Понимание технических характеристик прецизионных мультиметров

Введение

Цифровые мультиметры – это основные рабочие инструменты в электронной промышленности. Практически все электронные изделия, которыми мы пользуемся в быту и профессиональной деятельности, производятся или обслуживаются с помощью мультиметров.

Различные применения цифровых мультиметров (здесь и далее – ЦМ) требуют разного уровня внимания к их спецификациям. Техник, проверяющий источник питания логических схем, может уверенно использовать свой проверенный настольный мультиметр, чтобы убедиться, что напряжение находится в пределах нескольких процентов от 5 В.

Однако, когда задача требует тестирования критически важных схем, проверки прецизионных компонентов, точной настройки на производстве, подтверждения соответствия отраслевым стандартам или проведения измерений за пределами контролируемой лабораторной среды, возникает необходимость в тщательном анализе технических характеристик.

Глубокое понимание технических характеристик имеет решающее значение при оценке пригодности цифрового мультиметра для конкретной задачи или когда необходима уверенность в том, что его показания действительно отражают фактические значения.

В этой статье рассматриваются основные принципы, положенные в основу спецификаций и технических паспортов цифровых мультиметров. В ней приведены определения различных элементов спецификаций ЦМ и рекомендации по их практическому применению.

Содержание

• Введение
• Спецификации и технический паспорт
• Источники формирования характеристик неопределенности измерения
• Прослеживаемость и технические характеристики
• Элементы спецификаций цифровых мультиметров
• Характеристики базовой неопределенности
• Модификаторы (факторы изменения) неопределенности
• Спецификации условий и ограничений
• Сравнение различных цифровых мультиметров

Спецификации и технический паспорт

Каждый раз, когда мы выполняем измерение любым прибором, мы в определенной степени рискуем, фактически «ставя на то», что прибор покажет нам «реальное» значение. Качественный мультиметр с высокой вероятностью обеспечивает показания, соответствующие действительности.

Именно технические характеристики позволяют оценить, насколько можно доверять показаниям прибора и какова вероятность недопустимой погрешности.

Документ со спецификациями – это четко сформулированное описание характеристик. Он должен объективно определять возможности прибора при четко определенных условиях эксплуатации.

Из этого формального определения можно выделить признаки качественно сформулированных технических характеристик:

• Полнота – учтен любой фактор, влияющий на неопределенность, включая эксплуатационные ограничения, такие как влажность, высота или вибрация
• Четкость – приложено максимум усилий, чтобы сделать характеристики понятными и однозначными
• Объективность – отсутствие попыток ввести в заблуждение ради маркетингового продвижения

Технически грамотно составленная спецификация должна иметь тот же уровень достоверности, что и медицинская карта или банковская выписка. Производители обязаны полностью отвечать за заявленные характеристики, а пользователь имеет право рассчитывать на абсолютную точность и полноту предоставленной информации.

В техническом паспорте (спецификации) должны быть указаны характеристики неопределенности измерения и корректирующие коэффициенты (поправки), которые на нее влияют. Там также приводятся эксплуатационные ограничения, определяющие условия окружающей среды, при которых заявленные параметры неопределенности остаются действительными. Они задаются в виде числовых значений (например, относительная влажность) или через ссылки на международные стандарты (ударо- и виброустойчивость).

Сначала рассмотрим, как именно осуществляется количественная оценка неопределенности измерения.

Источники формирования характеристик неопределенности измерения

Основная задача технических характеристик цифрового мультиметра – установить неопределенность измерения для любого входного сигнала в рабочем диапазоне прибора. Спецификация отвечает на вопрос: "Насколько значение на дисплее прибора, вероятно, близко к фактическому значению сигнала на его входе?"

Производители измерительных приборов рискуют собственной репутацией, гарантируя, как будет вести себя вся серия инструментов в течение межкалибровочного интервала (обычно он составляет 1 год). Инженеры-разработчики и метрологи используют лабораторные испытания и методы прикладной статистики для формирования технических характеристик.

Спецификации цифровых мультиметров относятся к конкретной модели (то есть конструктивной платформе), а не к отдельному экземпляру прибора. Любой отдельный прибор определенной модели должен работать с достаточным запасом в пределах заявленных характеристик, особенно в начале межкалибровочного интервала. Технические характеристики модели базируются на тестировании репрезентативной выборки изделий и анализе собранных данных от этих приборов.

Если, например, выполнить измерение одного и того же номинального сигнала на входе с помощью 50 приборов одной модели, мы получим определенный диапазон показаний. Большинство приборов покажут одинаковые значения, но ожидается определенный разброс, обусловленный естественной неопределенностью.

Например, можно зафиксировать показания 50 цифровых мультиметров FLUKE модели XYZ, подключенных к одному и тому же прецизионному калибратору, выдающему напряжение 10 В. Мы получим узкий диапазон разброса показаний вокруг отметки 10 В.

