Привет.

Требуется измерить ток на выходе датчика с унифицированным сигналом 4-20мА. Измерить весьма точно - 0.01% от измеряемой величины. Токоизмерительный резистор может включаться как возле земли, так и возле питания (до 24В). Соответственно имеется и синфазное напряжение.
Плюс ко всему нужны три канала.

Больше всего меня смущает, что надо мерить как без синфазной составляющей, так и с ней.
Берем усилитель с КОСС 120 дБ, что дает 24мкВ ошибки при синфазном 24В. Что уже неприемлемо.

Как можно решить данную задачу? Что за схемотехника входного усилителя здесь используется?

А что за датчик, что измеряет с точностью 0.01%?

Да не, скорее всего как всегда, попутана точность с разрешением, ну и насчёт мифического синфазного напряжения у токовой петли — тем более сказки.

Y1453100R000V9L

Я не говорю о точности датчика. Я говорю о точности измерения тока на выходе датчика.


Не как всегда. Я не перепутал разрешение с точностью.

Я не совсем в теме как меряют ток в токовой петле. Поясните, что вы подразумеваете под мифическим синфазным напряжением.

Для измерения тока с точностью 0,01% требуются эталоны сопротивления и напряжения с погрешностями 0,0015%.


Исходя из своего названия, интерфейс "токовая петля" содержит только сигнальный ток и больше ничего, т.е. это в идеале изолированная от всего остального схема, а в реале, соответственно, качество этой изоляции выражается в виде синфазного тока, для подавления которого требуется дифференциальная схема измерения, т.е. одинаковые эталоны сопротивления в каждом из двух проводов, одинаковые эталоны напряжения у двух измерителей и синхронные измерения.

Хотелось бы увидеть обоснование. И желательно с формулами.

А ток всегда течет по какой-то петле, других вариантов протекания тока не существует.
Если 20 мА дает на выходе преобразователя ток-напряжение 5 В, а 4 мА, соответственно, 1 В, то 24 мкВ по отношению к 1 В меньше 0,01%. Чем это неприемлемо-то?

Вот посмотрим на характеристики keithley 2000.
Через год после калибровки для измерения в диапазоне 100 миллиампер погрешность 500ppm от измеренного + 800ppm от диапазона. А Вы хотите 100...

Элметро Кельвин 0.0065% от измеряемой величины;
Fluke 709 0.01% Но с ним понятно. Он одноканальный и там есть варианты.

Я хочу не невозможного.


Измеритель, которым я буду мерить напряжение на выходе преобразователя имеет верхний предел - 1В, что ухудшает приведенные расчеты в 5 раз. Плюс погрешность измерителя напряжения.

Я Вас поняла так, что Вы хотите сделать такое самостоятельно...
Ваш первый вариант - там непонятно, как дела с временной стабильностью.
Так Вам нужен готовый прибор? Тогда непонятен выбор раздела для топика.

Так это же вроде как прописная истина: эталон должен быть в 5 - 10 раз точнее поверяемой величины

А сможете эту "прописную истину" математически строго доказать?

Нет, пользуюсь ей как аксиомой)

Я так и предполагал.. Зайдем с другой стороны..

Вот у меня есть эталон - обычная линейка, цена наименьшего деления которой равна одному миллиметру.
Могу я с помощью этой линейки с миллиметровой точностью измерить ширину экрана своего планшетного компьютера или мне нужно искать линейку имеющую точность в 10 микрон?

Wiki:

ну вот, вы сами всё и подтвердили
измеряя 1мм линейкой с ЦМД 1мм, вы будете крутиться около погрешности 1мм, округляя полученные измерения

Пусть у вас есть эталон 10 условных единиц с точностью 1%. Т.е. размер эталона будет попадать в диапазон 9,9...10,1у.е.
Вы желаете калибровать по нему свои копии и надеетесь на их точность тоже 1%
И вот попался вам эталон, имеющий фактическое значение 10 -1%, т.е. 9,9
Тогда ваши копии будут иметь диапазон 9,8...9,99у.е., т.е. нифига не 1%

Взяв эталон на порядок выше точностью, сможете добиться своих 1%.

Вы давно сдавали эту линейку на госповерку? Когда будете сдавать - поинтересуйтесь чем они ее там поверяют - такой же линейкой или чем-то поточнее.
Тут речь идет о том, что для измерения с точностью в 1% вам компоненты в схеме нужны в три-пять раз точнее. И самое противное - стабильные. Резистор - увы, не линейка, плывет со временем намного сильнее.
В целом задачу вы поставили очень сложную. Наверное, реализовать такую точность можно только в лабораторных условиях.

Да, сделать самому. Для одноканального варианта я представляю как добиться такой точности, а для трех канального - нет.
Вопрос в схемотехнике входного преобразователя. Конкретно, как сделать инструментальный усилитель с большим КОСС

Так, а чего гадать-то? В ДШ приведен график:
Нажмите для просмотра прикрепленного файла
Из графика можно сделать вывод, что со временем плывет, но меньше чем 80 ppm за 10 лет.
Ну и периодические поверки никто не отменял..


