測試測量
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萬用表種類型號及其使用方法

2021-07-09 來源:eefocus

摘要:萬用電表又稱“多用電表”“復用電表”,簡稱“萬用表”,是電工電子維修及實驗人員常用的測量儀表。萬用表可分為模擬指針式萬用表和數字式萬用表以及數字鉗形萬用表,都是通過檔位開關(撥盤)選擇相應的測量功能來實現對各種電量的粗略或精確測量。

一、模擬指針式萬用表(Multimeter)

指針萬用表是透過表內電阻的串并聯分壓分流與電磁感應原理來對模擬電學量諸如電壓、電流進行測量的儀表,通過表頭的電流固定在50μA(滿刻度量程時通過表頭的滿度電流)

模擬指針式萬用表

1、構造及配件

a)游絲表頭:二極管整流磁電系直流微安表,這是指針式萬用表的心臟部位,目前流行的表頭一般是50μA表頭,可分為外磁式表頭和內磁式表頭,表頭構造主要有表盤、磁鋼、極掌、指針、游絲、可動線圈、圓柱形鐵芯、平衡錘、調零螺桿和前后固定螺絲等部件構成,見圖1、2

圖1 外磁式表頭結構

圖2 內磁式與外磁式之區別

b)張絲表頭:如圖3是張絲支承表頭結構,當下主要應用于高精度儀表,它的特點主要有:

①無摩擦。相比于游絲軸尖軸承表頭,張絲表頭由于沒有軸尖摩擦,其精度更高;

②無傾斜影響。萬用表有平放使用和垂直使用的方式,游絲表在傾斜時會導致誤差增大,而張絲表的支承結構令其根本無傾斜影響;

③耐沖擊、耐振動。游絲表中的軸尖軸承僅有15μm,受到沖擊時容易斷裂導致呆表,張絲由于沒有軸尖軸承所以耐受外力沖擊的效果更好。

圖3 張絲支承表頭

無論是游絲表還是張絲表,其可動線圈都是在洛倫茲力作用下產生電磁力矩,帶動指針偏轉指示相應的刻度示數。

c)檔位開關:也稱“選擇開關”“功能開關”以供各種不同電量測量功能選擇,一般有交直流電壓測量檔、直流電流測量檔和電阻測量檔,同時還有一些輔助功能比如晶體管放大倍數測量、電容量測量等等,見圖4

圖4 MF 47型指針萬用表


d)歐姆調零旋鈕:用于電阻測量檔位的電調零,在使用電阻檔時需要將紅黑表筆短接,若指針沒有指正最右的電阻零刻度線則需要調節歐姆調零旋鈕,使得指針指在電阻0刻度線,接著才可以進行電阻的測量;

e)機械調零旋鈕:在表蒙上有一枚一字螺絲用于表頭調零,在無任何電量輸入的情況下使用一字螺絲批調節指針位置,使其指在最左邊的0刻度線,調零后不需要多次調零以免損壞調零螺桿造成精度下降;

f)表筆插孔:用于連接表筆與測量機構,其中的“com”公共接口(common)連接黑表筆,“+”接口連接紅表筆,國產萬用表還有10A大電流專用插孔和高壓2500V測量專用插孔,上圖4是天宇MF 47型模擬指針萬用表。

g)附件:測試表筆、說明書、合格證以及輔助探頭等。


2、品牌

國內:早期有星牌(上海第四電表廠)、金川(南京電表廠)、杭州電表廠等知名品牌,后期出現的有天宇、科華等現在使用最廣泛的品牌,還有臺灣地區寶工也是受到一些人士的追捧。

國外:日本日置HIOKI、日本三和sanwa、日本共立Kyoritsu等,其中三和指針萬用表亦是國內一些專業人士的選擇

3、型號

國產:MF系列,MF 500、MF 10、MF 35、MF 47等,其中MF 35精度最高,MF 47使用最廣泛,后面介紹使用方法時會以MF 47型指針萬用表為例。

