Методика калибровки мультиметров

[Mickle]

Это не омметр, это в терминологии Fluke синтезатор импеданса, или иначе - программируемый магазин сопротивления, многозначная мера сопротивления. Он ничего не измеряет. Будучи включенным в цепь постоянного тока он имитирует обычный резистор.

Кстати, этот режим калибратора мне даже в чём-то понравился, что бывает довольно редко в поделках моего изготовления Оказалось очень удобно использовать вместо здорового самодельного магазина сопротивления маленький 6-ти декадный приборчик.

[DWD]

Это... синтезатор импеданса, или иначе - программируемый магазин сопротивления, многозначная мера сопротивления... Будучи включенным в цепь постоянного тока он имитирует обычный резистор.

То есть, нарисованный на Вашей схеме вольтметр в этом режиме не работает и из функциональной схемы его можно просто исключить? А напряжение U просто показывает падение напряжения на эталонном резисторе Ro?
В таком случае, что играет роль резистора R?

Просто Вы, выкладывая схемы и фото своих конструкций, к сожалению, мало уделяете внимания описанию принципа их работы и(или) особенностей...

Это что выходит, что меняя эталонное напряжение Е и используя разные эталонные резисторы Ro, со стороны резистора R (или выходных клемм прибора) мы получаем заданное формулой сопротивление R, которое может быть измерено внешним омметром (например, для проверки его точности)?

Хорошая вещь! Для мощной электронной нагрузки принцип подойдёт? Нужно прикинуть...

Нет, Mickle, всё равно не могу понять. Тупой, наверно...
Покажите, пожалуйста, на примере, как задавать требуемое сопротивление R? Что куда нужно подключить и что куда подавать?

[TEKTRON]

Ну не знаю, господа, как тут что-то синтезируется...
Моему непросвещенному взгляду это видится просто как резистивный делитель, в котором известно поданное напряжение (с выхода калибратора), известно сопротивление нижнего плеча, и измерено напряжение в средней точке. Из этого набора параметров легко рассчитывается сопротивление верхнего плеча делителя, которое и требуется определить.
А вот что мне действительно непонятно, это каким боком тут четырехпроводная схема помогает?
По схеме и фоткам предвижу ответ "никак" , но интрига все же гложет...

[Mickle]

То есть, нарисованный на Вашей схеме вольтметр в этом режиме не работает и из функциональной схемы его можно просто исключить? А напряжение U просто показывает падение напряжения на эталонном резисторе Ro?
В таком случае, что играет роль резистора R?

Вольтметр нужен, даже очень нужен. Ведь без него мы не сможем определить силу тока, протекающего через симулируемый резистор в каждой итерации. R - это целевое значение сопротивления и соответственно показания омметра, если последний подключен к прибору.

[ncp1400]

zöner какая реальная точность и термостабильность получилась ?

[DWD]

Вольтметр нужен, даже очень нужен.

Ну, согласен. По формуле без него не работает...
Но как выставлять? Расскажите в двух словах, пожалуйста, алгоритм или процедуру задания требуемого значения сопротивления. Ведь по формуле одно и то же значение R можно получить при разных значениях E и U.

[Mickle]

Ведь по формуле одно и то же значение R можно получить при разных значениях E и U.

Вы абсолютно правы, но в формуле лишь E является управляемым параметром.
Алгоритм для единичной итерации следующий:
1. Выполняется а/ц преобразование. К результату применяются последовательно линеаризирующий полином (2-й степени) и калибровочное регрессионное уравнение (линейное).
2. Если результат выходит за верхнюю границу текущего диапазона измерений или не превышает верхней границы предыдущего (более чувствительного) диапазона измерений, меняется Ку входного усилителя и п. 1 повторяется после задержки на 1 PLC.
3. Рассчитывается требуемая величина компенсирующего напряжения E на выходе ЦАП в зависимости от текущей уставки сопротивления R, сопротивления выбранного опорного резистора R0 (величина хранится в EEPROM и определяется при калибровке) и измеренного в п.1-2 падения напряжения на опорном резисторе U (т.е. фактически силы тока через опорный резистор).
4. Устанавливается требуемый диапазон воспроизведения напряжения (состояние выходного делителя).
5. Рассчитывается и устанавливается управляющий код АЦП ЦАП по калибровочному регрессионному уравнению.

[TEKTRON]

5. Рассчитывается и устанавливается управляющий код АЦП по калибровочному регрессионному уравнению.

Может быть, имелся в виду ЦАП?


Т.е. в п.1 фактически определяется измерительный ток, генерируемый внешним омметром, при этом Е=0 ?
Получается, внешний омметр должен быть на фиксированном пределе измерения?
При таком раскладе, 4-х проводная схема - она идет со стороны внешнего омметра, а для синтеза она не нужна.