Да это не я поставил, это ТС.. С него и спрашивайте..


Пардон, за мой плохой французский, но я бы сделал гальванически развязанную схему из CN0194 с заменой АЦП на AD4011 или подобный.

А у Вас есть эталонное напряжение с такой стабильностью?
Вы еще скорость не сказали.

А если взять усилитель с CMRR: 150dB (Typ) LTC2057?

Linear, кстати, рекомендует делать на этом ОУ фильтрацию опоры: EDN.

Ну и вопрос про источник опорного напряжения тоже интересен.

Не пойдет - товарищ сказал же, что у него одноканальный такой есть. Ему трехканальный нужен.
Подождать надо, может, еще что-то будет интересное - про пятую приемку, например.

Насколько большим-то? Ничего ж ещё не озвучено — ни полоса помехи, ни амплитуда.

Это подмена понятий. Вы же не ширину экрана собираетесь мерить линейкой с миллиметровой точностью, а изготовить другую линейку, такой же точности, при помощи этой, так?

Нет, не так.

ТС собирается с помощью своего прибора измерять ток в цепи с точностью 0.01% и не собирается поверять своим прибором другие амперметры имеющие точность 0.01%..

Так?

Полоса - условно постоянный ток. Ну или для определенности, до 0.1 Гц.
Опора - 2.5ppm/°C, термостатированная до 0.02°С (пик-пик колебаний температуры). Слегка шумноватая, но АЦП давит этот шум. По долговременной стабильности - пока не знаю.

Точность моего измерителя напряжения - 0.003% в диапазоне ±1В.
КОСС для входного преобразователя в 140 дБ хватит всем мне хватит, при условии преобразования входного тока 4-20мА в 200-1000мВ.

Опора - 2.5ppm/°C, термостатированная до 0.02°С (пик-пик колебаний температуры). Слегка шумноватая, но АЦП давит этот шум. По долговременной стабильности - пока не знаю.
Сложности не только в стабильности температуры.... Какова у вас точность от включения к включению, а точность поддержания температуры кристалла стабилитрона в "опоре"?

Расскажите подробнее об "опоре".... Что за чудо обеспечивает метрологические характеристики лучше чем правильно приготовленная LTZ1000? А производители такой "измериловки" LTZ1000 еще отбирают и состаривают под контролем. Чтобы долговременная стабильность была да и полка фликкер-шума была не особо высокой.

Может там у вас и резисторы VISHAY 0,005% состаренные?
АЦП и фликкер шум задавит? Да еще на уровне 2,5ppm? Вы с какой частотой отсчеты получать будете?


Точность моего измерителя напряжения - 0.003% в диапазоне ±1В.

Что есть 30 ppm. Какое там у вас АЦП?
Вы понимаете, что ни одна серийно выпускаемая микросхема АЦП не обеспечивает требуемой вам точности. Все перечисленные вами измерительные приборы содержат в своем составе "железные" самодеятельные АЦП. Даже при все этом keithley 2002 в заданном диапазоне обеспечивает только 10 ppm стабильности в год.

Сделать измеритель такого уровня с бухты-барахты не получиться,
например погрешность токов утечки... например у вас входные сопротивления усилителя 1МОм, ток утечки по поверхности платы 1пА (в жизни бывает сильно-сильно больше), погрешность выхода получается уже 1ppm, причем ток этот не постоянной величины и зависит от влажности и запыленности. Тут выплывают эквипотенциальные защитные поверхности....
Еще пример - термо ЭДС, создался у вас градиент температуры по плате около 5 градусов, а это обычная величина, а у вас припой свинцово-оловянный, дорожки медные, а выводы микросхем в металле - коваровые, вот свои 5-10 мкВ вы уже поймали.

И таких камешков по дороге к вашей точности в 0,01% еще много!

Я не говорю, что это невозможно. Это во-первых- дорого, во-вторых - долго! Возьмите любой 6,5 разрядный вольтметр и пользуйтесь, производитель за вас уже все камешки с дорожки собрал.

Да, все это так.
Добавлю, что в 9 случаях из 10, когда задача формулируется полностью, а не только первый наспех надуманный вариант решения, то оказывается что и измерять-то так точно не нужно или измерять нужно не то и не там или вообще измерять не нужно, есть другие пути решения.

Петля, в подавляющем большинстве,— это интерфейс датчиков, типовая погрешность которых 0,5%. Нет никакого коммерческого смысла использовать её для чего-то другого, равно и выжимать что-то большее. Того же плана петрушкина работа изобретать калибратор, которых в продаже вагон и тележка.