進口:日本三和YX系列、EM系列、SP系列、TA系列、CX系列等,其中YX系列是性價比不錯的一個系列。

4、使用方法

4-1 下面以MF 47型萬用電表來介紹使用方法

a)直流電壓測量

在已知電源大概電壓的情況下測量電壓應將檔位開關撥至比估值略高的檔位,比如9V層疊電池,應將檔位撥至10V檔,紅表筆接正極黑表筆接負極,指針偏轉至一定刻度時,視線要與表盤刻度垂直或可通過反射鏡中指針的影子與指針本體重合時所指向的刻度來讀數。

在未知電壓的情況下應將檔位開關打到最高量程,并用紅黑表筆試碰電源兩極,若偏轉動作幅度不大時可依次降低檔位再進行測量,直至測量時指針擺動達到表盤刻度2/3或以上即可開始讀數。

b)交流電壓測量

與直流電壓測量步驟一致,但紅黑表筆不分正負。

c)直流電流測量

將某處被測電路斷開,紅黑表筆按電流方向跨接在斷點上,在未知電流大小的情況下應使用最高檔位,將紅表筆插至5A大電流插孔,檔位撥至500mA檔,發現電流小于0.5A時可把紅表筆插回“+”插口測量500毫安以下的電流,指針讀數與電壓檔讀數方法一致。需要注意的是電流檔使用完畢后,紅黑表筆必須分別插回“+”孔和“com”孔,檔位開關撥回至交流電壓最高檔。

d)電阻測量

測量電阻時將檔位開關撥至電阻檔,然后紅黑表筆短接,指針偏轉至右邊,若未指在最右的電阻0刻度線則需要調節歐姆調零旋鈕使得指針偏轉指在電阻檔0刻度線處,讀數時看最上方的刻度線,同樣是視線要與刻度線垂直時(或反射鏡影子與指針本體重合時)才可以讀數,所得數值再乘以檔位開關的倍率即可得到電阻值,比如指針示數5,檔位X1k,則阻值為5×1kΩ。每換一個檔位都應進行歐姆調零。最后測量完畢應將開關撥回交流電壓檔最高檔。

需要注意:電阻測量時被測元件兩端必須與電源斷開,切不可帶電測量,以免燒壞表頭!

e)二極管通斷測量

將檔位開關撥至電阻檔×1k檔,紅表筆接二極管陰極黑表筆接陽極,此時黑表筆為表內電池正極,紅表筆為表內電池的負極,指針偏轉表示二極管導通,紅黑表筆反接時指針不偏轉,即可知道二極管是好的。測量完畢應將旋鈕撥回交流電壓最高檔。

f)晶體管放大倍數測量

1.確定基極B

P型管(PNP):將開關撥至電阻檔×1k檔,用紅表筆頂住其中任意一只引腳不動,再用黑表筆分別觸碰另外兩只引腳,測到兩次讀數都很小時即可確定紅表筆所抵住的引腳為基極。

N型管(NPN):與P型管方法一致,但相反的是黑表筆不動紅表筆動,當測量兩次讀數都很小的時候,就可確定黑表筆頂住的是N型管的基極。

用數字萬用表測量時由于紅黑表筆與內部電池對應紅正黑負,與上述指針萬用表的黑正紅負剛好相反,但只要明白三極管在強行顛倒進入飽和狀態時bc結反壓降比be的小,P型管基極b接負,另外兩個引腳接正的時候可判別bce,N型管基極b接正,另外兩個引腳接負的時候可判別bce。

2.確定集電極C(該方法僅限于帶三極管測試插座的指針表)

P型管(PNP):將開關撥至電阻檔×1k檔,紅表筆為負電壓,黑表筆為正電壓,集電極C接負電壓發射極E接正電壓時放大倍數最大,假定一只引腳為集電極,先用紅表筆接假定集電極并用手觸摸基極,黑表筆接假定發射極,記住偏轉讀數,然后交換紅黑表筆,對比兩次讀數,小的一次可確定紅表筆所接引腳為集電極C。

