Multimetr laboratoryjny Agilent 34461A

Rys. 1. Wyświetlacz 61 cyfry multimetru Agilent 34461A

Multimetry laboratoryjne charakteryzują się zwykle o wiele lepszymi parametrami technicznymi niż popularne multimetry przenośne, nawet wysokiej klasy. W warunkach warsztatowych czy na liniach produkcyjnych ważną ich zaletą jest stała gotowość do pracy, są bowiem zasilane z sieci elektrycznej, nie z baterii.

Kolejną cechą wyróżniającą multimetry laboratoryjne jest możliwość standardowej lub opcjonalnej instalacji różnych interfejsów komunikacyjnych z Ethernetem włącznie. Ethernet z kolei otwiera możliwość sterowania multimetrem przez Internet, a także pozwala bezpośrednio przesyłać wyniki pomiarów na nieograniczone odległości.

Multimetry cyfrowe mają wreszcie zwykle wyższą klasę dokładności i umożliwiają wykonywanie pomiarów z większą rozdzielczością. Z łatwością mogą być montowane stacjonarnie na szafach rack. Jedyne, w czym przyrządy przenośne mogą konkurować z laboratoryjnymi, to liczba funkcji pomiarowych. Zobaczmy, jak w świetle tych uwag wygląda miernik Agilent 34461A

61 cyfry na wyświetlaczu graficznym

Rys. 2. Pomiary wykorzystujące możliwości wyświetlacza grafi cznego: a) zmiany w czasie, b) histogram

Pierwszą, rzucającą się w oko cechą multimetru 34461A jest kolorowy wyświetlacz graficzny o przekątnej 109 mm (4,3") umożliwiający wyświetlanie dużych, czytelnych cyfr wyniku. Rozmiar ekranu jest ważny szczególnie wtedy, gdy na wyświetlaczu są umieszczane liczne informacje dodatkowe, np. statystyka pomiarów, wartości graniczne, etykieta opisująca obiekt mierzony (rys. 1) itp. Stałe miejsce w dolnej części ekranu zajmują ponadto kontekstowe opisy 6 przycisków funkcyjnych umieszczonych pod wyświetlaczem. Zalety dużego wyświetlacza graficznego ujawniają się także podczas wyświetlania wykresów trendu lub histogramu (rys. 2).

Rys. 3. Praca wyświetlacza w trybach: 61, 51, 41 lub 31 cyfry

Multimetr 34461A wyróżnia się dużą dokładnością i rozdzielczością pomiarów. Wiąże się z tym konieczność wyświetlania dużej liczby cyfr wyniku. Z tego względu konstruktorzy przyjęli pole odczytowe o rozmiarze 6 1 cyfry. Aż taka rozdzielczość nie jest jednak zawsze wymagana, a często wręcz przeszkadza w pomiarach.

Użytkownik ma więc możliwość maskowania najmniej znaczących cyfr, co odpowiada zmniejszaniu pola odczytowego do 5 1, 4 1 lub 3 1 cyfry (rys. 3). Sens takiej operacji jest związany ponadto z szybkością wykonywania pomiarów przez przyrząd. Dla nastawy 4 1 cyfry, przy aperturze 0,02 PLC (Power Line Cycles) multimetr, mierząc napięcie stałe, wykonuje 1000 odczytów na sekundę. Czas całkowania w tym przypadku jest równy 400 ms. Parametr PLC jest związany z funkcją filtrowania zakłóceń pochodzących z sieci zasilającej. Przy maksymalnej szybkości odczytu filtracja jest oczywiście najsłabsza.

Dynamikę zmian wielkości mierzonej trudno obserwować na wyświetlaczu cyfrowym, z tego względu w miernikach najczęściej jest dodawana graficzna linijka analogowa (bar). W multimetrze 34461A jest ona włączana przez użytkownika, który ma ponadto możliwość ręcznego ustawiania zakresu jej wskazań. Ręczne, oprócz automatycznego, dobieranie zakresów dotyczy wszystkich mierzonych parametrów i form wizualizacji wyników.

