Персональная страничка Ампернута
Блог о электрометрии, о моих разработках, о жизни.
На прошедших выходных я размышлял о микровольтметре. А содвинуло меня к этому объявление Михаила о продаже нановольтметра:
Поскольку в последнее время чо-то я совсем “поизносился”, у меня не оказалось в кармане заветных 25 тысяч рублей, но в голове возникла идея сделать полноценный микровольтметр. Но ведь просто-так взять и сделать что-то нельзя, нужен расчёт!!! Вот этим я и занимался все выходные.
Поскольку плавно но целенаправленно мой интерес в области малых напряжений растет, решил опробовать свои запасы терминальчиков на предмет ТермоЭДС.
В данном материале не будет результатов прямых измерений, так как приборов для осуществления измерения с повторяемыми результатами у меня пока нет.
Первым испытуемым стал Aliexpress номер 1:
Это самый худший образец из данного обзора. поскольку его плохо нарезанная металически-пластиковая резьба не смогла зажать медный провод. Он провалил тест еще до начала измерений. Epic fail. Сжечь!!! 
Плохо совместим с разъёмами типа “банан”, отверстие не глубокое.
Вторым испытуемым стал Aliexpress номер 2:
Механически они выполнены более качественно, они надежно зажали медный провод, но реакция на касание точки зажима довольно стремительная. По примерным прикидкам ТермоЭДС составил 2-4 мкВ/K.
Отлично совместим с разъёмами типа “банан”.
Третий испытуемый, латунный терминал производства “Микроприбор”, времен СССР.
Не ширпотреб, но тем не менее, популярный, довольно распространенный и недорогой терминал.
Обжим надежный, а сам процесс зажима провода проще, из за широкой “юбочки”. Тест на ТермоЭДС касанием пары медь-латунь, показывает менее 1 мкВ/K.
Совместимость с разъёмами типа “банан” – средняя, отверстие не глубокое.
Удобен тем, что не окисляется, и его почти не нужно регулярно чистить от окислов.
Четвертым испытуемым стал терминал производства “Краснодарского ЗИП” времен СССР.
Унобтаний, дикий и слабо-доставаемый, вымер как динозавры, применялся в нескольких мерах и в нескольких моделях высокоточных компараторов.
Механически надежен, зажим хороший. Но скажу я вам, зачистка 30-ти летней меди на нем, далеко не самая простая процедура, требует навыка. А в окисленном состоянии он непригоден к эксплуатации.
В паре с медью дает ТермоЭДС почти не фиксируемый ни одним моим прибором.
С разъёмами типа “банан” абсолютно не совместим.
Похоже я начал ощущать ущербность своей лаборатории в области малых напряжений, и по этому стоит задуматься о изготовлении микровольтметра с чувствительностью в нановольтовом диапазоне. Судя по всему эти редкие, но весьма полезные терминалы должны хорошо подойти для такого изделия.
Пока я отдыхаю от пайки ГЛИН-ов, играюсь с мерами, и сегодня решил провести эксперимент с измерением ТКС меры Р321 0.1 Ома.
Немного удивило, но SMU Keithley 2450 таки осилило измерение меры Р321 на номинал 0.1 Ома. Правда пришлось раскочегарить его на полный ток 1 ампер, и бедняга 2450 слегка напрягся, разогнал свой вентилятор на полные обороты, но таки смог победить измерение меры 0.1 Ома с ппм-ной стабильностью.
Напомню, что согласно закону Ома U=IR=1A*0.1R=100mV. Это значит. что для обеспечения 1ppm стабильности при измерении сопротивления 0.1 Ом, Кейтлик 2450 должен выдавать ток 1 Ампер и измерять напряжение 100 мВ с стабильностью не хуже 100нВ и 1мкА соответственно. При этом с включенным режимом компенсации смещения образуемым за счет ТермоЭДС, он не просто выдает ток 1А, а импульсно выдает на выход ток 0А и 1А, и вычитает получившуюся разницу, чтобы измерить напряжение без эффектов ТермоЭДС. Скажу откровенно, я считаю такую задачу исключительно сложной. Он Кейтлик справился, он смог!!!
