Test: Miernik UNI-T UT71c: mierzenie pojemności

Zapraszam do kolejnego tekstu na temat miernika UNI-T UTC-71c.Pełną listę wpisów o tym mierniku możecie zobaczyć klikając w ten link.

Jedną z testowanych przeze mnie funkcji miernika UT71c było mierzenie pojemności kondensatorów. Zgodnie z instrukcją, zakres pomiarowy zaczyna się od 0 aż do 40mF z dokładnością 1% do 5%.

IMG_0525Jak miernik spisuje się w tej roli?

Nie łatwiej odczytać?

Odczytanie nominalnej pojemności kondensatora zazwyczaj nie nastręcza większych problemów. Informacje takie są na nim nadrukowane (w takiej czy innej formie). Najłatwiej jest z kondensatorami elektrolitycznymi. Napisy informują nas wprost nie tylko o pojemności, ale i o maksymalnym napięciu oraz umiejscowieniu wyprowadzenia ujemnego.

Gorzej w przypadku małych kondensatorów ceramicznych. Zazwyczaj są to pomarańczowe „kółeczka” z pojedynczym numerkiem. O sposobie przetłumaczenia tego numerka na pojemność pisałem tutaj. W skrócie: pojemność zapisana jest w pF (oznaczenia 2-cyfrowe) lub w pF i mnożniku dziesiętnym (oznaczenia 3-cyfrowe, 3-cia cyfra to potęga, do jakiej trzeba podnieść 10). „104” to oznaczenie poularnego kondensatora 100nF, bo (1nF=1000pF):

10pF*10^4 = 10pF*10000 = 100000pF=100nF

Zdarza się jednak, że numerki nie są czytelne – zbyt małe lub rozmazane. W większości przypadków, podczas pracy, biorę wtedy kolejny kondensator taki, którego jestem pewien. Ponieważ jednak szkoda cokolwiek wyrzucać, po robocie można pobawić się miernikiem i wrzucić taki kondensator do odpowiednio oznaczonej foliówki.

O pojemności kondensatora…

Pomiary pojemności kondensatora opierają się na wzorze:

gdzie, C: pojemność, I: prąd, U: napięcie a dt – przyrost czasu. Stąd, kondensator o pojemności C osiągnie napięcie U ładowany prądem I po czasie t. Generujemy więc prąd o stałym natężeniu czekając, aż na końcówkach kondensatora pojawi się oczekiwane napięcie i mierzymy czas, po jakim się to stanie. Przy takim pomiarze, trzeba jednocześnie „karmić” kondensator prądem, mierzyć napięcie na jego końcówkach i czas, po jakim to napięcie zostało osiągnięte. Gdy np. ładujemy prądem 1A do napięcia 1V i zajmie nam to 1 sekundę – kondensator miałby pojemność 1 F (farada).

Widać stąd jak ważne jest rozładowanie kondensatora przed pomiarem: jeżeli będzie w nim jakiś ładunek, czas ładowania będzie odpowiedni krótszy a wynikowy pomiar – zafałszowany o (nieznaną) wartość początkową

Powyższy wzór możemy rozwinąć do postaci  stałej czasowej \tau:

Znając rezystancję R, mierzymy czas \tau, po jakim napięcie na nóżkach kondensatora osiągnie 2 \over 3 wartości napięcia zasilania. Pełne naładowanie kondensator osiągnie dopiero po 5 \tau ).

Przekształcając wzór:

…otrzymujemy, że wystarczy zmierzyć czas \tau i podzielić go przez znaną wartość rezystancji. Dla R = 1kΩ i kondensatora o pojemności 1F, \tau powinno wynosić:

Mierzymy – praktycznie

Od strony praktycznej:

  • Nie ma sensu mierzenie kondensatorów elektrolitycznych wybrzuszonych na denku, popękanych, z których coś wycieka – od razu się ich pozbądźcie (w bezpieczny dla środowiska sposób:)),
  • Pomiarów dokonujemy na elementach poza układem; nie mierzymy ich wlutowanych w układ (są na to sposoby, ale poza zasięgiem zastosowań hobbystycznych),
  • Kondensator to element gromadzący ładunek; do pomiarów musicie go rozładować. Przy małych pojemnościach wystarczy zewrzeć nóżki – ew. włączyć między nie jakiś rezystor; rozładowywanie dużych kondensatorów po prostu dłużej trwa.
  • Wybór zakresu: niektóre mierniki trzeba ręcznie ustawić na zakres pomiarowy. Zacznijcie od najwyższego dostępnego. Jeżeli miernik pokazuje zera – zmniejszajcie go aż uzyskacie jakąś wartość. Testowany przeze mnie UTC posiada funkcję automatycznego doboru zakresu – chociaż czasem trzeba mu pomóc i dobrać zakres manualnie (przycisk „RANGE”);
  • Kable sond do mierzenia pojemności powinny być jak najkrótsze – tak, aby ich wpływ na pomiar był jak najmniejszy;
  • Upewnijcie się, że wtykacie kable w odpowiednie gniazda – niektóre mierniki mają osobne gniazda do mierzenia pojemności. Dla UT71 są to te same gniazda co dla np. pomiaru napięcia;
  • Podczas pomiarów nie wolno dotykać palcami końcówek mierzonego elementu ani metalowych części sondy. Pamiętajcie – ciało ludzkie również jest pojemnością i może zafałszować wynik
  • Podczas pomiarów kondensatorów elektrolitycznych, upewnijcie się że przykładacie sondy do odpowiednich nóżek (najczęściej) czerwoną do „+” a czarną do „-„. Kondensatory ceramiczne nie są spolaryzowane – obojętnie jak przyłozycie do nich sondy

