Históricamente, se han utilizado medidores de nulos analógicos para determinar las condiciones de la tensión cero en aplicaciones metrológicas. Cuando los multímetros digitales (DMM) estuvieron disponibles con una sensibilidad comparable a los medidores de nulo, se adoptaron rápidamente, y se reemplazaron por los medidores de nulo analógicos. Sin embargo, dependiendo del circuito y del DMM, se pueden introducir errores significativos de medida. Este trabajo discute en detalle un modelo particular de DMM de precisión, cuando se utiliza como medidor de nulo, y proporciona detalles de configuración de medida para minimizar errores de modo que el DMM pueda superar en prestaciones a los los medidores de nulo analógicos.
Desde los años 60, los calibradores comerciales de de tensión y para medidas de relación han estado disponibles para calibrar tensión dc, desde niveles muy bajos del orden de los milivolts, a valores relativamente altos de hasta 1 kilovoltio. Un componente crítico de estos sistemas fue el voltímetro de alta impedancia analógica/medidor de nulo. Estos instrumentos fueron diseñados generalmente para una impedancia de entrada extremadamente alta (10 a 100 M), excelente sensibilidad (0,1 V por división) y alto aislamiento (en el orden de 10 12 Ohm).
Para realizar medidas de tensión DC de precisión, se utilizaron medidores de nulo analógicos como el Fluke 845AB con divisores de tensión de precisión como el Fluke 720A Kelvin Varley Divider, o más recientemente el Divisor de Referencia de Fluke Calibration 752A y un patrón de referencia zener. Al realizar medidas de tensión de precisión con un 752A, también se requiere un medidor nulo para alinear (también conocido como auto-calibrar) la relación divisoria de 10:1 a 0,2 x 10 6 y la relación divisoria 100:1 a 0,5 x 10 6.
Para obtener resultados válidos, se deben tener en cuenta varias cuestiones en la configuración y alineación del 752A. Por ejemplo, durante la alineación, la tensión medida por el medidor nulo se obtiene a través de una resistencia equivalente de tan alto valor como varios cientos de Kohms. Cualquier ruido de origen o corriente que emana del medidor nulo puede introducir una tensión adicional en el circuito de divisor, causando errores en la alineación del ratio. Una vez alineado el 752A, se utiliza con un patrón de referencia zener como el Fluke 732C. Juntos, el 732C, 752A y el medidor nulo se utilizan para calibrar cantidades de tensión de salida, como las de un calibrador de tensión, o para realizar una caracterización a corto plazo de una fuente de tensión para las calibraciones posteriores de los dispositivos de medida de tensión.
En la década de 1970, Fluke y otros fabricantes comenzaron a producir multimetros digitales de precisión, y para la década de 1990 había varios modelos disponibles con resoluciones/sensibilidades comparables a las del 845AB; de hecho, Fluke ya no fabrica la serie 845 debido a la falta de componentes y ventajas de utilizar DMM, como el control automatizado y la captura de datos. Sin embargo, no todos los DMM pueden ser utilizados como sustituto directo del medidor nulo de la serie de 845. El DMM puede introducir errores en el proceso de alineación del divisor, y su uso se asocia con errores debidos a la impedancia de entrada, aislamiento, ruido y corrientes de fuga. Incluso en tales casos, un DMM se puede utilizar para obtener buenos resultados, con una configuración y procedimientos adecuados que reducen en gran medida estos errores.
Fluke ha desarrollado un protocolo recomendado para la configuración del 8588A y DMM similar para su uso en la alineación del 752A, y para usarlo como medidor de nulo en conjunción con el 752A. El no utilizar este protocolo puede resultar en medidas incorrectas.
El 752A es un divisor de tensión DC de precisión con las relaciones 10:1 y 100:1. Está diseñado para ser alineado con una fuente de bajo ruido estable de 20 voltios (generalmente un calibrador como un calibrador de Fluke 5730A Multifunction) y un medidor de nulo. Para alinear el 752A, se establece en el modo de calibración, que configura las resistencias del divisor en una configuración de puente de Wheatstone (ver Figura 2). La corriente que emana del 8588A a través de las resistencias en el puente puede causar un error significativo en la alineación del divisor de tensión. Hay dos fuentes de esta corriente. Un diagrama simplificado del puente, con el propósito de mostrar el camino y el efecto de estas corrientes, se muestra en la Figura 1.
Figura 1. Fluke Calibración 8588A con circuito de resistencia equivalente del divisor de referencia 752A en el modo calibración
La primera fuente de corriente del 8588A es una corriente DC que fluye entre los terminales de entrada HI y LO, debido a la corriente de bías de los amplificadores operacionales de entrada. La especificación para esta corriente es de 20 pA, pero casi siempre es inferior a 5 pA. Esta corriente que pasa a través de la resistencia del puente causa un error de 0,4 uV, que equivale aproximadamente 0,1 x 10 6 para la relación 10:1 y 1,3 uV para la relación 100:1, que entonces equivale aproximadamente 0,25 x 10 6. Se trata de una error significativo que debe tenerse en cuenta. La segunda fuente de corriente se conoce generalmente como corriente de bombeo, que aparece en forma de picos de corriente. En el caso del 8588A, los picos están en sincronía con la frecuencia de línea AC. Esta corriente busca un camino al tierra y puede causar un offset en la lectura del medidor debido a que sigue a través de la resistencia equivalente de 60 kOhms a tierra, como se muestra en la Figura 1.
