Розуміння технічних характеристик прецизійних мультиметрів

Вступ

Цифрові мультиметри – це основні робочі інструменти в електронній промисловості. Практично всі електронні вироби, якими ми користуємося у побуті та професійній діяльності, виготовляються або обслуговуються за допомогою мультиметрів.

Різні застосування цифрових мультиметрів (тут і далі – ЦМ) вимагають різного рівня уваги до їхніх специфікацій. Технік, який перевіряє джерело живлення логічних схем, може впевнено використовувати свій перевірений настільний мультиметр, щоб переконатися, що напруга знаходиться в межах кількох відсотків від 5 В.

Однак, коли завдання вимагає тестування критично важливих схем, перевірки прецизійних компонентів, точного налаштування на виробництві, підтвердження відповідності галузевим стандартам або проведення вимірювань за межами контрольованого лабораторного середовища, виникає потреба в ретельному аналізі технічних характеристик.

Глибоке розуміння технічних характеристик має вирішальне значення під час оцінки придатності цифрового мультиметра для конкретної задачі або коли потрібна впевненість у тому, що його покази дійсно відображають фактичні значення.

У цій статті розглядаються основні принципи, покладені в основу специфікацій та технічних паспортів цифрових мультиметрів. У ній наведено визначення різних елементів специфікацій ЦМ і надаються рекомендації щодо їхнього практичного застосування.

Зміст

• Вступ
• Специфікації та технічний паспорт
• Джерела формування характеристик невизначеності вимірювання
• Простежуваність та технічні характеристики
• Елементи специфікацій цифрових мультиметрів
• Характеристики базової невизначеності
• Модифікатори (чинники зміни) невизначеності
• Специфікації умов та обмежень
• Порівняння різних цифрових мультиметрів

Специфікації та технічний паспорт

Щоразу, коли ми виконуємо вимірювання будь-яким приладом, ми певною мірою ризикуємо. Ми фактично «ставимо на те», що прилад покаже нам «реальне» значення. Якісний мультиметр із високою ймовірністю забезпечує покази, що відповідають дійсності.

Технічні характеристики кількісно визначають ступінь довіри до точності показань і ризики виникнення недопустимої похибки.

Документ зі специфікаціями – це чітко сформульований опис характеристик. Він має об’єктивно визначати можливості приладу за чітко визначених умов експлуатації.

З цього формального визначення можна виділити ознаки якісно сформульованих технічних характеристик:

• Повнота – враховано будь-який фактор, що впливає на невизначеність, включно з експлуатаційними обмеженнями, такими як вологість, висота або вібрація
• Чіткість – докладено максимум зусиль, щоб зробити характеристики зрозумілими та однозначними
• Об’єктивність – відсутність спроб ввести в оману задля маркетингового просування

Технічно грамотно складена специфікація повинна мати той самий рівень достовірності, що й медична картка або банківська виписка. Виробники зобов'язані повністю відповідати за заявлені характеристики, а користувач має право розраховувати на абсолютну точність та повноту наданої інформації.

У технічному паспорті (специфікації) мають бути вказані характеристики невизначеності вимірювання та коригувальні коефіцієнти (поправки), які на неї впливають. Там також наводяться експлуатаційні обмеження, що визначають умови навколишнього середовища, за яких заявлені параметри невизначеності залишаються дійсними. Вони задаються у вигляді числових значень (наприклад, відносна вологість) або через посилання на міжнародні стандарти (ударо- та вібраційна стійкість).

Спочатку розглянемо, як саме здійснюється кількісна оцінка невизначеності вимірювання.

Джерела формування характеристик невизначеності вимірювання

Основне завдання технічних характеристик цифрового мультиметра – встановити невизначеність вимірювання для будь-якого вхідного сигналу в робочому діапазоні приладу. Специфікація відповідає на питання: "Наскільки значення на дисплеї приладу, ймовірно, близьке до фактичного значення сигналу на його вході?"

