Термостабилизация измерительного прибора, Методы обеспечения термостабилизации Опции

[Noob_Student]

Разрабатываю прецизионный мультиметр. Встало несколько вопросов о организации термостабилизации:
1. Какую литературу/статьи посоветуете по данной тематике? Именно по практической части, полно статей и книг, где описываются физические основы работы различных термоэлектрических элементов, это не интересно. Интересно как именно это реализовать. Т.е. мне термоэлемент с обратной стороны приклеить на термопасту к печатной плате (ну или через защитный экран) и удерживать определенную температуру, или к каждой микросхеме в тракте (ОУ и АЦП) приклеивать непосредственно термоэлементы? Или печатная плата помещается в корпус, в котором поддерживается определенная температура, без непосредственного контакта печатной платы и ее компонентов с термоэлектрическими элементами?
2. Оправдано ли использование печатных плат на основе алюминия для уменьшения температурных градиентов и выравнивания температуры по поверхности всей ПП? Знаю, что они используются для отвода тепла по большей части, поэтому и встал вопрос о адекватности такого решения.
3. Применяются ли методы коррекции систематической погрешности, вносимой температурой? Т.е. не фиксация температуры устройства, а просто коррекция результатов измерений на основе температуры, измеренной датчиками?

Заранее благодарен за любую помощь

[MegaVolt]

Разрабатываю прецизионный мультиметр.

О какой точности идёт речь что понадобилась термостабилизация?

Какая точность выходит по расчёту без стабилизации? В каком диапазоне температур?

[Noob_Student]

О какой точности идёт речь что понадобилась термостабилизация?

Какая точность выходит по расчёту без стабилизации? В каком диапазоне температур?

Нужна точность лучше 1 ppm за сутки (точность за год скорее внутренним калибратором определяется, это пока не важно), разрешение 10 нВ на диапазоне до 1 В, 100 нВ до 10 В, 1 мкВ до 100 В и 10 мкВ до 1000 В. Это по постоянному току. Дальше все в этом духе, пока бы по постоянному току решить. Полное ТЗ объемное, не готов выложить, если что-то конкретное интересует, то могу указать.
Есть макет без стабилизации - в режиме без делителя разрешение достигнуто, но нуль "плавает" в пределах +- 1 мкВ при комнатной постоянной температуре(диапазон до 2В). В диапазоне с делителем (>2В) все плохо - хоть и выбрал резюки с малым ТКС, но нуль уплывает вплоть до 10 мВ за десять минут. Предполагается использовать в лабораторных условиях, т.е. диапазон от 15 до 40 С наверное.

Естественно есть всякие автоустановки нуля, компенсации смещения нуля (chopper mode), но когда за счет делителя на 10 мВ уплывает это не очень помогает.

[sergeeff Jr.]

Выложи схемку (проблемную часть), будем думать...

[magnum16]

Вот пример термостабилизации опоры https://xdevs.com/article/kx-ref/
Чтобы делители не уплывали их можно так делать https://xdevs.com/article/res_f8846a/

Сообщение отредактировал magnum16 - Jul 4 2018, 09:14

[MegaVolt]

Увы задача не реальная.

Либо реальная но для небольшой конторы которая будет работать над ней годиков этак 5-10.

Начнём.

Нужна точность лучше 1 ppm за сутки

Смотрим существующие аналоги. HP 3458a 0,55ppm при условии что температура градус в градус равна температуре калибровки. Т.е. термостатировать нужно весь прибор.
Смотрим дальше Keithley 2002 1,2 ppm

Причём это наилучшая точность на диапазоне АЦП. Т.е. без делителей

Это лучшие из существующих мультиметров. Первому уже лет 30 и до сих пор нет замены аналогичной.

разрешение 10 нВ на диапазоне до 1 В, 100 нВ до 10 В

Это 9 знаков!!!!! Такого в мире нету вообще. Все остановились на 8.

Причём физики говорят про не невозможность переноса напряжения от квантового эталона точнее по моему 0,2 ppm.

