Методика калибровки мультиметров

[Mickle]

Жидкий гелий, JJA, коллайдеры на кухне Бр-р-р, страшно представить, что скоро это может стать реальностью.
Хотя, в том же ВНИИМ А. Катков больше 10 лет назад разработал и внедрил карманную меру напряжения на базе JJA. Потом с ней весь белый свет объехал, сделав 3 круга сличения, и докторскую по этой теме защитил.

Ну а я, раз обещал, выкладываю фотки своего пробника, на проектирование и изготовление которого потратил почти 2 месяца. Вот его краткое досье: два входа с пределами измерения 10 В / 100 В соответственно, пределы показаний 12 В / 200 В, входное сопротивление 2 ГОм / 10 МОм, входной ток 60 пА, честные 7,5 десятичных разрядов, USB интерфейс для логгера.
Впрочем, самым главным требованием была технология, которую я назвал "Всегда готов": после холодного включения показания прибора не должны "уплывать" более, чем на несколько ppm без какой-либо самокалибровки. В предыдущем проекте калибратора это требование удалось выполнить сравнительно легко. А вот с вольтметром всё оказалось примерно в 10 раз сложнее и в основном из-за теплового (градиентного) анализа и минимизации термоЭДС. Последнее вполне очевидно, т.к. любое отклонение напряжения, приведённое ко входу АЦП, имеет вес около 1 ppm/В. Под конец дошло до того, что с досады я потащил печатную плату сразу из-под тепловизора к коллеге на обрабатывающий центр, чтобы сделать сквозной паз вместо серии отверстий, которые я напроектировал. Перемычек между отверстиями оказалось достаточно, чтобы нестационарный тепловой поток от следящего стабилизатора нарушал равновесие самой нежной и чувствительной части прибора - буфера АЦП с парафазным выходом.
В целом пробником я оказался доволен. Да, эргономика у него никакая, и в функциональном плане в нём много чего нет: нет кнопочной панели (вместо неё отстёгивающийся пультик), подсветки дисплея (отключена по требованиям теплового режима). Зато по уровню шума, фактическому разрешению, производительности он вполне может померяться с некоторыми из своих промышленных собратьев. На графике я привёл результаты измерений стандартного отклонения показаний прибора с короткозамкнутым входом. При PLC10 уже вполне можно считаться с самым младшим разрядом шкалы (1 мкВ при шкале 12 В). При чём PLC10 - это честные 5 измерений в секунду.

[trengtor]

Отличная работа!

[xDevs]

Cпасибо за описание, интересно.
А АЦП какой, а то как-то упустил я это? Прислали демоплатку с ADS1262 на тесты, вот ковыряю как раз, может что-то подобное бы повторить интереса ради.

[khach]

Mickle подскажите пожалуйста, не попадалась ли разводка или конструктив ИОН, где все прецизионные резисторы помещены в общий медный тепловой мостик? При этом количество меди желательно оптимизировать, как в плане веса готового, так и в плане веса заготовки.
А по поводу JJ меры- я раньше прецизионным DC вообще не занимался, но нарисовались заинтересованные лица, которым нужен был СВЧ-ист как раз для JJ эталона (волноводы, ФАПЧ, генератор итд). там же тусуется криогнещик, который обещает уложить все в размер корпуса от компа (компрессор, криокулер, криостат). В зависимости от того, какие найдутся JJ марицы (ВТСП или обычные) очень меняется конструкция криогеники. Еще конечно нужен DC и LF компаратор. LF- в смысле низкочастотная переменка, чтобы термоэлектрические и термомагнитные эффекты не мешали.
Вот собираю инфу.

[Mickle]

xDevs, я снова решил использовать старый добрый ADS1282IPW.

khach, только это: http://jml2012.indexcopernicus.com/fulltxt.php?ICID=885915

[moLCHec]

Здорово! Интересно сколько ушло трудов на подбор резюков и их взаимную компенсацию
Озадачивают ряд моментов
1 сетевые трансы как правило греют хорошо и на 5-10 градусов вполне могут поднять температуру прибора + LM-ка греет, как же так прогрева прибору не надо, ну пусть LM-ка термотабилизирована, но у самого АЦП 2ppm/С дрейф. Корпус то вроде как большой и термостабилизация в нем наверно долго идет.
2 Если верить даташиту LM-ка имеет минимальный шум 7мкВ или 1ppm + 0.3 ppm (130дБ) шум АЦП, как получилось такое низкое значение нч шума ?