Специфікації цифрових мультиметрів стосуються конкретної моделі (тобто конструктивної платформи), а не окремого екземпляра приладу. Будь-який окремий прилад певної моделі має працювати з достатнім запасом у межах заявлених характеристик, особливо на початку міжкалібрувального інтервалу. Технічні характеристики моделі базуються на тестуванні репрезентативної вибірки виробів та аналізі зібраних даних від цих приладів.

Якщо, наприклад, виконати вимірювання одного і того ж номінального сигналу на вході за допомогою 50 приладів однієї моделі, ми отримаємо певний діапазон показань. Більшість приладів покажуть однакові значення, але очікується певний розкид, зумовлений природною невизначеністю.

Наприклад, можна зафіксувати покази 50 цифрових мультиметрів FLUKE моделі XYZ, підключених до одного й того самого прецизійного калібратора, який видає напругу 10 В. Ми отримаємо вузький діапазон розкиду показань навколо позначки 10 В.

На основі цих даних можна розрахувати середнє арифметичне значення всіх вимірювань, яке, як очікується, становитиме 10 В, а також обчислити стандартне відхилення показань (Рівняння 1).

Рівняння 1. N = розмір вибірки
X = вимірювання

Стандартне відхилення є мірою «розкиду» вибірки вимірювань відносно середнього значення. Ця міра розкиду є основою для специфікацій невизначеності.

Якщо побудувати графік частоти появи кожного значення, ми отримаємо дзвоноподібну криву нормального розподілу (розподіл Гаусса). Практично всі вимірювання підпорядковуються закону нормального розподілу, зокрема вимірювання найпростішими інструментами, такими як лінійки чи вимірювальні склянки. На рисунку 1 показано криву нормального розподілу з центром у точці 10 В.

Рисунок 1. Нормальний розподіл із середнім значенням 10 В та стандартним відхиленням 0,02 В

Спираючись на експериментальні дані та досвід, розробники приладів формують технічні характеристики на основі модельного припущення про нормальний розподіл та розрахунків стандартного відхилення для репрезентативної вибірки дослідних зразків. Використання нормального розподілу дозволяє пов'язати стандартне відхилення з відсотком отриманих показань шляхом обчислення площі під кривою.

• 68% значень перебувають у межах 1-го стандартного відхилення від середнього значення
• 95% значень перебувають у межах 2-х стандартних відхилень від середнього значення
• 99,7% значень перебувають у межах 3-х стандартних відхилень від середнього значення

Фахівці зі статистики називають ці відсотки довірчими інтервалами (confidence intervals). Вони можуть сформулювати це так: «Ми на 95% впевнені, що значення отриманих показань не відхилиться від фактичного значення більше, ніж на 2 стандартних відхилення».

У наведеному вище простому прикладі:

1 стандартне відхилення відповідає ± 0,02 В,
2 стандартні відхилення відповідають ± 0,04 В,
3 стандартні відхилення відповідають ± 0,06 В.

Таким чином, перед виробником постають питання: «Скільки стандартних відхилень закласти у специфікацію?» і «Який довірчий інтервал використовувати для формування характеристик?». Що більша кількість стандартних відхилень, то менша ймовірність того, що прилад вийде за межі допуску між калібруваннями. Внутрішні інженерні стандарти виробника визначають, скільки стандартних відхилень застосовується для розрахунку характеристик. Компанія FLUKE використовує довірчий інтервал 99%, що відповідає 2,6 стандартного відхилення на кривій нормального розподілу.

Простежуваність та технічні характеристики

До цього моменту ми розглядали рівень невизначеності, якого слід очікувати від цифрового мультиметра (ЦМ), проте ще не розглянули, як забезпечити єдність вимірювань – тобто, як гарантувати, що ми оперуємо тотожними значеннями вольта, ома чи ампера. Вимірювальні характеристики цифрових мультиметрів повинні мати метрологічну простежуваність до первинних національних еталонів.

