计量论坛

 找回密码
 立即注册

QQ登录

只需一步,快速开始

搜索
计量软件
查看: 64411|回复: 151

[心得] Agilent 3458A 八位半万用表基准的改动与校准

  [复制链接]
发表于 2007-8-16 22:46:17 | 显示全部楼层 |阅读模式

立刻注册计量论坛 交流工作中的点滴

您需要 登录 才可以下载或查看,没有帐号?立即注册

x
Agilent/HP 3458A是经典的8位半万用表,很多指标超高,比如无与伦比的转移特性和线性度(0.1ppm),前所未有的噪音特性(0.01ppm)。但也有不满意的地方,比如中长期的稳定性不太好,90天10V电压稳定性指标达到了4ppm,其典型的漂移曲线见图(出自Agilent 3458A校准手册)。从这个曲线也可以看出,基准LTZ1000A具有随时间下降的趋势。这个趋势无论在这里,还是在使用该基准的Wavetek 7000基准的说明中都有体现。反映在万用表中,这个趋势所引起的后果就是读数逐渐偏高。基准偏低1ppm,万用表的读数就偏高1ppm。

通过半年多的测试,也发现自己新出厂的3458A的基准大概变化了5ppm(读数偏大5ppm)。尽管1年的指标为8ppm,但其它一些8位半的万用表做的更好,比如Fluke 8508A和Wavetek 1281,为4ppm/年。
按照3458A内部采用的LTZ1000A基准的老化情况看,典型指标为1ppm/年,怎么就出现这么大的差距呢?

[ 本帖最后由 lymex 于 2008-6-8 09:33 编辑 ]
3458A.gif

Wavetek对7000系列的指标,预测漂移也是负的。这里,0.8+0.7=1.5ppm就是稳定度,

Wavetek对7000系列的指标,预测漂移也是负的。这里,0.8+0.7=1.5ppm就是稳定度,
发表于 2007-8-24 18:52:22 | 显示全部楼层

回复 #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 编辑 ]
 楼主| 发表于 2007-8-16 22:48:39 | 显示全部楼层
经过剖析基准电路和所采用的元件参数,发现了原因所在。原来是3458A在设计时为了能工作与恶劣环境,把内部基准的恒温温度设置的非常高,达到了90℃!
从3458A的使用手册可以看到,3458A可以工作在55℃的环境温度下。再加上机器内部的温升(13℃)、LTZ1000A的温升(10℃)和一定的余量,选择90℃就不足为奇了。
然而,从P.J. Spreadbury的文章和后来Wavetek等公司对LTZ1000A的测试表明,温度每增高10℃,长期漂移变大一倍!
因此,若能把温度降低30℃,那么稳定性就可以提高到8倍了(即长期漂移为原来的1/8)。
这样也很方便的解释了,为什么特性非常好的LTZ1000(年漂移<3ppm, 3σ),到了Agilent的手上,为什么变成了8ppm的年漂移了。
因此,只要把恒温温度降低到60℃,理论上就能够达到年漂移1ppm之内。另外,从LTZ1000A的手册上也可以看出,1ppm/a的指标漂移,是在65℃的温度之下得到的,也证实了这一论断。

另外,Fluke 8508A的长期漂移指标做的比较好,是因为用了Datron的原封不动的基准,不仅因为最高工作温度低(40℃,比3458A降低15℃),而且还因为基准是用的LTZ1000CH而不是LTZ1000ACH。这两个基准的差别是ACH的内部有绝热,因此温升有额外的10℃。这样算下来,8508A的内部基准就至少比3458A的降低25℃,因此老化指标能够降低过半也是可以理解的了。尽管3458A也有4ppm/年的高稳定基准选件,但那是经过长期的预先老化和筛选作为代价的。

[ 本帖最后由 lymex 于 2008-6-10 09:16 编辑 ]

上电阻与温度的关系

上电阻与温度的关系

P.J. Spreadbury的测试分析

P.J. Spreadbury的测试分析

Wavetek的分析

Wavetek的分析
 楼主| 发表于 2007-8-16 22:56:03 | 显示全部楼层
那么如何把温度从90℃降低到60℃以下呢?就是要调整基准电路的上温度分压电阻。通过计算得知,当把原来的15k改变到12.5k,就可以把温度降低到57℃,可以允许万用表适应于最高33℃的环境温度。
33℃够了吗?对于我来说是的。今年最热的天气已经过去,室内最高温度(不开空调)还没有超过30℃的时候。
那么如何让分压电阻从15k变到12.5k呢,并联一个75k的电阻就正好。我选择了德国品牌的Vitrohm 75k 0.1%电阻进行了并联(图),该电阻指标温度系数25ppm/℃,实际测试<10ppm/℃。
并联的过程很简单。原基准板有预留孔看来就是给并联用的,电阻名字是R412。用吸锡器抽干孔内的焊锡把电阻焊上即可。
有人会问,并联后,由于这个电阻的稳定性和温度系数会不会对基准的输出产生影响?当然会的,但经过评估(过程略,但可以补充),这个电阻在温度正负10℃的变化以及200ppm/年的老化的情况下,对基准的影响均小于0.5ppm。