N型管(NPN):將開關撥至電阻檔×1k檔,紅負黑正,集電極接正電壓,發射極接負電壓時管子的放大倍數才較大,先用黑表筆接假定集電極并用手觸摸基極,紅表筆接假定發射極,記住讀數,交換紅黑表筆再讀數,對比兩次讀數小的一次可確定黑表筆所接引腳為集電極C。

三個引腳確定好之后使用hFE插座測量管子的放大倍數β

先將檔位開關撥至ADJ檔短接表筆進行歐姆調零,然后再撥至hFE檔方可將三極管按對應引腳插入hFE插座

g)低頻電平信號測量

負荷阻抗一定時,測量放大極的增益和線路傳輸損耗,單位dB(分貝)

低頻電平信號與功率、電壓的關系: [公式]

式中:

P2——被測功率;

V2——被測電壓。

電平信號刻度系數按 [公式] 傳輸線標準設計。

[公式]

圖5 音頻電平測量修正值


4-2 關于讀數之入門篇

圖6 指針萬用表刻度盤

①電壓檔測量:無論交流還是直流之電壓,其讀數都應使指針偏轉至滿刻度的三分之二再進行讀數。10V檔看0~10V刻度線,50V檔看0~50V的,250V檔看0~250V的,500V檔看0~50V的同時直觀讀數乘以10倍即為所需讀數,1000V同理看0~10V刻度線示數乘以100倍即為所測電壓。

②電流檔測量:通常指直流電流測量,讀數與電壓檔測量共用刻度線,MF 47型萬用表一般有0~0.05mA,0~0.5mA,0~5mA,0~50mA,0~500mA這幾個基本量程,那么讀數時就看與5有直接倍數關系的刻度線,所以應看0~50的刻度線,例如0~0.05量程把50看作0.05,0~0.5量程把50看作0.5,0~5量程時50看作5 ,0~50量程時50就直接是50了,同理0~500時的500就是50的10倍。

③電阻檔測量:通常指直流電阻測量,讀數時看表盤最上方的刻度線,電阻檔的讀數剛好和電壓電流讀數相反,偏轉越大表明阻值越小,反之則越大。轉換不同檔位測量前都需要短接表筆進行歐姆調零,即指針指在最右邊電阻0刻度線處,此后方可開始測量電阻,示數需要乘以檔位開關所指的倍率,例如表盤刻度示數為16.5,開關打在×1檔即1倍16.5Ω,×1k即1000倍16.5kΩ。

④示數估讀:指針指在某刻度正上方時可直接讀數,若指在兩刻度之間比如2和3之間,足一半時讀2.5,不足一半時讀2.1~2.4的靠近值,超過一半但未至3時讀2.6~2.9之間的靠近值,憑借視覺對刻度等分,后期熟練之后就好掌握了,估讀最高境界就是幾乎與數字萬用表小數點后兩位一樣。


二、數字萬用表(Digital Multimeter)

常用數字表有3?位表(三位半),2000字顯示1999,精度0.5%,4000字顯示3999,精度0.25%,6000字顯示5999,精度0.17%等;4?位表(四位半),20000字顯示19999,精度0.05%,40000字顯示39999,精度0.025%等。

數字萬用表測量電壓、電流和電阻功能是通過A/D轉換電路部分實現的,而電流、電阻的測量也都是基于電壓的測量,也就是說數字萬用表是在數字直流電壓表的基礎上擴展而成的。基本過程:采樣電阻(壓降)→運放(積分電路波形轉換等)→A/D轉換(模擬量轉數字量)→集成主控IC(邏輯控制器、寄存器等)→譯碼器→數字液晶顯示。在時鐘作用下完成指令功能。

