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Replacing analog null detectors with precision multimeters
Fluke 8588A 레퍼런스 멀티 미터, 5522A 멀티제품 교정기 및 752A 기준 분배기
개요
역사적으로 아날로그 계측기 또는 널 (null) 미터는 전기 계측에서 두 지점 간의 작은 전압 차이를 측정하거나, 두 지점의 전압이 동일한 제로 전류 조건을 감지하는데 사용되었습니다. 여기에는 두 가지 1차 레벨 표준 비교 또는 1차 표준과 2차 교정 표준 간 비교와 같이, 계측기와 직접 또는 전압 분배기의 도움으로 인터페이스 하여 표준과 테스트 대상 장치 간 전압 차이를 비교하고 측정하는 것이 포함됩니다. 널 (null) 검출기로 측정되는 전압의 작은 차이로 인해 표준에서 전압을 조정하여 두 지점 또는 두 계측기간에 전압 차이가 발생하지 않게 합니다. 전기 계측에는 제로 전압 또는 널 (null) 조건 기능이 필수적입니다.
널 (null) 검출기와 유사한 해상도와 감도를 가진 정밀 디지털 멀티 미터미터 (DMM)를 사용할 수 있게 되면서 신속하게 채택이 되어 널 (null) 검출기를 대체할수 있습니다. 그러나, 측정 회로 특성과 DMM의 고유한 특성에 따라 중요한 측정 오류가 발생할 수 있습니다. 이 애플리케이션 노트에서는 DMM을 널 (null) 검출기로 사용할 때 고려해야 할 사항에 대해 설명합니다. 새로운 DMM의 개선으로 인해 이러한 문제의 영향이 줄어들기 때문에 이는 특히 중요합니다. 그러나 모든 경우에 있어 이해하고 적절하게 고려해야 합니다.
1960 년대 이래 상용 전압 및 비율 교정 시스템을 사용하여 DC 전압을 밀리 볼트 수준인 매우 낮은 수준에서 최대 1 킬로 볼트까지 비교적 높은 값으로 교정할 수 있었습니다. 이 시스템의 중요한 구성 요소는 아날로그 고 임피던스 전압계/널 (null) 검출기였습니다. 이 계측기는 매우 높은 입력 임피던스 (10 ~ 100 MΩ), 탁월한 감도 (구간당 0.1 µv) 및 높은 절연성(1012 Ω 정도)으로 설계되었습니다.
정밀 디지털 멀티미터 소개
1970 년대 중반에서 후반에 고정밀 디지털 멀티 미터가 계측 용도로 등장하기 시작했습니다. 이 장비는 DC 및 저주파 AC 전기 계측을 위해 선호되는 측정 도구가 되었습니다. 게다가, 사용하기 쉽고 다기능이며 자동화하기 쉽습니다. 특정 응용 분야에서는 널 (null) 검출기를 쉽게 교체할 수 있지만, DC 입력 증폭기는 널 (null) 검출기 특성과 완전히 일치하는 데 필요한 고급 설계를 갖추고 있지 않습니다. 몇 가지 중요한 면에서 그들은 심각한 결점을 가지고 있었습니다. 하나의 핵심 영역은 멀티미터의 입력 바이어스 전류입니다.
바이어스 전류 관련 오류
DMM의 입력에 사용되는 것과 같은 연산 증폭기의 비 이상적인 측면 중 하나는 입력 바이어스 전류입니다. 이것은 증폭기에서 DMM의 입력 단자를 통해 전류가 흐르는 상태입니다. DMM은 이 효과를 최소화하는 CMOS 증폭기를 사용하지만 피코 암페어 정도의 전류가 여전히 존재합니다. 전압 소스가 측정되는 전압 측정에서 전압 소스와 직렬인 소스 임피던스가 있습니다. 작은 소스 임피던스를 통한 작은 바이어스 전류는 무시할 만한 오프셋 전압을 생성합니다. 이 오프셋은 측정되는 전압과 직렬로 이루어 지지만, 나노 볼트의 일부만 구성하기 때문에 사실상 영향을 미치지 않습니다.