并联电阻参数

并联电阻参数

并联前基准照片

并联前基准照片

并联后基准照片

并联后基准照片
发表于 2007-8-16 23:10:35 | 显示全部楼层
只有一个字,那就是"牛"!
 楼主| 发表于 2007-8-16 23:14:51 | 显示全部楼层
对基准更改后,其电压也自然要发生改变,实测从原来的7066.10mV变为7056.75mV,变动了-0.132%。测量#105号732B基准,读数从改动前的10.000093V变成了10.013278V。因此,必须在充分预热的基础上进行校准。

好在3458A的校准过程非常简单,只需要一个4线短路环(自制)、10V电压基准(已有)和10kΩ电阻基准(已有)。校准于8月5日星期天进行。
首先校准0点,接上4线短路环,执行CAL 0,校准进行了8分钟。
其次校准电压,接上#105号732B,按照其具体偏离执行CAL 10,校准了大约4分钟。
最后,打算也校准电阻,但发现改动前后对相同的标准电阻的测量值变化很小,不到2ppm,而且是向误差小的方向变化,因此电阻档没有进行校准。

那么,基准改动后效果到底如何?由于改动后测试的时间比较短,因此还不能下最后的结论,但可以分项看一下:
1、长期老化无从测试。必须要等几个月至少半年最好一年才能得到比较理想的得到数据。改动后很可能老化大大的降低,给老化测量带来更大的困难。
2、中短期漂移有较大的提高。以前每天开机5个小时预热后,对电压基准的读数差别比较大,最大达到2ppm以上。但改动后已经10天,这个变动不到0.5ppm,因此有很大的改善。
3、预热时间缩短。由于最终温度的降低,基准达到额定误差之内输出时间也自然缩短
4、低频噪音有所降低。通过连续测量一个稳定的基准,得到一个系列,简单的计算就可以得到标准方差。改动后这个方差有大约25%的下降,表现在两次相邻的读数变动变小。

总之,改动后效果明显,达到了预期目标。尽管这样的改动是以牺牲最高允许工作温度为代价的,但一般实验室条件下使用没有任何问题。

改动前后每天一次对电压基准的测量

改动前后每天一次对电压基准的测量

开机预热特性

开机预热特性
 楼主| 发表于 2007-8-16 23:32:23 | 显示全部楼层
补充资料1,Linear给出的LTZ1000A的典型电路。其中R4=13k就是上温度设置电阻。这个电阻若变化100ppm,对输出的影响是1ppm。因此若在原来15k上并联75k,那么75k变化100ppm,对这个并联电阻的变化就是20ppm,因此对整体变化的影响就是0.2ppm。

[ 本帖最后由 lymex 于 2007-8-16 23:53 编辑 ]
more1.gif

LTZ1000.pdf

118.87 KB, 下载次数: 82, 下载积分: 金币 -1

 楼主| 发表于 2007-8-16 23:38:48 | 显示全部楼层
补充资料2,剑桥大学P.J. Spreadbury对LTZ1000A的测试文章及某测试曲线。通过这个曲线得到了温度每上升10℃老化加倍的结论。
more2.gif

mtv1i8p687.pdf

326.12 KB, 下载次数: 86, 下载积分: 金币 -1

 楼主| 发表于 2007-8-16 23:52:31 | 显示全部楼层
补充资料3,Wavetek公司J.R. Pickering和P. Roberts的文章:Setting new standards for DC Voltage Maintenance Systems。
该文章描述了其创新的7000系列电压基准的所采用的技术,这个基准的核心正是LTZ1000A。
由于Wavetek被Fluke收购,因此这套系统就摇身一变成为Fluke 7000系列。尽管价格比732B便宜且指标更高,但好象不是Fluke的主推产品。
该文章目前也在官方网站上找不到了,是以前在Wavetek的网站上下载的。

