论坛今年复开,正好有些心得分享。分析和计算不对的地方,敬请指正。
一、3串3并的计算
事情的起因还是那台FLUKE 5440A出故障了,没出故障前能用的情况下,不会拆机器去研究。故障是,红灯亮起来,屏幕开机的时候闪一下,就没显示了。只能拆进去,对着服务手册一步一步排查,最终是故障很简单,显示板上面一颗用于保护的6V稳压管击穿了,拆掉就能用,后来买同型号的焊上就修好了。
既然翻了服务手册,拆进去一片一片板检查,还学习了5440校准器的升压原理,主要就是哈蒙的串并,1000V档的是 10个串联的200K电阻全部并联后和固定分压电阻20K比值,250V档则是10个串联的200K电阻5串2并和固定分压电阻20K比值。由于使用继电器连接进行并联,自然继电器的接触电阻就会影响校准的精度。虽然还没测试那些继电器的电阻,理论计算得先上。
于是开始计算简单的3并的情况,类似752A的10:1,10个40K电阻串联,然后3串3并,和另一个固定电阻40K的比值。
图1
如图1,实际上主电阻应该是30K,但一开始标电阻值的时候就标成10K了,于是就按10K去计算,相当于阻值是3.3333333K步进。这个形状就是电桥的形状,左右两臂分压,中间是检流计。先是用IPAD的笔记,纯手工算的,并联后的值/忽略接触电阻的并联值 =1.00002666657即+26.66657ppm。再用公式计算一致(图2),接着用EXCEL列表计算(图3),最后一个是图1的。总体的偏差为:两个接触电阻之和/并联后的值*0.444444。如10K步进的接触电阻都为10mΩ,10:1串并比偏差为0.88888ppm。
二、SR1010的计算(短路器SB103)
其中谈到“SR1010提供了一个很简单的一对短路器SB103,这两个断路器提供了4个接点,可以进行4线测试,等效为并联。但这种接法并非正规,是简易并联,效果不好。”为计算该形式的哈蒙,画出示意图,如图5,正好网友有这个形式的哈蒙100Ω步进,测得单片短路器两端电阻约为35uΩ,则两接线柱间电阻约为7uΩ,假设接触电阻为15uΩ,计算各只电阻变化时串并比偏差的情况,如图6,分析得接触电阻的变化对串并比的影响为:变化+10uΩ则并联值+0.38ppm,串并比变化-0.38ppm(串/并,并联值大了,比值则变小)。计算各电阻的变化对串并比的影响,如图7。可以看出图6是11个接触电阻同步变化,而图7是单个电阻的变化。11个电阻的总变化=各个电阻的变化之积(和)。按上表的变化值同步变化主电阻、接触电阻、短接板电阻,则总的变化率为0.08ppm,即三项变化率之积(和)0.99999999*1.00000009*1.000000000007335-1或(-0.01ppm+0.09ppm+0.000007335ppm)。以上计算印证了“并联误差=不对称性×电压端补偿不理想性×电流端补偿不理想性”。
可以看出,简易并联,确实效果不好,因为接触电阻虽然影响量较小,但是不好把控,短接板的电阻虽然相对固定,但影响量较大。而且接触电阻和短接板对总体的影响正好方向相反,接触电阻相当于主电阻变大了,而且弱化了10倍;短接板电阻相当于在回路中串上一个电阻,使输出电压降低了。所以就有图6的不同的接触电阻对总体的影响从正到负。
总体的变化影响量为两边的主电阻、接触电阻、短接板电阻影响最小,越中间的影响越大。
我的计算里面其实还有直接万用表接到R1两端也就是面板上的四个接线柱的中间的那两个,如图5左边的小引线的位置。因为网友说这样的接法会低5ppm左右,所以我计算的值有一个0.000166,但这个接法的结果确实没必要列出来,会看得眼花缭乱的。它的变化值就是扣掉各接触电阻和电流的乘积之和。
经计算,短接器的接线柱接电流端电压端的方式为左右侧或对角线,对整体的影响都非常小,可以忽略。电压表的内阻对整个测量的影响为:并联值/电压表内阻。
三、SR1010的计算(短路器SB103+补偿器PC101)
没有见过补偿器PC101实物和介绍,不知道内部结构和补偿电阻大小,暂不计算。谁有补偿器PC101的话,图片和数据可以发来研究一下。
[2024-3-28更新]虽然没见过补偿器,趁着热度还在,赶着计算,按标准哈蒙的接线推测在短路器的基础上,应该在各节点上接出电压补偿电阻,于是画出图8。参考高联9350的电压补偿电阻值为10欧进行计算。
果然整体偏差在1.4E-12ppm,比只有短路器而无补偿器的强太多了。1E-12ppm是万用表内阻造成的10/1E19=1E-18即1E-12ppm。0.4E-12ppm是完全等值的主电阻、短路器电阻、接触电阻、电压补偿电阻。
短路器SB103+补偿器PC101的形式和标准接法的哈蒙图4比起来,多了短路器的电阻级联。主电阻R1和电压补偿电阻c1都加上0.001Ω,计算出整体偏差0.00000766ppm。这样看来的话高精度的比值在主电阻稳定性高,足以在串联与并联相互转换完成的时间内保持一定的指标,有电压补偿电阻的情况下,可以取得足以忽略的高精度。
使用随机数作为调整值,附加在各电阻上,主电阻+-10ppm,接触电阻+-25uΩ,短路器电阻+-1uΩ,电压补偿电阻+-0.01%,计算出来11次的整体偏差值分别为2.489E-05ppm、7.612E-05ppm、5.320E-05ppm、8.960E-05ppm、4.396E-05ppm、3.269E-05ppm、1.325E-05ppm、5.099E-06ppm、1.319E-05ppm、1.640E-06ppm、4.724E-05ppm,平均偏差3.6444E-5ppm。虽然样本不够多,但基本能看出来大概率在0.0001ppm以下。除非和量子电阻基准对比,否则完全可以忽略。
四、带电压补偿和电流补偿哈蒙的计算
图9是老大在“哈蒙(Hamon)电阻传递标准”文章中的哈蒙仿真图。
经过计算,结果如下(R44是老大仿真图的电阻编号,后面的括号内是图4哈蒙示意图的电阻编号,两图互为上下对称。电阻的单位为mΩ):