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[數字儀表] Agilent 3458A 八位半萬用表基準的改動與校準

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1#
發表于 2007-8-16 22:46:17 | 只看該作者 回帖獎勵 |倒序瀏覽 |閱讀模式

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Agilent/HP 3458A是經典的8位半萬用表,很多指標超高,比如無與倫比的轉移特性和線性度(0.1ppm),前所未有的噪音特性(0.01ppm)。但也有不滿意的地方,比如中長期的穩定性不太好,90天10V電壓穩定性指標達到了4ppm,其典型的漂移曲線見圖(出自Agilent 3458A校準手冊)。從這個曲線也可以看出,基準LTZ1000A具有隨時間下降的趨勢。這個趨勢無論在這里,還是在使用該基準的Wavetek 7000基準的說明中都有體現。反映在萬用表中,這個趨勢所引起的后果就是讀數逐漸偏高?;鶞势?ppm,萬用表的讀數就偏高1ppm。

通過半年多的測試,也發現自己新出廠的3458A的基準大概變化了5ppm(讀數偏大5ppm)。盡管1年的指標為8ppm,但其它一些8位半的萬用表做的更好,比如Fluke 8508A和Wavetek 1281,為4ppm/年。
按照3458A內部采用的LTZ1000A基準的老化情況看,典型指標為1ppm/年,怎么就出現這么大的差距呢?

[ 本帖最后由 lymex 于 2008-6-8 09:33 編輯 ]

3458A.gif (10.8 KB, 下載次數: 272)

3458A.gif

7001.gif (22.2 KB, 下載次數: 241)

Wavetek對7000系列的指標,預測漂移也是負的。這里,0.8+0.7=1.5ppm就是穩定度,

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發表于 2007-8-24 18:52:22 | 只看該作者

回復 #14 lymex 的帖子

如果不考慮價格的話總體來說還是FLUKE8508A強些....
樓主建議你向AGILENT反應你的問題,說不定AGILENT會聘用你哦....:lol

[ 本帖最后由 umec 于 2007-8-24 18:54 編輯 ]
2#
 樓主| 發表于 2007-8-16 22:48:39 | 只看該作者
經過剖析基準電路和所采用的元件參數,發現了原因所在。原來是3458A在設計時為了能工作與惡劣環境,把內部基準的恒溫溫度設置的非常高,達到了90℃!
從3458A的使用手冊可以看到,3458A可以工作在55℃的環境溫度下。再加上機器內部的溫升(13℃)、LTZ1000A的溫升(10℃)和一定的余量,選擇90℃就不足為奇了。
然而,從P.J. Spreadbury的文章和后來Wavetek等公司對LTZ1000A的測試表明,溫度每增高10℃,長期漂移變大一倍!
因此,若能把溫度降低30℃,那么穩定性就可以提高到8倍了(即長期漂移為原來的1/8)。
這樣也很方便的解釋了,為什么特性非常好的LTZ1000(年漂移<3ppm, 3σ),到了Agilent的手上,為什么變成了8ppm的年漂移了。
因此,只要把恒溫溫度降低到60℃,理論上就能夠達到年漂移1ppm之內。另外,從LTZ1000A的手冊上也可以看出,1ppm/a的指標漂移,是在65℃的溫度之下得到的,也證實了這一論斷。

另外,Fluke 8508A的長期漂移指標做的比較好,是因為用了Datron的原封不動的基準,不僅因為最高工作溫度低(40℃,比3458A降低15℃),而且還因為基準是用的LTZ1000CH而不是LTZ1000ACH。這兩個基準的差別是ACH的內部有絕熱,因此溫升有額外的10℃。這樣算下來,8508A的內部基準就至少比3458A的降低25℃,因此老化指標能夠降低過半也是可以理解的了。盡管3458A也有4ppm/年的高穩定基準選件,但那是經過長期的預先老化和篩選作為代價的。

[ 本帖最后由 lymex 于 2008-6-10 09:16 編輯 ]

Rtempr.gif (3.8 KB, 下載次數: 242)

上電阻與溫度的關系

上電阻與溫度的關系

temp1.gif (4.16 KB, 下載次數: 234)

P.J. Spreadbury的測試分析

P.J. Spreadbury的測試分析

temp2.gif (4.1 KB, 下載次數: 211)

