Precíziós árammérő

 

Hosszú évek óta szerettem volna már egy precíz, nagy felbontású multimétert építeni magamnak. Aztán pár hónapja sikerült hozzájutnom egy ilyen gyári készülékhez, Advantest R6552 a típusa. Ez egy bő 5¾ digites kijelzésű, a lényegesebb méréshatárokban 0,01% pontosságú műszer egy marék funkcióval. Egy hátránya azonban ennek is van, mégpedig a nagyáramú mérés.

Ha megnézzük bármelyik kézi multimétert vagy az enyémhez hasonló profi asztali társaikat akkor azzal szembesülünk, hogy a többi méréshatárhoz képest a nagyobb áramú méréshatárokban (amperek) sokkal rosszabb a pontosságuk és csupán csak 10-20 másodpercre lehet velük mérni mert túlmelegszik a söntjük. Ha még alaposabban szemügyre vesszük akkor még egy hibát tapasztalhatunk, ez pedig a hatalmas hőmérséklet-függés. Aki nem hiszi az kössön sorba néhány kézi multimétert és folyassa át ugyan azt az áramot mindegyiken egyszerre. Azt fogja tapasztalni hogy már az áram rákapcsolásának pillanatában is egész más értéket mutatnak a műszerek, majd rögtön elkezdenek elmászni. Ráadásul más-más sebességgel és más-más irányba is! Aztán idővel lehet hogy beérik egymást majd tovább mászkálnak...

Nos, ezek miatt jutottam arra a következtetésre hogy amperokat mérni egyszerűen nem lehet. Pont. Aki a fentebb írt mérést elvégzi pár különböző multiméterrel az meg is bizonyosodhat erről ha nem hiszi. Ezek a multiméterek legfeljebb csak az áram körülbelüli nagyságának indikálására használhatóak úgy-ahogy, de tényleges mérésre semmiképp.

A régóta készülő SMPS Labortápegység III. áramköröm legutóbbi hibája a kijelzés és a kimenő áram elmászása volt. Illetve nem vagyok benne biztos hogy a labortáp panelmérője hibás-e vagy az eddig hitelesnek tekintett multiméter. Ezért a labbortáp befejezéséhez szükségem van egy valóban hiteles és pontos, precíz mérésre alkalmas árammérőre. Mivel feszültséget és áramot a szuperjó kis asztali multiméteremmel már tudok mérni, ezért már nem kell multimétert építenem, elég ha csak áramot mér.

El is kezdtem hát egy árammérőt tervezni ICL7135-el, automata méréshatár-váltással. Erről itt van egy videó:

Azonban ebben a kapcsolásban a méréshatár-váltást digitális IC-kkel; flip-flopokkal, tárolókkal, számlálókkal, dekóderekkel, kapukkal és egy marék diódás VAGY kapuval oldottam meg. Emiatt az áramkör borzasztóan bonyolult és rengeteg hibaforrást rejt.

Viszont egy ideje összebarátkoztam a PIC mikrovezérlőkkel és így már sokkal elegánsabb és könnyebb dolgom van.   :-)

Az áramkör hat méréshatárt fog tudni; 300uA, 3mA, 30mA, 300mA, 3A és 30A. Speciális söntök lesznek benne. A 30A-es méréshatárhoz egy 0,5%-os tűrésű 0,01?-os, 30ppm-es, Kelvin-kivezetéses ellenállás. A 2A-os méréshatás söntje 20db párhuzamosan kötött 0,1%-os, normál 0,6W-os tokozású, 10?-os ellenállás lesz. Mindkét sönt a műszerdoboz hátuljához lesz rögzítve és kapnak egy hatalmas hűtőbordát hogy a csekély hőfok-függésük se ronthassa el a mérés pontosságát. A többi kisebb méréshatárnál 0,01%-os tűrésű ellenállások lesznek! Illetve nagyon precíz, chopper-stabilizált offsetű műveleti erősítő fog az áramkörben dolgozni, melynek erősítését 0,01%-os tűrésű méregdrága (4000-6000Ft/db) ellenállások fogják biztosítani. Ehhez jön hozzá egy szintén pontos és nagyon alacsony hőfok-függésű referencia-forrás és egy 16 bites A/D átalakító. Ilyen precíz alkatrészekre azért van szükség, mert egyszerűen nincs olyan műszer amihez hitelesíteni lehetne ezt a műszert. Így viszont megvan az a nagy előnye ennek a készüléknek, hogy nem kell benne trimmereket tekergetni hanem csak összerakja az ember, bekapcsolja és garantált a pontossága.

Mivel mikrovezérlővel fog készülni az áramkör ezért a mért jel feldolgozása, mint például szorzása, gyökvonása stb... nem jelent különösebb gondot. Ezért a műszer valódi effektív értéket fog mérni. Akár olyan funkciók is megvalósíthatóak vele, mint maximum és minimum értékek tárolása, mintavételezési idő állítása stb. Sőt, 2x20 karakteres LCD modul lesz a kijelzője a műszernek és az alsó sorában analóg "bargraph" is megoldható.


2010. 09. 20.:

Kitaláltam egy, a PIC-es panelmérőimben alkalmazott átlagolási rutinhoz hasonló algoritmust, ami már váltakozófeszültség mérésére lett kitalálva. Ez az algoritmus már sokkal-sokkal jobb. Ehhez nem kell tábla sem a memóriában, és nem csak 64db 12 bites mintát átlagol hanem 8192db 16 biteset! Sőt, nem csak az egyszerű átlagot számolja ki a rutin, hanem a négyzetes középértéket is, azaz valódi effektív értéket mér ("true RMS")! Így már gyakorlatilag bármilyen jelalakot fog tudni mérni a műszer. Sőt, hab a tortán hogy a 8192db minta közül kikeresi a legnagyobbat és a legkisebbet (csúcsértékek). Ezeken felül noha ez a felhasználó szemszögéből úgy sem fog látszani, de a rutin sokkal egyszerűbb és átláthatóbb mint a panelmérőimben lévő elődje.

Ez a rutin lesz a precíziós árammérőm alapja. Most hogy ezzel megvagyok, nagyjából már csak a kezelőszervek és az LCD kijelző lekezelését kell leprogramoznom.