В диапазоне с делителем (>2В) все плохо - хоть и выбрал резюки с малым ТКС, но нуль уплывает вплоть до 10 мВ за десять минут.

У всех вышеизложенных приборов делители сделаны кастомные с лазерной подгонкой.

Предполагается использовать в лабораторных условиях, т.е. диапазон от 15 до 40 С наверное.

Тогда придётся попрощатся с 1 ppm.

Естественно есть всякие автоустановки нуля, компенсации смещения нуля (chopper mode), но когда за счет делителя на 10 мВ уплывает это не очень помогает.

Само собой. Это уже проблема физики материалов а не электроники.

Можно попробовать глянуть в сторону ШИМ делителей.

А вообще брать и изучать схемы всех 8 разрядных мультиметров что есть. Благо их порядка 10 штук было за всю историю человечества.

И сделать с нуля мультиметр который будет круче это отличная задача. Но что-то мне подсказывает что она не решаемая.

[iliusmaster]

1. На "детском" Форуме радиокот, иногда решаются не детские вопросы метрологической точности измерений. Поспрашивайте там MICKLE.
https://radiokot.ru/forum/viewtopic.php?f=1...&start=2600
На 130 странице форума они описывают, как сделали полный реверс инжениринг 8,5 разрядного японского мультиметра.
Знаний у них хватит, чтобы проконсультировать.
2. Xdevs очень хорошо разбирается в измериловке. Может сильно помочь, если захочет.
3. Есть зарубежные форумы любителей измериловки, там тоже бывают крупные специалисты. И описываются решения для УЛУЧШЕНИЯ качества 8,5 разрядных мультиметров.
4. Готовьтесь к ГИГАНТСКИМ расходам на отбраковку микросхем ИОН и прецизионные резисторы.
Прецизионные резисторы Vishay или есть Пензенский НИИЭМП, который может изготовить прецизионные резисторы и матрицы не хуже Vishaya, так еще и отбраковку по ТКС может провести, связывайтесь с ними.

[MegaVolt]

1. На "детском" Форуме радиокот, иногда решаются не детские вопросы метрологической точности измерений. Поспрашивайте там MICKLE.
https://radiokot.ru/forum/viewtopic.php?f=1...&start=2600
На 130 странице форума они описывают, как сделали полный реверс инжениринг 8,5 разрядного японского мультиметра.
Знаний у них хватит, чтобы проконсультировать.
2. Xdevs очень хорошо разбирается в измериловке. Может сильно помочь, если захочет.

Ещё есть eeblog. До кучи.

[Noob_Student]

Выложи схемку (проблемную часть), будем думать...

да там нечего особо выкладывать, обычный резистивный делитель для дифференциального сигнала, упрощенную схемку прикрепляю (понятно, что прям таких номиналов всех резюков и конденсаторов нет, они набираются параллельным и последовательным соединением стандартных номиналов). Насчет частотной коррекции делителя не уверен, нужна ли, им (мультиметром) вообще-то больше 50 кГц переменки измерять точно не планируется, но я на всякий сделал. Моя главная ошибка - что я стал делитель собирать из отдельных резюков, ТКС хоть и маленький, но не равный у них, надо согласованные резистивные сборки покупать. Но даже у таких сборок коэффициент имеет нестабильность минимум 10 ppm/ С, так что в любом случае надо термостабилизацию делать.

Вот пример термостабилизации опоры https://xdevs.com/article/kx-ref/
Чтобы делители не уплывали их можно так делать https://xdevs.com/article/res_f8846a/

Интересно, спасибо большое, сижу изучаю сейчас) Вот тоже планирую делитель потипу такого (Fluke P/N 2464707 reference/gain precision hermetic resistor) заказать, один в один не знаю где купить, но позавчера нашел декадный делитель с 10 ppm/ C (EBG C15 T3-X), думаю подойдет, всяко лучше, чем из отдельных собирать. Ну и термостабилизацию в любом случае надо.