Wavetek的分析

Wavetek的分析
3#
 樓主| 發表于 2007-8-16 22:56:03 | 只看該作者
那么如何把溫度從90℃降低到60℃以下呢?就是要調整基準電路的上溫度分壓電阻。通過計算得知,當把原來的15k改變到12.5k,就可以把溫度降低到57℃,可以允許萬用表適應于最高33℃的環境溫度。
33℃夠了嗎?對于我來說是的。今年最熱的天氣已經過去,室內最高溫度(不開空調)還沒有超過30℃的時候。
那么如何讓分壓電阻從15k變到12.5k呢,并聯一個75k的電阻就正好。我選擇了德國品牌的Vitrohm 75k 0.1%電阻進行了并聯(圖),該電阻指標溫度系數25ppm/℃,實際測試<10ppm/℃。
并聯的過程很簡單。原基準板有預留孔看來就是給并聯用的,電阻名字是R412。用吸錫器抽干孔內的焊錫把電阻焊上即可。
有人會問,并聯后,由于這個電阻的穩定性和溫度系數會不會對基準的輸出產生影響?當然會的,但經過評估(過程略,但可以補充),這個電阻在溫度正負10℃的變化以及200ppm/年的老化的情況下,對基準的影響均小于0.5ppm。

75k.jpg (75.63 KB, 下載次數: 218)

并聯電阻參數

并聯電阻參數

01.jpg (109.13 KB, 下載次數: 232)

并聯前基準照片

并聯前基準照片

02.jpg (94.94 KB, 下載次數: 213)

并聯后基準照片

并聯后基準照片
4#
發表于 2007-8-16 23:10:35 | 只看該作者
只有一個字,那就是"牛"!
5#
 樓主| 發表于 2007-8-16 23:14:51 | 只看該作者
對基準更改后,其電壓也自然要發生改變,實測從原來的7066.10mV變為7056.75mV,變動了-0.132%。測量#105號732B基準,讀數從改動前的10.000093V變成了10.013278V。因此,必須在充分預熱的基礎上進行校準。

好在3458A的校準過程非常簡單,只需要一個4線短路環(自制)、10V電壓基準(已有)和10kΩ電阻基準(已有)。校準于8月5日星期天進行。
首先校準0點,接上4線短路環,執行CAL 0,校準進行了8分鐘。
其次校準電壓,接上#105號732B,按照其具體偏離執行CAL 10,校準了大約4分鐘。
最后,打算也校準電阻,但發現改動前后對相同的標準電阻的測量值變化很小,不到2ppm,而且是向誤差小的方向變化,因此電阻檔沒有進行校準。

那么,基準改動后效果到底如何?由于改動后測試的時間比較短,因此還不能下最后的結論,但可以分項看一下:
1、長期老化無從測試。必須要等幾個月至少半年最好一年才能得到比較理想的得到數據。改動后很可能老化大大的降低,給老化測量帶來更大的困難。
2、中短期漂移有較大的提高。以前每天開機5個小時預熱后,對電壓基準的讀數差別比較大,最大達到2ppm以上。但改動后已經10天,這個變動不到0.5ppm,因此有很大的改善。
3、預熱時間縮短。由于最終溫度的降低,基準達到額定誤差之內輸出時間也自然縮短
4、低頻噪音有所降低。通過連續測量一個穩定的基準,得到一個系列,簡單的計算就可以得到標準方差。改動后這個方差有大約25%的下降,表現在兩次相鄰的讀數變動變小。

總之,改動后效果明顯,達到了預期目標。盡管這樣的改動是以犧牲最高允許工作溫度為代價的,但一般實驗室條件下使用沒有任何問題。

drift.gif (11.03 KB, 下載次數: 220)

改動前后每天一次對電壓基準的測量

改動前后每天一次對電壓基準的測量

start.gif (18.06 KB, 下載次數: 232)

開機預熱特性

開機預熱特性
6#
 樓主| 發表于 2007-8-16 23:32:23 | 只看該作者
補充資料1,Linear給出的LTZ1000A的典型電路。其中R4=13k就是上溫度設置電阻。這個電阻若變化100ppm,對輸出的影響是1ppm。因此若在原來15k上并聯75k,那么75k變化100ppm,對這個并聯電阻的變化就是20ppm,因此對整體變化的影響就是0.2ppm。

[ 本帖最后由 lymex 于 2007-8-16 23:53 編輯 ]

more1.gif (14.76 KB, 下載次數: 246)

more1.gif

LTZ1000.pdf

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7#
 樓主| 發表于 2007-8-16 23:38:48 | 只看該作者
補充資料2,劍橋大學P.J. Spreadbury對LTZ1000A的測試文章及某測試曲線。通過這個曲線得到了溫度每上升10℃老化加倍的結論。

more2.gif (5.91 KB, 下載次數: 216)

more2.gif

mtv1i8p687.pdf

326.12 KB, 下載次數: 88, 下載積分: 金幣 -1

8#
 樓主| 發表于 2007-8-16 23:52:31 | 只看該作者
補充資料3,Wavetek公司J.R. Pickering和P. Roberts的文章:Setting new standards for DC Voltage Maintenance Systems。
該文章描述了其創新的7000系列電壓基準的所采用的技術,這個基準的核心正是LTZ1000A。
由于Wavetek被Fluke收購,因此這套系統就搖身一變成為Fluke 7000系列。盡管價格比732B便宜且指標更高,但好象不是Fluke的主推產品。
該文章目前也在官方網站上找不到了,是以前在Wavetek的網站上下載的。