Pamiętajcie:
1nF (nanofarad) = 1 * 10^{-9} F = 0.000000001 F
1uF (mikrofarad) = 1 * 10^{-6} F = 0.000001 F
1mF (milifarad) = 1 * 10^{-3} F = 0.001 F

10 nF – poniżej i powyżej

Zgodnie z instrukcją miernika, do pomiarów kondensatorów o pojemności poniżej 10nF, należy dodatkowo skompensować wpływ sond pomiarowych. W tym celu, przed pomiarem, rozewrzyjcie je i wciśnijcie przycisk REL.

UT71c w trybie REL
UT71c w trybie REL

Po wciśnięciu REL, na ekranie pojawi się znak delty (trójkąt z lewej strony wyświetlacza. Miernik zapamięta wartość chwilową i wyświetli ją z prawej strony ekranu w górnej linijce. W tej samej linii, z lewej strony, będzie wyświetlał wartość właśnie zmierzoną. W głównej linijce pojawi się różnica między zapamiętaną wartością kalibracji a aktualnym pomiarem. W ten sposób skompensujecie pojemności sond i przewodów i nie będą one wpływać na pomiary.

Dokładność i błędy miernika

Zanim rzucimy się w wir pomiarów, należy dokładnie sprawdzić, co nasz miernik może zaoferować. Ogólne stwierdzenie, że mierzy pojemność w zakresie 0-40mF może być odrobinę mylące. Przywołam tutaj tabelkę z instrukcji:

unit_cap_measure_errors

Spójrzmy dokładniej: dla zakresu 40nF producent podaje:

  • Zakres (Range): 40nF, miernik mierzy w zakresie 0-40nF;
  • Rozdzielczość (Resolution): 0.001nF: miernik mierzy z rozdzielczością do 3 miejsc po przecinku;
  • Dokładność (Accuracy): +/- (1%+20)

Zatrzymajmy się na dokładności. Składa się ona z dwóch wartości:

  • Maksymalny błąd wartości wskazania, tu: 1%;
  • Błąd dopuszczalnej odchyłki, jako krotność rozdzielczości.

Wynika stąd, że np. uzyskując pomiar 1nF, może być on obarczony błędem:

  • 0.01nF (czyli 10pF), jako 1% z 1nF;
  • 20×0,001nF = 0,02nF = 20pF jako odchyłka;
  • Razem: pomiar może być obarczony błędem +/- 30pF.

Dla kondensatora 470pF:

  • 4.7pF jak 1% z odczytu;
  • 20pF z odchyłki,
  • Razem: błąd może wynosić 25pF, czyli rzeczywista pojemność może zawierać się w zakresie 445…495pF

Przy małych pojemnościach kluczowy jest wpływ stałej odchyłki

Jeżeli stała odchyłka ma wartość 20 pF, to mierzenie pojemności tego rzędu… nie ma sensu. Z prostej przyczyny: dla kondensatora 33pF błąd będzie wynosił 20.33 pF, więc wynik pomiaru może oscylować w granicach 10-50pF (czyli wskazanie 0.010 – 0.050). I nie jest to wada miernika: po prostu z taką dokładnością działa.

Dokładność wykonania kondensatorów

Powiedzmy sobie szczerze: kondensatory nie są mistrzami precyzji. Odchylenia wartości na poziomie 20% wcale nie są czymś nienormalnym – o ile oczywiście nie kupiliście elementów serio laboratoryjnych. Odchylenia są zazwyczaj większe w przypadku najmniejszych kondensatorów – tych pikofaradowych.

Pomiary

Do wyprowadzeń kondensatora przyczepiałem krokodylki, których wpływ kompensowałem REL. Generalnie używałem funkcji automatycznego doboru zakresu – w jednym przypadku przestawiłem zakresy ręcznie.