Калібрування цифрових мультиметрів зазвичай виконується за допомогою багатофункціональних калібраторів, таких як високопродуктивний багатофункціональний калібратор Fluke 5730A, прецизійний підсилювач напруги та струму Fluke 5725A або ж один із лінійки калібраторів 55ХХ: Fluke 5560А, 5550А, 5540А, 5530А. Однак між вашим робочим мультиметром та національним первинним еталоном зазвичай існує цілий ланцюжок метрологічного підпорядкування, який включає робочі калібратори та компаратори (еталони порівняння). У міру просування цим ланцюгом від мультиметра до національної метрологічної лабораторії точність еталонів зростає. Кожен еталон у ланцюжку повинен мати метрологічну простежуваність до національних еталонів через неперервний ланцюг звірок (калібрувань), кожна з яких має вказану характеристику невизначеності.

Багатофункціональний калібратор Fluke 5560A/1G (5128187)

Прецизійний підсилювач напруги та струму Fluke 5725A (849096)

Багатофункціональний калібратор Fluke 5730A
(4334885)

Таким чином, невизначеність вимірювання ЦМ безпосередньо залежить від невизначеності калібратора, за допомогою якого здійснювалося його калібрування. Більшість специфікацій ЦМ формуються з урахуванням двох обов'язкових умов:

1. ЦМ пройшов калібрування з використанням конкретної моделі калібратора (зазвичай вказується в Сертифікаті калібрування або інструкції з експлуатації та сервісному керівництві до ЦМ).
2. Калібратор працював у межах своїх нормованих експлуатаційних умов і мав простежуваність до національних еталонів.

Це дозволяє виробнику ЦМ включати невизначеність калібратора до підсумкових характеристик невизначеності ЦМ. Якщо ж у документації невизначеність вказана як «відносна» (relative uncertainty), це означає, що невизначеність вихідного сигналу калібратора не була врахована і її потрібно додати до невизначеності ЦМ.

Рисунок 2. Простежуваність — це метрологічний шлях від вашого цифрового мультиметра до первинних національних еталонів

Елементи специфікацій цифрових мультиметрів

Серед численних стандартів, що регулюють вимірювальні прилади, не існує єдиного стандарту для оформлення специфікацій цифрових мультиметрів. Проте з роками виробники напрацювали подібні формати, що трохи спрощує порівняння різних мультиметрів. У цьому розділі розглядаються найпоширеніші підходи до оформлення специфікацій.

Як зазначалося вище, характеристики невизначеності окреслюють допустимий діапазон навколо номінального значення. Виконуючи вимірювання в межах нормованих обмежень щодо часу, температури, вологості тощо, ви можете бути впевнені, що показання приладу не виходять за межі цього діапазону.

Час і температура є критично важливими для розрахунку невизначеності. З плином часу електронні компоненти зазнають незначних змін (або «дрейфу»). Через цей дрейф параметри невизначеності ЦМ залишаються дійсними лише протягом чітко визначеного періоду. Цей період зазвичай збігається з рекомендованим міжкалібрувальним інтервалом і становить 1 рік.

Після чергового калібрування цей відлік починається заново, і характеристики невизначеності знову стають чинними на наступний період.

Температура впливає на роботу кожного компонента приладу — від найпростішого резистора до найскладнішої інтегральної мікросхеми. Розробники ЦМ застосовують ефективні рішення для схемотехнічної компенсації температурних коливань. Здатність працювати за різних температур відображається в заявленому робочому діапазоні та часто супроводжується температурним коефіцієнтом (детальніше про це далі).

Невизначеність мультиметра неможливо виразити простим відсотком, хоча спокуса спростити опис завжди існує. У рекламному буклеті можна побачити заяву: «Базова точність 0,002%». Однак це лише незначна частина загальної картини, яка зазвичай відображає найбільш оптимістичний сценарій.