Честь и хвала инженерам Keithley Instruments ! 
Вообще говоря, основное предназначение приборов класса SMU, это снятие всяких там ВАХ-ов, и то что Кейтлик 2450 смог выдержать 1ppm-ную стабильность по току и напряжению в таких сложных условиях, это удивительно для SMU.
Получившиеся значения ТКС α=5.721ppm β=-0.601ppm. У всех манганиновых мер наблюдается ярко-выраженный перегиб, характеризуемый коэффициентом полинома второго порядка β, он около -0.5…-0.6ppm. Точка перегиба подогнана близко к диапазону рабочих температур меры. Я предполагаю, что все меры Р310, Р321, Р331 имеют схожую характеристику.
Точка перегиба, так-же известная как “точка нулевого ТКС” у мер немного разнится, но она очень близка к диапазону 20°C…25°C. Так-же на этом графике красной линией показано расчётное сопротивление по полученным коэффициентам α,β. Как видно, расчётные данные практически совпадают с реальными измерениями. Небольшое отклонение можно списать на тепловую инерционность меры, ибо динамический температурный режим слегка отстает от статического, из за не идеальности размещения термодатчика измеряющего температуру меры.
В результате табличка с мерами была пополнена.
Теперь остается дождаться кейс для транспортировки и поверить эти “новые” меры в заслуживающей доверия лаборатории.
Надыбал на днях полезнятную статейку от ученого-хранителя нашего первичного гос.эталона вольта Каткова Александра Сергеевича(ФГУП ВНИИМ им.Д.И.Менделеева), которая не только интересная и познавательная, но и подтверждает ряд моих тезисов о применимости методов сравнения измерительных возможностей того или иного моего домашне-лабораторного оборудования через сравнение характеристик девиации Аллана.
Рекомендую почитать:
(картинка кликабельна)
А это значит:
Кстати, постоянный читатель наверняка заметил характерное разделение контента блога в последние месяцы, на полномасштабные статейки (рубрика best-of-best), регулярные публикации, а-ля дневник(рубрика Технологии), и уже ставшую классикой рубрику “Особое мнение”, спрятанную в ссылке с боку блога. Постараюсь в будущем придерживаться подобной структуры блога, и сохранять его тематику.
PS. Холиварная рубрика “Особое мнение” спрятана в боковой ссылке не просто так, а по тому, что она порой мешает мне заказывать иностранные компоненты… но это уже немного другая история, которую я наверное расскажу в видео по итогам 2022 года. 
Продолжаю серию повествований о продукции совковых заводиков которые производили метрологический унобтаний. Ранее я уже рассмотрел продукцию Кишеневского Микропровода, Новосибирского завода Эталон и Киевского ПО “Точэлектроприбор”.
Сегодня мои загребущие руки дошли до продукции Краснодарского Завода электроИзмерительных Приборов.
А именно, дело таки дошло до серии мер Р310, Р321, Р331. Большого интереса у меня к ним нет, просто хотелось их иметь “для коллекции”, ну а раз я их собрал, то немного поисследуем…
Кстати помимо них, Краснодарский ЗИП производил воистину огромный перечень приборов для метрологии.
В ходе разработки ИОН конечно-же у меня возникал вопрос о его потреблении и его стабильности, в условиях когда небольшой термически-изолированный кусочек текстолита 30мм*30мм нагревается 4-мя стабилитронами. Ведь если всмотреться в даташит внимательно, то видно, что максимально-допустимая температура эксплуатации стабилитронов 70°C, а внутренний нагреватель настроен на температуру 95°C. Это значит, что если теплоизоляция будет чересчур эффективной, стабилитроны выйдут за допустимый режим эксплуатации. Об этом-же косвенно говорят и графики, четко показывающие, что где-то после 80°C им просто на просто срывает крышу.
