UT71: Измеряем-заряжаем.

Автор: ALEXLAB
Опубликовано 21.09.2015
Создано при помощи КотоРед.
Участник Конкурса "Поздравь Кота по-человечески 2015!"

Здравствуйте, товарищи Коты. Пользуясь случаем, поздравляю Радиокот с юбилеем! А также представить в качестве презента сию скромную статью.

Для начала, как и полагается для такого рода статей, дисклеймер:

Прибор, который явлется «пациентом» в этой статье, а также любой другой подобный, к которому могут быть применены материалы этой статьи, конечно же, не анализатор спектра Rohde & Schwarz, но, тем не менее, тоже имеют свою цену – большую или маленькую... И вмешательство в конструкцию прибора (будь то неправильно собранная/настроенная схема из этой статьи или банальное статическое электричество) может превратить его в кусок пластика, набитый кусочками кремния. Поэтому автор не несет ответственности за Ваши действия, а лишь наслаждается и делится результатом действий своих.

В статье речь пойдет об одном из возможных вариантах оснащения зарядным устройством (ЗУ) мультиметра, питаемого от АКБ 6F22 «Крона», вместо обычной батареи питания. Статья состоит из двух частей: предыстория, плюс микро-обзор пациента, и собственно, само ЗУ и процесс введения его в симбиоз с самим мультиметром. Кому неинтересна первая часть, могут сразу перейти ко второй.

Итак, поехали: В далеком 2012-м году был приобретен замечательный мультиметр UT71E. Вот в такой вот сумке-чехле для хранения/переноски вместе с аксессуарами.

Основные технические характеристики пациента:

Измерения:

- Постоянное напряжение: 400mV/4V/40V/400V/1000V: ±(0.025%+5)
- Переменное напряжение: 4V/40V/400V/1000V: ±(0.4%+5)
- Полоса пропускания: 100 кГц
- Постоянный ток: 400µA/4000µA/40A/400mA/10A: ±(0.08%+8)
- Переменный ток: 400µA/4000µA/40A/400mA/10A: ±(0.5%+15)
- Сопротивление: 400Ω/4kΩ/40kΩ/400kΩ/4MΩ/40MΩ: ±(0.3%+8)
- Емкость: 40nF/400nF/4µF/40µF/400µF/4mF/40mF: ±(1%+20)
- Температура: -40°C ~ 1000°C (-40°F ~ 1832°F) : ±(1%+30)
- Частота: 40Hz/400Hz/4kHz/40kHz/400kHz/4MHz/40MHz/400MHz: ±(0.01%+8)
- Коэффициент заполнения: 10%~90% : ±(1%+30)
- Токовая петля 4-20 mA: 0~100%: ±(1%+50)
- Мощность (полная, активная, cosφ): 2500W, 2500VA, 0~0.99: ±(2%+5).

Дополнительные функции:

- Измерение истинного действующего значения (True RMS)
- АВП (отключаемый)
- Предупреждение о несоответствии установки щупов и поворотного переключателя
- Возможность измерения переменных напряжения и тока с постоянной составляющей
- Запись во внутреннюю память результатов измерений в кол-ве 100
- «Прозвонка» цепей, диодов
- Фиксация минимальных и максимальных значений
- Режим относительных измерений
- USB-cоединение с ПК посредством оптического устройства сопряжения
- Двухуровневая подсветка дисплея
- Спящий режим

Заключение (на то он и микро-обзор):

Я не буду раскладывать очевидные позиции (цена, качество сборки), их можно посмотреть в полноценных обзорах данного прибора, которых достаточно во всемирной сети. Отмечу лишь интересные для себя моменты (на правах ИМХО).

Плюсы:

1. Предупреждение о несоответствии установки щупов и поворотного переключателя. Это когда вы решили измерить напряжение, перевели поворотный переключатель в положение «V», а вот щуп переставить в гнездо «V» забыли (можно будет измерить ток в розетке). В таком случае прибор начинает подавать апериодичный сигнал, однозначно привлекающий внимание. Аналогичный сигнал появится при несоответствии пределов измерений mA /А.
2. Измерение мощности одним прибором, с помощью специального адаптера.
3. USB-cоединение с ПК, что дает возможность измерять длительные электрические процессы.

Минусы:

1. Нелинейная характеристика при измерении сопротивления в диапазоне 0-4 Ом. То есть, если соединаяем щупы – показания 000.00 Ом (но мы то знаем, что этого быть не может), измеряем резистор 5.1 Ом – показания 005.13 Ом (к примеру, что в пределах погрешности). А вот если измерить резистор 3 Ом – показания 001.76 Ом. Данный эффект обнанужен на нескольких приборах. Сдается мне, что братья-Китайцы решили поводить потребителя за нос. Вот только зачем нужен был этот «Шаолиньский прием», если в приборе присутствует, и вполне себе работает «режим относительных измерений», я так и не понял.
2. Потеря связи ПО прибора с оптическим устройством сопряжения (оптоголовой), если в процессе измерений, к ПК подключить/отключить другое HID-устройство (мышь, клавиатуру, USB-Bluetooth и т.д.).

