repair – AartSite

Fluke 867B Graphical Multimeter

Voor deze jaren ’90 multimeter was weinig belangstelling omdat hij in ruwe staat was: De accu was kapot, het display had lijnen, hij was smerig en enkel het AC bereik leek nog te werken. Ik kon het niet laten hem te adopteren, ook uit nieuwsgierigheid.

Fluke 110 and Fluke 867B size comparison.

Zoals op de foto te zien is deze meter ENORM, zeker in vergelijking met mijn trouwe 110 uit dezelfde tijd, en ook groter dan dat noodzakelijk lijkt voor het scherm en de knoppen. Vermoedelijk is hij bedoeld voor service werkplaatsen, niet voor onderweg. Ook is in het royale batterijvak ruimte voor zes AA cellen naast een eveneens 6x AA NiCd accu pack, en zijn er reserve zekeringen.

Reparaties

De eerste prioriteit was de draaiknop te repareren, anders is hij onbruikbaar. In het commentaar onder een YouTube video stonden goede aanwijzingen: Het probleem zou niet het sleepcontact van de draaiknop zelf zijn, maar de verbinding tussen de koolstof vlakjes van de schakelaar en de printsporen. De schakeling is te vinden in de overigens uitstekende service manual:

Fluke 867B Service manual switch circuit.

Het is dus een eenvoudige DAC om de stand van de schakelaar in te kunnen lezen met een enkele ADC pin van de microcontroller. De met de weerstanden ingestelde verhoudingen tussen de spanning op TP22 en de VDD liggen bij na-rekenen op een rechte lijn.

Bij meten tussen de contactvlakjes en de weerstanden zijn daar echter inderdaad tot tientallen kΩ overgangsweerstand, die de werking van deze schakeling verstoren. Opvallend is dat vrijwel al deze verbindingen slecht zijn.

Ik besloot de overgangen van printspoor naar contactvlak voorzichtig te aaien met een glasvezel pen om loszittend koolstof weg te halen, maakte alles daarna goed schoon met IPA en stipte enkel de overgangen aan met geleidende verf, type “Bare Conductive, Electric Paint”. Na een dag drogen werd met een wattenstaafje nog een minimale hoeveelheid Kontakt 61 op het sleepcontact aangebracht. Deze reparatie loste het probleem op, alle standen van de schakelaar werkten weer goed. De overgangsweerstand daalde naar tientallen Ω. We zullen zien hoe lang het houdt.

Fluke 867B conductive paint switch repair.

Overigens is op dezelfde as aan de andere zijde van de print een echte wafer geplaatst om signalen om te schakelen. Hier was niets mee aan de hand dus ben ik er afgebleven.

Met het grootste probleem opgelost werd voor een paar tientjes een nieuw display in China en een nieuw (vervangend) BP7217 NiMh accu pakket in Nederland besteld. Het verbaasde dat die voor dit oude en relatief zeldzame instrument goed te krijgen zijn. Omdat de meter helemaal uit elkaar moest was dit een mooie gelegenheid voor een poets-sessie met gewoon afwasmiddel en een schuursponsje. Daar knapte hij zo van op dat de 110 ook een bad gekregen heeft.

Kalibratie en techniek

Fluke 867B, Fluke 110, HP 3468B multimeters on a 10V AD584 voltage reference.

De kalibratie van alle bereiken lijkt in orde, de multimeters zijn het behoorlijk met elkaar en de lab referenties eens. Overigens is de spanningsreferentie in de meter een “gewone” zener diode, een 1N4578 van 6,4 V. De schakeling is klassiek: Een niet-inverterende 1,27x versterker en een weerstand van 845 Ω stellen de stroom door de diode in op de voor de diode gespecificeerde 2 mA.

De speciale Fluke BE 860 230 netadapter of “Battery eliminator” is een curiositeit. Omdat er in de meter geen galvanische scheiding is, is de adapter helemaal geïsoleerd tot de 1000 V die ten opzichten van aarde gemeten mag worden. Dit leidde tot een dik snoer en een extreem lange, dunne DC connector die in een klein gaatje gestoken moet worden.

Fluke 867B mains adapter 12V/0,3A
BE 860 230

Vermoedelijk geeft deze oplossing met een 50 Hz transformator de hoogst bereikbare common-mode impedantie, beter dan met een geïsoleerde smps in de meter te bereiken zou zijn. Dit is belangrijk voor een multimeter. Het instrument moet goed zweven om de metingen niet te verstoren. De totale parasitaire capaciteit van de netadapter is slechts 20 pF, het lek is bij een net van 230V/50Hz dan enkele µA.