文章中提到了其首創的“消磁”重入技術、“統計電阻法”升壓電路,同時也給出一個溫度如何影響年穩的測試實例。從這個實例可以看出,一個組的年平均漂移,在80℃的工作溫度時為-1.2ppm,但在45℃下為-0.06ppm,低溫對降低漂移作用明顯。當然,這兩個絕對值都非常小,應該是Wavetek把這組基準做了預先老化并剔除了老化過大的單元。

[ 本帖最后由 lymex 于 2008-6-8 08:27 編輯 ]

more3.gif (1.99 KB, 下載次數: 207)

more3.gif

DCRefStandards.pdf

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9#
 樓主| 發表于 2007-8-17 00:41:36 | 只看該作者
補充材料4,自己的有關電壓基準的測試曲線。
除了注明以外,粗實線為10V基準與平均值差值對比的結果,相同顏色的細實線為10V基準直接測量結果,點線為對應內部7V直接測量結果。
其中紅色的就是3458A的變化(樓上#5已有),可以看到3458A在改動之前變動相對還是很大的。
橙色粗線為溫度(被減去29.5),與下面的一組自制的10V基準(藍綠色)有著某種互補的相似性,說明這個DIY-10V大約有-0.7ppm/C的溫度系數,大概歸結為其中的7V-10V升壓電阻的問題。
最下面的黃色點線是自己DIY的7V組,可以看出相對很穩定。
天藍色的這組732B-10V穩定性不太好,22天就下降了近1ppm。最上邊的深紅色10V也上升了大約0.5ppm。但由于對應的7V基本沒有變化,說明732B的不穩定的瓶頸在于7V-10V升壓環節,即分壓電阻存在問題。這應驗了我的猜測,因為Fluke最好的賣到3W多的標準電阻指標才4ppm/年,因此我才把所有的基準的內部7V引出進行測量。換句話說,如果你只有一個10V基準,把7V引出后,若此7V和10V的比例發生了變化,那么應該相信7V,畢竟7V是基礎,10V是派生的。
最后,8月3日的測試看來存在尖峰問題。

more4.gif (20.87 KB, 下載次數: 225)

more4.gif

評分

參與人數 1威望 +2 收起 理由
chamer + 2 原創內容

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10#
 樓主| 發表于 2007-8-17 09:29:06 | 只看該作者
補充材料5,“HP3458A數字萬用表電子校準技術”,七二二所劉勇編著,原載于1993年第3期《電子測量技術》。

HP3458A數字萬用表電子校準技術.pdf

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bgqjm 該用戶已被刪除
11#
發表于 2007-8-17 22:03:37 | 只看該作者
老大:你不搞基標準可惜了,應該把你做的一些高精度的對外銷售,我一定第一個買。
12#
 樓主| 發表于 2007-8-17 22:22:41 | 只看該作者
原帖由 bgqjm 于 2007-8-17 22:03 發表
老大:你不搞基標準可惜了,應該把你做的一些高精度的對外銷售,我一定第一個買。

謝謝了?,F在我做的基礎7V穩定度很好,但就是7V轉10V做不太好。采用電阻升壓的Fluke 732B本身漂移的離散性也不好,即便Fluke已經用了其最好的密封電阻;而若采用類似Datron 4910的PWM方式又非常復雜;若采用Wavetek 7000的統計電阻方法則電阻搞不到。這個問題解決不了做基準只能免談了。我已經定了一些Vishay的VH系列電阻,年穩定性是5ppm級別的,等到手了再試。即便能夠解決問題成本也不低,一對電阻進價就要800。
13#
發表于 2007-8-24 17:31:23 | 只看該作者
看不懂,太深奧了.....弱弱地問一下3458A比較好呢?還是8508A好
14#
 樓主| 發表于 2007-8-24 18:38:29 | 只看該作者

回復 #13 umec 的帖子

各有好處。
特性,3458A,8508A
電壓年穩定性,8ppm,3.5ppm。當然,3458A也有4ppm的選項。我的3458A如上改動后應<2ppm。
電阻年穩定性,10.5ppm,8.25ppm
最大測量電流,1A,20A
10V積分線性,0.1ppm,0.32ppm
微分線性,0.02ppm,不詳
噪音,0.01ppm,不詳
8位半測量速度,6次/秒,0.17次/秒
功能,強,超強
大略人民幣價格,70k,100k
16#
 樓主| 發表于 2007-8-24 20:37:57 | 只看該作者

