Multimetr to urządzenie pomiarowe umożliwiające pomiar różnych wielkości fizycznych. Prezentacja pomiaru wykonywana jest na tym samym elemencie wyjściowym, przy użyciu wskaźnika wychyłowego w multimetrze analogowym, wyświetlacza LCD lub LED w multimetrze cyfrowym, ewentualnie interfejsu elektronicznego do przesyłu danych. Nowoczesne multimetry potrafią m.in. realizować kilka pomiarów jednocześnie, np. wartości napięcia i jego częstotliwości, zapamiętywać mierzone wielkości czy wyznaczać średnią z pomiarów. Dla optymalnego wykorzystania multimetrów niezbędna jest wiedza na temat specyfiki działania przyrządów, możliwych błędów pomiarowych oraz zachowanie bezpieczeństwa pomiarów.

We współczesnych multimetrach cyfrowych podstawowe funkcje pomiarowe – pomiary napięć i prądów stałych i przemiennych oraz rezystancji – zostały rozszerzone o szereg dodatkowych możliwości, np. pomiar częstotliwości, pojemności, temperatury, ciągłości przewodów, test diody, pomiar wartości skutecznych badanych przebiegów – true rms (TRMS), poziom dB i wiele innych.

Multimetr cyfrowy CMM 10 firmy Sonel

Nowoczesne multimetry zapewniają wysoki komfort obsługi. Układ samoczynnego wybierania zakresów wybiera zakres pomiarowy o najlepszej rozdzielczości w zależności od wartości wielkości mierzonej. Pamięć wartości zmierzonej pozwala na odczytywanie wyników również po zakończeniu pomiarów. Dodatkowy wskaźnik analogowy tzw. „bargraf” ułatwia odczytywanie zmian wartości mierzonej, np. przy zdejmowaniu charakterystyk. Interfejsy pozwalają na połączenie multimetru z komputerem PC i przeprowadzanie analizy wyników. Te i wiele innych dodatkowych funkcji ułatwiają obsługę przyrządów i zwiększają bezpieczeństwo pracy. Niektóre modele łączą w sobie funkcje miernika wielkości elektrycznych, rejestratora jakości energii oraz analizatora mocy.
Przyrządy cyfrowe służące do pomiarów wielkości fizycznych posiadają zamiast mechanicznego ustroju pomiarowego przetwornik analogowo / cyfrowy. Przekształca on zmierzone analogowe wartości wielkości fizycznych (napięcia, prądu, temperatury itp.) na sygnały cyfrowe.
W multimetrach cyfrowych najczęściej stosowane są wyświetlacze LCD (ciekłokrystaliczne), charakteryzujące się małym poborem prądu. Wynik pomiaru jest wyświetlany w postaci szeregu cyfr z uwzględnieniem miejsc dziesiętnych i znaku na wyświetlaczu, np. 14- lub 7-segmentowym. Wyświetlacz ciekłokrystaliczny pełny może pokazywać wszystkie cyfry od 0 do 9. Jeżeli na pierwszym miejscu szeregu cyfr na wyświetlaczu mogą się wyświetlać tylko cyfry 0 lub 1, oznacza to, że jest wyświetlane 1/2 cyfry (umownie).

Multimetry cęgowe

Multimetry cęgowe to przyrządy uniwersalne, umożliwiające pomiary podstawowych wielkości elektrycznych, zarówno prądu przemiennego, jak i prądu stałego bez potrzeby rozłączania obwodu. Rdzeń przekładnika ma kształt cęgów, których szczęki można rozewrzeć i objąć nimi przewód przewodzący mierzony prąd. Za pomocą mierników cęgowych można wykonywać pomiary w miejscach trudno dostępnych, np. w skrzynkach rozdzielczych. Mierniki cęgowe umożliwiają pomiary prądów o bardzo małych wartościach, np. prądów upływu w instalacjach. Przy bardzo małych wartościach mierzonych prądów sprzężenie indukcyjne między przewodem i cęgami przyrządu jest bardzo słabe, co zmusza do stosowania wzmacniaczy sygnału.
Zgodnie z prawem Kirchoffa suma prądów dopływających i odpływających równa jest zeru (suma prądów w węźle równa jest zeru). Dlatego trzeba pamiętać, że robiąc pomiary w obwodach trójfazowych przekładnikiem cęgowym można obejmować tylko jeden przewód.
Wadą mierników cęgowych z przekładnikami prądowymi jest stosunkowo mała dokładność pomiaru prądu przemiennego na poziomie 1%. Cęgi charakteryzuje bowiem indukcyjność rozproszenia i straty spowodowane zużyciem energii na przemagnesowywanie rdzenia przekładnika. Straty te powodują, że mierniki cęgowe w zasadzie nie nadają się do pomiarów prądu o częstotliwościach przekraczających kilkaset kHz. W przypadku przebiegów odkształconych powstaje znaczny błąd pomiaru, zwłaszcza przy dużej zawartości harmonicznych. Poziom błędu pomiaru zależy w dużej mierze od zasady działania miernika.