圖7 數字萬用表

1、構造及配件

a)數字直流電壓表與A/D轉換器:是數字萬用表的核心部分,由單片機原理設計而成。采樣電阻上產生的壓降模擬信號經處理后送至A/D轉換器得到的原始數字量再經過芯片中的寄存器和控制器處理得到對應測量功能的數字量(二進制),最后由譯碼驅動部分讓LCD顯示數值。

b)集成主控IC:(數字測量芯片總成)通過編程指令設計的數字電壓表和芯片中集成的A/D轉換器、寄存器(包含計數器)、邏輯控制器、譯碼器等單元來實現不同的功能,從而對各種常規電量參數進行測量。

c)液晶顯示屏:通過IC中的邏輯電路與譯碼器來驅動LCD屏,譯碼驅動器發出脈沖電壓改變液晶分子的電位控制其方向來顯示對應數值。

d)選擇開關:與指針表的檔位開關一樣,通過此開關選擇不同的功能量程以實現測量各種電量。

e)測試插座:一般有常規輸入“VΩ”口,公共端口“COM”,小電流輸入“mA”口,大電流專用輸入“A”口,對于表筆線表體一體式的萬用表,將這些功能整合到“+”“-”端的萬用表只需通過旋轉選擇開關選擇對應功能及量程即可,無需插拔表筆線。

f)hFE插座:用以對晶體管放大倍數進行測量,對于晶體管引腳的判別在指針表已經介紹過(主流數字萬用表無此插座)

g)附件:測試表筆、合格證、備用保險管以及功能擴展探頭等


2、品牌

國內:

勝利(VICTOR)

優利德(UNI-T)

華誼儀表(PEAKMETER)

華儀儀表(MASTECH)

華盛昌(CEM)

寶工(Pro'sKit)

其中勝利儀器是國內銷量較大,性價比較高的品牌,華誼儀表、華儀儀表都是國內不錯的牌子。

國外:

福祿克(FLUKE)

是德(KEYSIGHT)

德圖(testo)

菲力爾(FLIR)

日置(HIOKI)

三和(sanwa)

共立(KYORITSU)

其中福祿克在手持數字萬用表業內以其高效測量、安全可靠著稱,電子電氣專業人士的測試利器。優利德的手持表在維修行業中使用也比較廣泛。

3、型號

數字萬用表的型號各異但是測量功能大體相同,使用者可根據自身需求來選擇型號,比如輔助功能較多的,溫度、功率、頻率、占空比的測量是一些行業所需的,功能越多精度越高則價格越貴,所謂一分錢一分貨莫過于此。值得注意的是精度越高的手持表越要減少電磁輻射,設備對電磁兼容性的要求也更高,比如0.025級或更高精度的手持表一般適合在實驗室等輻射受控場所使用。

4、使用方法

數字萬用表的使用方法與指針式萬用表的基本相同,但無需機械調零和歐姆調零,而需要注意的是在電阻測量時應在當前檔位短接表筆,得到表筆自阻數值作為校正數值之后再去測量電阻元件,顯示數值-表筆自阻=實際阻值(高阻測量可忽略表筆阻值)。

相比于指針式萬用表,數字萬用表可直接對電壓、電流、電阻、電容、電感、二極管、三極管、溫度、頻率和占空比等進行直接或間接測量,略有不同的是在電阻檔和測量二極管通斷時紅表筆對應內部電池正極,黑表筆對應負極。測量非獨立源的元件都應開路測量,在測量完畢后應將選擇開關旋至“OFF”或交流電壓最高檔,測試表筆應插回“VΩ”和“COM”口,以免下次使用時誤測燒表,切不可認為防燒數字表就能隨意接入電壓量,尤其是價格較高的數字表更應注意操作,以免因小失大。


小結

指針式萬用表注重操作性與過程性,不易受到干擾,在一些故障判斷中有著不可替代的作用;數字式萬用表則講求效率和高精度,測量讀數直觀易懂精度高,但在電磁干擾較大的情況下會影響其工作性能。在我們實際應用中一般是指針表與數字表配合使用。


三、鉗形表(Clamp meter)

