрешность ±6.5В. Истинное значение лежит между 63.5 и 76.5 вольтами. На рисунке ниже это показано графически.

Полная неточность для неточностей показания 5% и 3% шкалы для диапазона 100 В и показания 70 В

Процентная погрешность - это отношение погрешности к показанию. Для нашего случая:

Цифры

Цифровые мультиметры могут иметь спецификацию «± 2.0% показания, + 4 цифры». Это означает, что 4 цифры должны быть добавлены к 2% погрешности показания. В качестве примера снова рассмотрим 3½ разрядный цифровой индикатор. Он показывает 5.00 В для выбранного диапазона 20 В. 2% показания будет означать погрешность в 0,1 В. Добавьте к этому численную погрешность (= 0,04 В). Общая погрешность, следовательно, 0,14 В. Истинное значение должно быть в диапазоне между 4.86 и 5,14 вольтами.

Суммарная погрешность

Зачастую в расчет принимается только погрешность измерительного прибора. Но также, дополнительно следует принимать во внимание погрешности измерительных инструментов, в том случае, если они используются. Вот несколько примеров:

Увеличение погрешности при использовании пробника 1:10

Если в процессе измерений используется щуп 1:10, то необходимо учитывать не только измерительную погрешность прибора. На погрешность также влияет входной импеданс используемого прибора и сопротивление щупа, которые вместе составляют делитель напряжения.

На рисунке выше схематически показан с подключенным к нему пробником 1:1. Если мы рассмотрим этот пробник как идеальный (нет сопротивления соединения), то приложенное напряжение передается прямо на вход осциллографа. Погрешность измерения теперь определяется только допустимыми отклонениями аттенюатора, усилителя и цепями, принимающими участие в дальнейшей обработке сигнала и задается производителем прибора. (На погрешность также влияет сопротивление соединения, которое формирует внутреннее сопротивление . Оно включается в заданные допустимые отклонения).

На рисунке ниже показан тот же самый осциллограф, но теперь ко входу подключен щуп 1:10. Этот пробник имеет внутреннее сопротивление соединения и вместе со входным сопротивлением осциллографа образует делитель напряжения. Допустимое отклонение резисторов в делителе напряжения является причиной его собственной погрешности.

Пробник 1:10, подключенный к осциллографу, вносит дополнительную погрешность

Допустимое отклонение входного сопротивления осциллографа может быть найдено в его спецификации. Допустимое отклонение сопротивления соединения щупа не всегда дано. Тем не менее, погрешность системы заявляется производителем определенного осциллографического пробника для конкретного типа осциллографа. Если щуп используется с другим типом осциллографа, нежели рекомендуемый, то измерительная погрешность становится неопределенной. Этого нужно всегда стараться избегать.

Предположим, что осциллограф имеет допустимое отклонение 1.5% и используется щуп 1:10 с погрешностью в системе 2.5%. Эти две характеристики можно перемножить для получения полной погрешности показания прибора:

Здесь — полная погрешность измерительной системы, — погрешность показания прибора, — погрешность щупа, подключенного к осциллографу, подходящего типа.

Измерения с шунтирующим резистором

Часто при измерениях токов используют внешний шунтирующий резистор. Шунт имеет некоторое допустимое отклонение, которое влияет на измерение.

Заданное допустимое отклонение шунтирующего резистора влияет на погрешность показания. Для нахождения полной погрешности, допустимое отклонение шунта и погрешность показаний измерительного прибора перемножаются:

В этом примере, полная погрешность показания равна 3.53%.

Сопротивление шунта зависит от температуры. Значение сопротивления определяется для данной температуры. Температурную зависимость часто выражают в .

Для примера вычислим значение сопротивления для температуры окружающей среды . Шунт имеет характеристики: Ом (соответственно и ) и температурную зависимость .

Ток, протекающий через шунт является причиной рассеяния энергии на шунте, что приводит к росту температуры и, следовательно, к изменению значения сопротивления. Изменение значения сопротивления при протекании тока зависит от нескольких факторов. Для проведения очень точного измерения, необходимо откалибровать шунт на дрейф сопротивления и условия окружающей среды при которых проводятся измерения.

Точность

Термин точность используется для выражения случайности измерительной ошибки. Случайная природа отклонений измеряемых значений в большинстве случае имеет тепловую природу. Из-за случайной природы этого шума не возможно получить абсолютную ошибку. Точность дается только вероятностью того, что измеряемая величина лежит в некоторых пределах.

Распределение Гаусса

Тепловой шум имеет гауссово, или, как еще говорят, нормальное распределение . Оно описывается следующим выражением:

Здесь — среднее значение, показывает дисперсию и соответствует шумового сигнала. Функция дает кривую распределения вероятностей, как показано на рисунке ниже, где среднее значение и эффективная амплитуда шума .

и

В таблице указаны шансы получения значений в заданных пределах.

Как видно, вероятность того, что измеренное значение лежит в диапазоне ± равна .

Повышение точности

Точность может быть улучшена передискретизацией (изменением частоты дискретизации) или фильтрацией. Отдельные измерения усредняются, поэтому шум значительно снижается. Также снижается разброс измеренных значений. Используя передискретизацию или фильтрацию необходимо учитывать, что это может привести к снижению пропускной способности.

Разрешение

Разрешением, или, как еще говорят, разрешающей способностью измерительной системы является наименьшая различимая измеряемая величина. Определение разрешения прибора не относится к точности измерения.

Цифровые измерительные системы

Цифровая система преобразует аналоговый сигнал в цифровой эквивалент посредством аналого-цифрового преобразователя. Разница между двумя значениями, то есть разрешение, всегда равно одному биту. Или, в случае с цифровым мультиметром, это одна цифра.

Возможно также выразить разрешение через другие единицы, а не биты. В качестве примера рассмотрим , имеющий 8-битный АЦП. Чувствительность по вертикали установлена в 100 мВ/дел и число делений равно 8, полный диапазон, таким образом, равен 800 мВ . 8 бит представляются 2 8 =256 различными значениями. Разрешение в вольтах тогда равно 800 мВ / 256 = 3125 мВ .

Аналоговые измерительные системы

В случае аналогового прибора, где измеряемая величина отображается механическим способом, как в стрелочном приборе, сложно получить точное число для разрешения. Во-первых, разрешение ограничено механическим гистерезисом, причиной которого является трение механизма стрелки. С другой стороны, разрешение определяется наблюдателем, делающем свою субъективную оценку.