Multimetr cyfrowy Brymen BM811a

Pomiar wielkości sinusoidalnie zmiennych
Poprawną wartość wielkości mierzonej uzyskuje się w miernikach cyfrowych wyposażonych w przetwornik wartości skutecznej. Mierniki takie przystosowane są do pomiarów wielkości sinusoidalnie zmiennych. W większości multimetry cęgowe przystosowane do pomiarów wielkości sinusoidalnie zmiennych mają sprzężenie pojemnościowe w obwodzie pomiarowym i mierzą tylko wartość skuteczną składowej zmiennej pomijając składową stałą. Mierniki takie oznaczone są na obudowie napisem RMS (Root Mean Square). W przeciwieństwie do tych mierników istnieją przyrządy oznaczone symbolem True RMS, które mierzą wartości skuteczne badanych przebiegów niezależnie od ich kształtów.

Czujnik Halla
W miernikach cęgowych najczęściej do pomiaru stosuje się układy ze sprzężeniem magnetycznym, wykorzystujące pole magnetyczne otaczające przewód, w którym płynie prąd mierzony i czujniki pola magnetycznego oparte na zjawisku Halla. Zjawisko to polega na tym, że pole magnetyczne działające prostopadle do płytki półprzewodnikowej oddziałuje na nośniki prądu płynącego w płytce, powodując powstanie różnicy potencjałów na krawędzi płytki. Napięcie indukowane w czujniku Halla jest proporcjonalne do natężenia pola magnetycznego, a więc do prądu w przewodzie. Dlatego mierniki cęgowe z czujnikami Halla stosowane są zarówno do pomiaru prądu przemiennego, prądu stałego i prądu przemiennego ze składową stałą. Rdzeń miernika (cęgi), w których jest wykonana szczelina z umieszczonym w niej czujnikiem Halla, obejmuje przewód z prądem mierzonym. Przepływający prąd wytwarza w obwodzie magnetycznym strumień magnetyczny, który z kolei powoduje powstanie napięcia na zaciskach hallotronu. Ze względu na konieczność ograniczenia do minimum napięcia niezrównoważenia układu, w szczelinie powietrznej rdzenia powinna występować jak najmniejsza indukcyjność resztkowa.
Wprawdzie szczelina powietrzna linearyzuje obwód magnetyczny i znacznie redukuje indukcję resztkową, ale jednocześnie zwiększa strumień magnetyczny rozproszenia, co wpływa negatywnie na właściwości dynamiczne układu i wywołuje indukowanie napięć pasożytniczych na zaciskach hallotronu. Wady układów z otwartą pętlą sprzężenia zwrotnego mogą być w dużej mierze usunięte przez wprowadzenie ujemnego wewnętrznego sprzężenia zwrotnego od pola magnetycznego w szczelinie powietrznej rdzenia. Rozwiązanie takie w dużej mierze usuwa dryft temperaturowy i inne nieliniowości charakterystyk z wyjątkiem napięcia niezrównoważenia układu.

Multimetr cyfrowy Fluke 87-5

Funkcje
Multimetry cęgowe oferowane są z wyświetlaczami cyfrowymi, rzadziej ze wskaźnikami analogowymi, w kategorii przepięciowej III lub IV i napięciu 600 V lub 1000 V według wymagań normy bezpieczeństwa PN-EN 61010. Ich podstawowe funkcje to: pomiar natężenia prądu przemiennego i stałego oraz napięć stałych i przemiennych – zazwyczaj w obu przypadkach z możliwością pomiaru rzeczywistej wartości skutecznej (True RMS). Często funkcje pomiarowe multimetrów cęgowych są rozszerzone o pomiary: rezystancji, mocy, częstotliwość, ciągłości przewodu, test diody, pomiar prądu upływu. Multimetry cęgowe są dodatkowo wyposażane m.in. w pamięć wartości minimalnej i maksymalnej, stoper, automatyczny przełącznik zakresów pomiarowych, interfejsy do PC RS232, USB itp.