[Mickle]

Да, определяется измерительный ток, но при этом E не равно нулю, а остаётся с предыдущей итерации. Иначе бы, к примеру, не работали ратиометрические омметры, у которых нет источника тока.
Автоопределение предела измерения у омметров в большинстве случаев приходится отключать. Так же, как и режимы измерения с компенсацией термоЭДС, т.е. с прерываниями измерительного тока.
Для синтеза 4-х проводная схема не нужна, но ровно до той поры, пока не задумаешься о релейной коммутации опорных резисторов.

[TEKTRON]

Для синтеза 4-х проводная схема не нужна, но ровно до той поры, пока не задумаешься о релейной коммутации опорных резисторов.

Размышления вслух:
А это сработает?
Да, для собственно синтеза можно подключить опорный резистор по 4-проводной схеме, но ведь ток со стороны омметра все равно будет протекать и через дорожки к реле, и через их контакты. И все эти паразитные добавки будут видны омметру как дополнительное сопротивление. Разве что программно его как-то компенсировать, а для этого его надо сначала измерить. Измерять U двукратно, сначала на клемме, а потом по 4-проводной на опорном резисторе, и разницу считать паразитной составляющей, которая требует компенсации? Вариант, согласен...

И предположение на заметку желающим использовать устройство в качестве электронной нагрузки: максимальный ток, генерируемый синтезатором, должен быть не меньше максимального внешнего тока, планируемого к протеканию через устройство. Во всяком случае, для одного из тех двух предельных вариантов, которыми об'ясняли работу устройства.
Допускаю, что могу ошибаться в этом предположении...

[DWD]

Алгоритм для единичной итерации следующий...

Понятно, спасибо. Теперь отстану... на некоторе время.

[zöner]

zöner какая реальная точность и термостабильность получилась ?

точность вроде соответствует точности опоры (0.2% для REF3025/3125), пока нет возможности поверить на измерительном оборудовании.
жду более точные опоры. Температуру держит +-0.2 градуса.
Вылез один неприятный момент - невозможно измерить напряжения около ноля - на выходе AD8552 минимум 1..2мВ, попробую притянуть резистором к земле...

[DWD]

точность вроде соответствует точности опоры (0.2% для REF3025/3125), пока нет возможности поверить на измерительном оборудовании.
...
Вылез один неприятный момент - невозможно измерить напряжения около ноля - на выходе AD8552 минимум 1..2мВ, попробую притянуть резистором к земле...

zöner, а каким вольтметром мерялось напряжение и на каком пределе?

У REF3025/3125 начальная точность +-5мВ. Смещение AD8552 - микровольты.
То есть, может эти 1...2мВ как раз и соответствуют реальной точности ИОН-а?
Выходное сопротивление что ИОН, что ОУ низкое, резистор на землю не поможет.

Я сейчас играюсь с REF195 (5В, +-2мВ). Используя его в качестве ИОН для мультиметра на 3,5 разряда, резистивным делителем в ОС ОУ OP07 снизил напряжение до 0,1В. И это напряжение все китайские мультметры на 3,5 разряда показывают как 100,0 мВ на пределе 200 мВ. Причём показывают одно и тоже не зависимо от времени предварительного "прогрева" как самих мультиметров, так и ИОН. ИОН выполнен на отдельной открытой печатной платке без термостата. Только защищён с обеих сторон от случайных замыканий обычным скотчем.
То есть, погрешность выходного напряжения ИОН находится за зоной чувствительности этих приборов. Вольтметр на 4,5 разряда, наверное увидел бы погрешность...

[zöner]

к опорнику и точности не относится, это напряжение на выходе ОУ в режиме повторителя при замкнутом на землю входе, т.е. он не может "дотянуть" выход до земли, хотя на выходе вроде каскад на MOSFET. Параметр "output voltage low':


Можно подавать сигнал прямо на вход АЦП, но из-за входного тока и зарядки УВХ пропадает возможность работать с высокоомными делителями.
Или запитать "-" ОУ от небольшого отрицательного напряжения, думаю -0.5..1В вполне хватит...