Увы задача не реальная.

Либо реальная но для небольшой конторы которая будет работать над ней годиков этак 5-10.

Начнём.


Смотрим существующие аналоги. HP 3458a 0,55ppm при условии что температура градус в градус равна температуре калибровки. Т.е. термостатировать нужно весь прибор.
Смотрим дальше Keithley 2002 1,2 ppm

Причём это наилучшая точность на диапазоне АЦП. Т.е. без делителей

Это лучшие из существующих мультиметров. Первому уже лет 30 и до сих пор нет замены аналогичной.


Это 9 знаков!!!!! Такого в мире нету вообще. Все остановились на 8.

Причём физики говорят про не невозможность переноса напряжения от квантового эталона точнее по моему 0,2 ppm.

У всех вышеизложенных приборов делители сделаны кастомные с лазерной подгонкой.Тогда придётся попрощатся с 1 ppm.Само собой. Это уже проблема физики материалов а не электроники.

Можно попробовать глянуть в сторону ШИМ делителей.

А вообще брать и изучать схемы всех 8 разрядных мультиметров что есть. Благо их порядка 10 штук было за всю историю человечества.

И сделать с нуля мультиметр который будет круче это отличная задача. Но что-то мне подсказывает что она не решаемая.

Ну не 9 разрядный, а 8.5 разрядный и надо повторить собственно... Просто разборка мало что дает, у меня справа стоит сейчас один такой 8,5 разрядный мультиметр, и схемы его есть, но они очень ограниченную помощь оказывают.
Задача стоит не очень строго, понятно что с нуля сложно такое повторить, если будет чуть хуже не критично. Т.е. задача стоит как "сделайте настолько точный, насколько сможете, желательно как 8,5 разрядный". Лазерная подгонка не уверен что нужна, пусть у делителя будет коэффициент хоть 1 к 9 вместо 1 к 10, мне то какая разница, что на 10, что на 9 домножить в программе... Ну грубо говоря. Главное, чтобы он не изменялся. А любую систематическую погрешность можно скорректировать, главное чтобы флуктуаций не было. Тоже самое и с ИОН - плевать, какое там значение, главное чтобы оно не менялось. Есть только одно "но": нужна аппаратура для измерения этих величин с необходимой точностью. Т.е. надо выяснить, какой именно коэффициент у делителя с точностью до энного знака после запятой итд. Хотя программные вычисления тоже вносят ошибку, если их проводить с недостаточной точностью.
А так я задачу вижу следующим образом: разрабатывается аналого-цифровая часть, главные требования к которой низкий уровень шумов и малая флуктуация смещений и коэффициентов умножений. Т.е. малая случайная погрешность. Пусть у усилителей будет коэфф не 1000, а 997, смещение хоть микровольты. Главное чтобы это не плавало. Потом во время калибровки все систематические погрешности корректируются, и точность будет определяться уровнем шумов и флуктуацией характеристик. Чтобы флуктуации были меньше, необходимо избавиться от колебания температуры в приборе и переменных температурных градиентов. Поэтому я и озаботился вопросом термостабилизации. Про ШИМ делитель вообще не знал, спасибо, тоже изучу. Правда насколько я понял, им только постоянный ток делить можно...

1. На "детском" Форуме радиокот, иногда решаются не детские вопросы метрологической точности измерений. Поспрашивайте там MICKLE.
https://radiokot.ru/forum/viewtopic.php?f=1...&start=2600
На 130 странице форума они описывают, как сделали полный реверс инжениринг 8,5 разрядного японского мультиметра.
Знаний у них хватит, чтобы проконсультировать.
2. Xdevs очень хорошо разбирается в измериловке. Может сильно помочь, если захочет.
3. Есть зарубежные форумы любителей измериловки, там тоже бывают крупные специалисты. И описываются решения для УЛУЧШЕНИЯ качества 8,5 разрядных мультиметров.
4. Готовьтесь к ГИГАНТСКИМ расходам на отбраковку микросхем ИОН и прецизионные резисторы.
Прецизионные резисторы Vishay или есть Пензенский НИИЭМП, который может изготовить прецизионные резисторы и матрицы не хуже Vishaya, так еще и отбраковку по ТКС может провести, связывайтесь с ними.