[Mickle]

Трудов на подбор резисторов было не много, т.к. а) резисторы все заранее промерены и б) резисторы взяты самой точной 5-й группы, а у них технологический запас огромный и ТКС в основном около нуля. Остальное - комбинаторика.

1) Вот в том-то и заключается суть термоградиентной оптимизации PCB. Температура в корпусе повышается за час примерно на 10 градусов. Но это практически не сказывается на показаниях, т.к.: а) системный температурный коэффициент за несколько итераций (матан, куда без него) подогнан к близкому к нулю значению. Для этого в референсном и межкаскадном нормирующем делителях в верхнем и нижнем плечах предусмотрены позиции для медных компенсирующих резисторов. Я задействовал только один, референсный.



б) топология PCB, расположение и интенсивности источников, стоков, выбирались таким образом, чтобы компоненты и узлы, наиболее чувствительные к градиентам температуры, этих градиентов не воспринимали. В том числе в условиях нестационарных процессов (включение, выключение питания, изменение величины и полярности входного сигнала, напряжения питающей сети и пр).



2) На сайте xDevs есть замечательная страничка про измерение и сравнение шума мультиметров.
Суть в том, собственные шумы вольтметров, АЦП нормируются и измеряются при нулевом или околонулевом входном сигнале. А это значит, что вклад нестабильности ИОН (если не измерять на предельных скоростях преобразования АЦП) ничтожен и им можно пренебречь. Но это пол дела. Вторая половина состоит в том, что в топовые измерительные приборы наиболее ответственные в метрологическом плане компоненты не ставят, ориентируясь только на их даташиты. Разумеется мне пришлось отбирать LM399 по НЧ шуму и ТКН из заранее промеренных экземпляров. У моего НЧ шум (0,1-10 Гц) 2,6 мкВ п-п (0,4 ppm п-п) и ТКН минус 0,06 ppm/C. Та же участь постигла даже микропроволочный делитель ДНМ101, который на удивление подбирать не пришлось, т.к. он уже обеспечивал ТКД около 0,05 ppm/C.
Ну а если говорить о величине СКО НЧ шума, то вот, к примеру, сравнение со стареньким псевдо-7,5-разрядным мультиметром Advantest R6871E, у которого в качестве ИОН стабилитрон 1N829 (данные взяты из ТО и ИЭ):

[RU3DDM]

Прошу прощения за оффтоп. https://www.avito.ru/moskva/oborudovani ... _340605009 Сам купил бы,да таньга в должном количестве отсутствует,может кому приглянется. Обслужить, заменить электролиты,откалибровать и будет счастье. (может быть)

[trengtor]

Всех с наступающим Новым годом! Новых плодотворных идей и их реализации!

[xDevs]

C НГ, господа
Неплохо поработали в 2015-том, я прикинул итоги, за год получилось 41 около-тематических статьи
Будем надеятся в этом получится вдвое больше. Спасибо всем за идеи и подсказки.

А если ближе к теме, хотя это скорее к Mickle, сталкивался ли кто с TESLA MAB399? Это клон LM399. Есть возможность добыть жменю, вот думаю стоит ли влезать.
Скажем для постройки 100В ИОНа

[Mickle]

Лично у меня чешский MAB399 не вызывал никакого интереса, тем более, что LM399 лучше по параметрам и продаются на вторичном рынке по рублю за ведро.
Однако есть и другая причина. В топовом 6,5-разрядном мультиметре Metra Blansko M1T380 в зависимости от модификации устанавливается один из 2-х типов ИОН: стабилитрон TKZD 13/D или LM199. Даже не TESLA MAC199, а именно LM199. В менее точном 5,5-разрядном M1T290 стоит всё тот же термокомпенсированный стабилитрон TKZD 13/D. И лишь в примитивном 4,5-разрядном M1T390 (аналог нашего В7-40) используется MAB399.

[trengtor]

Ну, под 100-вольтовый источник оно может и ничего будет

[xDevs]

Мембер форумов EEVBlog ManateeMafia потрудился подключить свои 3458A для измерения 10V, и настроить автоматическую загрузку CSV-данных мне на сервер. В итоге я таки добрался до жаваскрипта и напилил графиков - 4 x HP3458A измеряют выход Fluke 732B. Данные "живые", и обновляются каждые 5 минут и сейчас. Будет добавлен еще один 3458А (свежачок) на днях.