Wybrane wyniki obrazuje poniższa tabelka:

Kondensator (oznaczenie) Pojemność (Z oznaczeniA) Zmierzona pojemność Zakres
33 33pF odczyt zmienny:0.028 – 0.059 nF AUTO/nF
101 100pF 0.100-0.150 AUTO/nF
221 220pF 0.235-0.299 AUTO/nF
471 470 pF 0.418 – 0.600 AUTO/nF
102 1nF 2.101-2.6 AUTO/nF
102 (inna sztuka) 1nF 0.940-1.054 AUTO/nF
332 3.3nF 3.988-4.6 AUTO/nF
223 22nF 18.375-20.100 AUTO/nF
333 33nF 0L (problem ze zmianą zakresu) AUTO/nF
333 33nF 38.20 – 38.90 400.0/nF (ręczny)
104 100 nF 110.04 AUTO/nF
474 470 nF 0.4415 AUTO/uF
2uF (elektrolit) 2uF 2.2006 AUTO/uF
21uF (elektrolit) 21uF 21.219 AUTO/uF
47uF (elektrolit) 47uF 44.13 AUTO/uF
1000uF (elektrolit) 1000uF 0.9200 AUTO/mF

Podsumowanie

Moje doświadczenie przeprowadziłem w warunkach dalekich od laboratoryjnych (a właściwie bardzo chałupniczych) i ich wyniki mogą być obciążone błędami metody pomiarowej (jak np. brak jakiejkolwiek izolacji ESD, uziemienia stołu itp.).

W zakresie pomiaru pojemności, miernik UT71c… po prostu robi to, co obiecuje producent. Jego zachowanie odpowiadało specyfikacji.

Dla pojemności rządu pikofaradów – dziesiątek pF, wyniki wyświetlane przez urządzenie zmieniały się jak na karuzeli. Pomiary pojemności kondensatorów o wartości dziesiątek pikofaradów nie dawały jednoznacznych rezultatów: co jest jednak zgodne ze specyfikacją miernika. Wyniki pokazywane przez miernik zmieniały się między wartościami to rosnąc to malejąc (bez wyraźniej tendencji do oscylowania lub ustalania się wokół jakiejś wartości). Jednak zakres tych skoków mieścił się w granicach błędów miernika (conajmniej +/-20pF i 1% od wyświetlanej wartości dla zakresu 40nF).

Dopiero setki pikofaradów mierzone były stosunkowo jednoznacznie. Choć i tutaj miernik raczej nie wskazywał konkretnej wartości. Zakres zmian mieścił się jednak w określonych granicach  wyraźnie zbliżonych do pojemności wskazanej przez producenta kondensatorów.

Zakres oscylacji znacząco zmniejszał się w przypadku nanofaradów. Co ciekawe – w przypadku kondensatora ceramicznego 102 (czyli 10 * 10^{2} pF= 1000pF = 1nF), okazało się, jak duże mogą być różnice między poszczególnymi elementami z jednej dostawy. Jeden kondensator  miał bliżej 1nF a drugi z tego samego woreczka – raczej 2.1-2.6nF.

Co ciekawe, w przypadku pomiaru kondensatora 333, miernik pokazał wartość 0L. Kondensator był na granicy zakresów 40 i 400. 0L pokazał na zakresie 40 – i miernik nie chciał automatycznie przejść na 400. Po ręcznym ustawieniu na 400 pomiar był bezproblemowy.

Powyżej setek nanofaradów wskazania były stabilne, Nie było już żadnej oscylacji.

Kondensatory uF mierzyłem bez żadnych problemów.

Ostatecznie:

  • W ramach mojego doświadczenia (obciążony całym błędem moich pomiarów) miernik UT71c zachowywał się zgodnie ze swoją specyfikacją;
  • Miernik dobrze działa dla setek pikofaradów, a jeszcze lepiej dla nanofaradów; pomiary pojedynczych i dziesiątek pF obarczone są zbyt dużym błędem;
  • Pamiętacie jak na początku dyskutowałem, po co właściwie mierzyć pojemność? Cóż: dodatkowe wnioski płynące z tego doświadczenia są następujące:

    Nie do końca należy wierzyć opisom na kondensatorach – nawet, jeżeli są nowe i pochodzą z jednej paczki. Ich rzeczywista wartość pojemności może różnić się od opisanej nawet dwukrotnie. W niektórych zastosowaniach, użycie takiego elementu może zrujnować Wasz projekt.

Wnioski do wniosków

Przedstawione wyniki pomiarów są trochę… jednostronne. Nie miałem drugiego miernika do porównania, innej metody pomiarowej. Poza okrągłym stwierdzeniem, że miernik spełnia swoją funkcję zgodnie ze specyfikacją, nasuwa się pytanie: czy można inaczej, dokładniej, taniej?

Postanowiłem to sprawdzić w najbliższej przyszłości. Zachowam sobie woreczek z kondensatorami użytymi do doświadczeń i sróbuję je pomierzyć w inny sposób.

Źródła

Dodaj komentarz