На основе этих данных можно рассчитать среднее арифметическое значение всех измерений, которое, как ожидается, составит 10 В, а также вычислить стандартное отклонение показаний (Уравнение 1).

Уравнение 1. N = размер выборки
X = измерение

Стандартное отклонение является мерой «разброса» выборки измерений относительно среднего значения. Эта мера разброса является основой для спецификаций неопределенности.

Если построить график частоты появления каждого значения, мы получим колоколообразную кривую нормального распределения (распределение Гаусса). Практически все измерения подчиняются закону нормального распределения, в частности измерения простейшими инструментами, такими как линейки или измерительные стаканы. На рисунке 1 показана кривая нормального распределения с центром в точке 10 В.

Рисунок 1. Нормальное распределение со средним значением 10 В и стандартным отклонением 0,02 В

Опираясь на экспериментальные данные и опыт, разработчики приборов формируют технические характеристики на основе модельного предположения о нормальном распределении и расчетов стандартного отклонения для репрезентативной выборки исследуемых образцов. Использование нормального распределения позволяет связать стандартное отклонение с процентом полученных показаний путем вычисления площади под кривой.

• 68% значений находятся в пределах 1-го стандартного отклонения от среднего значения
• 95% значений находятся в пределах 2-х стандартных отклонений от среднего значения
• 99,7% значений находятся в пределах 3-х стандартных отклонений от среднего значения

Специалисты по статистике называют эти проценты доверительными интервалами (confidence intervals). Они могут сформулировать это так: «Мы на 95% уверены, что значение полученных показаний не отклонится от фактического значения более чем на 2 стандартных отклонения».

В приведенном выше простом примере:

1 стандартное отклонение соответствует ± 0,02 В,
2 стандартных отклонения соответствуют ± 0,04 В,
3 стандартных отклонения соответствуют ± 0,06 В.

Таким образом, перед производителем возникают вопросы: «Сколько стандартных отклонений заложить в спецификацию?» и «Какой доверительный интервал использовать для формирования характеристик?». Чем больше количество стандартных отклонений, тем меньше вероятность того, что прибор выйдет за пределы допуска между калибровками. Внутренние инженерные стандарты производителя определяют, сколько стандартных отклонений применяется для расчета характеристик. Компания FLUKE использует доверительный интервал 99%, что соответствует 2,6 стандартного отклонения на кривой нормального распределения.

Прослеживаемость и технические характеристики

До этого момента мы рассматривали уровень неопределенности, которого следует ожидать от цифрового мультиметра (ЦМ), однако еще не рассмотрели, как обеспечить единство измерений – то есть, как гарантировать, что мы оперируем тождественными значениями вольта, ома или ампера. Измерительные характеристики цифровых мультиметров должны иметь метрологическую прослеживаемость к первичным национальным эталонам.

Калибровка цифровых мультиметров обычно выполняется с помощью многофункциональных калибраторов, таких как высокопроизводительный многофункциональный калибратор Fluke 5730A, прецизионный усилитель напряжения и тока Fluke 5725A или один из линейки калибраторов 55ХХ: Fluke 5560А, 5550А, 5540А, 5530А. Однако между вашим рабочим мультиметром и национальным первичным эталоном обычно существует целая цепочка метрологического подчинения, которая включает рабочие калибраторы и компараторы (эталоны сравнения). По мере продвижения по этой цепочке от мультиметра к национальной метрологической лаборатории точность эталонов возрастает. Каждый эталон в цепочке должен обладать метрологической прослеживаемостью к национальным эталонам через непрерывную цепь сверок (калибровок), каждая из которых имеет указанную характеристику неопределенности.

Многофункциональный калибратор Fluke 5560A/1G (5128187)

Прецизионный усилитель напряжения и тока Fluke 5725A (849096)

Многофункциональный калибратор Fluke 5730A
(4334885)

Таким образом, неопределенность измерения ЦМ напрямую зависит от неопределенности калибратора, с помощью которого осуществлялась его калибровка. Большинство спецификаций ЦМ формируются с учетом двух обязательных условий:

1. ЦМ прошел калибровку с использованием конкретной модели калибратора (обычно указывается в Сертификате калибровки или инструкции по эксплуатации и сервисном руководстве к ЦМ).
2. Калибратор работал в пределах своих нормированных эксплуатационных условий и имел прослеживаемость к национальным эталонам.

Это позволяет производителю ЦМ включать неопределенность калибратора в итоговые характеристики неопределенности ЦМ. Если же в документации неопределенность указана как «относительная» (relative uncertainty), это означает, что неопределенность выходного сигнала калибратора не была учтена и ее необходимо добавить к неопределенности ЦМ.

