Схемотехника цифровых преобразователей давления Опции

[kipmaster]

Доброго времени суток!
Очень хочется сделать цифровой датчик давления. Чтобы в 2-проводном включении работал (4-20), и в 3-проводном. И очень не хочется наступать на чужие грабли. Подскажите, где можно найти практическую информацию по теме. Типа примеры схем, потенциальная точность, составляющие погрешности. Как построены взрослые датчики, типа Метрана? Только чтобы недорого вышло.

[sensor_ua]

По простому в датчике гавное - чувствительный элемент (начальная точность), способ "подключения" измеряемого - мембраны, оправки и т.п., повторяемость характеристик (долговременная стабильность) и ошибки основные и дополнительные. Это первичный преобразователь. Затем уж идёт вторичный перобразователь. При достаточной повторяемости есть смысл уделять больше внимания линеаризации и коррекции по температуре окружающей среды.
Что касается "цифровых" датчиков, то Вы бы определились, что под этим понимаете. Насколько мне известно, Метран выпускает HART-датчики, причем работают в двух основных направлениях - делают полностью своё (правда очень не уверен, что без заимствоаний по схемотехнике, потому как после наших - Укргазтех - поставок вторичных HART-преобразователей им, у них свои появились, но, естественно, только через некоторое небольшое время и очень похожие, хотя то, что там работают хорошие специалисты - не сомневаюсь) и выпускают по лицензии датчики от Emerson (бывший Fisher-Rosemount). Есть ещё датчики с FieldBus, PROFIBUS, RS485, AS-i...
Под "цифровыми" датчиками подразумевают датчики с интегрированными АЦП (Intersema, HopeRF), кварцевые с частотным выходом, датчики с интегрированным выходом ШИМ и подобным сигналом, целый зоопарк вторичных преобразователей, представляющие собой усилители с набором ЦАП-ов и/или пережигаемыми перемычками и/или встроенным специализированным микроконтроллером (см. Maxim, TI, Analog Devices, Melexis, Analog Microelectronics).
Типовые схемы построения HART-датчиков можно найти в DS AD421, как строится токовый выход - в DS на тот же AD421, на XTR115-XTR-117, в DS на OP90, ну и кое-чего подсмотреть можно в доках на PGA309, заодно порыть форум - в соседней ветке на текущей странице.например, есть топ http://electronix.ru/forum/index.php?showtopic=38950.
Модем из распространённых - FX614 (MX614).
Что имеете ввиду под трёхпроводными -не знаю - определитесь.

[kipmaster]

Трехпроводное включение - когда питание подается отдельно, а выходной ток изменяется от нуля (0-5, 0-20 мА). Древние стандарты, но заказчики на них еще есть.
Датчик цифровой в моем понимании - это просто повторение того пути, который уже пройден, наверное, Вашей фирмой и множеством других. Сначала аналоговый выход, цифровая компенсация погрешности, потом - посмотрим, может HART, если будет потребность. Просто есть интересные идеи по поводу изобретения велосипедов . Такие велосипеды, как термокомпенсация нуля разомкнутого и замкнутого моста, ТКЧ, нелинейности я уже изобрел много лет назад - в аналоговом варианте. Вообще датчики - это для меня хобби, которое иногда приносит деньги. А основная работа - разводка плат в крупной фирме, которая датчиками не занимается. Потому нет лишнего времени на исследования .
Спасибо за информацию. Наверное, надо сделать обычную схему на XTR116 двухпроводную и отдельный аналоговый преобразователь в 0-5 (0-20)мА. Это позволит делать датчик одновременно с разными стандартами выхода без перестройки.
Судя по информации на Вашем сайте, у Вас используются ЧЭ Jumo и Honeywell – хороший выбор. Jumo, правда, кусается, но для хороших датчиков не стоит экономить. У меня датчики недорогие, Honeywell я использую: 24PC, DUXL.