Не ожидал такое на радиокоте увидеть, спасибо)

[Plain]

организации термостабилизации

Достаточно термостата для всех эталонов. Соответственно, если бесперебойный, то как можно меньше размерами.

[prig]

Нужна точность лучше 1 ppm за сутки...
...
...хоть и выбрал резюки с малым ТКС, но нуль уплывает вплоть до 10 мВ за десять минут.
... но когда за счет делителя на 10 мВ уплывает это не очень помогает.

Если появляются цифры типа 1 ppm за сутки, без корректно составленных тех. требований что-либо обсуждать смысла нет.
Тем более, создаётся устойчивое впечатление, что Вы начинаете искать какие-то решения, даже не разобравшись с сутью проблем.
Так, ТКС резисторов делителя на уплывание нуля никак не влияет. Он может влиять на к-т деления, но это тоже решаемо.

[nicom]

........ До кучи.

...Можно добавить: начало "истоков"...... на 8 1/2 знаков

www.hpl.hp.com/hpjournal/pdfs/IssuePDFs/1989-04.pdf

Да и есть еще SOLARTRON 7081

https://www.google.com/search?q=SOLARTRON+7...280&bih=871

А не только ИОН и делитель главные источники погрешностей.....

...еще раз наступлю на "мозоль"... столкнулись с отсутствием "нормальных" доставаемых разъёмов для подключения входных кабелей ...
везде получали произвольное значение термо ЭДС контакта...
Причем - старые с "помойки!!!" разъёмы от старой прецизионной аппаратуры работают с минимальным вносом.

И таких "чудес" на каждом шаге...

[prig]

...
4. Готовьтесь к ГИГАНТСКИМ расходам на отбраковку микросхем ИОН и прецизионные резисторы.
...

Ну, с делителем хоть как-то решаемо. А вот ИОН и метрологическая проверка - это м.б. действительно больно.
Впрочем, я в такие игры уже давно не играю. Свят, свят.

[Noob_Student]

Если появляются цифры типа 1 ppm за сутки, без корректно составленных тех. требований что-либо обсуждать смысла нет.
Тем более, создаётся устойчивое впечатление, что Вы начинаете искать какие-то решения, даже не разобравшись с сутью проблем.
Так, ТКС резисторов делителя на уплывание нуля никак не влияет. Он может влиять на к-т деления, но это тоже решаемо.

Я не просил спроектировать за меня прибор, для ответа на мои вопросы не нужно знать ТЗ
Вы правы, ТКС почти не влияет на смещение нуля.
И да, с одной стороны я попросил практических советов тип "что куда приклеивать", а с другой нет ТЗ, но меня вполне удовлетворят ответы из разряда "вот в том то измерительном приборе было сделано так-то" и описание. И ТЗ на кучу страниц мало что даст, там просто перечисление метрологических характеристик.

Сообщение отредактировал Noob_Student - Jul 4 2018, 15:44

[Noob_Student]

...Можно добавить: начало "истоков"...... на 8 1/2 знаков

www.hpl.hp.com/hpjournal/pdfs/IssuePDFs/1989-04.pdf

Да и есть еще SOLARTRON 7081

https://www.google.com/search?q=SOLARTRON+7...280&bih=871

А не только ИОН и делитель главные источники погрешностей.....

...еще раз наступлю на "мозоль"... столкнулись с отсутствием "нормальных" доставаемых разъёмов для подключения входных кабелей ...
везде получали произвольное значение термо ЭДС контакта...
Причем - старые с "помойки!!!" разъёмы от старой прецизионной аппаратуры работают с минимальным вносом.

И таких "чудес" на каждом шаге...

Спасибо) у меня как раз такой рядом стоит сейчас (3458A)