Das Prema 5017 ist
ein DMM mit einer maximalen Auflösung vom 7 1/2 Stellen. Es
ist die kleine Variante des 8017
und war mit einem Kaufpreis von rund 2000 DM recht
preisgünstig für so ein hochwertiges Gerät.
Es wurde von ca. 1995 bis 2000 von PREMA in Mainz entwickelt und
gebaut. Prema hat sich inzwischen vom Messgerätemarkt
zurückgezogen und ist mittlerweile ein reiner Chiphersteller. (Das 8017 und das 5017 sind bei den technischen Daten weitgehend identisch, daher übernehme ich am Anfang einige Textteile aus der 8017 Beschreibung.) Die Auflösung des 5017 beträgt im DC Spannungsbereich bis zu 10nV (!), Messzeiten gehen von 0.2 bis 100 Sekunden, der Anzeigeumfang beträgt maximal 30.100.000 Digits. Hier kommt man schon in physikalische Grenzbereiche, da Thermospannungen hier eine sehr große Rolle spielen, sie sind erheblich größer als die Auflösung des Gerätes. Zudem machen sich auch sporadische Störungen, den Halbleitern entstehen, bei solchen Auflösungen bemerkbar. Obwohl im Eingangsbereich der zu dieser Zeit wohl beste zerodrift-OpAmp eingesetzt wurde, kommt es bei so hohen Auflösungen zu Schwankungen des Offsets der letzten beiden Stellen. Solche Fehler lassen sich aber ausmitteln, dafür hat das Gerät in seinen höchsten Auflösungen Integrationszeiten bis zu 100 Sekunden. Für sehr genaue Messungen sind solche Zeiten durchaus notwendig. Thermospannungen kann man mit der Offsetkorrektur herausrechnen, bei so hohen Auflösungen sollte man den Offsetabgleich ständig beachten. Ein solches Gerät kann man nicht einfach benutzen wie ein 3 1/2 stelliges Einfachmultimeter. Für die allermeisten Anwendungen sind solch hohen Auflösung aber absolut sinnfrei, man benutzt dann die 6 1/2 oder 5 1/2 Stellen Auflösung, die sehr viel schneller arbeitet. Messen kann das Gerät DC, AC (echteffektiv), AC+DC, Widerstand, Strom, Frequenzen bis 1MHz und Temperaturen mit PT25, PT50, PT100 und PT1000 Sensoren, die im Menue auswählbar sind. 2 und 4 Draht Messungen sind möglich. Wer sich für die gesamten technischen Daten interessiert, sei auf diese uralte Website eines ehemaligen Prema Vertriebs verwiesen, die erstaunlicherweise derzeit (Mai 2010) noch aktiv ist.
http://ohh.de/5017.htm
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Das Gerät ist mit einem LCD Display ausgestattet, schwarz mit grün beleuchtetem Hintergrund. Hier eine Variante mit weiß/blauem Display. So gab es dieses Gerät nicht zu kaufen, wie es zu dieser Displayvariante kam, schildert der Reparaturbericht weiter unten. |
Das 5017 verfügt über eine GPIB und eine serielle Schnittstelle. Zu den Messfunktionen kommen noch zusätzliche Mathematikprogramme wie Abweichung in %, dB Umrechnung als dBm und mit frei definierbarer Referenz, Offsetunterdrückung (nicht zu verwechseln mit der Offsetkorrektur), Verhältnissrechnung, Umrechnung mit ax+b. |
Im Manual sind
seltsamerweise die wichtigen dB Programme nicht
erwähnt, die wurden anscheinend erst bei einer späteren
Softwarerevision
eingeführt. Zudem funktioniert hier, im Gegensatz zu meinem 8017,
mit der neueren Software der 5017 auch die Offsetkorrektur im AC
Bereich
vernünftig. Im Manual ist noch beschrieben, dass die AC
Offsetkorrektur im 30V DC
Bereich mit ausgeführt wird. So ist es auch bei meinem 8017. Das
funktioniert aber nicht wirklich gut. Das hat man wohl auch bei Prema
bemerkt und hat es
so korrigiert, dass die Korrektur im AC Bereich so funktioniert wie bei
DC auch. Jeder Messbereich und jede Zeitauflösung hat einen
