UNI-T UT-612 vs UT-71: pomiary pojemności (cz. 4)

Mierniki RLC potrafią mierzyć różne parametry elementów elektronicznych. Oprócz podstawowych wielkości jak rezystancja, pojemność czy indukcyjność – dostarczają informacji na temat zachowania tych elementów przy pobudzeniu prądem przemiennym.

ut_612_05Czy zastanawialiście się jednak, w jaki sposób wykonują  te pomiary? Czym różnią się mierniki RLC od zwykłych multimetrów? Czy mostki RLC są faktycznie na tyle dokładne, że warto zapłacić za nie dodatkowe pieniądze? Na przykładzie kondensatorów i mierzenia ich pojemności porównam możliwości UT612 z multimetrem tej samej firmy (i półki cenowej): UT71C.

Multimetry…

…mają wbudowane niewielkie źródło prądowe. Używają go np. do wymuszania przepływu prądu przez mierzony rezystor (zob. Czym mierzyć pojemność?). Multimetr, znając parametry źródła prądowego, mierzy spadek napięcia na takim rezystorze. Z prawa Ohma może wyliczyć jego rezystancję.

Multimetry wykorzystują to samo źródło prądowe do pomiarów pojemności kondensatorów. Używają go do ładowania mierzonego kondensatora. Później wiele zależy od samego modelu miernika. Takich informacji nie znalazłem w instrukcji, ale wydaje się, że UT71 mierzy zmiany napięcia na badanym kondensatorze w zakresie, kiedy jego charakterystyka jest jeszcze liniowa. Pojemność kondensatora może wtedy wyliczyć na podstawie zależności:
I = C \cdot {{\Delta V} \over {\Delta t}}

Więcej na temat ładowania kondensatorów możecie się dowiedzieć z: SUPERCAPS: ładowanie

Podłączając oscyloskop pod końcówki multimetru mierzącego pojemność kondensatora zobaczycie:

measure_00Widać tu jak multimetr ładuje i rozładowuje kondensator wykonując kolejne pomiary pojemności. Bezczynny multimetr wydaje się próbkować sondy co 1.5s:

measure_02

Mostki RLC…

…działają trochę inaczej. Pobudzają kondensator napięciem przemiennym. Dla UT612 możecie ustawić jego częstotliwość wybierając pomiędzy 100, 120 Hz oraz 1kHz, 10kHz i 100kHz.

Pobudzenie z UT612 - sygnał 120Hz
Pobudzenie z UT612 – sygnał 120Hz

Mostek podaje to przemienne napięcie na mierzony kondensator. Porównuje kształt sygnału wyjściowego z  oryginalnym pobudzeniem. W ten sposób może obliczyć nie tylko pojemność kondensatora, ale i np. przesunięcie fazy, dobroć czy współczynnik strat – zobaczcie tekst: UNI-T UT-612: impedancja.

Multimetry i mostki RLC (takie jak UT612) posługują się innymi metodami pomiarowymi – możecie się więc spodziewać, że będą podawały trochę inne wyniki.

O kalibracji…

Jedną z wad multimetru UT71 jest to, że nie ma wbudowanej procedury kalibracji. Kalibracja ma na celu ograniczenie (idealnie: całkowite) wpływu miernika, przewodów pomiarowych – wszystkiego, co nie pochodzi od mierzonego elementu. Procedura ta jest bardzo ważna zwłaszcza w przypadku mierzenia niewielkich kondensatorów, gdzie sama pojemność  przewodów pomiarowych może być większa od mierzonego elementu.

Sam producent multimetru w instrukcji zaznacza:

UT71: pomiar pojemności będzie obarczony pojemnością przewodów sond
UT71: pomiar pojemności będzie obarczony pojemnością przewodów sond

Zgodnie z tym, dla zakresu 40nF UT71 mierzy pojemność z dokładnością ±1% i 20 liczb (o tym poniżej) i pojemnością przewodów od sond.