1、基本介紹

全稱“鉗形電流表”,在鉗形表發展歷程中多作為間接測量大電流的主要工具。早期的鉗形表僅作測電流之用,體積大且攜帶不便,現今的鉗形表可有數字型鉗形電流表、鉗形萬用表,其中鉗形萬用表最具實用價值,因為它集合了鉗形電流表與萬用表的基本功能,從而達到一表多用的效果。下圖是鉗形電流表基本測量原理

圖8 鉗形電流表測量的基本原理

利用電流互感器(Current Transformer,CT)原理,被測線路作為一次線圈,二次線圈與測量執行部分的整流磁電系電流表連接,根據變比關系指示電流的大小,有如 [公式] ,式中ix為被測的載流導線電流,ia為電流表示數,n為穿過鉗口的匝數,導體直穿時算1匝,每卷繞一次就增加一匝。


圖9 鉗形表結構圖

早期的鉗形電流表尺寸較大,甚至換量程的時候還需要換表頭,一整套鉗表就包括一個大鉗把和若干個不同量程的表頭。下圖就是早期的指針式鉗形電流表。

圖10 指針式鉗形電流表

圖10中是利用電流互感器的原理制成的鉗形表,該原理需要變化的磁通才能在二次線圈感應出變化的電流,而測量直流電流是不會在二次線圈中感應出電流的,這就需要用到一種半導體材料制成的磁電效應元件——霍爾元件,利用磁場對電子流的洛倫茲力作用使得該半導體產生偏置電流,這種原理實現的前提是必須要有外加恒流源,下圖11是霍爾元件在交直流鉗表里的作用

圖11 霍爾元件的作用

由此,鉗形表進入了多功能化發展的階段,市面上帶有交直流電流測量的鉗表價格都要比一般的交流鉗表要貴,正是多了一個霍爾傳感器的緣故。只要是數字式測量工具其核心部分還是數字直流電壓表,整體電子硬件部分多由測試鉗口互感器、霍爾元件、運放電路、A/D轉換器、集成主控芯片以及用于顯示部分的譯碼器等等,都與數字萬用表相類似。結構硬件部分可有扳手、選擇開關、功能按鍵、表筆插座以及電池倉等。

圖12 交直流多用鉗形表

和萬用表一樣,如今的鉗形表已經發展成鉗表+萬用表于一體的多用鉗形表,可測量基本的電學量,比如:電流、電壓、電阻,甚至在利用了集成主控IC的數字鉗形表中增加了電容、溫度、二極管測試、通斷蜂鳴等等,這些本是數字萬用表的功能也都集中展現在數字鉗表上。對于電力、暖通、機電設備等行業來說,擁有一款多用鉗形表必將大大提高工作效率,由此觀之無非是與社會高速發展相適應的。

2、使用方法

主要介紹一般的數字鉗形表,按動扳手使鉗口打開,將被測載流導體置入鉗口內,松開扳手鉗口閉合,鐵芯內部即可產生磁通變化,理論上導體在鉗口中心時測試最準確,實際要求并沒那么嚴格,可觀看下面短片

數字多用鉗形表

3、注意事項:

1)測量前應預判測量值的大小后選擇合適量程再開展工作,若無法預判則應將檔位調到最高,顯示數值很小的話可逐級降檔測量,直到顯示最靠近的數值;

2)測量過程中禁止換擋操作,尤其是插入表筆來測量時;

3)鉗口部分應當根據導體截面大小情況來夾持,過大的導體不應強行夾持以免損壞鉗口;

4)測量電壓較高時應穿戴絕緣防護手套。


結語:

測量儀表家族種類繁多,只有事先了解并掌握其操作規程才能使命必達,上述介紹了最常用的電工電子儀表儀器,涵蓋了多個行業的使用場合,按照工作性質和工作強度來選擇合適的工具尤為必要。手持式數字萬用表的精度選擇:電工電子維修三位半~四位半20000字以下是最合適的,科研工作可選擇具有數據記錄存儲功能的四位半40000字以上顯示的數字表,手持式數字鉗形表的選擇可以根據工作需求來進行選擇,比如同時具有電壓電流以及功率和功率因數測量的鉗表。


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