De aftermarket smps adapters voor deze meter die op internet te vinden zijn zouden wat dit betreft minder kunnen presteren.

Eerste ervaringen

Wat is dit nu voor instrument?

De grote Fluke is lomp, traag in alles en werkt slechts 8 uur op een power pack.
Hij bevat twee instrumenten in een: een 4,5 digit multimeter en een 4,8 Megasample, 1 MHz bandbreedte scope kanaal dat de bemeten golfvorm kan tonen.
De continuïteit test is snel bij het detecteren van contact, maar niet bij onderbrekingen. De nederige Fluke 110 wint dit royaal.
Bij AC metingen heeft men de keuze uit gemiddelde- of RMS metingen, wat in de meter als twee aparte analoge kanalen is uitgevoerd.
Er zijn uitgebreide frequentie / PWM / periode functies voor zowel AC als DC.
Een interessante optie is de TrendGraph display mode, die bij bijna alle functies gekozen kan worden en de gemeten waarde tegen de tijd plot. Dit is een functie die ik soms mis op luxe moderne scopes. Helaas loopt de verticale schaal van de trend altijd van 0 tot de maximale waarde van het bereik, wat kleine variaties onzichtbaar maakt. Een gemiste kans, mogelijk was extra geheugen nog te duur.
De diode test werkt bipolair, wat zowel praktisch als enigszins verwarrend kan zijn.
De ingebouwde componenten tester of “tracker” is een fraaie extra. De frequentie is in decades te kiezen tussen de 2 Hz en 18,75 kHz en de uitgangsspanning is 3,2 Vpp bij een impedantie van 11,1 kΩ. Deze werkt uitstekend.

File 867B Component Test measuring a diode.

De grote Fluke heeft dus uitgebreide voorzieningen voor reparaties op component niveau, maar niets voor industriële toepassingen.

Vermoedelijk was dit model gericht op service werkplaatsen voor bijvoorbeeld kantoor machines zoals printers, plotters en kopieermachines, of professionele audio/visuele apparatuur zoals camera’s en videorecorders. Zoals die halverwege de jaren ’90 nog op grote schaal in gebruik waren. Hij lijkt erg geschikt voor het meten aan (PWM-) motor regelingen en dergelijke.

Fluke 845AB Null detector

Onlangs kwam ik in bezit van een Fluke 845AB high impedance voltmeter / Null detector. Dit is een DC voltmeter met een ingangsimpedantie van 10 MΩ, 100 MΩ in de hogere bereiken, een goed zwevende ingang met een lek naar de guard van > 1 TΩ, en een kleinste bereik van 1 µV DC volle schaal. Deze worden o.a. toegepast in gevoelige meetbruggen en bij het back-to-back vergelijken van standaardcellen.

Het front van het instrument.

Hoewel ik een chopper vermoedde maakten de specificaties toch wel nieuwsgierig hoe het instrument in elkaar zit. Gelukkig bleek het defect, bij inschakelen ging de meter langzaam in de hoek, en was de service manual online te vinden. Dus mocht het direct uit elkaar. Tot mijn verbazing blijk de chopper opgebouwd te zijn met LDR’s en neonlampjes. Toch niet de meest precieze of gevoelige componenten.

De neonlampjes in de metalen blokken links belichten via lange plexiglas staven de LDR’s rechts. Omdat de synchrone detector uiteraard gevoelig is voor de stuurspanning van de lampjes moeten deze componenten elektrisch goed gescheiden zijn. Vandaar de grote fysieke afstand.

In het blokschema doorloopt het te meten signaal achtereenvolgens:

De verzwakker aan de ingang. In de bereiken boven 1 mV wordt verzwakt naar 1 mV.
De chopper met de neonlampjes op LDR’s.
De AC voorversterker. De gain hiervan wordt verhoogd bij de bereiken < 300 µV.
De synchrone demodulator. Deze is eenvoudig van opzet: Het is een enkele transistor.
Een DC versterker, een discrete opamp, met een vast ingestelde versterking van 300x. Het uitgangsspanningsbereik is 1 VDC.

Hierna volgen de galvanometer en een eenvoudige modulator / transformator / demodulator schakeling voor de gescheiden recorder output. De belangrijkste truck om de schakeling goed lineair te maken is een overall DC terugkoppeling naar de chopper, deze terugkoppeling is 1 µV voor het gevoeligste bereik en tot 1 mV voor de grotere. Opvallend is nog dat de 1-3-10 stappen in de bereiken in zowel de AC gain als in de overall terugkoppeling terug komen.