[sensor_ua]

Honeywell мы используем многопараметрические серии 3000. Перепадники иногда от Siemens (упакованные). Jumo при этом нервно курят. Делаем также абсолютники на сенсорах местного разлива с нашей упаковкой. Когда-то делали перепадники на сенсорах от Метран. К сожалению их долговременная стабильность имела непредсказуемый характер (остальное было вполне достойно). С основной погрешностью хуже 0.1% датчики де-факто не выпускаем.
Последние пару лет отдельные (не многопараметрические) делаем на C8051F350, внешней памяти и паре ОУ - получаем АЦП+проц(линеаризация и температурная коррекция, протокол)+ЦАП+модем в камне, ну и указанные память и ОУ. Пытались сделать дешёвые на MLX90308, затем на PGA309. но после появления C8051F350 разница в себестоимости оказалась незначительной, особенно после скачка вниз от SiLabs, при огромном перевесе по возможностям.

[kipmaster]

Спасибо, C8051F350 - просто сказка! MSP430 выбрасываю в мусорку. А что такое упакованные перепадники от Siemens?

[sensor_ua]

А что такое упакованные перепадники от Siemens?

Упакованные это в оправе (в металле, готовые к прикручиванию штуцеров и манифольда).

[kipmaster]

Упакованные это в оправе (в металле, готовые к прикручиванию штуцеров и манифольда).

Это я понял. Вопрос касался наименования, где почитать-посмотреть-купить.

[sensor_ua]

Вопрос касался наименования, где почитать-посмотреть-купить.

Позволю себе не ответить. Извините. Скажу только, что они от Сименса идут как ОЕМ для Jumo.

[stoker]

Доброго времени суток!
Очень хочется сделать цифровой датчик давления. Чтобы в 2-проводном включении работал (4-20), и в 3-проводном. И очень не хочется наступать на чужие грабли. Подскажите, где можно найти практическую информацию по теме. Типа примеры схем, потенциальная точность, составляющие погрешности. Как построены взрослые датчики, типа Метрана? Только чтобы недорого вышло.

А что имеено за датчик хотите получить? Если только 4-20, то контроллер не нужен. Дешёвое решение: PGA309 + XTR115. Мы на этом уже делали - 0.1% в диапазоне -10...+60. Если нужна точность выше - контроллер + ЦАП 4-20 (AD421). Делали на MSP. Полиномиальная апроксимация, точность была: 0,05% при -20 ... +80C

Сообщение отредактировал stoker - Nov 12 2007, 16:15

[kipmaster]

А что имеено за датчик хотите получить? Если только 4-20, то контроллер не нужен. Дешёвое решение: PGA309 + XTR115. Мы на этом уже делали - 0.1% в диапазоне -10...+60. Если нужна точность выше - контроллер + ЦАП 4-20 (AD421). Делали на MSP. Полиномиальная апроксимация, точность была: 0,05% при -20 ... +80C

PGA309 говорят, в настройке большой геморрой, так что по технологии дешево не получится.
Датчик нужен 4-20 с перспективой развития (масштабирование диапазона, цифровые протоколы, индикация, регулирование). Потому только контроллер. Вот коллега Sensor.UA, дай ему Бог здоровья, посоветовал С8051F350. ADC там классное, при цене MSP. Насчет полиномиальной аппроксимации я пока не уверен. Просто есть куча чувствительных элементов с S-образной характеристикой. Каким полиномом ее описывать: 3-4 степени? Может, это наивное решение, но пока я думаю о кусочно-линейной аппроксимации в нормальных условиях плюс полиномиальная функция температурной ошибки 2-й степени.

[stoker]

PGA309 говорят, в настройке большой геморрой, так что по технологии дешево не получится.
Датчик нужен 4-20 с перспективой развития (масштабирование диапазона, цифровые протоколы, индикация, регулирование). Потому только контроллер. Вот коллега Sensor.UA, дай ему Бог здоровья, посоветовал С8051F350. ADC там классное, при цене MSP. Насчет полиномиальной аппроксимации я пока не уверен. Просто есть куча чувствительных элементов с S-образной характеристикой. Каким полиномом ее описывать: 3-4 степени? Может, это наивное решение, но пока я думаю о кусочно-линейной аппроксимации в нормальных условиях плюс полиномиальная функция температурной ошибки 2-й степени.

С PGA309 нужно просто разобраться, потом написать методику калибровки и вуаля!
Ну а если у вас перспектива развития с применением цифровых протоколов - то тут без МК не обойтись.
Насчет апроксимации, мы снимали по 5 точек температуры и 5 по давлению - 5 степень получалась. Но потом можно было выбирать. У нас правда сенсоры довольно линейные были. У вас требования есть к тому что вы должны получить?
Начет С8051F350, не хочу ничего говорить плохого, очень красивый МК, но советую полазить по форумам - похоже капризный он...

