Что мерить, чем мерить, как мерить. И, естественно - зачем мерить...

При поддержке компании ПРИСТ


Ответить

Re: Любительский универсальный калибратор

Вс авг 04, 2019 07:24:25

Обидно, однако. Насколько я помню, такой номинал с такой точностью было проблематично найти.

Re: Любительский универсальный калибратор

Вс сен 01, 2019 14:22:01

Все комплекты плат калибратора настроены и проверены в рабочем режиме. "Железная" часть опытного экземпляра тоже закончена. На текущий момент написаны низкоуровневые библиотеки и осталась в основном творческая работа.

Изображение

Источник питания калибратора состоит из 3-х гальванически развязанных каналов:
1) +5 В для питания платы цифрового управления и индикации,
2) +/-15 В и +5 В для питания ИОН, ЦАП, выходного буфера ЦАП, внутреннего последовательного интерфейса и сигнальных поляризованных реле,
3) +/-15 В для питания источника калиброванных токов и выходных мощных буферов.
Выделенный канал для питания мощных буферов позволяет реализовать 4-х проводное подключение нагрузки в режиме воспроизведения напряжения. Однако в связи с этим каналы №2 и №3 должны иметь не только гальваническую развязку, но и минимальный возвратный ток синфазной помехи. Обеспечить последнее требование можно путём размещения обмоток трансформатора внутри общего электростатического экрана, как это делается во взрослых приборах:

Изображение
Трансформаторы источника питания вольтметра В7-34

Такой подход безусловно потребовал бы изготовления трансформатора на заказ, что в условиях опытного производства лишено целесообразности. Именно поэтому я использовал вместо одного специального - три унифицированных малогабаритных трансформатора, соразмерных требованиям по мощности каждого из 3-х каналов. Поскольку трансформаторы не экранированные, для минимизации возвратного тока синфазной помехи между каналами №2 и №3 предусмотрен узел инъекции компенсирующего тока (схема на первой странице темы). В процессе настройки источника к общим шинам каналов №2 и №3 подключается мультиметр в режиме измерения напряжения постоянного тока с входным сопротивлением 1 МОм. Вращением движка потенциометра на плате добиваются минимальных показаний мультиметра.

Изображение Изображение

Стабилизаторы источника питания размещены на выделенной плате, которая крепится на радиаторе. На этой же плате размещаются м/с 3-х мощных буферов LT1010 с выходным током до 150 мА. Одна LT1010 задействована в выходном каскаде источника калиброванного напряжения, две других, соединённые параллельно, используются в источнике калиброванного тока. Микросхемы в корпусе DIP8, поэтому для облегчения теплового режима при максимальной нагрузке так же, как и м/с стабилизаторов, прижимаются через теплопроводящую прокладку к поверхности радиатора. Конечно более правильно использовать LT1010 в корпусе TO220, но "на попробовать" достаточно и такого варианта.

Цифро-аналоговый тракт калибратора при отсутствии дополнительных плат расширения, типа вольтметра, работает в полностью статическом режиме. Таким образом, для управления всеми узлами и отображения режимов на алфавитно-цифровом индикаторе оказывается достаточно аппаратных и вычислительных ресурсов простейшего модуля из серии Arduino и т.п. Я использовал клон Nano v.3, для которого изготовил базовую плату с требуемыми разъёмами периферии и цифровыми изоляторами. К функциям платы управления относятся задание режима и кода ЦАП, управление реле, обработка нажатий софт-клавиш и вращения энкодера, индикация текущей уставки, режима, температуры и пр. на дисплее, измерение температуры внутри корпуса калибратора аналоговым (типа LM35) или, если очень хочется, цифровым (TMP117) датчиком, связь с ПК через USB, управление яркостью OLED дисплея.
Инициализация калибратора при включении в сеть заслуживает особого упоминания. Специфика использованных однообмоточных поляризованных реле и схемы их управления таковы, что перевести реле из неопределённого (например, после выключения питания прибора) в пассивное состояние можно только путём последовательной установки активного и пассивного состояния. Но это нельзя делать для всех реле сразу, т.к. ключи, коммутирующие реле, не рассчитаны на такой ток. По этой причине любые групповые изменения состояния реле на платах калибратора производятся последовательно, одно реле за другим. При включении калибратора на секунду раздаётся весёлый треск :)

Изображение Изображение Изображение

Компоновка узлов калибратора получилась довольно плотная. Обязательным атрибутом конструктивного исполнения являются защитные электростатические экраны, окружающие обе аналоговые платы прибора.