Alles binnen het guard shield wordt via een transformator gevoed uit een 84 Hz voeding op een aparte print, wat ook de chopper frequentie is.

Het defect was snel gevonden. De ruwe voedingsspanning was te laag omdat de interne 10 V accu batterij, welke altijd onder spanning gehouden wordt, kapot was gegaan en was gaan lekken. Na alles zo goed mogelijk schoongemaakt te hebben viel de schade mee, en gelukkig betrof deze enkel de voedingsprint. Het instrument is met het schema in de manual omgebouwd naar enkel bedrijf op de netspanning, door een weerstand weg te halen en een 10 V zenerdiode te plaatsen. Tevens monteerde ik voor comfort een gewone IEC netentree in plaats van de Amerikaanse.

Met deze modificatie lijkt het weer behoorlijk te werken, en bleek de kalibratie op mijn AD584 spanningsreferentie nog spot on te zijn. Daar ben ik dus zorgvuldig afgebleven. De wijzer is in de gevoeligste bereiken wel wat onrustig, maar op het oog binnen de specificatie van 0,3 µV op het 10 µV bereik. De bereiken daaronder vereisen nader onderzoek.

De deelschakeling van de geïsoleerde recorder output. Het gemeten DC signaal moduleert via Q113, 114 een 84 Hz signaal door de primaire wikkeling van transformator T203. Aan zijn secundaire kant wordt dit door Q203, 204 weer gedemoduleerd naar DC.

Merk op dat T203 een scherm heeft dat verbonden is met de guard, de stippellijn, om de gehele primaire wikkeling heen. Er is zelfs een tweede aardscherm aan de (kast-) aarde onder de secundaire wikkeling. Ook de voedingstransformator heeft deze voorzieningen, de guard wordt nergens doorbroken. Overigens mag op de guard een spanning tot 1100 V ten opzichten van aarde zijn, én is de ingang in alle bereiken bestand tegen 1100 V overspanning (!). Dit wordt bereikt met een een eenvoudige diode clamp en een 150 kΩ / 2W serieweerstand aan de ingang, die het bij 1 kV als ik mij niet vergis behoorlijk warm zal krijgen..

De fraaie componenten, zwevend gemonteerd rond de bereiken schakelaar.

Nog wat spectaculaire getallen; Op het gevoeligste bereik, 1 µV over 10 MΩ, rollen er gemiddeld voor volle uitslag 624000 elektronen per seconde de ingang in. Door een eenvoudige modificatie, het weghalen van een 10 MΩ weerstand aan de ingang, is de ingangsimpedantie op de gevoeligste bereiken volgens de manual op te voeren naar ruw 300 MΩ en zijn dit er zelfs slechts 20800. Dat zouden er 416 per schaaldeel zijn, die kan men bijna tellen 😉 Zo gezien is het ook een gevoelige stroom meter.

Al met al een leuk en inspirerend instrument voor de verzameling. Voor wie meer wil weten is de service manual de moeite.

Rotring CS 50 NC-scriber

Alweer een tijd geleden nam ik een Rotring CS 50 NC-scriber over, eigenlijk zonder precies te weten wat het is of hoe het werkt. Het apparaat was duidelijk kapot, het armpje voor de pen hing er scheef uit. Ook ontbrak de voeding.

Het is een elektronische vervanger voor de lettersjablonen welke gebruikt werden bij het met de hand maken van technische tekeningen. Na hem deze kerstvakantie gedemonteerd te hebben werd het defect snel duidelijk:

Rotring CS-50 NC-scriber mechanical. — Het mechaniek, met links een gebroken snaartje.

Een snaartje van de Y-beweging was gebroken, mogelijk door een klap op de arm van buitenaf. Deze snaartjes zijn extreem klein, 2 mm breed met een pitch van 1,5 mm. Vervangen ligt voor de hand, maar ze waren online niet eenvoudig te vinden.

Het uiteinde was kapot gegaan. De draden in de kern van de snaar zijn er nog, maar het rubber van de tanden is er af geschoven. Ook het messing klemringetje dat er omheen hoort werd los terug gevonden.

Het is gerepareerd door het uiteinde door de ring te rijgen, deze plat te drukken en het geheel te vullen met secondenlijm. Niet zo mooi als een nieuwe snaar, maar de reparatie houdt vooralsnog goed.

