Пока свежи воспоминания, поделюсь второй историей "прокачки" (на самом деле - ремонта) "раритета в квадрате" с диапазоном показаний +-140 000 000. Кто силён в археологии, сразу поняли, что речь пойдёт о Solartron (Schlumberger) 7081.
Это был наиболее совершенный в метрологическом плане экземпляр с установленным модулем LTZ1000, верифицированной стабильностью ~1...2 ppm/год и нелинейностью <0,1 ppm в диапазоне +-10 В (сейчас в более надёжных руках трудится на благо науки). И вот однажды, во время сличения с эталонами (спасибо коллегам), я совершенно случайно обратил внимание на подозрительную временную нестабильность при измерении меры сопротивления постоянному току 10 кОм. Нестабильность обнаружила себя в форме устойчивого дрейфа, дрейфа очень медленного (в среднем 0,07 ppm/сут.), но неумолимо монотонного, направленного в сторону увеличения показаний.
Оставив прибор под наблюдением, я воочию убедился, что предел допускаемой годовой погрешности был достигнут уже на 212 сутки, но что ещё хуже, скорость дрейфа при этом ничуть не снизилась даже спустя 427 дней с момента начала эксперимента.
Неприятно. Хотя правильней сказать - удивительно! Тут удивляло всё. И то, что показания прибора, столько лет находящегося в идеальных условиях, вдруг решили "сбежать" безо всякой видимой причины. И то, что в скорости "убегания" нет даже намёка на снижение. Но самое удивительное обнаружилось после анализа показаний на других поддиапазонах измерения: дрейф в одинаковой мере затронул пределы 0,1 кОм, 1 кОм и 10 кОм, но совершенно не коснулся более высоких. По крайней мере 100 кОм и 1 МОм год стояли как вкопанные.
Как сказал бы в такой ситуации старина Уолтер Шухарт: "Совпадение? Не думаю!" Даже без данных допускового контроля понятно, что такое редкое, почти ненаблюдаемое сочетание обнаруженных фактов намекает на наличие особой причины изменчивости в параметрах функциональных узлов прибора. Что ж, вызов принят. Короче говоря: "Будем искать!"
Если сравнивать с мультиметрами разрядности 6-1/2 и менее, принципиальная схема блока формирования калиброванных токов Solartron 7081 на первый взгляд кажется сложной и запутанной: 4 ОУ, оптроны, куча полевых транзисторов и т.д. Тем не менее, не составляет особого труда выделить на схеме связанные функциональные узлы, а так же наметить стратегию поиска аномалии.
Следует заметить, что измерение сопротивления на поддиапазонах от 0,1 до 1000 кОм мультиметр всегда выполняет по 4-х точечной схеме Кельвина. Даже если используется кабель с 2-мя штекерами, внутри кабеля к ним всё равно подходит 4 проводника: два токовых, подключенных к выходу гальванически изолированного блока формирования калиброванных токов, и два потенциальных, подключенных ко входу усилителя постоянного тока:
В целом, блок формирования калиброванных токов (ФКТ) в подавляющем большинстве широкодиапазонных мультиметров (разве что окромя наших В7-64, 84 и т.п.) представляет собой источник тока на ОУ. Solartron 7081 - не исключение. Источник тока в модели 7081 собран на чоппер-ОУ IC604 ICL7560 и является двухрежимным. При измерении на поддиапазонах с верхними пределами 0,1 кОм, 1 и 10 кОм активен режим с выходным током 1 мА. При этом переключение с одного поддиапазона сопротивления на другой меняет лишь коэффициент усиления масштабного усилителя постоянного тока и соответственно предел измерения вольтметра (0,1 В, 1 и 10 В). Переключение на поддиапазоны 100 кОм и 1 МОм активирует второй режим с выходным током 10 мкА с максимальным падением напряжения на испытуемом резисторе 1 и 10 В.
Текущий режим выбирается логическим сигналом на оптроне IC606. Величина же калиброванного тока, в свою очередь, зависит от включенных в цепи ОУ эталонных резисторов и напряжения ИОН. ОУ IC601 и IC602 совместно с половинками сдвоенного оптрона IC605 образуют гальванический изолятор, на вход которого подаётся системное опорное напряжение +-10 В, а выход представляет собой источник тока с силой 0,2 мА, определяемой как отношение размаха опорного напряжения 20 В к сопротивлению резистора R604 100 кОм. Резистор R604 не простой, а специального метрологического типа Vishay VHA512, т.е. металлофольговый, герметизированный, залитый маслом и имеющий типовую нестабильность 2 ppm/10 лет.
Сформированный таким образом ток 0,2 мА является входным для источника тока, управляемого током (ИТУТ), на ОУ IC604. Коэффициент масштабирования силы тока в этом узле численно определяется отношением сопротивления резистора R609 30 кОм и R612 6 кОм (или R611 600 кОм) в зависимости от текущего режима. Вышеуказанные резисторы тоже не обычные, а проволочные метрологические, произведены британской Mann Components (поглощена Vishay в 1983 г.) и имеют герметичное исполнение с заполнением азотом.