Складність формування специфікацій зумовлена здатністю мультиметра виконувати велику кількість різних типів вимірювань на багатьох діапазонах з використанням кількох внутрішніх аналогових трактів.

Розглянемо схему на рисунку 3. На ній показано аналоговий тракт вимірювання постійної напруги, також відомий як «вхідний каскад» (front end). Кожен блок робить свій внесок у загальну невизначеність у вигляді нелінійності, зсуву нуля (offset), шумів та термічних ефектів. Саме вхідний каскад формує основну частку невизначеності.

Рисунок 3. Спрощена схема аналогового тракту цифрового мультиметра при вимірюванні постійної напруги

Залежно від архітектури та конструкції приладу, перемикання діапазонів впливає на характеристики дільника, підсилювача або обох вузлів одночасно. Наприклад, внутрішній шум чинить більший відносний вплив на нижчих діапазонах та на початку шкали. Зміна функції вимірювання змінює конфігурацію аналогового тракту. Зокрема, вимірювання опору потребує підключення джерела струму до аналогового тракту. Тому кожна функція і кожен діапазон повинні бути описані таким чином, щоб враховувати вплив нелінійностей, зсувів, шуму та теплових ефектів. У таблиці 1 наведено елементи специфікації ЦМ та приклади для кожного з них.

Таблиця 1: Ключові елементи технічних характеристик цифрового мультиметра

Характеристики базової невизначеності

Терміни «цифри» (digits) та «відліки» (counts) використовуються як взаємозамінні; вони вказують на значення найменшого значущого розряду для конкретного діапазону та відображають роздільну здатність цифрового мультиметра (ЦМ) для цього діапазону. Якщо діапазон становить 40,0000, то одна цифра (один відлік) дорівнює 0,0001.

Припустимо, потрібно виміряти 10 В у діапазоні 20 В, в якому найменший значущий розряд становить 0,0001 В. Якщо невизначеність для діапазону 20 В задана як:

± (0,003 % + 2 відліки),

то невизначеність в одиницях вимірювання можна обчислити так:

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

У деяких технічних описах використовується форма:
± (відсоток від показань + відсоток від діапазону)

У цьому випадку ви просто множите максимальне значення показань на цьому діапазоні (межу вимірювань) на відповідний відсоток, щоб отримати другий доданок. В обох випадках цей другий доданок називається «адитивним порогом» (floor).

Адитивний поріг враховує вплив зсувів нуля та шуму, пов'язаних як із конкретним діапазоном, так і спільних для всіх діапазонів приладу. Ігнорування цієї складової може мати істотні наслідки, особливо під час проведення вимірювань на початку шкали (у нижній частині діапазону вимірювань).

Модифікатори (чинники зміни) невизначеності

Для врахування типових чинників навколишнього середовища або часових факторів до характеристик невизначеності можуть застосовуватися модифікатори. У деяких специфікаціях наводяться не лише річні характеристики, а й, наприклад, характеристики, дійсні протягом 90 днів після калібрування. Характеристики на 90 днів будуть жорсткішими (точнішими), ніж річні. Це дозволяє використовувати ЦМ у вимогливіших застосуваннях завдяки частішому калібруванню.

З причин, розглянутих вище, специфікації невизначеності дійсні лише у визначеному температурному діапазоні. Зазвичай цей діапазон охоплює «кімнатну температуру» від 18°C до 28°C (калібрування проводиться за нормальної температури 23°C). Для ширшого температурного інтервалу базова невизначеність коригується з урахуванням температурного коефіцієнта.