TrueVolt

Rys. 4. Pomiary ACV i DCV sygnałów o dużym współczynniku szczytu

Przywykliśmy już do tego, że uniwersalne mierniki cyfrowe nawet niższych klas mierzą prawdziwe wielkości skuteczne. Zdolność do wykonywania takiego pomiaru zależy w znacznym stopniu od realizacji operacji całkowania. W miernikach, które w ogóle nie potrafią tego robić, wartość skuteczna jest odnoszona do przebiegu sinusoidalnego, co skutkuje znacznym błędem, jeśli sygnał mierzony odbiega od sinusoidy.

Rys. 5. Gniazda pomiarowe umieszczone na płycie przedniej miernika

W multimetrze 34461A do pomiaru wartości skutecznej zastosowano własne rozwiązania Agilenta (TrueVolt), polegające m.in. na technice bezpośredniego próbkowania sygnału i specjalnej metodzie obliczeniowej. Producent zapewnia uzyskiwanie poprawnych wyników dla przebiegów o współczynniku szczytu wynoszącym nawet 10. Pomiar sygnału przedstawionego na rysunku 4 potwierdza klasę multimetru 34461A.

Do testu zastosowano impuls o amplitudzie 4 V i szerokości 2/100 okresu nałożony na składową stałą równą -1 V. Teoretycznie obliczona wartość skuteczna napięcia o takim kształcie jest równa 0,553664 V. Multimetr zmierzył 0,56008 V, ale jest to wynik bardzo zbliżony do pomiaru wykonanego oscyloskopem. Różnice między wynikami pomiarów a wartością teoretyczną mogą oczywiście wynikać z niedokładności generowania przebiegu.

Multimetr 34461A mierzy prawdziwe wartości skuteczne napięcia i prądu (ACV, ACI) oraz wartości średnie (DCV, DCI). Pomiar wartości skutecznej nie uwzględnia składowej stałej. W przyrządach stacjonarnych zwykle nie ma takiej opcji pomiarowej, jest ona dostępna w niektórych multimetrach przenośnych. Aby uzyskać wartość skuteczną uwzględniającą składową stałą, należy wykonać dwa pomiary: DC i AC, a następnie obliczyć pełną wartość skuteczną jako pierwiastek sumy kwadratów obu tych wielkości.

Precyzja, dokładność, stabilność

Rys. 6. Wyświetlanie statystyk pomiarów

Jedną z większych zalet miernika 34461A jest duża dokładność pomiarów. Producent podkreśla też wysoką stabilność długoterminową. W parametrach technicznych przyrządu dokładność jest podawana w czterech rubrykach uwzględniających czas: 24 godziny, 90 dni, rok i 2 lata. Przykładowo, dokładność 24-godzinna dla pomiaru napięcia na zakresie 10 V jest równa 0,0025% odczytu + 0,0004% zakresu pomiarowego. Podawany jest również współczynnik temperaturowy w odniesieniu do 1°C, który dla tego pomiaru jest równy odpowiednio 0,0005 + 0,0001.

Innym parametrem zasługującym na uznanie jest szeroki zakres częstotliwości dla pomiarów AC. Przyrząd w tym trybie mierzy napięcie i prąd o częstotliwości od 3 Hz do 300 kHz.

Pomiary dwoma albo czterema przewodami

Rys. 7. Pomiar z ustawionymi ograniczeniami: a) alarm po przekroczeniu dolnego ograniczenia, b) pomiar w dozwolonym oknie, c) alarm po przekroczeniu górnego ograniczenia

Podstawowe gniazda wejściowe multimetru 34461A umieszczono na płycie czołowej (rys. 5), ale są one zdublowane bardzo podobnym (bez gniazda wysokoprądowego) zestawem gniazd zainstalowanych z tyłu. Gniazda są przełączane przyciskiem dostępnym na płycie czołowej.

Ważną cechą multimetru Agilenta jest możliwość wykonywania 4-przewodowego pomiaru rezystancji. Stosując tę metodę, eliminuje się wpływ oporności kabli pomiarowych i rezystancji połączeń, co ma szczególne znaczenie w pomiarach małych rezystancji. Do obliczenia rezystancji konieczne jest zmierzenie prądu płynącego przez badany obiekt oraz występującego na nim napięcia.

W pomiarach 2-przewodowych kable pomiarowe podają prąd do badanego opornika i są jednocześnie wykorzystywane do pomiaru napięcia na nim. Spadek napięcia na połączeniach zniekształca więc wynik. W pomiarach 4-przewodowych funkcje podawania prądu i pomiaru napięcia są rozdzielone, tak więc wynik nie jest obarczony błędem spowodowanym nieprawidłowym określeniem napięcia występującego na badanej oporności.