Для простоты понимания, идеализированные модели блока в режимах 1 мА и 10 мкА можно представить следующим образом:
Какой вывод из этого можно сделать? ИОН, изолятор, ОУ ИТУТ и ОУ драйвера затворов - всё это инвариантная часть блока ФКТ и одинаково задействуется независимо от выбранного режима. Лишь ключевые транзисторы и токозадающие резисторы R611/R612 имеют чёткое разграничение во влиянии на работу блока ФКТ с различных режимах. Таким образом стратегия локализации аномалии (неисправности) включала минимально необходимую проверку электрических и тепловых режимов инвариантной части блока ФКТ и детальный анализ параметров режимо-зависимых цепей и компонентов.
Как я и предполагал, электрические и тепловые режимы, параметры компонентов инвариантной части оказались в пределах нормы. Ни перегрева, ни смещений нуля ОУ, дрейфа ИОН, сопротивления резисторов, утечки конденсатора (отпаивался), затворов полевых транзисторов (менялись), защитных пикоамперных диодов (отпаивались), деградации CTR оптронов, ухода параметров стабилизаторов питания. Ничего. Никаких зацепок.
В итоге фокус подозрений сместился непосредственно на токозадающий резистор R612. Видимых дефектов на нём нет, сопротивление в пределах допуска 6 кОм+-0,1%. Что тут может пойти не так? Тем более, что для формирования восходящего тренда показаний прибора сопротивление R612 должно уменьшаться! Нет, я ещё понимаю монотонный рост сопротивления, например, в силу коррозионного разрушения мест приварки проволоки к выводам, роста толщины оксидной плёнки и т.п. Но существенное уменьшение сопротивления (в моём понимании) дают лишь механические остаточные напряжения первого рода (точнее, их релаксация) и упорядочение в самом сплаве (т.е. диффузионый, термоактивируемый процесс). И то и другое за 30 с лишним лет старения должно было минимизироваться естественным образом.
Так или иначе, решено заменить R612 на резистор другого типа, с последующей оценкой характера временной нестабильности показаний прибора на мере 10 кОм. Вообще, заменить резистор такого типа и с таким номиналом - задача весьма не тривиальная. Максимально близкое, что было в моём распоряжении - это герметичный металлофольговый С5-61 6,26 кОм 5 ppm/°С. Поскольку этих резисторов было приобретено в большом количестве, удалось отобрать экземпляр с ТКС минус 0,1 ppm/°С при температуре +45°С (в среднем до неё нагревается нутро мультиметра при длительной работе).
Резистор запаян, прибор включен. Осталось ждать...
Ждал я 256 дней. Никаких улучшений за это время не зафиксировано. Скорее наоборот, зафиксировано ухудшение, т.к. скорость дрейфа только увеличилась. Первые 4 месяца можно списать на релаксацию напряжений после пайки резистора, после чего наблюдается излом на графике дрейфа. Хотя скорость его снизилась вдвое, устойчивая линейная регрессия не даёт благоприятного прогноза на будущее
Время для плана Б. Вновь куплены С5-61, самые лучшие из тех, которые вообще можно достать в наше время, 12 кОм 0,005% 5 ppm/°С. Из них выбраны те, которые за время хранения не вышли из поля допуска, и затем подобраны в пару с противоположным по знаку ТКС. Пайка осуществлялась с теплоотводом. Резисторы капризные, и уже при нагреве до +55°C демонстрируют дрейф сопротивления до 10-20 ppm.
В итоге оба резистора получилось разместить достаточно аккуратно на том же посадочном месте:
На этот раз результат не заставил себя ждать долго: предел 90-суточной погрешности (стабильности) по отношению к эталону прибор пролетел за 5 дней, а годовой - менее, чем за месяц. Неудача. Время для плана В.
План В - это учёт путей монтажных утечек. Впервые с этой проблемой столкнулся в самом раннем Solartron 7081 1984 г. выпуска, в котором материал печатной платы в совокупности с маской давали огромные токи утечки на высокоимпедансные входные цепи прибора. Лишь после того, как элементы входной цепи масштабного УПТ были перемонтированы на фторопластовые втулки и соединены проводом во фторопластовом кембрике воздушным монтажом, удалось снизить ток утечки с 330 до 1-2 пА, т.е. более, чем на 2 порядка.
Решиться на такой же шаг было не легко. Однако, поскольку других способов не предвиделось, пришлось всё же пойти на крайние меры:
Результат хирургического вмешательства не мог не порадовать. Практически пройдён тест на 90-суточную стабильность. Наблюдение за прибором в течении года показало, что скорость дрейфа снижается и в целом экспериментальные данные надёжно аппроксимируются степенной функцией с показателем 0,5, т.е. горизонтальной параболой. На момент окончания мониторинга скорость дрейфа на пределах от 0,1 до 10 кОм снизилась до допустимой величины, а на пределах 100 и 1000 кОм достоверно её измерить не удалось ввиду малой величины.
Вот так мимолётный взгляд на показания прибора обернулся довольно необычным исследованием, затянувшимся ровным счётом на 1124 дня.
).