Изображение

В заключении, результат предварительного измерения интегральной нелинейности воспроизведения напряжения на поддиапазоне 10 В. Испытывались две платы: #1 - с ИОН на базе LTZ1000 и #5 - облегчённый вариант с ИОН на базе LM399H. Последний испытывался дважды, с разными мультиметрами. Могу сказать, что большинство настольных 6,5-разрядных мультиметров даже не почувствует такую нелинейность :)

Изображение

Материалы проекта, которые потенциально могут быть кому-то полезны, свободно доступны здесь: https://drive.google.com/open?id=1gR0IT ... WwbieU7y1q

Re: Любительский универсальный калибратор

Вс сен 01, 2019 14:29:06

Просто сумасшедшая работа! Поздравляю!

Re: Любительский универсальный калибратор

Вт сен 03, 2019 22:35:09

Софт ещё не написан, а уже боевое крещение :)
Прошивка новых поправочных коэффициентов в мультиметр для нашего коллеги по volt-nuts :solder:

Изображение Изображение Изображение

Re: Любительский универсальный калибратор

Чт сен 26, 2019 16:16:01

Миша! Твой труд заслуживает уважения!
Я так понял это не Финал.

Re: Любительский универсальный калибратор

Чт ноя 07, 2019 13:32:47

Вот и финал.

Изображение Изображение Изображение

Что сделано?
На все платы сопротивлений впаяны отсутствующие 100 МОмные резисторы типа С5-66 с последовательными подгоночными резисторами С2-29В.

Изображение

На все платы DCV/DCI подобраны и запаяны настроечные резисторы в ИОН для установки выходного напряжения, близкого к теоретическому 10,48 В. Это обеспечит некоторый запас для цифровой калибровки и возможность установки выходного напряжения на 2-3% выше "круглого" номинала.

Изображение Изображение

Уточнён номинал резисторов R5 и R6 в ООС усилителя мощности канала DCV с целью минимизации НЧ шума в диапазоне 0,1-10 Гц при обеспечении запаса устойчивости.

Изображение Изображение

Обнаружена неприятная особенность калибратора - большая величина дрейфа смещения нуля (>70 ppm) на пределе 100 мВ при холодном включении. При анализе причин были последовательно исключены ИОН, ЦАП, делители 1:10 и 1:100, выходной усилитель мощности. Единственное, что осталось на пути сигнала (дорожки голубого цвета), это реле K1, которое находится в непосредственной близости от нескольких источников тепла. Т.о. причина в термоЭДС.

Изображение Изображение Изображение Изображение

Реле K1 типа NEC EB2-5SNW имеет малые габариты и симметричную конструкцию. При использованной встречной схеме соединения контактов собственная термоЭДС ограничена величиной 300 нВ даже при ошибочной подаче 5 В на катушку реле в течении нескольких минут (мощность 0,1 Вт). Это всего 3 ppm от предела 0,1 В. Откуда берутся 7 мкВ (70 ppm) становится понятно при взгляде на таблицу коэффициента термоЭДС некоторых пар материалов:

Изображение

Реле в SMD исполнении и выводы к площадкам на плате припаяны обычным оловянно-свинцовым ПОС61. К сожалению, пространственного разрешения тепловизора Flir E60 оказалось недостаточно, чтобы оценить градиент температуры. Тем не менее, в качестве первого приближения можно считать, что возникновение термоЭДС обусловлено парой медь-припой, а не выводами и контактами реле (медь, серебро, золото).
Поскольку я скептически отношусь к численным данным из науч-поп источников (типа вышеприведенной таблицы), я соорудил простейшую установку для измерения термоЭДС и два образца: 1) две разные медные проволочки, 2) медная проволочка и припой ПОС61. Результаты говорят, что таблице можно верить :) Впрочем, в случае пары медь-ПОС можно было обойтись и без эксперимента.