Припустимо, необхідно виконати те саме вимірювання напруги 10 В у польових умовах за температури 41°C. Температурний коефіцієнт (ТК) вашого мультиметра вказаний у паспорті як:

± (0,001 % від показань) на кожен °C у діапазонах від 0°C до 18°C і від 28°C до 50°C

Поточна температура на 13°C перевищує межу 28°C, до якої застосовується базова невизначеність без модифікацій. На кожен градус вище цієї межі до базової невизначеності необхідно додавати:

0,001 % × 10 В = 0,1 мВ/°C

Додаткова температурна невизначеність при 41°C становить:
13°C × 0,1 мВ/°C = 1,3 мВ

Таким чином, сумарна невизначеність вимірювання напруги, що об'єднує базову невизначеність (розраховану у попередньому прикладі як 0,5 мВ) та температурну поправку, становитиме:

± (0,5 мВ + 1,3 мВ) = ± 1,8 мВ

Зверніть увагу, що скоригована невизначеність перевищує базову більш ніж утричі.

Специфікації умов та обмежень

Невизначеність цифрового мультиметра (ЦМ) залежить не лише від часового дрейфу та температури, а й від інших чинників. Фактори навколишнього середовища, такі як температура зберігання, відносна вологість, щільність повітря та електромагнітне випромінювання, можуть суттєво впливати на невизначеність. Крім того, прецизійні внутрішні джерела живлення приладу потребують стабільної та якісної мережевої напруги для забезпечення їхнього належного функціонування.

Деякі умови та обмеження можна легко задати числовими значеннями, наприклад, допустиме відхилення мережевого живлення, висоту над рівнем моря та відносну вологість. Оскільки конструкція ЦМ не є герметичною, внутрішнє повітря стає безпосереднім елементом його електричних кіл. Електричні характеристики повітря (його діелектрична проникність та опір ізоляції) змінюються залежно від щільності (висоти над рівнем моря) та вологості, тому розробники приладів встановлюють чіткі межі для цих параметрів. Надмірне перевищення допустимої температури зберігання може спричинити незворотну зміну робочих характеристик електронних компонентів.

Більш складні нормовані умови, такі як захист від перенапруги, стійкість до ударів і вібрацій або електромагнітна сумісність, вказуються шляхом підтвердження відповідності стандартизованим методикам випробувань і нормативам. Міжнародні стандарти для цих характеристик зазвичай вимагають проведення серії випробувальних процедур із дотриманням чітких граничних меж. Детальне внесення усіх цих числових меж зробило б специфікації ЦМ надто громіздкими, тому розробники обмежилися наведенням переліку стандартів, вимогам яких відповідає прилад.

Порівняння різних цифрових мультиметрів

Під час оцінки придатності кількох цифрових мультиметрів найкращий підхід — обрати набір вимірювань і умов, що максимально наближені до вашої практичної задачі. Насамперед переконайтеся, що нормовані умови експлуатації кожного ЦМ сумісні з умовами середовища, в якому він буде використовуватися.

Далі розгляньте всі функції (напруга постійного струму, напруга змінного струму, постійний струм, опір тощо) та діапазони, які ви плануєте використовувати. Чи будете ви виконувати багато вимірювань на початку шкали (у нижній частині діапазонів)? Якщо так, обов'язково порівнюйте характеристики на малих значеннях показань, щоб оцінити внесок адитивного порогу.

Для кожного вимірювання переведіть невизначеність у фізичні одиниці — вольти, оми або ампери. Порівняйте отримані значення невизначеності у фізичних одиницях, щоб встановити, який ЦМ краще підходить для конкретного завдання.

Уміння працювати з характеристиками невизначеності ЦМ є базовою інженерною навичкою. Коли ви отримуєте два різні результати від двох різних мультиметрів, саме невизначеність вимірювання може пояснити цю розбіжність. Коли ви вибираєте інструмент під конкретну задачу, вільне володіння специфікаціями невизначеності дозволить вам проводити коректне порівняння еквівалентних параметрів («порівнювати яблука з яблуками»). І щоразу, коли ви покладаєтеся на критично важливе вимірювання, ви матимете повне розуміння того, наскільки точно насправді працює ваш прилад.

Команда Masteram