По итогу прошедших выходных был разработан дизайн мезонинной платы для опорника. Попробую изготовить. Получилось такое:
Пока нарабатываются два экземпляра ADR1399KEZ, решил по ходу дела померить им шумы.
Выяснилось, что попкорн-шум им тоже свойственен, но у одного экземпляра образец #1 он составляет около 0.8мкВ, и присутствует явно.
А у второго образца #2 он появляется довольно редко, но его амплитуда достигает 3мкВ. Вот несколько случайно пойманных попкорнов:
По итогу, поскольку я привык сравнивать шумовые характеристики с помощью вычисления девиации Аллана, получаем нечто такое:
Отчетливо видно, что шумовые полки каждого из случайно взятых двух ADR1399K, у которых даже присутствует попкорн шум, практически совпадают с шумовой полкой двух самых отборных LM399AH, с незначительными отличиями. А если произвести отбор ADR1399K, и составить из них групповой ИОН, то думаю можно получить значительно превосходящий результат по сравнению с самыми-самыми отборными LM399AH.
Что собственно и ожидалось…. Теперь запасаемся попкорном и ждем новых поставок ADR1399K. 
Заказано в общей сложности еще 16 штук ADR1399KEZ, думаю этого будет достаточно чтобы понять, существуют ли ADR1399K вообще без попкорна, и каков их примерный процент в общей массе чипов на рынке.
Так-же задумываясь о термо-ЭДС разъёмов, подсмотрел тут на досуге у строителей адронного коллайдера LEMO-вские разъемчики вот такие:
Они их применяют в самодельных вольтметрах.
Почему – потому-что раз уж я сетую на микровольтные шумы то наверное надо, чтобы колебания воздуха в помещении тоже не оказывало значительного эффекта, ибо термо-ЭДС. Пока я справляюсь с проблемой просто накрывая все соединения махровым полотенцем, предотвращая обдувание разъемов, но это-же не дело, надо чтобы этот момент был учтен в дизайне усилителя и в дизайне ГЛИН.
Это конечно не самые лучшие разъемы в плане термо-ЭДС, но с виду довольно симметричные и проработанные, а главное легко-доступные к покупке. Оба сигнальных пина скрыты в металлическом корпусе, оба симметричны, а значит должны оба прогреваться равномерно при воздействии потоков воздуха. Само термо-ЭДС это не уберет никуда, но оно взаимо-компенсируется. По идее эти разъемы должны быть лучше всяких там SMA и BNC которые я активно применяю, у них сигнальные части не симметричны друг другу, и нет никакой защиты от потоков воздуха. Да и я думаю, что строители коллайдера не просто так их туда поставили, наверное тесты касательно термо-ЭДС тоже проводили, не дураки-же они. Тоже горсть заказал, попробую! Интересно!
Решил на всякий случай, просимулировать новый концепт опорника в ГЛИН, и вдруг посетила меня тут на досуге мысля… а не сделать ли мне ИОН на ADR1399K. Эта мысля пока-что получила воплощение только в виде симуляции в LTspice:
Файл симуляции: ссылка
Пришлось попробовать несколько вариантов системы запуска, и похоже самый рабочий из них, это использование дополнительного делителя и диода.
Опорник имеет с обоих сторон(со стороны ИОН и клемм) кельвиновское подключение, компенсирующее потери на проводах и дорожках, а это значит, что его можно использовать и для относительно мощных нагрузок, до нескольких миллиампер.
По идее, если на него разработать методику калибровки, то можно отдать в мет-лабораторию, чтобы его измерили… хммм…. есть над чем подумать 
Может и займусь….
Материал будет дан своими словами, с упрощением в части терминологии, по этому будет не полностью соответствовать общепринятым понятиям, но должен отчетливо донести суть.
Читать далее «Абсолютная и относительная погрешности в прецизионной технике»