individuellen Korrekturfaktor. Die Elektronik ist in einem massiven Alugehäuse untergebracht, welches sich sehr einfach öffnen lässt. Im oberen Teil befindet sich der Digitalteil, im unteren der Analogteil. |
Auf der Digitalplatine
kommen zwei Prozessoren zum Einsatz, einmal der Power-Controller und
der Hauptprozessor, ein Controller mit 68020 Core
von Motorola. Ein außergewöhnlich
leistungsfähiger Prozessor für ein Multimeter. Zudem ist hier
noch der Sekundärwandler für den
Digitalteil untergebracht (versteckt unter dem Netzfilter), RAM, ROM,
UART und IEEE488 Controller. Der Powercontroller ist zuständig für das Speichern von Daten, die er beim Runterfahren rechtzeitig in sein EEPROM rettet. Ebenfalls sind die wichtigen Kalibrierdaten dort abgespeichert. In einem externen EEPROM sind die Werkskalibrierdaten gespeichert, die man nach missglückter Kalibrierung wieder zurückholen kann. Das Gerät wird komplett per Software kaliebriert, es muss dazu nicht geöffnet werden. Weiter übernimmt dieser Controller die Tastaturabfrage und die Ansteuerung des Display. Der Datenaustausch mit dem Hauptprozessor findet über eine SPI Schnittstelle statt. Der Hauptprozessor koordiniert alle Abläufe, sorgt für die Kommunikation der Baugruppen untereinander und führt die Berechnungen der Mathematikprogramme aus. Zudem steuert er den Datenaustausch mit der seriellen und der IEEE488 Schnittstelle. |
Links in der Mitte das PREMA
ASIC und die periphären Chips,
die er noch benötigt. Haupsächlich Komparatoren,
Analogschalter
und eine PLL Schaltung, welche zur besseren Unterdrückung von
Netzstörungen
den Wandler mit der Netzfrequenz synchronisiert. Links oben die
Referenzspannungserzeugung, rechts der AC Teil. Rechts unten der
Analogprozessor. Dieser steuert den Ablauf des Wandlers und die Relais.
Zudem Berechnet er die
Offsetkorrekturen und die Kalibrierkorrekturen. Der Datenaustausch
findet über
Optokoppler mit dem Hauptprozessor statt. Und nun noch wie es zu dem blauen Display kam: Das erste meiner beiden 5017 wurde als technisch einwandfrei gekauft. Das war es auf den ersten Blick auch, allerdings war es innen verdreckt. Ich habe das Gerät zerlegt und gereinigt. Nach dem Zusammenbau und Einschalten war keine Anzeige mehr vorhanden. Auch mehrmaliges Überprüfen und Kontrollieren, ob alle Steckverbindungen richtig saßen brachte nichts, es funktionierte nicht mehr. Das Display zeigte nichts an, nur die Hintergrundbeleuchtung leuchtete nach Verbindung mit dem Stromnetz. Es lies sich nicht in Stand By schalten und reagierte auf keinen Tastendruck. Irgendwie habe ich es wohl kaputt gemacht beim Reinigen. Was nun? Eine fiese Möglichkeit wäre nun gewesen, das Gerät zurück zu schicken, der Verkäufer gewährte 4 Wochen Übernahmegarantie. "Ich habe niiix gemacht und plötzlich ging es nicht mehr...." So etwas mache ich natürlich nicht, wenn ich was kaputt gemacht habe stehe ich auch dazu. Die Frage ist: Was habe ich kaputt gemacht und wieso? Als ich das Gerät gereinigt habe, war gerade der endlose Winter 2009/2010 im Gange, die Luft war trocken und kalt. Trotz aller Sicherheitsmaßnahmen im heimischen Labor gute Vorraussetzungen für einen Schaden durch Elektrostatik. Anders konnte ich mir das zu der Zeit nicht erklären. Das Display zeigte nichts an, die Tastatur reagierte nicht. All diese Funktionen werden von dem Power-Controller auf dem Prozessorboard gesteuert. Beim Messen an der Verbindung zum