Las pruebas realizadas en varios multímetros mostraron que este offset era generalmente insignificante, pero aún así debe ser considerado. Los offsets también pueden ocurrir desde la el ajuste de cero del medidor y como resultado de su conexión con el 752A. La cuantificación de estos offset pueden lograrse de la siguiente manera. Conecte el medidor HI y LO a las terminales detectores 752A. Esto debe lograrse con bajas corrientes térmicas. Establezca el medidor en el rango de 100 mV y resolución de 7 dígitos. Conecta el 5730A HI y LO al 752A INPUT y tiene el 5730A fijado a Guarda Interna. Conecta la Guarda y Tierra 5730A juntos y con la Guarda y la Tierra del 752A. Establezca el 752A en el modo CALIBRATE 10:1 y el 5730A a 0 Voltios y OPERATE. Es muy importante que el 5730A esté en la OPERATE para proporcionar un camino para la corriente de bombeo a Tierra. Después de que la lectura en el medidor se estabilice, utilice la secuencia de botones de "ZERO", "F1 y Zero Range" para hacer el cero al medidor. Hacer el cero al medidor explica las compensaciones creadas por corrientes de bías del 8588A para la calibración 10:1, y debe repetirse para la calibración de 100:1 ya que el offset será diferente. De los autores de su trabajo se puede obtener una descripción detallada de todo el procedimiento de autocalibración con esquemas.
Gráfico 2. Esquema del circuito de divisor 10:1 de la Calibración de Fluke 752A Divider en el modo de calibración
El 752A fue diseñado para acomodar el uso de un patrón de referencia de 10 V zener y un medidor de nulo para calibrar fuentes de tensión de 100 mV a 1000 V. Aquí de nuevo el Fluke 8588A se puede utilizar como medidor de nulo. La resistencia de salida del divisor es de 36 k Ohms para la relación 10:1 y 40 k Ohms para la relación 100:1. La corriente de bías del 8588A puede generar un offset que es significativo para una calibración de 100 mV. El error debido a la corriente de bombeo es insignificante si la resistencia de salida de la fuente sometida a prueba es baja, como suele ocurrir. También hay que tener en cuenta la compensación del medidor y la deriva cero. Para corregir estos offsets, conecte el medidor como se ha descrito anteriormente. Conecte un corto de baja EMF a los terminales 752A INPUT y REFERENCIA STANDARD. Establezca el interruptor 752A CALIBRATE a OPERATE y el interruptor MODE a 0.1 V. Esto establece el 752A a la relación 100:1. Cuando la lectura se estabilice, realice la medida de cero según las instrucciones de operación. Esto corrige offsetspara relaciónes 100:1. Cuando el 752A está en la relación 10:1, no es necesario hacer el cero al medidor de nuevo, ya que el offset sin corregir será insignificante a 1 V y por encima.
Las pantallas digitales multimetro son más difíciles de usar que las de los medidores de nulo analógicos convencionales en operaciones como la alineación del Divisor de Referencia 752A, los multímetros también tardan más en estabilizar la medida debido a su capacitancia al tierra que debe cargarse a través de la resistencia relativamente alta del divisor.
La alineación del divisor 752A, 100:1 es probablemente la tarea más difícil para un DMM, esto se debe a que el ajuste del divisor debe hacerse manualmente basado en desviaciones observadas en presencia de una constante de tiempo relativamente larga que se debe a la mayor impedancia del divisor.
Aquí es donde el 8588A/NULL METER entra en juego, tiene un transformador de red de alto aislamientoque logra una lectura totalmente estable en un par de minutos incluso cuando se alinea la relación 100:1 del divisor 752A, y una pantalla de estilo de medidor analógico fácil de usar cuya respuesta se puede seguir mediante la selección apropiada de apertura y el promedio de la medida, un punto de partida sugerido sería utilizar 0.5 s tiempo de integración junto con un rolling average de 4.
Otro beneficio es que un filtro interno de 5 Hz LP está habilitado al utilizar esta opción, reduciendo significativamente el ruido de medida a niveles comparables o mejor que los detectores de nulo analógicos tradicionales. Con la opción instalada, el filtro LF también se puede seleccionar en la función DCV normal.
El 8588A Reference Multimeter puede ser un reemplazo adecuado para los medidores analógicos, si se hacen las correcciones adecuadas para la corriente que emana de los terminales de entrada del medidor. Antes de que cualquier otro motometro digital se utilice como medidor nulo, se debe considerar la corriente de bías de entrada y otras fuentes actuales para determinar la importancia de la generación de errores al circuito.
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