Пару "особенностей" на графиках:

1. Иногда были перерывы в измерениях, но на графиках отображена интерполированная линия. Например 31 декабря данных небыло.
2. Шкала времени/дат не одинаковая на всех графиках, т.к. приборы были добавлены в разное время.

Я не программист, и не знаю JavaScript или приемов правильного использования библиотеки D3.js, так что если кто-то подскажет как эти баги выпилить - буду рад.

Ну а перейдя к результатам, можно сказать что:

Прибор 04188 уплывает +0.066ppm/день и ТКН +0.066ppm/K
Прибор 08451 (с настоящей опцией 002) уплывает +0.145ppm/день и ТКН -0.266ppm/K
Прибор 01527 уплыл 4ppm/день?. Мало данных чтобы сказать точно, пока только история за 2 дня.
Прибор 02157 с залеченной платой A3 ADC с ибея уплывал всего -0.05ppm/сутки и ТКН = -0.266ppm/K
Прибор 02157 с родной хорошей платой A3 ADC очень стабильный (мало данных, внимание на более точную шкалу ppm)

Думаю это хороший пример и результаты как должен работать хороший исправный 3458A
Влажность, давление и комнатная температура также были замерены одновременно с семплами мультиметров, используя ту же Raspberry Pi.

[TEKTRON]

Класс!
ИОН один на всех? Климатические условия общие? Все приборы в одной лаборатории? А собственный ТКН ИОНа известен?
Извиняюсь за массу вопросов, интересно очень , для меня особенно в плане сравнения ТКН.
Древний калеченный/пролеченный 3456 своими 0,14ппм/С таки переплюнул один из 3458-х:

08451 (с настоящей опцией 002) уплывает +0.145ppm/день и ТКН -0.266ppm/K

А вообще данные по ТКН (Прибор 04188 уплывает +0.066ppm/день и ТКН +0.066ppm/K) приводят в восхищение. Радует, что данные о температуре именно от 3458-х. Еще бы как-нибудь данные о температуре ИОНа добыть... Хотя скорее всего, если в одном помещении, можно ориентироваться на график температуры/влажности/давления.
Спасибо!

[xDevs]

Да, один и тот же ИОН, в той же комнате кормит всех зверюшек. ТКН ИОНа неизвестен, но наверное хитрыми математическими выкрутасами можно просчитать.
Михаил в этом собак съел, подождем его

P.S. в будущем вероятно также добавим пару 7081 и пару 1281, будет еще интереснее.

[moLCHec]

Прикольные кривули
уплывание показаний может быть связано с уплыванием используемой меры, причем она может плыть например в +
ИМХО в этом эксперименте не хватает по меньше мере температуры меры, что бы понимать возможность ее потенциального плавания.
Интересно как реализовано измерение температуры в приборе, одно время думал над этим, большинство аналоговых датчиков сильно не линейны сами по себе +
нелинейности добавляет температурная нестабильность элементов обвязки датчиков.
Как не странно старый добрый DS18B20 хоть не очень точен в абсолюте, но имеет неплохую линейность (порядка 0,1С) еще и в госреестр оказывается внесен

[xDevs]

В 3458А датчик температуры это LM35DZ в TO92 , расположенный у переднего левого края аналоговой платы A1 DCV.
Выход датчика потом коммутируется через релюшку K6 на вход измерительного тракта, временно отключая сигнал.

[trengtor]

Как не странно старый добрый DS18B20 хоть не очень точен в абсолюте

Ну, это-то как раз лечится индивидуальной калибровкой.

[RU3DDM]

Уважаемые Коты! А нет ли у кого статистики по долговременной стабильности резисторов? Например насколько может "уплыть" значение сопротивления в % от исходного за год или 10 лет? Какой тип резисторов наиболее стабилен? Насколько со временем снижается (снижается ли?) скорость старения? Интересует в плане временной стабильности коэффициента деления резистивных делителей.

[TEKTRON]

<...> Какой тип резисторов наиболее стабилен? Насколько со временем снижается (снижается ли?) скорость старения? Интересует в плане временной стабильности коэффициента деления резистивных делителей.

Вроде как лучше металлофольговых С2-61 и Р2-67 в наших пенатах ничего не придумали, но могу и ошибаться, насчёт современного положения дел не очень в курсе. В забугорье тон задаёт Vishay.Также могут выручить готовые делители из устаревшей измериловки. В начальных страницах этой темы уважаемый Mickle эти вопросы освещал, включая старение.