[DWD]

...саморазогрев может немало нервов попортить. К тому же чем стабильнее/точнее резистор, тем сильнее изолирован от внешних механических, тепловых и пр. воздействий его резистивный элемент. И тем больше тепловое сопротивление при прочих равных условиях. Возьмём, к примеру, делитель 1:10, оба плеча которого образованы резисторами с подобранным ТКС 1 ppm/C и одинаковой мощностью рассеяния. Вроде и ТКД здесь ничтожно мал, а нелинейность в диапазоне входных напряжений только грусть вызывает

Пробовал считать...
Увеличение сопротивления резисторов делителя в 10 или в 100 раз во столько же раз уменьшает нелинейногсть коэффициента деления. Почему нельзя этим воспользоваться? (Что станет уже полоса частот - это понятно, но мы ведь постоянку меряем)

...непонятно, почему производители скромно умалчивают о величине теплового сопротивления резисторов метрологического уровня. В даташитах Vishay я нашёл данные только для RS92 (140 С/Вт) и S102C (90 С/Вт). Для отечественных в ТУ вообще ни слова. Пришлось оценивать самостоятельно.

Пробовал прикинуть значение проблемы при использовании керамических резисторов типоразмера 0805 (бывают 0,05%, 10ррм) и столкнулся с непонятками.
Считать по площади бесполезно, так как отвод тепла будет идти в основном по пайке.
Если считать тупо по допустимым мощности и температуре корпуса, как это получается с мощными транзисторами, то будет 800 °С/Вт.
Но если прикинуть тепловое сопротивление прехода резистивный слой - печатная плата, то получится максимум 5 °С/Вт. Причём я учитывал отвод тепла только через выводы с учётом припоя.

Дальше всё упирается в размеры печатной платы.
Если разместить делитель на плате 50х50мм с тепловым сопротивлением плата-среда 20 °С/Вт, то получится тепловое сопротивление прехода резистивный слой - печатная плата порядка 25 °С/Вт.

И в итоге получим относительную погрешность коэффициента деления 1,8ррм.
Это при таких же условиях (rh=9000, rl=1000, U=10V).

Для многоразрядных приборов это выглядит, видимо, просто таки печально, но если перевести эти цифры в напряжение, то при входном 10В на выходе делителя будет 0.99999820000. Для вольтметра на 5,5 разрядов пойдёт?

Но в обычых приборах делители ставятся высокоомные - 10 МОм. Если прикинуть такой делитель для обычных диапазонов 0,2В, 2В, 20В, 200В и 2000В входного напряжения, то на пределе 20В напряжение 10В будет измерено как 9,999999975745 В.
Относительная погрешность коэффициента деления 0,0025ррм.

С относительно дешёвыми и доступными резисторами 0805, 0,1%, 25ррм и тех же условиях получим соответственно 9,9999999393625 В или 0,006ррм.

P.S.
Это я "замахнулся" на изготовление вольтметра на 5,5 разрядов и прикидываю подводные камни... Получается, что мне можно не обращать внимание на погрешность коэффициента деления делителя, вызванную разогревом от протекающего через него тока?

Добавлено after 24 minutes 54 seconds:

Или запитать "-" ОУ от небольшого отрицательного напряжения, думаю -0.5..1В вполне хватит...

Именно!
Тот параметр, на который Вы ссылались, показывает напряжение насыщения транзистора выходного каскада ОУ. А оно ни когда не будет нулевым даже с мощными полевыми транзисторами.
Я думал у Вас двухполярное питание.

Ведь указанное в даташите напряжение смещения 1мкВ для Вашего ОУ достижимо только при двухполярном питании.
Не знаю, сколько хватит, но если для обычных ОУ для получения нуля на выходе достаточно подать -1,5...-2В, то для Вашего, может быть и -0,5В хватит. Но я бы не жадничал, и "кормил" бы ОУ как положено.

[Mickle]

Увеличение сопротивления резисторов делителя в 10 или в 100 раз во столько же раз уменьшает нелинейногсть коэффициента деления. Почему нельзя этим воспользоваться? (Что станет уже полоса частот - это понятно, но мы ведь постоянку меряем)

Всему есть предел. И увеличению сопротивления резисторов тоже. Чем больше номинал, тем больше влияние объёмных и поверхностных токов утечки по печатной плате, больше вклад теплового шума резистора, строже требования к ОУ в разрезе входных параметров (разность входных токов, их ТК, зависимость от синфазного напряжения, спектральная плотность токового шума), большая чувствительность к ёмкостным наводкам на вход ОУ, сложнее технологически получить малый ТКС резисторов и ТКД делителя.

[DWD]

Mickle, спасибо.
Как я понял, с увеличением сопротивления связаны стандартные проблемы.
Именно по этому входные цепи Ваших вольтметров не имеют входных делителей или есть ещё какие-то соображения?

Не знаю, как выполняются входные цепи прецизионных вольтметров, но судя по Вашим схемам вижу, что по другому.
Порекомендуйте, пожалуйста, литературу (сылки), где об этом можно узнать.
Особенно интересуют способы автоматического переключения пределов.
Варианты , которые я видел в интернете мне не очень нравятся. По разным причинам...