Na het bestuderen van wat Youtube filmpjes over dit apparaat wierp ik een blik op de electronica. Het ontwerp is voor zover ik kan nagaan van Rotring zelf, uit begin de jaren 80 en erg geavanceerd voor zijn tijd. Overigens is deze CS50 gezien de datums op de chips van begin jaren 90.

De microprocessor is een 16 bits Texas Instruments TMS 9995 op 12 MHz, een vroege 16 bits processor. Hierbij is RAM, een TMS 62256 (32k x 8), en firmware in twee ROM’s in voetjes.
De bipolaire microstep drivers zijn opgebouwd met een Siemens TCA1560B spanningsgestuurde stroom PWM sturing per spoel, op hun beurt aangestuurd door twee TLC7528 8-bit dual DAC’s. De golfvorm moet dan dus uit de hoofdprocessor komen. Er is een driver extra, vermoedelijk voor de hef magneet.
Het (custom-) display wordt gestuurd door een HD43160 driver, een voorloper van de bekende HD44780, welke op het moederboard zit. Op het display zelf zitten enkel zes OKI M5259 segment drivers.
De externe voeding is 15 VDC, op de print omlaag gebracht voor de logica door een 34063 5 V step-down regelaar.

Rotring CS-50 NC-scriber electronics. — Het main board van de CS50. Boven het display.

Na hem langzaam weer op de normale spanning gebracht te hebben blijkt het apparaat te werken. Ik ben er in het algemeen niet zo voor allerlei componenten preventief te vervangen (met de mogelijke uitzondering van RIFA rookbommetjes ;), maar de gele elco’s op de 5V zijn duidelijk aan de beurt, en als er iets mis gaat met deze voedingsspanning zou dat schade kunnen doen.

Ik heb de schrijver gebruikt om mijn kerstboodschap te schijven. Hierbij waren twee lastigheden: De antieke Rotring inkt bleek niet goed zwart meer te zijn, en de bediening is ook met de manual er bij relatief moeizaam.

De functionaliteit is wel heel erg uitgebreid, ik ben onder de indruk dat dit alles zo lang geleden in een paar kB ROM gerealiseerd is!

Een leuke toepassing is ook al bedacht: Het schijven van nette kaartjes voor mijn honderden laadjes met componenten. Of ik daar de tijd en het geduld voor kan opbrengen is nog even de vraag.. Eerst maar goede inkt vinden.

Philips capaciteits decade

Onlangs kreeg ik een Philips capaciteits decade cadeau. Volgens de typeplaat is het een 3E93102 uit juni 1954 van Philips E.B.M. H.I.G.A. Verder is er niets over bekend en zag ik dit model ook niet eerder.

Antique Philips capacitance decade. 3E93102, juni 1954, Philips E.B.M. H.I.G.A. — Philips capaciteits decade, zo uit een stoffige garage.

Het instrument was in weinig fraaie staat. Het zat vol stickers en gaf een wild verspringende capaciteit. Na schoonmaken van de buitenkant en de schakelaars was dat gelukkig veel beter.

Inside an old Philips capacitor decade. — Het inwendige van de decade. Condensatoren en draaischakelaars.

De schaal is in micro-micro farad, wat we nu picofarad ofwel pF noemen. De decade heeft een bereik van 1000 micro-micro farad, dat is 1 nF, tot 1 µF.

Er zijn vier condensatoren per decade. In bijvoorbeeld de 1 nF decade zijn waarden van 1, 2, 3 en 4 nF aanwezig, waarmee door parralelschakelen dan ook 5 (4+1), 6 (4+2), 7 (4+3), 8 (4+3+1), 9 (4+3+2) en 10 (1+2+3+4) nF gemaakt kan worden. De grootste condensator bestaat uit twee condensatoren van 200 nF parallel. Alles lijkt speciaal gemaakt te zijn, met een constructie gericht op zo min mogelijk restcapaciteit.

Maar hoe goed is zo een bijna 70 jaar oude decade nog? De condensatoren zijn voor zover zichtbaar 0,5% mica (opschrift van de 1 nF) condensatoren van 500V, en voor hun capaciteit behoorlijk groot en zwaar.

Om dit te testen zocht ik (bijna) alles in huis wat redelijk capaciteit kan meten bij elkaar, en voerde drie complete sets metingen uit.

Agilent U1253B, Peak LCR45, ESI 250DE Impedance bridge used for testing. — Agilent U1253B multimeter, Peak LCR45 LCR meter en de ESI 250DE Impedance bridge

De volledige meetresultaten kunt u hier zien.