Изображение Изображение Изображение Изображение Изображение

Выходов из этой ситуации несколько: 1) изменить топологию печатной платы, 2) вынести реле на мезонинную плату с изменением мест припайки, 4) фрезеровать на плате сквозные пазы, 5) использовать специальный припой на основе кадмия. Последний вариант технологически является самым простым. В диапазоне до 200°С коэффициент термоЭДС меди находится по середине между кадмием и оловом. Поэтому существует такой состав сплава, при котором его термоЭДС будет близка к таковой меди. В литературе этот сплав указан как Cd70Sn30. Такое же соотношение компонентов легко получить и теоретически, используя правило смешения (но оно не применимо к твёрдым растворам):

Изображение

Хотя достать х.ч. кадмий и олово не составляет особого труда, от этой авантюры я отказался без тени сомнения. Здоровье намного важнее, чем какие-то страдания о термоЭДС.
В конце концов для решения проблемы дрейфа нуля был изготовлен дополнительный блок делителей напряжения (1:10, 1:100):

Изображение Изображение Изображение Изображение

Теперь дрейф смещения нуля на пределе 0,1 В при запуске прибора определяется намного более стабильным каналом 1 В. Заодно с помощью каскадного соединения 2-х делителей получена возможность расширить диапазон воспроизведения в сторону меньших напряжений.

Для воспроизведения силы тока на поддиапазоне 0...+/-1 А смакетирован ИТУН с крутизной 1 А/В. Схема тривиальная. Входной буфер на половинке сдвоенного auto-zero ОУ MAX44246, делитель напряжения на 10, ИТУН на второй половинке MAX44246, мощный выходной каскад на LT1210. Основная проблема - выбор резистора шунта. Выбирать было особо не из чего. сначала опробовал из 2-х проволочных LR600 2 Ом 0,01% 1,2 Вт 3 ppm. Ужасно. Ввиду их большого сопротивления дрейф силы тока из-за саморазогрева резисторов составляет до 70 ppm. Такой же величины нелинейность.

Изображение Изображение Изображение Изображение

Второй шанс - проволочный 0,1 Ом 1 Вт 0,5%, ТКС не известен. Хотя саморазогрев уменьшился, но дрейф силы тока снизился всего на 20 ppm, т.е. незначительно. Причина - более высокий ТКС шунта (экспериментально - около 5 ppm/°C). Т.к. больше шунтов у меня не было, я рискнул выполнить старый трюк с компенсацией ТКС с помощью медного резистора. 75 сантиметров медного провода, сложенные в гармошку и размещённые в отверстии шунта, сделали своё дело. Переделывать макет и тратить время на никому не нужные печатные платы я не стал.

Изображение Изображение Изображение Изображение

Высоковольтный масштабный усилитель используется при воспроизведении напряжения на пределах 100 и 1000 В. О нём я уже писал в теме о калибровке. Опасная штука, поэтому включается редко.

Изображение Изображение Изображение Изображение

P.S. Решил опробовать компоновку в новом корпус. Не сказать, чтобы дешёвый, но ужасно неудобный и некачественный. Тонкая жесть, которую нужно чем-то усиливать. Пластиковые рамки с дефектами литья. Ножки не резиновые, а пластмассовые, скользят как коньки на льду.

Изображение

Re: Любительский универсальный калибратор

Чт ноя 07, 2019 21:21:39

Чип и дип предлагает припой ПОСК 50-18 с кадмием. Состав другой но вроде как на eevblog народ пробовал сказали хорош.

Re: Любительский универсальный калибратор

Чт ноя 07, 2019 21:59:30

Не пробовали они. Только обсуждали.
https://www.eevblog.com/forum/metrology ... er-104790/
Из наших наиболее близок ПОК-56.
Но его не достать.
"При использовании справочника Григорьева результат оптимизации для кадмия и олова даёт состав 0,71+0,29. По чистой случайности он совпадает с эвтектикой."
Mickle


Изображение

Re: Любительский универсальный калибратор

Чт ноя 07, 2019 22:02:06

Не пробовали они. Только обсуждали.

Кто то пробовал. В какой то прикладной ветке. Писал что помогло. Ветку увы не вспомню.

А на счёт 50-18 там же ещё и свинец есть он тоже что-то даёт.

Re: Любительский универсальный калибратор

Пт ноя 08, 2019 22:18:11

Литературных данных по термоЭДС тройной системы Cd-Sn-Pb я не нашёл, равно как и результатов прямых измерений на eevblog. Прикидочный расчёт средней относительной дифференциальной термоЭДС на интервале 0+/-100°C даёт результат, чуть меньший, чем у ПОС61. Конечно расчёт грубый, не учитывает наличие нескольких механизмов рассеяния и возможные структурные превращения, в т.ч. полиморфные, но это лучше, чем ничего.