Dla UT71, jedyną możliwością ograniczenia tego wpływu jest użycie klawisza „REL” .

Przycisk REL na UT71
Przycisk REL na UT71

Wtedy multimetr odejmuje od pomiaru pewną wartość początkową – tutaj odzwierciedlającą dodatkowe pojemności.

Z UT612 jest dużo łatwiej: posiada wbudowaną procedurę kalibracji. Opisałem ją dokładniej tutaj.

Co więcej – w komplecie z miernikiem znajdziecie też specjalne gniazdo pomiarowe:

ut_612_13Mierzony element wkłada się nóżkami do szczelin. W ich środku znajdują się sprężynujące listki, które ściskają nóżki elementu zapewniając maksymalne przewodzenie. Bez przewodów, bez pojemności – bez niedokładności.

Kolejną opcją mogłyby być tzw. przewody Kelvina (Kelvin clips). Do każdego krokodyla podłączone są 2 kable. Miernik sam kompensuje straty na przewodach pomiarowych. Niestety ut612 nie obsługuje tego typu pomiarów. Dwa środkowe terminale na mierniku to masy.

UT612 nie wspiera pomiarów 4-ro przewodowych za pomocą kabli Kelvina. Widziałem w Sieci sposoby na przerobienie płytki miernika – oczywiście wiąże się to z ryzykiem uszkodzenia go a już na pewno utratą gwarancji.

O dokładności…

W miernictwie rozróżnia się 2 pojęcia:

  • Dokładność: 'odległość' pomiaru od wartości rzeczywistej,
  • Precyzja: powtarzalność pomiaru na jednym elemencie

measure_03

Porównajmy teraz dokładność mierników UT71 i UT612. Przykładowo, dla bardzo małego kondensatora ceramicznego 5pF:

  • UT71: kondensator ten znajdzie się w zakresie 40nF o rozdzielczości 0.001nF; czyli miernik powinien mierzyć co 1pF; dokładność w tym zakresie to ±1% +20 najmniej znaczących liczb (+pojemność sond),
  • UT612: zakres 2000.0pF, rozdzielczość 0.1pF, dokładność 1% i 5 liczb – pojemności przewodów można skalibrować.
Miernik Zakres Ilość znaków Rozdzielczość Błąd Liczb
UT71C 40nF 40.000 1pF 1% 20
UT612@1kHz 2000pF (2nF) 2000.0 0.1pF 1% 5

Zakres pomiarowy UT612 jest zależny od wybranej częstotliwości. Dla 100kHz możecie mierzyć kondensatory o maksymalnej pojemności 200nF, dla 10kHz: 2uF, dla 1kHz:  2mF i dla 100/120 Hz: 20mF. Sprawdźcie instrukcję, żeby dowiedzieć się więcej o zakresach.

W przypadku pomiarów miernikami cyfrowym, błąd „±1%” odnosi się do zmierzonej wartości (w przypadku analogowych: liczy się dla zakresu). Jeżeli zmierzycie kondensator 1nF to przy 1% dokładności wartość rzeczywista  może wynosić od 0.990 – 1.010nF (1% z 1nF to 0.01nF, 10pF). Dla 5pF będzie to 4.95 – 5.05 (1% z 5pF to 0.05pF).

Oprócz dokładności procentowej, mierniki mogą też wprowadzać błąd na ostatnich liczbach pomiaru. UT71 na zakresie 40nF wyświetla wyniki maksymalnie „39.999”, tzn. z dokładnością do 1pF (0.001nF). Jeżeli jego dokładność to „20 liczb” – błąd może wynosić nawet 20pF.