[DWD]

Ещё раз о погрешности коэффициента деления делителя, вызванной разогревом от протекающего через него тока.

При сопротивлении делителя 9000 Ом + 1000 Ом = 10 КОм и напряжении 10В получается ток 1мА. На резисторах выделяется мощность 9 мВт и 1мВт. При тепловом сопротивлении резисторов 140 °С/Вт получаем перегрев резисторов на 9е-3*140=1,26 °С и 1е-3*140=1 °С соответственно. ВСЕГО!
Но температура в помещении может меняется сильнее - на несколько градусов, да плюс постепенное повышение температуры внутри корпуса прибора...

Получается, что делитель нужно помещать в термостат, при калибровке вычислять и запоминать поправочный коэффициент и затем постоянно его использовать при измерениях?..

Пробовал компенсировать коэффициент деления добавлением меднопроволочного резистора последовательно с резистором нижнего плеча - помогает, но только до тех пор, пока не изменятся условия измерения (измеряемое напряжение или температура среды).
То есть, компенсация в принципе не возможна. Ну, разве что подобрать резисторы с одинаковым результирующим ТКС каждого плеча (ТКС нижнего плеча в 9 раз больше, чем у верхнего), или подбирать тепловое сопротивление резисторов, что бы их температура менялась синхронно (тепловое сопротивление нижнего плеча в 9 раз больше, чем у верхнего).

Похоже, та ещё проблемка...

Добавлено after 53 minutes 40 seconds:
Прошу прощения у сообщества, за то, что разговариваю сам с собой, но получил положительный результат! Нужна проверка...

Mickle, если в верхнем плече вместо одного резистора поставить последовательно 9 штук с сопротивлением на 1 КОм, получив прежнее значение 9*1 КОм=9 КОм, то получится, что все резисторы делителя будут одинаковы. Естетственно, с разбросом, но и у Вас ведь при моделировании ТКС и тепловое сопротивление взяты одинаковыми...
В общем, промоделировав такой случай я получил относительную погрешность коэффициента деления делителя 2.5е-10 ррм!
Причём, это значение абсолютно не зависит от температуры среды!

Mickle, проверьте, пожалуйста. Может я где-то напутал, но результат стабильный...

P.S.
Если в верхнем плече один резистор на 9 КОм, а в нижнем - 10 резисторов на 10 КОм параллельно, то относительная погрешность коэффициента деления делителя становится -0,035 ррм. То есть, она становится отрицательной.

Вывод: подбором последовательного и параллельного соединения резисторов плеч делителя можно компенсировать его суммарный ТКС, сведя его к нулю.

[Mickle]

При сопротивлении делителя 9000 Ом + 1000 Ом = 10 КОм и напряжении 10В получается ток 1мА. На резисторах выделяется мощность 9 мВт и 1мВт. При тепловом сопротивлении резисторов 140 °С/Вт получаем перегрев резисторов на 9е-3*140=1,26 °С и 1е-3*140=1 °С

Немного уточню, на нижнем резисторе не 1, а 0,14 градуса.

В общем, промоделировав такой случай я получил относительную погрешность коэффициента деления делителя 2.5е-10 ррм!
Причём, это значение абсолютно не зависит от температуры среды!

Всё верно, т.к. рассеиваемые мощности на всех резисторах одинаковы, то теоретически коэффициент деления будет инвариантен к входному напряжению.

Не знаю, как выполняются входные цепи прецизионных вольтметров, но судя по Вашим схемам вижу, что по другому.
Порекомендуйте, пожалуйста, литературу (сылки), где об этом можно узнать.

На форуме было две заглохшие по разным причинам темы:
1. http://radiokot.ru/forum/viewtopic.php?f=10&t=126018 (Хочу собрать качественный мультиметр - буду рад советам)
2. http://radiokot.ru/forum/viewtopic.php?f=10&t=105564 (Прецизионный вольтметр/мультиметр своими руками)
Наверное имеет смысл продолжить в первой из них, чтобы здесь не оффтопить.

[DWD]

Немного уточню, на нижнем резисторе не 1, а 0,14 градуса.

Да, действительно. Опечатался... Спасибо.
Хорошо, что при моделировании использовались вычисления, по этому на результате это не сказалось.

Всё верно, т.к. рассеиваемые мощности на всех резисторах одинаковы, то теоретически коэффициент деления будет инвариантен к входному напряжению.

Судя по Вашим исходным данным (ТКС и тепловое сопротивление Вы указывали для каждого плеча делителя, не смотря на их одинаковость), Вы вряд ли не заметили этого раньше, когда приводили результаты своего моделирования, однако промолчали. Неужели такой вариант чем-то плох в другом плане и его не следует использовать?

Спасибо за ссылки.