Изображение Изображение Изображение

Возможно имеет смысл создать отдельную ветку по термоЭДС металлов, сплавов и припоев. Данные весьма разрозненные, а уж всякой профанации про low thermal - хоть пруд пруди.

Re: Любительский универсальный калибратор

Сб ноя 09, 2019 13:26:01

Странно что нигде не видно безсвинцовых припоев: олово-серебро, олово-медь.
Или они получаются хуже чем кадмий?

Re: Любительский универсальный калибратор

Сб ноя 09, 2019 13:44:37

Бессвинцовые такие же или даже хуже, чем Sn-Pb.

Изображение

Для справки, абс. термоЭДС меди при 300 К составляет +1,94 мкВ/К.

Re: Любительский универсальный калибратор

Пт ноя 15, 2019 19:29:57

В названии темы слово "Любительский" явно лишнее :beer: :)

Re: Любительский универсальный калибратор

Сб ноя 16, 2019 12:40:16

Тем не менее, в качестве первого приближения можно считать, что возникновение термоЭДС обусловлено парой медь-припой, а не выводами и контактами реле (медь, серебро, золото).
Мне кажется, состав припоя тут не играет ни какой роли. В месте пайки имеется два спая: медь печатного проводника -> припой -> материал (латунь?) вывода реле. Градиент температуры тут минимальный и, на мой взгляд, имеет порядок миллиградусов. Наличием припоя можно пренебречь, а паразитная термо-ЭДС формируется из-за градиента температуры поперек реле спаями "медь печатного проводника -> материал вывода реле".

В техническом описании реле я не нашел тип материала выводов, но "пошкрябав" выводы сигнальных реле пр-ва OMRON и NEC, могу утверждать что это точно не чистая медь. Имеется у Вас возможность измерить величину термо-ЭДС их выводов по отношению к меди?

Re: Любительский универсальный калибратор

Сб ноя 16, 2019 13:58:02

Не всё так просто. Думаю, что это результат суперпозиции нескольких факторов.
Реле, подключено к нановольтметру парой медных проводников:

Изображение

Нагрев свободных выводов реле с противоположной от подпаянных проводников стороны примерно на 5 градусов даёт не более 1 мкВ ЭДС. Нагрев одного из 2-х мест пайки проводников на ту же температуру вызывает ЭДС до 5 мкВ (ошибка 50 ppm на пределе 0,1 В). Однако я сильно сомневаюсь, что при расстоянии между падами 2,54 мм можно получить такой градиент температуры при имеющейся системе тепловых источников и стоков.

P.S. Похоже, что вклад реле действительно превалирует. По даташиту NEC EB2 материал выводов традиционный - фосфористая бронза. Рогельберг приводит значение дифференциальной термоЭДС по меди 2,2 мкВ/°C. Это очень много.

Изображение Изображение

Re: Любительский универсальный калибратор

Вс дек 22, 2019 16:46:27

Выдалось немного времени на тестирование обновленной прошивки GPIB адаптера (viewtopic.php?p=3760862#p3760862). В качестве подопытного использовал первый прототип калибратора, на котором включен режим воспроизведения напряжения 10 В. Измерения запущены сразу после "холодного" включения прибора. Поскольку использован модуль с LTZ1000A, его выход на режим не отражён награфике, т.к. длится всего несколько секунд.

Изображение

Второй прототип калибратора скомпонован с учётом ряда недостатков первого. Осталось изготовить плату стабилизаторов напряжения и, самое страшное, лицевую панель с элементами управления.

Изображение Изображение

Корпус действительно крайне неудобный. Нашёл ему альтернативу с конструктивом по типу HP34401A и прочих приборов половинной ширины. Но стоит ли овчинка, уже не уверен.

Re: Любительский универсальный калибратор

Пт янв 24, 2020 00:00:06

Вот и второй "блин" комом :( Оставшиеся 3 попытки использовать уже нет желания...

Изображение Изображение

P.S. Конечно и промышленные калибраторы "дрейфуют" не меньше, когда выходят на рабочий режим. Целевой Datron 4000A уплывал с прогревом на те же 8 ppm, но весил он 30 кг, имел активное охлаждение и мощность мог рассеивать до 300 Вт. С другой стороны, иногда сам по себе результат не так уж и важен, а интересен процесс его достижения :solder:

Тему можно считать закрытой.
Ответить