17,6 тыс подписчиков

Миллиомметр - приставка для мультиметра

30 декабря 202230 дек 2022

3412

8 мин

Самые бюджетные модели портативных мультиметров, к примеру DT838, имеют, как правило, небольшую погрешность измерения напряжения постоянного тока - не более 0,5%. Более дорогие мультиметры, такие как MS8265, ещё лучше - 0,1% на пределе 2...200В, не говоря уже о профессиональных моделях. Однако, всех их связывает один общий недостаток - разрешающая способность при измерении сопротивления лежит в диапазоне 0,1 Ом, реже 0,01 Ом, а двухпроводная схема измерения не позволяет избавиться от влияния собственного сопротивления проводов, что при закороченных щупах уже даёт измеренное значение сопротивления отличное от нуля. На практике это означает, что измерение сопротивления менее 0,1...0,5 Ом не позволяет судить о его реальном значении в силу больших погрешностей измерения, а также об малых изменениях сопротивления на фоне относительно больших значений. Предлагаемая конструкция поможет избавиться от этих недостатков. Схема устройства представлена ниже.

Принцип работы устройства основан на измерении падения напряжения при пропускании через резистор либо других компонентов стабильного тока 10 мА.

Устройство запитывается от трёх гальванических элементов 1,5В. Микросхема DA1 - повышающий преобразователь напряжения, обеспечивающий двухполярное питание измерительного ОУ DA4. Большинство компонентов DA1 - C1...C4, C6, C7, L1, R1...R4, VD3 - соответствуют стандартной схеме включения MC34063 в качестве повышающего преобразователя напряжения. Уровень положительного выходного напряжения рассчитывается по формуле Uвых = ((R4/R3)+1)*1,25 и составляет в данном случае около 16,5В. Конденсатор C3 задаёт частоту преобразования DA1 около 30 кГц. Резистор R2 ограничивает максимальный ток ключа DA1, его номинал меньше необходимого, но это повышает КПД преобразователя в целом. Элементы C4, C5, C8, C9, DA2, VD1, VD2 обеспечивают стабильное питание -12В для ОУ DA4. Работают они следующим образом. Выходной ключ DA1, выв.1, открываясь, замыкает дроссель L1 на "массу", что начинает накопление энергии в последнем. При размыкании ключа (высокий уровень на выв. 1 DA1) происходит высвобождение тока, накопленного дросселем L1 через диод VD3 на конденсаторы C6, C7, что ведёт к повышению напряжения на последних, а также к заряду конденсатора C4 через диод VD1. Следующий шаг - снова замыкание ключа DA1 на "массу" - дроссель L1 вновь начинает накапливать энергию, а заряд на конденсаторе C4 передаётся через диод VD2 на накопительную ёмкость C5, и далее - на стабилизатор DA2. И так цикл за циклом. Таким образом, положительное напряжение питания DA4 стабилизируется самим преобразователем DA1, а отрицательное - линейным стабилизатором DA2. Это позволяет полностью избавиться от влияния питающего напряжения устройства на результаты измерения ОУ DA4. Стабилизатор DA3 представляет собой источник стабильного тока. Величина тока в нагрузке определяется по формуле Iвых(А)= 1,25/(R5+R6). Стабильный ток, протекающий через измеряемое сопротивление, вызывает на нём падение напряжения, которое посредством ОУ DA4 усиливается в 100 раз, и оно равняется Uвых(В) = (Rx*0,01)*100. Коэффициент усиления по напряжению постоянного тока для ОУ DA4 равно R10/((R8+R9)+1), так что на выходе устройства получаем Uвых(В) = (Rx*0,01)*(R10/(R8+R9)+1)). Иными словами, один милливольт на выходе устройства соответствует одному миллиому измеряемого сопротивления.

Элементы R7, VD4, VD5 защищают вход DA4 от перегрузки по входному напряжению. Конденсатор С10 ограничивает усиление ОУ по переменному току, устраняя влияние внешних помех на результат измерения. В случае короткого замыкания на выходе устройства резистор R11 ограничивает максимальный выходной ток DA4 на уровне не более 15 мА. Поскольку резистор R11 включен в цепь ООС DA4, влияния на измерения он не оказывает. Резисторы R12, R13 необходимы для установки нулевого выходного напряжения ОУ DA4 при закороченных измерительных щупах. Добавление резистора R13 делает настройку нуля более плавной. Для увеличения точности измерения сопротивления применена четырёхпроводная схема включения. Измерительный ток протекает по проводам разъёмов XS3.2 и XS2.2. Падение напряжения на этих проводах, хоть и не велико, но всё же вызывает погрешность при измерении. Для её компенсации непосредственное измерение производится через провода XS3.1 и XS2.1, которые также подключены к точкам измерения сопротивления. Токи, протекающие через измерительные провода исчезающе малы, в отличие от измерительных, и это позволяет компенсировать падение напряжения на последних. Фото собранного устройства представлено ниже.