Рисунок 2. Прослеживаемость — это метрологический путь от вашего цифрового мультиметра к первичным национальным эталонам

Элементы спецификаций цифровых мультиметров

Среди многочисленных стандартов, регулирующих измерительные приборы, не существует единого стандарта для оформления спецификаций цифровых мультиметров. Однако с годами производители наработали подобные форматы, что немного упрощает сравнение различных мультиметров. В этом разделе рассматриваются наиболее распространенные подходы к оформлению спецификаций.

Как отмечалось выше, характеристики неопределенности очерчивают допустимый диапазон вокруг номинального значения. Выполняя измерения в пределах нормированных ограничений по времени, температуре, влажности и т.д., вы можете быть уверены, что показания прибора не выходят за пределы этого диапазона.

Время и температура критически важны для расчета неопределенности. С течением времени электронные компоненты подвергаются незначительным изменениям (или «дрейфу»). Из-за этого дрейфа параметры неопределенности ЦМ остаются действительными только в течение четко определенного периода. Этот период обычно совпадает с рекомендуемым межкалибровочным интервалом и составляет 1 год.

После очередной калибровки этот отсчет начинается заново, и характеристики неопределенности снова становятся действительными на следующий период.

Температура влияет на работу каждого компонента прибора — от простейшего резистора до сложнейшей интегральной микросхемы. Разработчики ЦМ применяют эффективные решения для схемотехнической компенсации температурных колебаний. Способность работать при различных температурах отражается в заявленном рабочем диапазоне и часто сопровождается температурным коэффициентом (подробнее об этом далее).

Неопределенность мультиметра невозможно выразить простым процентом, хотя искушение упростить описание существует всегда. В рекламном буклете можно увидеть заявление: «Базовая точность 0,002%». Однако это лишь незначительная часть общей картины, которая обычно отражает наиболее оптимистичный сценарий.

Сложность формирования спецификаций обусловлена способностью мультиметра выполнять большое количество различных типов измерений на многих диапазонах с использованием нескольких внутренних аналоговых трактов.

Рассмотрим схему на рисунке 3. На ней показан аналоговый тракт измерения постоянного напряжения, также известный как «входной каскад» (front end). Каждый блок вносит свой вклад в общую неопределенность в виде нелинейности, смещения нуля (offset), шумов и термических эффектов. Именно входной каскад формирует основную долю неопределенности.

Рисунок 3. Упрощенная схема аналогового тракта цифрового мультиметра при измерении постоянного напряжения

В зависимости от архитектуры и конструкции прибора, переключение диапазонов влияет на характеристики делителя, усилителя или обоих узлов одновременно. Например, внутренний шум оказывает большее относительное влияние на нижних диапазонах и в начале шкалы. Изменение функции измерения меняет конфигурацию аналогового тракта. В частности, измерение сопротивления требует подключения источника тока к аналоговому тракту. Поэтому каждая функция и каждый диапазон должны быть описаны таким образом, чтобы учитывать влияние нелинейностей, смещений, шума и тепловых эффектов. В таблице 1 приведены элементы спецификации ЦМ и примеры для каждого из них.

Таблица 1: Ключевые элементы технических характеристик цифрового мультиметра

Характеристики базовой неопределенности

Термины «цифры» (digits) и «отсчеты» (counts) используются как взаимозаменяемые; они указывают на значение наименьшего значащего разряда для конкретного диапазона и отображают разрешение цифрового мультиметра (ЦМ) для этого диапазона. Если диапазон составляет 40,0000, то одна цифра (один отсчет) равна 0,0001.

Предположим, необходимо измерить 10 В в диапазоне 20 В, в котором наименьший значащий разряд составляет 0,0001 В. Если неопределенность для диапазона 20 В задана как:

± (0,003 % + 2 отсчета),

то неопределенность в единицах измерения можно вычислить так:

± (0,003 % × 10 В + 2 × 0,0001 В) = ± (0,0003 В + 0,0002 В) = ± (0,0005 В) или ± 0,5 мВ

В некоторых технических описаниях используется форма:
± (процент от показаний + процент от диапазона)

В этом случае вы просто умножаете максимальное значение показаний на этом диапазоне (предел измерений) на соответствующий процент, чтобы получить второе слагаемое. В обоих случаях это второе слагаемое называется «аддитивным порогом» (floor).

Аддитивный порог учитывает влияние смещений нуля и шума, связанных как с конкретным диапазоном, так и общих для всех диапазонов прибора. Игнорирование этой составляющей может иметь существенные последствия, особенно при проведении измерений в начале шкалы (в нижней части диапазона измерений).