Display zeigte sich, dass dort keine Daten anlagen. Taktfrequenz und Versorgung am Prozessor waren aber vorhanden. Der PWM Controller für den Displaykontrast, der in diesem Prozessor ebenfalls integriert ist, funktionierte. Ebenfalls der Watchdog, der die Oszillatorfrequenz überwacht. Berührte man einen Quarzanschluss mit einer Testspitze, wird das Oszillatorsignal gestört und der Watchdog löste einen Reset aus. Teile des Controllers funktionierten also noch. Das Display wurde auch initialisiert, das konnte man sehen. Nach dem Einschalten war kurz ein Zufallsmuster zu sehen, kurz darauf wurde der Displayhintergrund in einen definierten Zustand gebracht. Die Initialisierungsdaten konnte man auch messen, danach aber tat sich an dem Displayport nichts mehr. Ich habe mich nun an die Firma PREMA gewand, die eigentlich gar nichts mehr mit diesen Geräten zu tun hat. Freundlicherweise hat man mir dennoch einen Schaltplan überlassen und eine Adresse eines Mitarbeiters gegeben, falls ich weitere Fragen habe. Ein toller Service, den ich hier mal ganz explizied lobend erwähnen möchte! Ich vermutete einen Teildefekt des Powercontrollers durch eine elektrostatische Entladung. Der Powercontroller ist ein OTP Chip, der sich nur mit einem speziellen Programmer beschreiben lässt, zudem ist der Chip unprogrammiert kaum noch zu bekommen. Sucht man nach einem Programmer dieser Chipfamilie, dann findet man nur dubiose Angebote zur "Kilometerstandoptimierung" und dem Rücksetzen von Wegfahrsperren für Fahrzeuge eines französischen Herstellers. Anscheinend war dieser Controller im Automotive-Bereich verbreitet. Ich hatte vor nach einem Ersatzteil zu fragen und dieses von Prema zu kaufen, falls noch möglich. Allerdings kamen mir andere Dinge dazwischen und das Gerät lag deshalb erst mal eine Weile herum. Nach zwei Wochen begann ich nochmal systematisch und in Ruhe alles zu überprüfen. Ich kontrollierte nochmal alle Displaysignale bei abgezogenem Stecker zum Display, als plötzlich einige Relais klickten. Auch die Power LED ging plötzlich an. Hä, was geht denn jetzt hier ab? Das Gerät reagierte nun auch wieder auf Tastendrücke. Verwundert habe ich das Display wieder aufgesteckt. Das 5017 reagierte weiter ganz normal auf Tasteneingaben, aber das Display blieb tot. Diesmal ganz tot, es war auch keine Initialisierung mehr zu sehen. Es tat sich nun "displaymäßig" gar nichts mehr. Dafür waren jetzt aber sinnvolle Daten am Displayanschluss zu messen. Völlig irritiert habe ich nun einen Versuch mit einem anderen Display gemacht. Das war zwar das falsche, aber es hatte den selben Standard-Befehlssatz. Tatsächlich war darauf was zu sehen, das 5017 funktionierte damit einwandfrei. Hallo, was war das denn jetzt? Nun funktionierte der Prozessor wieder, als sei nichts gewesen, dafür war nun das Displaymodul defekt. Ok, ich habe das einfach mal kopfschüttelnd zur Kenntnis genommen und bei einem bekannten norddeutschen Versender ein passendes Display bestellt. Passend zumindest in der Größe und Organisation, allerdings gab es das nicht wie im original schwarz mit grünem Hintergrund, sondern in weiß mit blauem Hintergrund. Das Display wurde eingebaut und das 5017 funktionierte perfekt. Das neue Display ist um Klassen besser als das Original, kontraststärker, winkelunabhängig und immer unter allen Bedingungen hervorragend abzulesen. Bei dem Umbau muss man einen wichtigen Punkt beachten, es ist unbedingt notwendig den Vorwiderstand