回復 #15 umec 的帖子

其實我真不看好8508A,10V指標好主要是最高工作溫度為40C,若3458A溫度降下來就比它好了。
20A的其實只有0.04%,要論計量還遠不夠,若要搞大電流計量還需要專業的shunt。
其它計量最常用的指標比如轉移特性、線性、噪音、速度,都是3458A比8508A強很多。
8508A并非Fluke自己的技術,而是沿襲英國Datron的。
至于3458A,多少年前就定型了,沒有變,也不會變了。
17#
發表于 2007-8-25 14:07:18 | 只看該作者
Vishay的VH系列電阻好象現在不做了,還能買到么?
18#
 樓主| 發表于 2007-8-25 14:47:51 | 只看該作者

回復 #17 chuxp 的帖子

當然做,VH是一個大系列,V是Vishay,H是Hermetic即環境密封的意思,都是用金屬/陶瓷/玻璃/Kovar密封的結構,具體分好多小系列。其特點是完全密封,年穩定度<5ppm。那種塑料/環氧密封的,只能做到25ppm/年,差了5倍。
19#
發表于 2007-8-26 20:41:59 | 只看該作者

問侯樓主

樓主:
      你好!我是新到這里的老計量員,請問樓主“DIY高準確度電壓基準“是不是你的大作?
該篇文章我已早拜讀了,我原是搞交流阻抗計量的,干了幾年后搞產品設計去了,現在在搞自動化儀表和系統,但忘不了對高精度測量的追求,若有機會多多請教。
20#
 樓主| 發表于 2007-8-27 11:07:37 | 只看該作者

回復 #19 chuanwen 的帖子

你好,“DIY高準確度電壓基準”是我一邊做一邊寫的,由于涉及長期老化(穩定性)的考核問題,同時10V輸出一直沒有解決好,因此現在還沒有一個成熟的版本,所以也沒在這里貼出。對于計量,我是業余的,因此以后多多指教了。
21#
發表于 2007-8-29 13:12:38 | 只看該作者

也問侯樓主

太厲害了!:lol
你的那個752A改裝的精密電阻做的怎么樣了?
22#
 樓主| 發表于 2007-8-29 14:08:33 | 只看該作者
原帖由 chuxp 于 2007-8-29 13:12 發表
太厲害了!:lol
你的那個752A改裝的精密電阻做的怎么樣了?

謝謝!
這個改裝一度停止了,過幾天再接著來。752A已經拆解,但由于在測試我自己另外4個自制電阻的時候發現漂移比預期的大,現正找原因。
下圖為自己做的另一個,用了4只Vishay VHP101,而這個VHP101在3458A里用做內部基準。

其中的接線柱也許是問題的原因,這次采用的是從Data Proof開關上面拆下來的,材料是Gold plated Tellurium Copper(鍍金銅碲合金),被公認為低熱電動勢測量所必需,但從成品開關上拆太可惜了,因此我找到了原始廠家Pomona,在網上買了一些,單價$5.99:
http://www.tequipment.net/Pomona3770.asp

[ 本帖最后由 lymex 于 2007-8-29 14:21 編輯 ]

Rindex.jpg (120.73 KB, 下載次數: 225)

Rindex.jpg

Pomona3770.jpg (74.94 KB, 下載次數: 228)

Pomona低熱電勢插座,鍍金銅碲合金材料

Pomona低熱電勢插座,鍍金銅碲合金材料
23#
發表于 2007-10-16 07:34:12 | 只看該作者

關注樓主的DIY高準確度電壓基準很長時間了

看來計量我是白干了。我是沈陽724站的,請問樓主在大連什么單位
有機會多請教
24#
發表于 2007-10-16 08:16:57 | 只看該作者
太有才了.PF啊!
我有一臺美國迪非公司出的DP730多通道信號分析儀,做振動測試用的,現在輸出衰減的特別厲害,找不到修理啊(這家公司被美國封查了)郁悶.
25#
 樓主| 發表于 2007-10-16 09:23:22 | 只看該作者
原帖由 zwham 于 2007-10-16 07:34 發表
看來計量我是白干了。我是沈陽724站的,請問樓主在大連什么單位
有機會多請教

我工作是計算機軟件,直流計量屬于業余愛好。多多交流。


原帖由 風吹石 于 2007-10-16 08:16 發表
太有才了.PF啊!
我有一臺美國迪非公司出的DP730多通道信號分析儀,做振動測試用的,現在輸出衰減的特別厲害,找不到修理啊(這家公司被美國封查了)郁悶.

謝謝!真的找不到修理的地方,可以找國內有經驗的師傅看看,至少先檢查一下壞在哪里。
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