Так как в мультитетр ,практически сразу после покупки, был установлен АКБ 8.4 В, 300 мА*ч (ибо покупать одноразовые химические элементы – сплошное разорение), желание оснастить его встроенным ЗУ возникло давно. И вот, в один прекрасный момент, потребовалось воспользоваться одной из заявленных функций прибора и произвести запись измерений напряжения АКБ в источнике бесперебойного питания. По примерным оценкам данный процесс должен был занимать около 2-х суток. До этого в таких длительных измерениях прибор не участвовал. Поэтому предварительно было проведено испытание на максимальную длительность работы мультиметра в режиме передачи данных на ПК. По результатам этого испытания время работы прибора от полностью заряженного АКБ составило около 20 часов. Этого времени явно не хватало на период предстоящих измерений – а ведь прибор не имеет какой-либо возможности питаться от внешнего источника. В связи с этим давнее желание решено было воплотить в жизнь.

Было составлено краткое ТЗ на зарядное устройство и его интеграцию в мультиметр:

1. Гальваническая развязка цепей питания;
2. Заряд АКБ в режиме CC-CV током 0.1 С до напряжения 10.4 В согласно документации на используемый АКБ. Выбор самого медленного «стандартного» режима заряда обусловлен несколькими факторами:
1.1. Совместимость с USB-портами всех спецификаций (см п.2 ТЗ);
1.2. Меньшие токи (учитывая установку ЗУ внутри прибора) создают более благоприятную обстановку, с точки зрения ЭМС.
1.3. Вероятность длительной работы мультиметра, учитывая собственное потребление прибора, сводит функции ЗУ к компенсации разряда АКБ с небольшим дозарядом.
2. Подключение ЗУ через USB-порт. То есть, помимо функции передачи данных, добавление к «оптоголове» функции передачи энергии от USB-порта к мультиметру.
3. Минимальные вмешательства в конструктив прибора – подразумевается:
3.1. Максимально сохранить заводской внешний вид;
3.2. Не усложнять разборку прибора для проведения ТО (замена предохранителей, чистка/смазка поворотного переключателя и т.д.).
3.3. Сохранить совместимость заводских/модифицированных мультиметра и «оптоголовы»
4. Индикация статуса процесса заряда АКБ.
5. Возможность полного отключения ЗУ от шины питания USB и использование «оптоголовы» только по прямому ее назначению.

В соответствие с вышеуказанным ТЗ было разработано, собрано и установлено в мультиметр зарядное устройство, схема электрическая принципиальная которого представлена ниже (кликабельна):

Принцип работы следующий: Напряжение питания 5 В с «оптоголовы» через самовосстанавливающийся предохранитель FU1, преобразуется конвертором DA1 в то же напряжение 5В, только гальванически изолированниое от питания USB. Далее оно поднимается до уровня 10.7 В повышающим преобразователем, реализованном на DA2. Стабилизацию зарядного тока обеспечивает линейный ultra low-drop стабилизатор DA4, включенный в режиме стабилизатора тока. Диод VD2 предотвращает паразитный разряд АКБ при обесточенном ЗУ. Супрессор VD3, установленный непосредственно в месте подключения АКБ на плате прибора, призван защитить схему самого прибора в случае неисправности в работе ЗУ. Мониторинг напряжения АКБ в процессе заряда осуществляется супервизором DA3 - до уровня 10.2 В на АКБ выход «RST» находиться в состоянии «лог 0», горит красная секция HL1, VT1 заперт. При достижении уровня 10.2 В выход «RST» DA3 переходит в высокоимпедансное состояние, VT1 открывается, зажигая зеленую секцию HL1. При настройке схемы, вместо АКБ, использовались переменные резисторы ППБ-15Г 4.7 кОм (грубо) + 100 Ом (плавно).

Теперь о процессе интеграции (с картинками, естественно). Начинаем с «оптоголовы». Для начала, она подверглась разборке:

Места внутри достаточно много, но тем не менее потребовалось выделить еще немного пространства. Для этого электролитический конденсатор и кварцевый резонатор были заменены на танталовый и керамический соответственно. Также пришлось немного обточить напильником DC-DC конвертор (было страшно, потому как не знаешь - сколько еще оставалось до внутренностей). Однако получилось с первого раза. Остальные детали были установлены без проблем:

Плавно переходим к самому мультиметру. Самым сложным было – точно совместить ответную часть контактного соединения с установленной, прижимной в «оптоголове» – пришлось поработать штангенциркулем:

Что касается статуса процесса заряда АКБ, то оказалось, что установить светодиод на передней панели прибора практически невозможно. После долгих раздумий было найдено интересное решение – дисплей будет индикатором зарядки! Ниже фото, поясняющие реализацию этого решения:

Само ЗУ, учитывая относительную простоту и отсутствие «серийности», собрано на макетной плате:

И расположено на задней крышке прибора:

То, что экранировка ЗУ осуществлена медной фольгой – не беда – плотный клеевой слой не дает контакта с алюминиевым экраном прибора. Контакт двух экранов обеспечивается через контактную пружину. Соединение с платой прибора обеспечивается через пружинно-игольчатые контакты, позаимствованные из платы старого сотового телефона (кстати, контактная пара для соединения цепей «оптоголовы» и прибора взята оттуда же).

И напоследок фото прибора в работе.

Заряжается:

Заряжено:

Ну и самое главное на последок: Сколь-нибудь заметного влияния работающего ЗУ на точность измерений мной обнаружено не было.

Засим откланиваюсь. Точных Вам измерений!

Файлы:
Архив со схемой (P-CAD, PNG)
Спецификация АКБ

Все вопросы в Форум.