文章中提到了其首创的“消磁”重入技术、“统计电阻法”升压电路,同时也给出一个温度如何影响年稳的测试实例。从这个实例可以看出,一个组的年平均漂移,在80℃的工作温度时为-1.2ppm,但在45℃下为-0.06ppm,低温对降低漂移作用明显。当然,这两个绝对值都非常小,应该是Wavetek把这组基准做了预先老化并剔除了老化过大的单元。

[ 本帖最后由 lymex 于 2008-6-8 08:27 编辑 ]
more3.gif

DCRefStandards.pdf

81.28 KB, 下载次数: 108, 下载积分: 金币 -1

 楼主| 发表于 2007-8-17 00:41:36 | 显示全部楼层
补充材料4,自己的有关电压基准的测试曲线。
除了注明以外,粗实线为10V基准与平均值差值对比的结果,相同颜色的细实线为10V基准直接测量结果,点线为对应内部7V直接测量结果。
其中红色的就是3458A的变化(楼上#5已有),可以看到3458A在改动之前变动相对还是很大的。
橙色粗线为温度(被减去29.5),与下面的一组自制的10V基准(蓝绿色)有着某种互补的相似性,说明这个DIY-10V大约有-0.7ppm/C的温度系数,大概归结为其中的7V-10V升压电阻的问题。
最下面的黄色点线是自己DIY的7V组,可以看出相对很稳定。
天蓝色的这组732B-10V稳定性不太好,22天就下降了近1ppm。最上边的深红色10V也上升了大约0.5ppm。但由于对应的7V基本没有变化,说明732B的不稳定的瓶颈在于7V-10V升压环节,即分压电阻存在问题。这应验了我的猜测,因为Fluke最好的卖到3W多的标准电阻指标才4ppm/年,因此我才把所有的基准的内部7V引出进行测量。换句话说,如果你只有一个10V基准,把7V引出后,若此7V和10V的比例发生了变化,那么应该相信7V,毕竟7V是基础,10V是派生的。
最后,8月3日的测试看来存在尖峰问题。
more4.gif

评分

参与人数 1威望 +2 收起 理由
chamer + 2 原创内容

查看全部评分

 楼主| 发表于 2007-8-17 09:29:06 | 显示全部楼层
补充材料5,“HP3458A数字万用表电子校准技术”,七二二所刘勇编著,原载于1993年第3期《电子测量技术》。

HP3458A数字万用表电子校准技术.pdf

203.34 KB, 下载次数: 546, 下载积分: 金币 -1

发表于 2007-8-17 22:03:37 | 显示全部楼层
老大:你不搞基标准可惜了,应该把你做的一些高精度的对外销售,我一定第一个买。
 楼主| 发表于 2007-8-17 22:22:41 | 显示全部楼层
原帖由 bgqjm 于 2007-8-17 22:03 发表
老大:你不搞基标准可惜了,应该把你做的一些高精度的对外销售,我一定第一个买。

谢谢了。现在我做的基础7V稳定度很好,但就是7V转10V做不太好。采用电阻升压的Fluke 732B本身漂移的离散性也不好,即便Fluke已经用了其最好的密封电阻;而若采用类似Datron 4910的PWM方式又非常复杂;若采用Wavetek 7000的统计电阻方法则电阻搞不到。这个问题解决不了做基准只能免谈了。我已经定了一些Vishay的VH系列电阻,年稳定性是5ppm级别的,等到手了再试。即便能够解决问题成本也不低,一对电阻进价就要800。
发表于 2007-8-24 17:31:23 | 显示全部楼层
看不懂,太深奧了.....弱弱地問一下3458A比較好呢?還是8508A好
 楼主| 发表于 2007-8-24 18:38:29 | 显示全部楼层

回复 #13 umec 的帖子

各有好处。
特性,3458A,8508A
电压年稳定性,8ppm,3.5ppm。当然,3458A也有4ppm的选项。我的3458A如上改动后应<2ppm。
电阻年稳定性,10.5ppm,8.25ppm
最大测量电流,1A,20A
10V积分线性,0.1ppm,0.32ppm
微分线性,0.02ppm,不详
噪音,0.01ppm,不详
8位半测量速度,6次/秒,0.17次/秒
功能,强,超强
大略人民币价格,70k,100k
 楼主| 发表于 2007-8-24 20:37:57 | 显示全部楼层

回复 #15 umec 的帖子

其实我真不看好8508A,10V指标好主要是最高工作温度为40C,若3458A温度降下来就比它好了。
20A的其实只有0.04%,要论计量还远不够,若要搞大电流计量还需要专业的shunt。
其它计量最常用的指标比如转移特性、线性、噪音、速度,都是3458A比8508A强很多。
8508A并非Fluke自己的技术,而是沿袭英国Datron的。
至于3458A,多少年前就定型了,没有变,也不会变了。
发表于 2007-8-25 14:07:18 | 显示全部楼层
Vishay的VH系列电阻好象现在不做了,还能买到么?
 楼主| 发表于 2007-8-25 14:47:51 | 显示全部楼层