Потребляемый миллиомметром ток при разомкнутых измерительных зажимах в диапазоне питающего напряжения от 3В до 6,2В составляет 62...30 мА, при закороченных зажимах 115...58 мА соответственно. Питающее напряжение обеспечивает гарантированную работу устройства в диапазоне от 3В до 9В. На самом деле, в зависимости от производителя DA1, минимальное напряжение, при котором миллиомметр сохраняет точность и работоспособность может равняться 2,6В. Эта величина менее 3В, заявленных в даташите, поэтому результаты работы устройства необходимо проверять на практике, если в этом есть необходимость. Максимальное выходное напряжение (худшее значение) для ОУ AD711JN составляет +Uпит - 2В, таким образом, при питании миллиомметра +16,5...-12В максимальное измеряемое сопротивление составит 14,5 Ом - на выходе устройства будет 14,5В. Это и ограничивает максимальное измеряемое сопротивление. Разрешающая способность миллиомметра - 1 мОм. В зависимости от используемого мультиметра минимальное измеренное значение сопротивления может составлять 0,1 мОм и даже меньше, но значащее значения - один милливольт.

Настройка устройства начинается с проверки работы преобразователя на DA1. При подаче питания на устройство, собранного без ошибок и с исправными компонентами, на выводах 4 и 7 ОУ DA4 должно быть напряжение, равное -12В и +16,5В соответственно. Измеренные значения могут отличаться в зависимости от разброса номиналов сопротивления R3, R4, а также от реального выходного напряжения стабилизатора DA2. Далее, подключив измерительные зажимы от XS2, XS3 к миллиамметру постоянного тока (мультиметру) посредством подстроечного резистора R6 устанавливаем величину стабильного тока равного 10,00 мА. Затем закорачиваем измерительные зажимы. Контролируя выходное напряжение на XS4 и подстраивая сопротивление резистора R12, добиваемся значения, близкого к нулевому.

Не стоит забывать, что установленное значение нулевого напряжения на выходе зависит от температуры окружающей среды. Входное напряжение смещения для AD711 равно 0,3 мВ. При коэффициенте усиления равным 100 получаем на выходе миллиомметра напряжение до +-30 мВ при закороченных измерительных щупах. Оно устанавливается практически до нуля при помощи подстроечного резистора R12. А вот с температурным дрейфом входного напряжения смещения в данном случае ничего поделать нельзя. У ОУ AD711 оно составляет 0,007 мВ на градус. Умножив этот параметр на 100, получаем уже 0,7 мВ на изменение температуры всего на 1 градус Цельсия. При изменении температуры на 3 градуса получаем смещение уже 2,1 мВ, а это уже многовато для низкоомных шунтов, например, сопротивлением 0,0025 Ом.

Выходом из этой ситуации является настройка нуля для текущей температуры окружающей среды перед проведением измерения, то есть проверка и дополнительная подстройка, при необходимости, нулевого выходного напряжения при закороченных измерительных зажимах. Очень важно подобрать номиналы резисторов R8...R10 как можно ближе к указанным в схеме номиналам. Они должны быть обязательно металлоплёночными. Идеальный вариант - С2-29, С2-10, можно использовать С2-33, МЛТ, MFR, но с проверкой и подбором сопротивления последних. Самый главный компонент устройства - измерительные зажимы. Именно от них в большей степени зависит точность измерения.

Они изготовлены из обычных зажимов "крокодил". Напильником стачиваются зубья у губок, к ним по размеру припаивается медная площадка, облуживается. Измерительные провода также припаиваются к ней с внутренней стороны, это способствует минимальному сопротивлению контакта с выводами измеряемых компонентов.

А теперь главное - проверка работоспособности и точности измерения устройства. Для этого набирается несколько резисторов с известным сопротивлением и допуском. Измеряем их сопротивление:

Сводная таблица результатов измерения (на фото только часть измеряемых резисторов):

По результатам измерений видно, что относительная погрешность всех измеренных значений меньше, чем заводской допуск резисторов. Можно считать, что настройка устройства на этом завершена. Если принять, что заводское сопротивление соответствует на 100% указанному номиналу, то суммарная погрешность измерения будет равна сумме относительной погрешности мультиметра и относительной погрешности между заводским номиналом резистора и измеренным значениям миллиомметра. В зависимости от применяемого мультиметра эта погрешность может составлять 1% и менее. В том случае, если номиналы резисторов R8...R10 не удалось подобрать с необходимой точностью, измеренное значение сопротивления можно корректировать с помощью подстройки значения стабильного тока посредством резистора R6.

Плата миллиомметра при помощи латунных стоек крепится к батарейному отсеку со встроенным выключателем:

Собранное устройство:

ОУ DA4 AD711JN без изменения разводки печатной платы можно заменить на LF411. Однако, напряжение смещения у этого ОУ больше - до 2 мВ, а температурный дрейф достигает 0,02 мВ на градус, что приведёт к большей нестабильности измеряемого сопротивления. Возможно применение ОУ общего назначения TL071, TL081. Однако их характеристики не позволяют проводить достоверные измерения от 0,001 Ом, в этом случае придётся ограничиваться разрешающей способностью в 0,01 Ом. Вместо DA4 также подойдут другие инструментальные ОУ, такие как AD744, OP27 и прочие, однако в этом случае придётся вносить изменения в конструкцию печатной платы, поскольку схемы коррекции нуля на выходе у них отличаются от AD711 и его подобным ОУ.

И напоследок - устройство будет полезно не только при измерении сопротивления резисторов, но и переходного сопротивления контактов переключателей, реле, держателей предохранителей, а также сопротивления обмоток трансформаторов и прочих устройств.

Сопротивление контактов держателя для предохранителя: