RTD и AD7718 - входные токи по REF Опции

[maharaj]

Делаю измерение температуры на платиновых RTD и АЦП AD7718. Два канала. Задействуются две пары входов (два дифф. входа) и еще пара REF2. Остальные входы АЦП и REF1 заняты для других измерений.

Собирался делать схем на основе типовой ратиометрической (например, как тут - двухканальная схема). Но обнаружился один нюанс и возникли сомнения. Подробнее опишу ситуацию и расчеты, потом задам вопрос.

Требуется довольно приличная точность измерений - 0.1 С. Так что выбраны датчики с бОльшим сопротивлением (1К), чтобы снизить влияние самонагрева. Рабочий ток 100-150 мкА.

Но у AD7718 довольно большой ток по входам REF (как и у других родственных АЦП AD77xx, для которых этот параметр вообще указан) - 0.5 мкА/В. На этом входе должно быть не менее 1 В, с запасом и для удобной шкалы - 2 В. Так что ток получается порядка 1 мкА - это лишь в 100 раз меньше тока через RTD.

Вопрос, как это может влиять на точность измерений. Температурный дрейф там очень мал (0.01 нА/В/С), но в целом про этот вход написано, что потребляемый ток меняется ("input impedance of each reference input is dynamic", стр. 33 дэйташита). Изменение этого тока на 1/10, то есть на 0.1 мкА, даст ошибку в измерениях в 0.25 С.

Если же этот ток не меняется (или меняется менее, чем на 1%), его влияние учтется при калибровке и не будет заметно.

Но! Я хочу использовать схему для двух каналов - два RTD последовательно. Но реально может быть подключен только один датчик. Тогда второй вход достаточно замкнуть. Рабочий ток несколько изменится, но ратиометрические измерения не чувствительны к этому. Если только нет добавочного тока, а он как есть - этот самый входной ток референсного входа!

При замыкании одного входа ток изменится 2-3%. Калибровка разбалансируется на такую же величину и получится ошибка, которая может превышать 0.1 С. То есть калибровка будет зависеть от того, включен один датичик или два (и вообще - датчики начинают влиять друг на друга). Калибровать на оба варианта - нереально.

Вторая проблема: напряжение на вход REF приходит с довольно большого сопротивления (10-15К). В дэйташите (та же стр. 33) говорится, что в таких случаях _не рекомендуется_ подключение конденсаторов между входами REF. Но датчики у нас выносные, провода до 3-5 м, среда не самая плохая в смысле электромагнитных помех, но все же - кабелей и приборов вокруг множество. Совсем без фильтрации по входу - боюсь могут быть проблемы с наводками...

И вообще - не вполне ясно, как влияет такое сопротивление по входу REF на работу АЦП и точность измерений.


Так вот вопрос - что с этим делать:
1) Замыкать вход второго датчика не накоротко, а аналогичным сопротивлением (1К), или же как-то иначе обеспечить малое изменение тока. (Но проблема помех остается.)

2) Поставить перед входом REF добавочный буферный повторитель с низким выходным сопротивлением (а перед ним можно уже сделать фильтрацию). Референсный резистор в указанноый выше схеме поставить в другое место - вниз, под датчики, на землю - тогда нужен только один повторитель перед REF(+), а REF(-) и нижний конец резистора сидят на земле.

3) Отказаться от готовой ратиометрии и измерять отдельно два напряжения - на датчике и потом на референсном резисторе - входы AIN очень высокоомные, токи не более 1 нА, описанных выше проблем не будет. Но нужно будет обеспечить малошумность тока, чтобы он не менялся между последовательными измерениями (вроде не сложно).
В этом варианте придется делить числа программно, в микроконтроллере.

4) Забить и сделать по-простому, авось проканает. Этот вариант мне почему-то нравится менее всего.

[Tanya]

Требуется довольно приличная точность измерений - 0.1 С. Так что выбраны датчики с бОльшим сопротивлением (1К), чтобы снизить влияние самонагрева. Рабочий ток 100-150 мкА.

Но! Я хочу использовать схему для двух каналов - два RTD последовательно. Но реально может быть подключен только один датчик. Тогда второй вход достаточно замкнуть. Рабочий ток несколько изменится, но ратиометрические измерения не чувствительны к этому. Если только нет добавочного тока, а он как есть - этот самый входной ток референсного входа!

При замыкании одного входа ток изменится 2-3%. Калибровка разбалансируется на такую же величину и получится ошибка, которая может превышать 0.1 С. То есть калибровка будет зависеть от того, включен один датичик или два (и вообще - датчики начинают влиять друг на друга). Калибровать на оба варианта - нереально.

Немного несогласная я.
Десятая градуса - это неприличная точность. Еще бы знать диапазон изменения...

Странные вещи Вы пишите...
С двумя последовательными датчиками все нормально, а одним датчиком уже нельзя температуру измерять?
Это интересная новость.

Саморазогрев датчика, который стационарно закреплен, не так страшен, как его малюют... Поверьте.
Это важно только для плохого - неконтролируемого теплообмена...
В Вашем случае 1 ма может вызвать ошибку в десятую градуса только на миллиметровом датчике без подложки, висящем в воздухе...
Без проводов... Или в вакууме. Это навскидку...
Можно импульсно питать еще... Если часто не нужно. Только время между подачей питания и измерением контролировать. точность-чувствительность повышается.

Напишите, что Вы собираетесь экономить, применяя такие изысканные заморочки...
Почему датчиков два? Они в одном месте стоят?

[maharaj]

Десятая градуса - это неприличная точность. Еще бы знать диапазон изменения...

В каком смысле "неприличная" - слишком малая или наоборот слишком высокая?
Точность такая нужна в диапазоне от 0 С до +50 С.
На самом деле задача - это термостатирование. И требование 0.1 градуса - это к поддержанию температуры. А измерять надо, видимо, несколько точнее.

Напишите, что Вы собираетесь экономить, применяя такие изысканные заморочки...
Почему датчиков два? Они в одном месте стоят?

Экономить? Ничего не собираюсь. Наоборот - хочу сделать плату с большим запасом и избыточностью. Так как никто пока точно не знает, что именно понадобится в итоге. Делаем устройство для себя, в одном экземпляре - какая уж тут экономия. Ну то есть экономия есть - своих усилий, чтобы потом не переделывать.

Датчиков два, так как то место, где хотим навести термостатирование - оно на самом деле не очень для термостатирования подходит, так как не очень-то закрыто от внешней среды. Но тут ничего сделать нельзя - это часть научной установки, и закрыть исследуемые образцы в настоящем термостате не можем - они под объективом микроскопа. Вот пытаемся сделать термостатирование "на месте". Применяя разные хитрости.

Да, не всегда мы сможем засунуть рядом с образцом второй датчик - это зависит от конкретных условий эксперимента. Так что в этих случаях придется довольствоваться одним, который чуть дальше от непосредственно интересующей нас точки (образца, который под микроскопом).

Странные вещи Вы пишите...
С двумя последовательными датчиками все нормально, а одним датчиком уже нельзя температуру измерять?
Это интересная новость.

Это не новость, а результат расчетов. Измерять, конечно, можно. Но точность может немного съехать. Все написал выше (в 1-м сообщении).

Саморазогрев датчика, который стационарно закреплен, не так страшен, как его малюют... Поверьте.
Это важно только для плохого - неконтролируемого теплообмена...
В Вашем случае 1 ма может вызвать ошибку в десятую градуса только на миллиметровом датчике без подложки, висящем в воздухе...

Верно. 1 мА на 100 Ом - это 0.1 Вт мощности. Для предполагаемых к использованию мелких датчиков с 0.6 С/Вт это даст 0.06 С от самонагрева. У нас датчик будет не совсем в стационарных условиях. Хотя, конечно, не в воздухе. Скорее всего, вы правы, и реальный самонагрев будет мал и некритичен (даже с сумме с другими источниками ошибок).

[Tanya]

Верно. 1 мА на 100 Ом - это 0.1 Вт мощности. Для предполагаемых к использованию мелких датчиков с 0.6 С/Вт это даст 0.06 С от самонагрева. У нас датчик будет не совсем в стационарных условиях. Хотя, конечно, не в воздухе. Скорее всего, вы правы, и реальный самонагрев будет мал и некритичен (даже с сумме с другими источниками ошибок).

Все вы путаете... В 1000 раз ошибаетесь... Объясните, зачем два датчика, если они в разных местах... И зачем их последовательно соединять...
Если это у Вас самодельная единичная вещь... И нужно очень локально измерять температуру, то может, тонкая-тонкая термопара лучше будет? Есть еще волластоновые платиновые проволоки 5-10 микрон.
А точность десятая градуса... практически, не точность...

[maharaj]

А точность десятая градуса... практически, не точность...

В смысле 0.1 С - недостойная задача для серьезного разработчика?
А какая достойная - 0.01 С, 0.001 С?

Все вы путаете... В 1000 раз ошибаетесь...

Не надо придираться к опечатке. Ясно же, что там не Вт, а мВт.
Но вообще надо сказать, что приводимое в дэйташите на датчики значение 0.6 K/mW не похоже на коэффициент в воздухе. Слишком мало. Примерно такое же тепловое сопротивление у аксиального резистора 0.125 Вт, который во много раз крупнее нашего датчика (размер датчика 1.7х1.3х1мм).

Объясните, зачем два датчика, если они в разных местах... И зачем их последовательно соединять...

Два датчика потому, что в некоторых случаях нужно измерять температуру в нескольких местах. Вызвано это тем, что температура различных предметов может отличаться - даже если они находятся в одной комнате. Понимаю, что кому-то это может показаться странным, но что поделаешь - это физический факт.

Измерять же одним датчиком температуру сразу в двух местах мы еще не научились. Пытаемся, но увы...
Вот в следующем квартале начнем осваивать квантовую телепортацию, и тогда...

Зачем соединять датчики последовательно: вижу Вы совсем не в теме - такое соединение (2 или большего числа датчиков) используется часто. Это типовое решение, многократно описанное в дэйташитах, апноутах и статьях.
Например, посмотрите схему в WP от Девиц - стр 3, рис. G1.

Такое решение позволяет использовать один общий для всех них прецизионный резистор и общий референсный вход для ратиометричского измерения. Через всю цепочку (датчики и резистор) идет один и тот же ток. Но измерения для каждого датчика производятся независимо и вообще говоря датчики тут друг на друга влиять не должны. Такое решение - альтернатива коммутируемым датчикам.

Если это у Вас самодельная единичная вещь...

Давайте будем это называть не "самодельная", а custom. Делаем сами не потому, что хотим дешевле, чем готовое фирменное, а потому, что того, что нам нужно - готового нет. Это вообще типично для наших приборов - такие задачи.
С точки зрения качества сделать нужно не хуже фирменного прибора. Это не первое наше устройство (и, надеюсь, не последнее ). Платы сделаем на заводе, монтаж - тоже профессиональный. А разработка/отладка - да, своя.

И нужно очень локально измерять температуру, то может, тонкая-тонкая термопара лучше будет? Есть еще волластоновые платиновые проволоки 5-10 микрон.

Не могли бы Вы подсказать конкретную марку такой термопары (производителя, модель, где купить )?

Хотя, вообще говоря, термопары не так удобны для точных измерений как RTD. Вы же понимаете, какие там возникают проблемы при необходимости получить точность 0.1 С.

"Проволока 5-10 микрон" - и что мне с ней делать? Мне нужен щуп, который экспериментатор сможет опускать в жидкость рядом с образцом. Неужели я буду делать из этой проволоки самодельный RTD - по крайней мере все описанные выше проблемы измерений тут будут. И еще больше.

[Tanya]

В смысле 0.1 С - недостойная задача для серьезного разработчика?
Зачем соединять датчики последовательно: вижу Вы совсем не в теме - такое соединение (2 или большего числа датчиков) используется часто. Это типовое решение, многократно описанное в дэйташитах, апноутах и статьях.
Например, посмотрите схему в WP от Девиц - стр 3, рис. G1.

Такое решение позволяет использовать один общий для всех них прецизионный резистор и общий референсный вход для ратиометричского измерения. Через всю цепочку (датчики и резистор) идет один и тот же ток. Но измерения для каждого датчика производятся независимо и вообще говоря датчики тут друг на друга влиять не должны. Такое решение - альтернатива коммутируемым датчикам.
Не могли бы Вы подсказать конкретную марку такой термопары (производителя, модель, где купить )?

Приличная точность начинается от тысячной. До миллионных. Дальше - не в курсе.
Сразу бы и написали, что на резисторах хотите экономить. Вот пишите про один и тот же ток... А выше, что неудобно... Мостовые схемы лучше.
Вам бы взять хороший счетверенный ОУ и три проволочных резистора (один переменный или магазин сопротивлений), и стрелочный прибор.
Получился бы и измеритель и ПИД регулятор...
Продолжаю Вас уверять, что в жидкости можно допустить саморазогрев много больший, чем десятая градуса. Можете проверить, меняя ток.
Термопары делают в тех местах, где делают неселективные фотодетекторы - болометры. Термостолбики. Там термопары последовательно стоят. И не десятую там измеряют...
Кстати... А как с разогревом датчика и среды лучом подсветки микроскопа?

[maharaj]

Приличная точность начинается от тысячной. До миллионных. Дальше - не в курсе.

Долго смеялся. Миллионная градуса - это прекрасно!
Вообще-то, и тысячная градуса не имеет физического смысла - в объекте размером больше 1 мм в разных его частях температура отличается сильнее, так что никакой единой температуры с такой точностью уже нет. Только если для нанообъектов, но там, увы, термодатчики неприменимы.

Вы явно не осознаете такого простого факта, что 0.1 С - это вовсе не точность 10%, как Вам, судя по всему, кажется. На самом деле все иначе: типично на датчике RTD падает порядка 100 мВ. Изменение температуры на 1 С дает изменение наряжения на 0.4 мВ. А 0.1 С - на 40 мкВ. Чтобы измерить с точностью 0.1 С нужно уметь измерять это напряжение с ошибкой меньше этих самых 40 мкВ, что в относительных величинах составляет 0.0004. Меньше тысячной.

В нашем случае, как я уже не раз говорил, требования более жесткие. Нам нужна не "средняя точность 0.1 С", а максимальная ошибка _не более_ этого значения. Это предельное значение. В таком случае средняя (типичная) точность измерений должна быть еще в разы меньше. 1 десятитысячная тут самое слабое требование.

Сразу бы и написали, что на резисторах хотите экономить.

И опять я долго смеялся. Резистор стоит 1 (прописью: "один") доллар. Пока я тут трачу время на не очень содержательные беседы с Вами, стоимость этого моего рабочего времени многократно больше цены резистора или десятка резисторов.

Не в резисторе дело. У АЦП один вход REF (у AD7718 их два, но один у нас уже занят). А для каждой ратиометрической цепи (прециз. резистора) нужен отдельный такой вход. Так что на одном АЦП можно измерять один датчик. Или же их надо коммутировать. Или же их надо включать последовательно. Ой, и только не говорите мне, что надо на каждый датчик взять свой АЦП. Это уже будет даже не смешно.

Вам бы взять хороший счетверенный ОУ и три проволочных резистора (один переменный или магазин сопротивлений), и стрелочный прибор.

Таня, нужно и меру знать. Действительно уже не смешно.

Продолжаю Вас уверять, что в жидкости можно допустить саморазогрев много больший, чем десятая градуса.

Да конечно можно! Вот кипятильник работет с большим нагревом и как хорошо работает!

Термопары делают в тех местах, где делают неселективные фотодетекторы - болометры.

То есть моделей Вы не знаете. Почему-то я не удивлен.

А как с разогревом датчика и среды лучом подсветки микроскопа?

Среда прозрачная. Объекты в ней - микроскопические. Это живые клетки. Их мало (единицы).

[Tanya]

Долго смеялся. Миллионная градуса - это прекрасно!


И опять я долго смеялся. Резистор стоит 1 (прописью: "один") доллар. Пока я тут трачу время на не очень содержательные беседы с Вами, стоимость этого моего рабочего времени многократно больше цены резистора или десятка резисторов.

Не в резисторе дело. У АЦП один вход REF (у AD7718 их два, но один у нас уже занят). А для каждой ратиометрической цепи (прециз. резистора) нужен отдельный такой вход. Так что на одном АЦП можно измерять один датчик. Или же их надо коммутировать. Или же их надо включать последовательно. Ой, и только не говорите мне, что надо на каждый датчик взять свой АЦП. Это уже будет даже не смешно.


Таня, нужно и меру знать. Действительно уже не смешно.


Среда прозрачная. Объекты в ней - микроскопические. Это живые клетки. Их мало (единицы).

Хорошо смеется тот, кто умеет. И Вы меня насмешили рассуждениями о температуре. И не только.

Так и не поняла, что Вы экономите... Даже где еще больше скажу - можно даже 10-разрядный АЦП контроллера использовать... при таком диапазоне и точности....
А нагрев подсветкой - это тут самое серьезное.
А термостолбики мой знакомый доставал. Где, я не знаю.

[maharaj]

Даже где еще больше скажу - можно даже 10-разрядный АЦП контроллера использовать... при таком диапазоне и точности....

Флаг Вам в руки - вот в своих разработках Вы и будете использовать хоть 10-битные, хоть 8-битные АЦП, хоть 4-битные. Что Вы там намеряете - Ваше дело. Я же глупостями заниматься не собираюсь. И разговоры на таком уровне мне также неинтересны.