Matematyka

Tabela 1. Funkcje pomiarowe multimetru 34461A

Rozszerzeniem możliwości pomiarowych multimetru 34461A są obliczenia matematyczne wykonywane w czasie rzeczywistym. Możliwe jest wyświetlanie statystyki pomiarów obejmującej wartości: minimalną, maksymalną, średnią oraz zakres zmian, odchylenie standardowe i liczbę pomiarów. Wyniki są widoczne w dolnej części ekranu pod polem odczytowym (rys. 6).

Kolejną operacją matematyczną jest sprawdzanie, czy wynik pomiaru mieści się w zadanym przedziale. W tym celu należy zdefiniować wartość minimalną i maksymalną, a następnie uruchomić opcję "Limit". Każde przekroczenie wyznaczonego przedziału powoduje wyświetlenie czerwonego alarmu oraz uruchomienie sygnału dźwiękowego, jeśli taka opcja została włączona (rys. 7). Parametry graniczne są wyświetlane podobnie jak statystyki pod polem odczytowym, niestety zmniejszają wówczas wysokość cyfr wyniku.

Obliczenia matematyczne są również bardzo przydatne podczas pomiarów względnych. Różnice wskazań są podawane w jednostkach: dB lub dBm. Konieczne jest oczywiście podanie wielkości odniesienia: np. napięcia dla pomiarów napięciowych (dB) lub rezystancji odniesienia dla pomiarów mocy (dBm). Domyślną rezystancją jest 600 W, ale może być ona zmieniana spośród kilku standardowych wartości (rys. 8). W pomiarach względnych mogą być obliczane różnice pomiędzy kolejnymi akwizycjami napięciami mierzonego w jednym gnieździe, albo różnice napięć mierzonych w dwóch gniazdach. W tym przypadku funkcję alternatywnych wejść napięciowych pełnią gniazda "Sense" wykorzystywane w 4-przewodowych pomiarach rezystancji.

Praca zespołowa

Rys. 8. Pomiary względne: a) dB, b) dBm

Na nowoczesnych stanowiskach pomiarowych niezwykle istotna jest zdolność do współpracy poszczególnych przyrządów, a także możliwość zdalnego ich sterowania. Multimetr 34461A wyposażono w szereg interfejsów komunikacyjnych, które ułatwiają realizację tej funkcjonalności. Na rysunku 9 przed stawiono gniazda dostępne na tylnej ściance przyrządu (USB, LAN, opcjonalnie GPIB).

Oprócz gniazd interfejsów komunikacyjnych możliwe jest korzystanie z zewnętrznego przebiegu synchronizującego (Ext Trig). Wewnętrzna pamięć multimetru, po połączeniu go z komputerem, jest widoczna jako wirtualny dysk. Dzięki temu możliwe jest proste, bezpośrednie przenoszenie plików, np. zrzutów ekranowych, parametrów itp., bez żadnego oprogramowania dodatkowego. Wykorzystując połączenie ethernetowe, można sterować miernikiem przez interfejs webowy.

Funkcje pomiarowe, podsumowanie

Rys. 9. Tylna ścianka multimetru 34461A z gniazdami we/wy

Funkcje pomiarowe multimetru 34461A zestawiono w tabeli 1. Są one charakterystyczne dla podobnych przyrządów nawet różnych producentów. Cechą wyróżniającą miernik 34461A jest wysoka dokładność, stabilność długoterminowa i duża liczba odczytów na sekundę. Oprogramowanie firmowe zawiera procedury autotestu i kalibracji.

Jak zwykle u Agilenta uwagę zwraca nienaganny design i jakość wykonania. W instrukcji użytkowania umieszczono definicje mierzonych parametrów, a także wyjaśniono niektóre kwestie teoretyczne związane z pomiarami. Szczególną uwagę zwrócono na źródła błędów pomiarowych. Instrukcja zawiera także zestaw komend SCPI (Standard Commands for Programmable Instruments) wykorzystywanych do zdalnego sterowania miernikiem.

Jarosław Doliński, EP
AM Technologies Polska Sp. z o.o.
www.amt.pl