그러나, 측정되는 전압 (수십 k 옴) 으로부터 상당한 소스 저항이 있는 특정 측정 구성에서, 바이어스 전류로 인한 이 오프셋 전압은 몇 마이크로 볼트의 오프셋 에러를 유발할 수 있습니다. 이 오프셋은 측정된 전압과 직접 직렬로 연결되며, 이러한 응용 분야에서 DMM을 중요한 측정에 사용해야 하는 경우에 반드시 다루어 져야 하는 심각한 오류입니다. 이러한 오류는 시도중인 전압 측정을 쉽게 초과할 수 있습니다.
그러나 이 바이어스 전류 특성은 널 (null) 검출기를 사용할 때 고려할 요소가 아니므로 다루어야 할 사항이 없음을 기억하십시오. 이러한 오류를 제거하려면 DMM을 사용할 때 이러한 바이어스 전류 오프셋을 보상하고 제거하기 위해 추가 측정 단계가 필요합니다.
전압 분배기 사용
전기 계측은 1차 레벨 전압 표준을 사용하여 추적성 및 작업 표준 전압 소스를 교정하기 위한 작업 레벨 전압 표준을 설정합니다. 오늘날의 전압 표준은 일반적으로 10볼트 수준이며, 작동 표준 전압 소스는 밀리 볼트 범위에서 킬로 볼트 범위까지 다양하므로 전압 분배기는 소스를 10 볼트 전압 표준과 비교하는 것을 단순화하는데 사용됩니다. 예를 들어, 100 볼트 소스를 10으로 나눠서 10 볼트 작동 표준과 비교하기 위한 10 볼트 레벨을 만듭니다. 다른 예는 1.9볼트와 같은 10의 배수가 아닌 전압에서 정밀 전압계를 교정하는 것입니다. 이러한 테스트에 정확한 전압을 생성하기 위해 10 볼트 전압 표준을 0.19 비율로 조정하여 미터 교정을 위한 1.9V 레벨을 만듭니다. 이 예에서 비율은 모두 10의 값이어야 합니다; 즉, 10의 배수 (1:10, 1 : 100, 10 : 1 및 100 : 1) 및 기타 가변 비율 (예 : .999999 ~ 0.000001). 일반적으로 사용되는 그러한 분배기가 많이 있습니다.
Fluke 752A 기준 분배기
Fluke 720A 켈빈-밸리 기준 분배기
Fluke 752A 기준 분배기와 같은 고정 비율 표준과 Fluke 720A 켈빈 밸리 기준 분배기와 같은 가변 비율 표준이 있습니다. 이들은 위에서 언급한 전압에서 캘리브레이션을 수행할 때 하나의 전압을 두 번째 전압 레벨과 일치시키기 위해 정기적으로 사용됩니다.
계량 학자는 분배기가 보정에 적합한 비율을 갖도록 분배기를 확인하거나 조정해야 합니다. 이 분배기는 사용 전에 균형을 유지해야 합니다. 이러한 밸런싱은 적절한 비율을 조정하고 확인하기 위하여 널 (null) 검출기 스타일의 측정이 필요합니다.
DMM 바이어스 전류로 인한 분배기 밸런싱 오류
가장 일반적으로 사용되는 고정 또는 가변 비율 표준은 저항 분배기입니다. 분배기가 균형을 잡을 때 항상 두 균형점 사이에 저항이 있습니다. 이 저항은 보통 25kOhms에서 40kOhms 정도입니다. 따라서 최대 바이어스 전류가 50pA 인 경우 분배기는 몇 마이크로 볼트의 원하지 않는 오프셋 전압을 생성할 수 있습니다. 이러한 분배기를 사용한 계측 측정은 종종 0 볼트에서 마이크로 볼트의 분수까지의 전압 레벨을 측정합니다. 그러므로, 이러한 바람직하지 않은 바이어스 전류 오프셋은 심각한 영향을 미칩니다.