für die LED Hintergrundbeleuchtung anzupassen. Das Originaldisplay benötigte einen 9,1 Ohm Vorwiderstand an 5V, das neue Dispay 56 Ohm! Wer das nicht beachtet zerstört die Beleuchtungs-LEDs. So, nun funktionierte das 5017 wieder und sah auch noch besser aus als zuvor, aber das war nicht befriedigend. Ich habe zu der Zeit keine Ahnung gehabt was da passiert ist und warum das Gerät wieder funktionierte. Das Display habe ich vielleicht selbst beim Messen zerstört. Was aber den nicht funktionierenden Controller, der sich anscheinend selbst repariert hat, anbelangt, da konnte ich nur ratlos mit der Schulter zucken. Einige Monate später habe ich durch Zufall entdeckt, dass der selbe Verkäufer wieder ein 5017 anbot, diesmal aber defekt. Fehlerbeschreibung: keine Displayanzeige. Das wurde selbstverständlich gekauft zum Preis von 4 Displays. Damit kann man leben.. Gleich das erste Einschalten zeigte exakt den selben Fehler. Display wird initialisiert, sonst passiert nichts. Kein Relais zieht an, keine Reaktion auf Tastenbetätigung. Sehr schön, diesmal war ich besser vorbereitet. Die Verbindung zwischen dem Analogboard und dem Prozessorboard besteht aus nur einer Steckverbindung. Die Idee war nun, das Prozessorboard des defekten Gerätes mit dem Analogboard des funktionierenden zu verbinden. Das sollte problemlos gehen. Ich hatte nun erwartet, dass das nicht funktioniert, da der Fehler auf dem Prozessorboard liegt. Dem war aber nicht so, das "defekte" Prozessorboard funktionierte einwandfrei mit dem Analogboard des intakten Gerätes. Gegenprobe: Prozessorboard des funktionierenden Gerätes an das Analogboard des defekten. Das funktionierte NICHT! Der Fehler lag also auf dem Analogboard, ich war die ganze Zeit von einer falschen Vorraussetzung ausgegangen. Nach dem nächsten Versuch war einiges klarer. Ich habe die Verbindung zwischen den beiden Geräten wieder entfernt, beim funktionierenden Gerät aber das Kabel noch nicht aufgesteckt. Wieder das selbe Verhalten. Darauf hätte man auch früher kommen können: Der Analogprozessor lieferte anscheinend keine Daten, dadurch hängt das Programm des Powercontrollers nach der Initialisierung. Was soll er auch anzeigen, wenn keine Daten kommen. Ich habe an der falschen Stelle den Fehler gesucht. Jetzt also zum Analogprozessor. Takt war vorhanden, die Versorgung ebenfalls, allerdings zeigte das Billigmultimeter, das ich zum Messen benutzte, nur ca. 4,8 V. Entscheidend war aber, dass der Reseteingang auf Dauer-low fest hing. Somit konnte der Prozessor nicht funktionieren. Als ich gerade im Schaltplan nachschaute, wie der Reset erzeugt wird, klickte plötzlich ein Relais. Als ich zum Oszilloskop griff, um mir den Resetpegel anzuschauen fuhr das Gerät plötzlich hoch, die Anzeige erschien und es funktionierte. Wieder genau das selbe Phänomen wie zuvor beim ersten Gerät, eine Art Selbstheilung. Aber diesmal wusste ich mehr, das Rätsel löste sich nun sehr schnell. Der Digitalteil wird von einem low-drop Regler versorgt, Typ LM2925T von NatSemi. Dieser hat auch eine Restschaltung integriert. Sie spricht an beim power-on, aber auch bei Fehlerzuständen. Einer dieser Fehler ist Unterspannung am Eingang. Mit dem Oszilloskop war zu sehen, dass die Eingansspannung beim Nulldurchgang der Netzspannung bis kurz vor den kritischen Punkt abfiel. Drehte man am Stell-Trenntrafo die Spannung um wenige Volt zurück, dann startete das Gerät wieder nicht. Eine Überprüfungvon dem zuständigen Elko C96 (470µF 16V) zeigt 32µF und 21Ohm ESR. Eindeutig defekt also. Vermutlich hat er sich etwas formiert nach einiger Betriebszeit, so dass der Resetschaltpunkt gerade nicht erreicht wurde. Diese schönen blauen Elkos sind leider dafür bekannt, dass sie gehäuft ausfallen, wenn sie viele Betriebsstunden haben. (Auf dem Bild oben vom Digitalboard ist übrigends bereits der neue Elko eingebaut.) |