Razem: każdy pomiar UT71 w zakresie do 40nF może być obarczony maksymalnym błędem rzędu ±1% wartości pomiaru+20pF+pojemność sond pomiarowych. Przykładowo: dla zmierzonych 1nF na zakresie 40nF, wartość rzeczywista kondensatora  może wahać się między 0.970 a 1.030nF (+pojemność przewodów). Dla 5pF: miernik może wyświetlić od 0 do 0.020 nF (5pF ±20.05pF – ale miernik nie wyświetli dziesiątych i setnych części pikofarada; + pojemność przewodów).

Najmniejszy zakres pomiarowy UT612 jest zależny od częstotliwości pobudzenia. Domyślnie miernik włącza się z ustawieniem 1kHz. Przy tej częstotliwości, najmniejszy zakres to 2000.0pF czyli 2nF. Błąd na tym zakresie wynosi 1% i 5 liczb. Ponieważ miernik pracuje tu z dokładnością 0.1pF, błąd na liczbach to 0.5pF

Miernik Wartość mierzona Maksymalne odchylenie
(nominalne)
UT71 1nF ±30 pF
UT612 1nF ±10.5 pF
UT71 5pF ±20.05 pF
UT612 5pF ±0.55 pF

Widać stąd, że na najmniejszym zakresie, UT612 może być nawet czterdzieści razy dokładniejszy niż UT71!

Sondy

Żeby dać UT71 i UT612 równe szanse, do pomiarów użyłem krótkich, 20 centymetrowych przewodów bananowych z nałożonymi krokodylkami:

capacitance_000Sondy od multimetru UT71 były znacznie dłuższe (ok. 80 cm). Dłuższe przewody – większe pojemności – a tego staramy się uniknąć. Gniazda pomiarowego z UT612 nie da się zamontować na terminale UT71.

Dodatkowo nie udało mi się skalibrować UT612 z sondami z UT71. W Sieci problem ten jest opisywany w kontekście kilku mierników. Jako powód podaje się brak ekranowania przewodów.

UT71 pokazał pojemność początkową na poziomie 0.003nF – czyli 3pF na zakresie 40nF (bez sond: 0.000). Wyzerowałem klawiszem REL.

UT612 pokazał pojemność sond 1.8pF (@1kHz).  Przeprowadziłem normalną kalibrację – zaleca się ją po każdym włączeniu.

Pierwszy pomiar: 5pF

Postanowiłem zmierzyć pojemność kondensatora opisanego jako 5pF.

capacitance_004W takiej konfiguracji, UT71c początkowo wskazał  pojemność  0.007 nF, która po chwili zaczęła rosnąć. Po jakiejś minucie oscylowała między 0.013 i 0.014 nF – czyli 13-14 pFUT612 po prostu podał wynik: 4.9 pF (przy 1kHz).

meas_20

Kolejne pomiary

Dla UT612 ustawionego na 100Hz (pomiar szeregowy) zmierzyłem wartości pojemności dla kilku kondensatorów, przetworzone wyniki poniżej:

Kondensator ut71 ut612
1pF 9 1
5pF 13 5
 10pF 20 11
 15pF 24 16
 33pF  45 36
 100pF 107 99
 220pF 219 209
 470pF  486 478
 1nF  1.047 1015
33nF 41.05 40.59
 100nF 116.64 113.73
470nF 472.6 476.8

UWAGA: przeliczyłem rzędy wskazane przez mierniki tak, żeby można było je łatwiej porównać. Dla 5pF UT71 pokazał „0.013nF” a UT612 „5pF” – co byłoby trudniejsze do porównania niż 13pF i 5pF.

Odchylenie wyników UT71 od UT612 pokazuje poniższy wykres:

chart_04

Jak widać największe odchylenie (>10%) ma miejsce przy pojemnościach poniżej 100pF. Powyżej 100pF różnice są mniejsze niż 2%.

W praktyce: ustalanie wyniku na UT71 trochę trwa, nawet do minuty. W przypadku niektórych kondensatorów – wynik nie ustala się w ogóle, oscyluje w pewnym przedziale wartości (przyjąłem wtedy maksymalną pokazywaną wartość). UT612 pokazuje pomiar po 1-2 sekundach. Pomiary wykazują dużą stabilność, czasami coś się zmienia na ostatnich cyfrach, ale nie „wędrują” po całym przedziale.