回复 #17 chuxp 的帖子

当然做,VH是一个大系列,V是Vishay,H是Hermetic即环境密封的意思,都是用金属/陶瓷/玻璃/Kovar密封的结构,具体分好多小系列。其特点是完全密封,年稳定度<5ppm。那种塑料/环氧密封的,只能做到25ppm/年,差了5倍。
发表于 2007-8-26 20:41:59 | 显示全部楼层

问侯楼主

楼主:
      你好!我是新到这里的老计量员,请问楼主“DIY高准确度电压基准“是不是你的大作?
该篇文章我已早拜读了,我原是搞交流阻抗计量的,干了几年后搞产品设计去了,现在在搞自动化仪表和系统,但忘不了对高精度测量的追求,若有机会多多请教。
 楼主| 发表于 2007-8-27 11:07:37 | 显示全部楼层

回复 #19 chuanwen 的帖子

你好,“DIY高准确度电压基准”是我一边做一边写的,由于涉及长期老化(稳定性)的考核问题,同时10V输出一直没有解决好,因此现在还没有一个成熟的版本,所以也没在这里贴出。对于计量,我是业余的,因此以后多多指教了。
发表于 2007-8-29 13:12:38 | 显示全部楼层

也问侯楼主

太厉害了!:lol
你的那个752A改装的精密电阻做的怎么样了?
 楼主| 发表于 2007-8-29 14:08:33 | 显示全部楼层
原帖由 chuxp 于 2007-8-29 13:12 发表
太厉害了!:lol
你的那个752A改装的精密电阻做的怎么样了?

谢谢!
这个改装一度停止了,过几天再接着来。752A已经拆解,但由于在测试我自己另外4个自制电阻的时候发现漂移比预期的大,现正找原因。
下图为自己做的另一个,用了4只Vishay VHP101,而这个VHP101在3458A里用做内部基准。

其中的接线柱也许是问题的原因,这次采用的是从Data Proof开关上面拆下来的,材料是Gold plated Tellurium Copper(镀金铜碲合金),被公认为低热电动势测量所必需,但从成品开关上拆太可惜了,因此我找到了原始厂家Pomona,在网上买了一些,单价$5.99:
http://www.tequipment.net/Pomona3770.asp

[ 本帖最后由 lymex 于 2007-8-29 14:21 编辑 ]
Rindex.jpg

Pomona低热电势插座,镀金铜碲合金材料

Pomona低热电势插座,镀金铜碲合金材料
发表于 2007-10-16 07:34:12 | 显示全部楼层

关注楼主的DIY高准确度电压基准很长时间了

看来计量我是白干了。我是沈阳724站的,请问楼主在大连什么单位
有机会多请教
发表于 2007-10-16 08:16:57 | 显示全部楼层
太有才了.PF啊!
我有一台美国迪非公司出的DP730多通道信号分析仪,做振动测试用的,现在输出衰减的特别厉害,找不到修理啊(这家公司被美国封查了)郁闷.
 楼主| 发表于 2007-10-16 09:23:22 | 显示全部楼层
原帖由 zwham 于 2007-10-16 07:34 发表
看来计量我是白干了。我是沈阳724站的,请问楼主在大连什么单位
有机会多请教

我工作是计算机软件,直流计量属于业余爱好。多多交流。


原帖由 风吹石 于 2007-10-16 08:16 发表
太有才了.PF啊!
我有一台美国迪非公司出的DP730多通道信号分析仪,做振动测试用的,现在输出衰减的特别厉害,找不到修理啊(这家公司被美国封查了)郁闷.

谢谢!真的找不到修理的地方,可以找国内有经验的师傅看看,至少先检查一下坏在哪里。
您需要登录后才可以回帖 登录 | 立即注册

本版积分规则

小黑屋|手机版|Archiver|计量论坛 ( 闽ICP备06005787号-1 © 2005-2015 计量论坛——304所 )
电话:0592-5613810 QQ:473647 微信号:gfjlbbs 微信公众:gfjlorg 闽公网安备 35020602000072号

GMT+8, 2019-1-24 06:09 , Processed in 0.151830 second(s), 29 queries .

Powered by Discuz! X3.2

© 2001-2016 Comsenz Inc.

快速回复 返回顶部 返回列表