다행히도 이러한 오류를 제거하는 기술이 개발되어 Fluke 계측 전문가가 백서로 제공합니다. 이 문서 중 하나의 업데이트 된 버전은 Fluke Calibration 웹 사이트에 포함되어 있으므로 널 (null) 검출기 대신 정밀 DMM 사용에 대한 자세한 내용을 참조할 수 있습니다.
바이어스 전류 오프셋 전압을 위한 권장 솔루션
이 바이어스 전류 문제를 해결하는 가장 좋은 방법은 밸런싱 및 널 (null) 검출기 측정에 사용되는 DMM을 올바르게 선택하는 것입니다. DMM마다 설계가 다르며 바이어스 전류 상황이 다릅니다.
- 새롭게 설계된 DMM 사용 : 1970 년대 이후 정밀 DMM 설계에는 최대 50pA의 바이어스 전류를 갖는 증폭기 회로가 있습니다. 최신 Fluke 교정 기준 멀티 미터 (8588A 및 8558A)는 최대 20pA로 바이어스 전류가 훨씬 적습니다. 이 바이어스 전류는 원래 테스트할 때 효과적으로 제로 pA가 되도록 조정됩니다. 이것은 바이어스 전류 오프셋 문제를 사실상 제거합니다. 또한, 바이어스 전류는 시간이 지남에 따라 거의 변하지 않기 때문에 앞으로도 이 수준에 가깝게 유지됩니다.
- 오프셋을 결정하고 정정하십시오. 초기 밸런싱 프로세스에서 DMM이 분배기에 연결되어 있고 테스트를 위해 구성된 시작점에서, 외부 전압 소스를 적용하기 전에 전압 입력 단자를 단락 시키고 (Fluke 752A를 사용하는 경우, 분할기의 레퍼런스 표준 단자) DMM의 오프셋을 관찰하십시오. 측정된 전압은 분배기의 소스 임피던스를 통한 바이어스 전류의 결과입니다. 오프셋이 표시되면 오프셋이 상대적으로 노이즈가 없고 시간이 지남에 따라 안정적인지 관찰하십시오. 그것이 안정적이고 지나치게 시끄럽지 않은 경우, 밸런싱 측정에서 수학적으로 제거될 수 있습니다. 관찰된 오프셋은 DMM에서 측정 오프셋 보정을 수행하여 수학적으로 제거될 수 있습니다.
- 불안정한 바이어스 전류 DMMS 거부 정밀 DMM은 일반 계측 측정에 매우 적합합니다. 그러나 이 계측기의 소수는 잡음이 심하거나 불안정한 바이어스 전류를 가지고 있습니다. 이것들은 분배기의 균형을 맞추기 위해 사용될 수 없습니다.
- 많은 Fluke Calibration DMM에 허용 가능한 바이어스 전류가 있을 것으로 예상대부분의 Fluke Calibration Reference DMM은 제조 시 최소 바이어스 전류에 맞게 조정됩니다. 결과적으로 최대 사양의 일부에서 바이어스 전류가 표시됩니다. 따라서 5pA 이하로 나타나는 바이어스 전류를 사용하면 위에서 언급한 오프셋 테스트에서 측정 가능한 오프셋이 나타나지 않습니다.
- 바이어스 전류 테스트 최고 정확도의 측정을 수행하는 경우, 멀티미터에 정상 제로 프로세스를 수행한 다음 전압 측정 모드에서 입력 단자에 높은 값의 저항을 연결하여 모든 DMM에 대해 바이어스 전류를 테스트 할 수 있습니다. 100MΩ 저항이면, 입력 바이어스 전류가 5pA 인 경우 DMM에서 500µV 판독 값이 발생합니다.
결론
Fluke Calibration 8588A 레퍼런스 멀티 미터 및 8558A 디지털 멀티 미터와 마찬가지로 아날로그 널 (null) 검출기에 적합한 대체품입니다. 미터 입력 단자에서 나오는 전류에 대해 적절한 수정이 이루어져야 합니다. 다른 디지털 멀티 미터를 널 (null) 검출기로 사용하기 전, 회로에 대한 오류 발생의 중요성을 결정하기 위해 입력 바이어스 전류 및 기타 전류 소스를 고려해야 합니다.
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