Porównałem jeszcze wyniki dla kilku większych kondensatorów foliowych (zobacz: Kondensatory referencyjne) – UT71 i UT612 do skalibrowanego Agilent’a u1733c:

ID ut71
[nF]
ut612
[nF]
Agilent U1733C
@100Hz [nF]
Błąd ut71 do
Agilent
Błąd ut612 do
Agilent
1 9.346 9.372 9.55 2.14% 1.86%
2 9.416 9.444 9.62 2.12% 1.83%
3 10.537 10.564 10.75 1.98% 1.73%
4 1.052 1.042 1.05 0.19% 0.76%
5 1.032 1.022 1.03 0.19% 0.78%
6 1.032 1.023 1.03 0.19% 0.68%
7 0.9983 0.9981 1 0.17% 0.19%
8 0.9881 0.988 1 1.19% 1.20%
9 9.606 9.632 9.63 0.25% 0.02%
10 9.918 9.937 9.94 0.22% 0.03%
11 9.941 9.968 9.97 0.29% 0.02%
12 480.4 480.6 480.6 0.04% 0.00%
13 473.3 473.7 473.6 0.06% 0.02%
14 9585 9582 9580 0.05% 0.02%
15 9771 9766 9760 0.11% 0.06%

Jak widać, w stosunku do miernika Agilent (skalibrowany, pomiary w warunkach laboratoryjnych, całkiem inna półka cenowa) – maksymalne odchylenie wyników było trochę powyżej 2% dla UT71; dla UT612 – trochę poniżej 2% (średnio 0.61%).

Podsumowanie

Przytoczone analizy pokazują zachowanie mostka RLC UT612 mierzącego pojemność kondensatorów. Zestawiłem je z wynikami pomiarów multimetru UT71.

Poniżej 100pF niedokładności UT71 są tak duże, wyniki pomiarów tak odbiegają od rzeczywistych wartości – że są praktycznie nieprzydatne (chociaż błędy mieszczą się w specyfikacji UT71). UT612 jest dużo dokładniejszy a podawane przez niego wyniki są  precyzyjne.  Nie oscylują między różnymi wartościami. Wynik podawany jest w ciągu sekundy-dwóch. W przypadku UT71 – początkowa wartość pomiaru może znacznie różnić się od tej wyświetlanej po minucie.

Dla kondensatorów o pojemnościach nanofaradowych różnice pomiarów między multimetrem a mostkiem RLC nie są tak duże. Dla zastosowań amatorskich wydają mi się wręcz pomijalne. Ba – wyniki podawane przez obydwa produkty UNI-T były całkiem zbliżone do bardziej renomowanego (i skalibrowanego) Agilent’a.

Oczywiście: multimetr UT71 mierzy wiele dodatkowych wielkości – jak prąd, napięcie, temperaturę. Mostek RLC UT612, zwłaszcza dla niewielkich wartości – jest wielokrotnie dokładniejszy a jego metoda pomiarowa daje precyzyjniejsze wyniki (+kalibracja!). Dodatkowo UT612 mierzy parametry reaktancyjne elementów, czego UT71 nie potrafi.

Czy opłaca się więc wydać dodatkowe 600PLN na UT612? Wszystko zależy od tego, jakie są Wasze potrzeby. W większości zastosowań dobry multimetr wystarczy. Jeżeli jednak potrzebujecie większej dokładności, mierzycie elementy o niewielkich pojemnościach i ważna jest dla Was ich charakterystyka względem częstotliwości –  dodatkowy miernik RLC może być nieodzowny. W tej dziedzinie UT612 wydaje się być bardzo poręcznym i stabilnym narzędziem.

Źródła

Czym mierzyć pojemność?

Dodaj komentarz