Multimetr cęgowy Amprobe ACD-14 TRMS Plus

Bezpieczeństwo wykonywania pomiarów

Podstawowym warunkiem wykonywania pomiarów przyrządami przenośnymi jest zachowanie bezpieczeństwa. Układy rozdzielcze, oprzewodowanie i urządzenia odbiorcze stają się coraz bardziej złożone i skomplikowane, zwłaszcza za sprawą powszechnie stosowanych odbiorników nieliniowych oraz elektronicznych systemów zasilających i sterujących. Silniki elektryczne, zwłaszcza w czasie rozruchów, kondensatory i konwertery mocy, np. napędy o zmiennej prędkości obrotowej, mogą wytwarzać przepięcia o znacznych wartościach szczytowych. Źródłami przepięć są również wyładowania atmosferyczne w budynek, sieci zasilające lub w ich pobliżu. Przy wykonywaniu pomiarów w układach elektrycznych takie przepięcia stanowią niewidoczne i niespodziewane bardzo poważne zagrożenie dla operatora. Zagrożenia takie często występują w układach niskiego napięcia.
Obwody pomiarowe są poddawane działaniu napięcia sieci oraz narażeniom przejściowym (przepięciom) z obwodu, do którego są przyłączone podczas pomiaru. Kiedy obwód pomiarowy jest stosowany do pomiarów instalacji, narażenia przejściowe można oszacować na podstawie miejsca w instalacji, w którym wykonuje się pomiar. Trzeba rozważyć, czy narażenia przejściowe (przepięcia) nie przekroczą wytrzymałości udarowej przyrządu pomiarowego.

Multimetr cęgowy Voltcraft VC607

Błędy pomiaru

Przy wykonywaniu pomiarów bardzo często popełniane są błędy, składające się na uchyb pomiaru. Najczęściej są to:
• błąd odczytu,
• niewłaściwe posługiwanie się miernikiem,
• błędne przyłączenie miernika,
• błąd wynikający z klasy miernika,
• błąd spowodowany wpływami zewnętrznymi.
Różnicę pomiędzy wynikiem pomiaru i rzeczywistą wartością wielkości mierzonej nazywa się bezwzględnym błędem pomiaru.

Błędy odczytu
W przypadku multimetrów analogowych błędy odczytu powstają, gdy wynik pomiaru na wskaźniku wskazówkowym odczytuje się nieco z boku. Błędu tego można uniknąć stosując skalę z lusterkiem. Błędne wyniki powoduje również niedokładne justowanie, tzn. niedokładne regulowanie przyrządu (zerowanie). Przed każdym pomiarem trzeba sprawdzić prawidłowość zerowego położenia wskazówki. Przyrządy cyfrowe pozwalają uniknąć błędów odczytu, które popełnia się przy odczytywaniu wyników ze skali analogowej.
Przyrządy cyfrowe mają często na wyświetlaczu oprócz wskaźnika cyfrowego wskaźnik analogowy w postaci linijki diodowej, tzw. „bargraf”. Dzięki temu łatwiej jest obserwować zmiany wartości wielkości mierzonej.

Multimetr cęgowy CMP-1006 firmy Sonel

Niewłaściwe posługiwanie się miernikiem
Błędy związane z niewłaściwym posługiwaniem się przyrządem polegają m.in. na nieodpowiednim wyborze zakresu pomiarowego albo rodzaju prądu lub na nieodpowiednim położeniu miernika. Wymagane położenie przyrządu jest oznaczone na skali. Przyrządy tablicowe pracują w pozycji pionowej, zaś przyrządy wielozakresowe, np. multimetry, w położeniu poziomym.

Błędne przyłączenie miernika
Przy posługiwaniu się multimetrami często spotyka się błędy w układzie pomiarowym. Polegają one np. na włączeniu miernika przy pomiarze napięcia tak jak przy pomiarze prądu, a także na użyciu niewłaściwej metody pomiaru, np. użyciu układu z uchybem prądu zamiast z uchybem napięcia. Błędy w układzie pomiarowym mogą powodować nie tylko błędny pomiar, ale też uszkodzenie przyrządu pomiarowego.

Błędy wynikające z klasy miernika
Błędy powstające w przyrządzie pomiarowym zależą od jego konstrukcji, np. od rodzaju ułożyskowania ustroju pomiarowego i zależnego od niego tarcia w łożyskach. W przypadku mierników analogowych (wskazówkowych) błąd wskazań przyrządu jest podany na skali jako wartość liczbowa wyrażonego w procentach stosunku maksymalnego błędu bezwzględnego do największego wskazania. Wartość tę nazywa się klasą dokładności przyrządu. Błąd bezwzględny jest to różnica między wynikiem pomiaru i przyjętą za wzorcową wartością mierzonej wielkości. W przypadku przyrządów analogowych zmniejszenie błędów wynikających z klasy dokładności można uzyskać przez prowadzenie pomiarów w taki sposób, aby wynik pomiaru odczytywać powyżej połowy skali.
Uchyb multimetrów cyfrowych składa się z odchyłki własnej i błędu kwantyzacji. Odchyłka własna (dokładność) w odniesieniu do wskazanej wielkości mierzonej zawiera się w granicach ± 1% do ± 1,5%. Błąd kwantyzacji, czyli niedokładność wskazania na ostatniej pozycji wynika z rozdzielczości przetwornika A/C. Jest on podawany w jednostkach wyświetlanej liczby. Wynosi on co najmniej ± 1 jednostkę.

Opracowano
na podstawie materiałów
firmowych