Модификаторы (факторы изменения) неопределенности

Для учета типичных факторов окружающей среды или временных факторов к характеристикам неопределенности могут применяться модификаторы. В некоторых спецификациях приводятся не только годовые характеристики, но и, например, характеристики, действительные в течение 90 дней после калибровки. Характеристики на 90 дней будут более жесткими (точными), чем годовые. Это позволяет использовать ЦМ в более требовательных применениях благодаря более частой калибровке.

По причинам, рассмотренным выше, спецификации неопределенности действительны только в определенном температурном диапазоне. Обычно этот диапазон охватывает «комнатную температуру» от 18°C до 28°C (калибровка проводится при нормальной температуре 23°C). Для более широкого температурного интервала базовая неопределенность корректируется с учетом температурного коэффициента.

Предположим, необходимо выполнить то же измерение напряжения 10 В в полевых условиях при температуре 41°C. Температурный коэффициент (ТК) вашего мультиметра указан в паспорте как:

± (0,001 % от показаний) на каждый °C в диапазонах от 0°C до 18°C и от 28°C до 50°C

Текущая температура на 13°C превышает предел 28°C, к которому применяется базовая неопределенность без модификаций. На каждый градус выше этого предела к базовой неопределенности необходимо добавлять:

0,001 % × 10 В = 0,1 мВ/°C

Дополнительная температурная неопределенность при 41°C составляет:
13°C × 0,1 мВ/°C = 1,3 мВ

Таким образом, суммарная неопределенность измерения напряжения, объединяющая базовую неопределенность (рассчитанную в предыдущем примере как 0,5 мВ) и температурную поправку, составит:

± (0,5 мВ + 1,3 мВ) = ± 1,8 мВ

Обратите внимание, что скорректированная неопределенность превышает базовую более чем в три раза.

Спецификации условий и ограничений

Неопределенность цифрового мультиметра (ЦМ) зависит не только от временного дрейфа и температуры, но и от других факторов. Факторы окружающей среды, такие как температура хранения, относительная влажность, плотность воздуха и электромагнитное излучение, могут существенно влиять на неопределенность. Кроме того, прецизионные внутренние источники питания прибора требуют стабильного и качественного сетевого напряжения для обеспечения их надлежащего функционирования.

Некоторые условия и ограничения можно легко задать числовыми значениями, например, допустимое отклонение сетевого питания, высоту над уровнем моря и относительную влажность. Поскольку конструкция ЦМ не является герметичной, внутренний воздух становится непосредственным элементом его электрических цепей. Электрические характеристики воздуха (его диэлектрическая проницаемость и сопротивление изоляции) меняются в зависимости от плотности (высоты над уровнем моря) и влажности, поэтому разработчики приборов устанавливают четкие границы для этих параметров. Чрезмерное превышение допустимой температуры хранения может вызвать необратимое изменение рабочих характеристик электронных компонентов.

Более сложные нормированные условия, такие как защита от перенапряжения, устойчивость к ударам и вибрациям или электромагнитная совместимость, указываются путем подтверждения соответствия стандартизированным методикам испытаний и нормативам. Международные стандарты для этих характеристик обычно требуют проведения серии испытательных процедур с соблюдением четких предельных границ. Детальное внесение всех этих числовых границ сделало бы спецификации ЦМ слишком громоздкими, поэтому разработчики ограничились приведением перечня стандартов, требованиям которых соответствует прибор.

Сравнение различных цифровых мультиметров

При оценке пригодности нескольких цифровых мультиметров лучший подход – выбрать набор измерений и условий, максимально приближенных к вашей практической задаче. Прежде всего убедитесь, что нормированные условия эксплуатации каждого ЦМ совместимы с условиями среды, в которой он будет использоваться.

Далее рассмотрите все функции (напряжение постоянного тока, напряжение переменного тока, постоянный ток, сопротивление и т.д.) и диапазоны, которые вы планируете использовать. Будете ли вы выполнять много измерений в начале шкалы (в нижней части диапазонов)? Если да, обязательно сравнивайте характеристики на малых значениях показаний, чтобы оценить вклад аддитивного порога.

Для каждого измерения переведите неопределенность в физические единицы – вольты, омы или амперы. Сравните полученные значения неопределенности в физических единицах, чтобы установить, какой ЦМ лучше подходит для конкретной задачи.

Умение работать с характеристиками неопределенности ЦМ является базовым инженерным навыком. Когда вы получаете два разных результата от двух разных мультиметров, именно неопределенность измерения может объяснить это расхождение. Когда вы выбираете инструмент под конкретную задачу, свободное владение спецификациями неопределенности позволит вам проводить корректное сравнение эквивалентных параметров («сравнивать яблоки с яблоками»). И каждый раз, когда вы полагаетесь на критически важное измерение, вы будете иметь полное понимание того, насколько точно на самом деле работает ваш прибор.

Команда Masteram