Кстати у вас какого типа датчики? КНС или что то ещё? Какая у него повторяемость после прогона?

Сообщение отредактировал stoker - Nov 13 2007, 09:39

[sensor_ua]

С PGA309 нужно просто разобраться, потом написать методику калибровки и вуаля!

Как насчёт датчиков абсолютного давления на PGA309? Как насчёт калибровки в термокамере?
А насчёт 350-го - попробуйте, если не сглупить, то всё у него хорошо.

[stoker]

Как насчёт датчиков абсолютного давления на PGA309? Как насчёт калибровки в термокамере?

Все это мы делали
Калибровали по 3-м точкам.

Там калибровка не совсем обычная. Расчет гейна, потом офсета, и т.д. для разных температур.

По температуре можно было хоть до 15 точек, там кусочно-линейная апроксимация

Сообщение отредактировал stoker - Nov 13 2007, 09:41

[sensor_ua]

Все это мы делали smile.gif

И как сумели установить смещение нуля сенсора?
И каким способом в камеру вольтметр засовывали, чтоб он и померял качественно и не повлиял на показания? Или типа обратным отсчётом? А то при абсолютнике это ну очень смело
ЗЫ Я тоже как-то поднимал тепловоз ЭР200. Десять раз поднимал. Жаль, ни разу не поднял))

[kipmaster]

С PGA309 нужно просто разобраться, потом написать методику калибровки и вуаля!
Ну а если у вас перспектива развития с применением цифровых протоколов - то тут без МК не обойтись.
Насчет апроксимации, мы снимали по 5 точек температуры и 5 по давлению - 5 степень получалась. Но потом можно было выбирать. У нас правда сенсоры довольно линейные были. У вас требования есть к тому что вы должны получить?

Требования очень общие. Точность на уровне 0,1-0,2%. Причем именно точность со всеми составляющими. По температуре бывает серьезный гистерезис. То есть от режима изменения температуры многое зависит. 5 точек по давлению и 5 по температуре: это 5 температурных коэффициентов для 5-ти коэф. по давлению, всего 25! Для эксперимента неплохо, но на практике больше половины коэффициентов выбрасываются, особенно если сенсоры линейные. Я хочу сэкономить на вычислениях, потому попробую другой подход. Но сначала нужно железо сделать.

[stoker]

И как сумели установить смещение нуля сенсора?
И каким способом в камеру вольтметр засовывали, чтоб он и померял качественно и не повлиял на показания? Или типа обратным отсчётом? А то при абсолютнике это ну очень смело
ЗЫ Я тоже как-то поднимал тепловоз ЭР200. Десять раз поднимал. Жаль, ни разу не поднял))

Интересно, вольтметр засовывать в камеру? Это что то новое, вы хотите ещё и ошибки вольтметра приплюсовать? И не понятно, что вы там собирались вольтметром мерить? Речь идёт о датчике 4-20 на PGA309, вот его только и засовывали.
Если речь про абсолютник, мы в нем ноль как таковой не устанавливали. Хотя все завислило от задачи, кто то просил нулём делать 1 Бару, на неё и калибровали. в общем случае ноль - вакуум - на него обычно не калибруют, а рассчитывают.
Смещение "нуля" учитывали в соответсвнно смещение на 1 Баре, далее расчет.
Да, ещё добавлю, точность как я уже указывал была 0,1% при этом. в диапазонах -10 +60.
Естесвенно все после калибровки потом проверялось. Абсолютники ещё дополнительно проверялись на 0,3 Барах (откачивали насосом) все держалось в норме.

Сообщение отредактировал stoker - Nov 13 2007, 10:20

[sensor_ua]

Уж не помню, но вроде при работе с родным exel-евским конфигуратором/программатором нужно было для температурной компенсации вводить напряжение смещения нуля сенсора. Другого варианта не предлагалось. Соответственно температурная компенсация ухода нуля самого усилителя вне области определения. С избыточниками тоже нужно было вводить значение этого самого смещения. И, насколько помнится, не только для НУ. Обратный расчёт для смещения нуля в первом случае вааще не имеет смысла, а во втором получается попадание в область нижнего свинга усилителя Особенно это интересно при отрицательных смещениях нуля сенсора - их на выходе просто невозможно померить - только задать, померив на входе. Ну и шаг гейна не обещается линейным (если даже где-то повезло, то на такое рассчитывать низзя). Потому проверить хотя бы, чем обусловлена ошибка по выходу, уже само по себе вопрос.