Het meten met de meetbrug, dertig keer met twee handen het minimum zoeken terwijl men intussen de versterking opdraait, was een prettig meditatief klusje. Wat niet aangetekend is, is dat de condensatoren op de meetbrug een uitstekende, lage, verliesfactor D hadden.

De onvermijdelijke offset werd gemeten met de decade op 0 en afgetrokken van de metingen. Door delen door de verwachte waarde werden alle metingen genormeerd naar 1. Tot slot werd van iedere set de standaarddeviatie berekend. Deze zal kleiner zijn als de decade en het betreffende meetinstrument het beter met elkaar eens zijn, afgezien van een schaalfactor waar we door deze manier van rekenen niet gevoelig voor zijn.

We weten hierbij niet wie er gelijk heeft, maar de kans dat de decade en een meetinstrument op precies dezelfde manier afwijken lijkt verwaarloosbaar. Als ze goed overeen komen bouwt dat dus vertrouwen in zowel de meter als de condensatoren.

In de tabel is te zien dat de ESI meetbrug de laagste standaarddeviatie haalt. De Peak LCR meter geeft ongeveer 1,5 keer zo veel “ruis”, en de Agilent multimeter ruim 10x.

Graph of deviation to capacity. — Met excuses voor de ontbrekende x-as met daarop de 30 verwachte waarden, er ging iets mis met de punt-en-komma settings in Google Drive.

In de grafiek van de genormeerde waarden zien we dat de ESI en de Peak lijnen een zelfde vorm hebben. Vermoedelijk ontstaan de gezamelijke hobbels daarom door afwijkingen van de decade. Ook lijkt het er op dat het meten van grotere capaciteiten gemakkelijker nauwkeurig verloopt dan dat van kleine.

Gekrast, maar schoon en behoorlijk werkend.

Tot slot is nog even gekeken of we met de kennis over de opbouw van de decade de voorspelling dat bijvoorbeeld 5 gelijk moet zijn aan 4+1 kunnen bevestigen. Hoe goed dit gaat is vooral een indicatie van de kwaliteit van de instrumenten. De waarde van de condensatoren doet er hier niet meer toe, parasitaire capaciteiten en dergelijke in de decade nog wel.

Hier zien we in de standaard deviaties eenzelfde beeld verschijnen. De ESI voorspelt het beste, gevolgd door de Peak en, op ruime afstand, de Agilent.

De specificaties van de nauwkeurigheid van de meetinstrumenten zijn kort door de bocht 0,2% voor de ESI meetbrug, 1,5% voor de Peak en 1% voor de Agilent. Dat maakt deze wat oudere multimeter niet meer waar. De decade is vermoedelijk nog binnen 1% juist.

Reparatie Fluke 8502A multimeter

Enige tijd geleden kocht ik een oude Fluke 8502A 6,5 digit multimeter in onbekende staat. Dat zou ik normaal niet zo snel doen, maar voor de uiterst beschaafde prijs kon ik hem niet laten staan.

Het instrument bleek zoals verwacht defect te zijn, alleen het power lampje ging nog aan, verder niets. De kast was gelukkig wel behoorlijk gevuld met modules. Van de gebruikelijke functies onbreekt alleen de stroom optie.

Fluke 8502A inside. — De keurig nette binnenkant. Zelfs het plastic bleek nog in goede staat.

Een eerste vermoeden was dat er een probleem was in de voeding, dit werd inderdaad gevonden in de vorm van een kortgesloten tantaal condensator. Het display bleef echter donker.

Hierna werd met enig zoekwerk aan de hand van de uitstekende manual nog een defecte 4046 PLL op het controllerboard gevonden. Zie hier voor mijn technische aantekeningen van deze reparatie.

Deze PLL is vervangen, waarna het instrument weer opstartte! 🙂

Zoals te zien klopt de DCV meting nog behoorlijk, of in elk geval binnen de specificaties van de moderne multimeter. Alleen de weerstandmeting werkt nog niet.

Het controllerboard gebruikt overigens een 8080 processor, de tweede acht bit processor van Intel uitgebracht in 1974. Deze NMOS chip heeft niet alleen +5 V maar ook -5 V, +12 V en een tweefasen kloksignaal met specifieke timing en 12 V amplitude (!) nodig. Naar moderne maatstaven ietwat onpraktisch, maar hij doet het nog prima.

CD4046, tantalum, LM317 — De vervangen componentjes, de schade bleef beperkt.