Und genau das selbe Problem hatte auch das erste 5017. Auch hier hat
sich der Elko wieder re-formiert. Ich habe auch diesen ausgewechselt, er zeigte allerdings noch 320µF. Das wäre gerade noch in der Toleranz gewesen. Der ESR von 0.7Ohm ebenfalls. Aber ein anderer Test zeigte, dass er dennoch unbrauchbar war. Läd man ihn voll auf und nimmt ihn von der Spannungsquelle weg, dann ist er innerhalb von Sekunden entladen. Der Reststrom war demnach viel zu hoch. Also zwei mal der selbe Elko defekt, verbunden mit dem dämlichen Zufall, dass er beim ersten Gerät ausgerechnet nach der Reinigung des Gerätes ausfiel. Warum das Display kaputt ging weiß ich nach wie vor nicht. Entweder noch ein Zufall (Ein bischen zu viele davon mittlerweile) oder ich habe es wirklich beim Messen zerstört, obwohl ich mir keiner Schuld bewußt bin. Nun ja, mit diesem verbeibenden Rätsel kann ich leben, zumal solche Displays mit rund 20 Euro bezahlbar sind und das blau/weiße Display einfach klasse aussieht. Auch bei meinem 8017 habe ich diesen Elko ausgetauscht, der Elko aus diesem Gerät war allerdings unauffällig und völlig in Ordnung, obwohl es der älteste von allen war. Man muss wissen, das bei diesen Geräten der Analogteil immer versorgt wird, wenn das Gerät mit dem Netz verbunden ist. Das hat den Vorteil, dass die Warmlaufzeit wegfällt nach dem Einschalten. Es dauert ansonsten rund eine Stunde, biss sich die Messwerte und Offsets stabilisiert haben bei maximaler Auflösung. Der Nachteil ist, dass es ständig rund 5W Leistung aufnimmt. Zudem erreichen die Elkos halt auch schneller ihr Lebensende.
Und nun abschließend noch was aus dem Bereich Psychologie,
nämlich:
"Die Psychlogie der 7 1/2 Stellen oder: Messungen und Fehler." Bei 7 1/2 Stellen neigt man unbewusst dazu, ehrfürchtig die letzte Stelle zu betrachten, die eine Auflösung von bis zu 10 nV repräsentiert. Aber wie genau sind eigentlich die letzten Stellen? Bei so einer hohen Auflösung erwartet man, dass das Ergebnis bis auf die Letzte Stelle stimmt. Dem ist aber keineswegs so! Nehmen wir mal an, das 5017 wäre an einer 20V Quelle angeschlossen, die absolut genau wäre. Im 30V Bereich hat es laut Datenblatt einen Fehler, der sich aus zwei Komponenten zusammensetzt. 1: +/- 0,0002% vom Endwert (30V) = +/- 0,00006V. 2: +/- 0,0004% vom Messwert(20V) = +/- 0,00008V Das sind also +/- 0,00014V die der Messwert in diesem Messbereich bei 20V abweichen darf. Der angezeigte Wert darf also zwischen 20,000140V und 19,999860V betragen, um noch innerhalb der Messgenauigkeit zu liegen. Das Frage ist nun, was bringen denn dann 7 1/2 Stellen, ist die Anzeige der letzten beiden Stellen nicht völlig irrelevant? Jain, bezüglich der Absolutgenauigkeit bringen die letzten beiden Stellen nichts, aber bezüglich der Messung von Änderungen bringen sie sehr wohl etwas. Hier kommen die Mathematikprogramme des Gerätes zur Geltung. Wenn man z.B. die Langzeitstabilität von Referenzelementen untersuchen möchte, oder die Abweichung gegenüber einem Referenzwert, dann sind 7 1/2 Stellen sinnvoll einsetzbar. Für Messungen eines Absolutwertes genügen aber in der Regel auch die viel schnelleren 5 1/2 und 6 1/2 Stellen Auflösung. |