[stoker]

Уж не помню, но вроде при работе с родным exel-евским конфигуратором/программатором нужно было для температурной компенсации вводить напряжение смещения нуля сенсора. Другого варианта не предлагалось. Соответственно температурная компенсация ухода нуля самого усилителя вне области определения. С избыточниками тоже нужно было вводить значение этого самого смещения. И, насколько помнится, не только для НУ. Обратный расчёт для смещения нуля в первом случае вааще не имеет смысла, а во втором получается попадание в область нижнего свинга усилителя Особенно это интересно при отрицательных смещениях нуля сенсора - их на выходе просто невозможно померить - только задать, померив на входе. Ну и шаг гейна не обещается линейным (если даже где-то повезло, то на такое рассчитывать низзя). Потому проверить хотя бы, чем обусловлена ошибка по выходу, уже само по себе вопрос.

Вообще говоря, мы от Ехелевского отказались сразу, программист написал на билдере полностью свой калибратор. Писали по документации и проблемм никаких не было. Этой темой мы занимались более 1,5года назад, так что щас я уже не понмню многих нюансов в работе с pga309. Но вроде проблемм, которые вы описываете у нас не возникали, хотя может быть и возникали, но все это решилось в итоге. Были мосты и с переломами в нуле, тоже все работало. Кстати у нас калибровалась полностью система сенсор - ПГА - ХТР116, и все температурные нелинейности электроники оказывались скомпенсированными. Микруха очень хорошая, но мы упёрлись в собственный гистерезис сенсора и шаг подстройки, она не давала получать точности лучше 0,1, да и к тому же ошибка в определении 1 точки существенно снижала всю точность. Насчет шага, я помню мы подстраивали по 2 раза параметры для достижения лучшей точности. Главное приемущество - себестоимость электроники, и возможность калибровать одновременно 16 и более датчиков в термокамере, благодоря отсутсвию подстроечных резисторов нуля и диапазона.

Сообщение отредактировал stoker - Nov 13 2007, 16:17

[sensor_ua]

Вообще говоря, мы от Ехелевского отказались сразу, программист написал на билдере полностью свой калибратор. Писали по документации и проблемм никаких не было.

Так возможно обойти пожелания родного конфигуратора. Но смещение на входе нужно либо замерить, либо придумывать итерационные варианты с установкой разных смещений и усилений. Если считать, что изменение каждого из усилений/добавок самой PGA309 как минимум монотонное, то задача может несколько упроститься (некоторые экземпляры имели действительно малые ошибки собственных начальных смещений). Но я верю бумаге. И проверяли не только по формулам. Ну и диапазон по питанию брали шире - до минус 40. Ещё одна исходная проблема - они не умеют с S-образной характеристикой нелинейности сенсора работать, а такие бывают. Реально лучше 0.15% основной погрешности заявлять по ним нельзя (метрологи запасик раза в три хотят) и TI пишет то же.
На сегодня при разнице в цене с C8051F350 (6.5-3) в 3.5 бакса - (стоимость сенсоров для обеспечения подобных точностей много больше - например, те же 19-е от Honeywell начинаются со 120 баков вниз) их применение нецелесообразно. Что касается включения большого количества параллельно в камере, то HART вполне позволяет работать в режиме Multidrop при калибровке основного преобразования. Кроме того PGA309 при включении с токовым выходом требует развязок по интерфейсу между соседними по питанию (земля интерфейса-то куда-то в серединку схемы попадать должна). Конечно, это вопрос подготовки технологической оснастки, но этой фигнёй тоже нужно заниматься, хоть и один раз. Ну и последнее - подстройка нуля шкалы и максимума по месту (4 и 20 мА) - это вааще не предусмотрено. В "умном" девайсе это обычно делается двумя кнопками (у нас одна). Та же фигня с начальным смещением у перепадников от наклона и прочего после установки. Ну и самое последнее - если захочется прицепить индикатор, то приплыли - только отдельным девайсом - мерить ток в петле