Karl-Heinz
wieder vielen Dank
für diesen tollen Bericht und die schönen Fotos, von
schönen Geräten aus Deutschland. Herzlichen Glückwunsch
zur gelungenen Reparatur.Ralf fügt hinzu:Das Thema ESD, ist technisch ziemlich kompliziert und doch einfach zugleich lösbar. Unter ungünstigen Klima- und Umgebungsumständen zusammen mit der richtigen Materialkombination entstehen bei Material Trennung nun mal teils sehr hohe Spannungen abhängig von der Lage in der Triboelektrischen Reihe, der Trennungsgeschwindigkeit, der Oberflächenbeschaffenheit und der Leitfähigkeit. Wenn die hierbei frei gesetzten Ladungsträger im neu gebildeten Kondensator (aus den zwei verschiedenen getrennten Materialien) nun auf die richtig empfindlichen Stellen entladen werden kann ein Defekt verursacht werden. Nichtleitfähige Materialen können die Ladungen lange speichern, metallische Leiter schliessen sie bereits im Moment der Entstehung fast schon wieder auf der Oberfläche selbst kurz, da sie sehr schnell über noch die letzten Berührungspunkte während des Trennungsvorgangs wieder abfließen können. Abhilfe hilft effektiv, sehr preiswert und sicher nur das komplette Verbannen von sämtlicher Plastikscheisse in jeglicher Form aus dem Labor:
Zusammenfassung:
Nicht nur die an vielen Stellen entehenden hohen ESD Spannungen unterdrücken (z.B. druch Armbänder, Ionisatoren, ESD-Kittel) sondern TAUSENDFACH besser sie erst gar nicht entstehen lassen durch eine optimale Gestaltung der Räumlichkeit (viel Holz, ESD-Möbel, echte ESD Böden, keinerlei Plastikscheiße aller Art). Genau damit haben viele gewerbliche Anstalten alllerdings ein Problem, es muss immer ein ewig nach Lösungsmittel stinkender PVC-Belag oder ESD-Boden (manchmal in minderwerter Qualität) in den Laboren oder anderen Räumen sein, das ist oft das gleiche Übel, egal bei wem. Hinzu kommen häßliche Plastikmöbel, ungeeignete Karusselstühle und Dauerklimabevormundung sowie sämtlicher anderer hochisolierender Plastik an jeder Ecke, Wand, Boden und den Wegen. Wer gönnt dem Mitarbeitern schon Massivholztische usw. Die ganzen eingebauten ESD Plastikbomben müssen danach wieder mit hohem Sicherheitsaufwand an Armbändern, kontinuierliche Zutrittsmessungen, Klimaüberwachung usw. auf sichere ESD Spannungen begrenzt werden oder gar durch den Ionisator Einsatz eliminiert werden. Setze mal ein Verbot von synthetischer Kleidung bei der heutigen Damenwelt durch, viel Spaß oder gar zu sagen "bitte nur leichtbekleidet", viel Spaß. Selbstverständlich funktionieren moderen ESD Bekämpfungsmaßnahmen ohne Zweifel - aber welch ein Aufwand, hier muss der Teufel leider mit dem Belzbub vertrieben werden. Der Hobbiest zu Hause im Eigenheim hat da ungeheure Vorteile, er kann tun und lassen was er will und gleich nur geeignetere Baumaterialen und Mobilar verwenden, die Feuchte selbst kontrollieren, Plastik gleich komplett verbannen und anziehen was er will. Wenn er dann noch zusätzlich ESD Armbänder und -Matten verwendet, seine Lagerung und Wege optimiert, Werkzeugspitzen erdert, ein paar Messungen durchführt und seine VERHALTENSGRUNDSÄTZE durchdenkt und befolgt hat er selbst zu Hause mit sehr preiswerten Mittel ein Optimum an ESD Sicherheit erreicht, das selbst den sicheren Umgang mit den hyperempfindlichen Bauteilen (z.B. Laserdioden) problemlos und garantiert ermöglicht. |