Чтобы правильно решить задачу - нужно, для начала, ее правильно поставить.
Не в терминах "датчиков-точностей", которые Вы себе нафантазировали,
а в конкретном описании решаемой Вами проблемы, для начала...

Программист, которому поручена схемотехника или, еще печальнее, системотехника, достоин жалости и сочувствия.
А ведь чисто своим ремеслом мог бы заниматься , получая радость от жизни и радуя других.

Ну жалеть может быть нужно слабых и сирых, а лучше никого) А вот посочувствовать вполне можно. Но все люди! Было б желание.

"Для начала" необходимо разработать Техническое задание - основной документ, описывающий требования к конечному результату работы исполнителя.

Вынужден Вас поправить. Техническое Задание (ТЗ) - это уже конечный результат процесса, под названием "Постановка Задачи".
То, что написано в первом посту, вполне, можно считать готовым ТЗ. Однако, те требования по точности, которые там сформулированы,
вызывают естественный вопрос - а правильно ли выполнена постановка этой задачи?
Действительно ли нужно решать задачу именно таким способом?
Может, как-то по проще?

Хочется узнать , как обеспечивается необходимая погрешность измерения физической величины по каналу 4-20 мА, учитывая следующие особенности. Для начального значения физической величины Вы устанавливаете ток 4 мА
с погрешностью 0,01%. Это уже вызывает сомнение, но допустим. Предположим, что Вы измеряете значение физической величины , которой соответствует ток ток 4,4 мА. Этот ток тоже измеряете с погрешностью 0,01 %. На выходе имеете разность двух больших чисел 4,4 - 4,0 . По правилам относительная погрешность такой разницы в 20 раз больше погрешности измерения самой величины. Как Вы это обходите?

ТЗ разрабатывается перед началом работ и содержит в себе инфрмацию обо всём, что необходимо для производства работ. Только на основе информации из ТЗ можно сделать "Постановку задачи".
"...готовое ТЗ..." существует в виде письменного документа, подтверждающего соразмерность возможностей исполнителя с амбициями заказчика. Никаких "...естественных вопросов..." о "...правильности...постановки задачи..." после подписания ТЗ исполнителем и заказчиком не должно быть. Это договор о производстве работ надлежащим образом. "Умный заказчик" в ТЗ вводит статью о компенсации его потерь, включая прибыль из-за невыполненной в соответствии с ТЗ работы.

Сперва заказывается и оплачивается ТЭО, по результатам которого работа продолжается, в виде заказа и оплаты ТЗ, или же прекращается.

Извините, конечно, но это называется "телега впереди лошади". Можете, конечно и так работать. Это Ваше полное право...
Окончательный вариант ТЗ, подписанный заказчиком и разработчиком, это результат их совместной работы по постановке задачи.
Как правило - это первый этап любого, более или менее, сложного процесса разработки. Первый этап выполнения договора.
А то, что первоначально приносит вам заказчик в качестве ТЗ - на самом деле, это только проект ТЗ, его видение проблемы,
которую нужно решить, зачастую не самое удачное. И не более того. Сколько бы подписей и печатей на нем не стояло...

Да, это так. Заказчик приносит исходное ТЗ.
После его прочтения грамотный разработчик начинает допрос заказчика с пристрастием. Выясняет все обстоятельства, породившие начальную постановку задачи. Потом объясняет что на самом деле заказчику нужно.
После этого приступает к разработке, а заказчик уходит переписывать ТЗ с новым пониманием задачи. Довольно часто это совсем другая задача.
Иначе и быть не может. если бы заказчик изначально понимал все сам, то зачем ему тогда разработчик?

Да не волнуйтесь так, автор как раз уже сбежал — не иначе к заказчику, и не иначе за тем самым, а именно, дескать, данный ему измеритель напряжения требуется не в единственном экземпляре, а в трёх, потому как, "синфазное напряжение" бо, ну и, самая сногшибающая новость, что вспомнилась средняя школа, потому для измерения тока голого измерителя напряжения оказалось категорически маловато и требуются две "опоры", и вторая таки оказалась не "токоизмерительный резистор", а малость покруче, где-то под сотню долларов, это если под текущие пальцезагибательства, и таких куртки замшевых надо тоже три, ну и, вишенка, источникам сигналов всё это добро требуется предоставить тоже в тех же количествах.

Я не понял вопроса.



Бред сивой кобылы.

Так о чем же вам Plain и пытается рассказать. Правда, несколько резковато, но по сути верно.
Решение вы ищете довольно необычное и сложное, причем, не описываете саму задачу.

Хорошо.
Что еще надо добавить к этому:
Как измерить сигнал датчика с унифицированным выходом 4-20мА с точностью 0.01%? При условии, что токоизмерительный резистор может быть включен одним концом как на землю, так и на питание и что требуется трехканальное решение.

Update [blackfin] 1.
Нужен свой велосипед.
Если принять что такое устройство должно состоять из входного преобразователя ток->напряжение и АЦП, то вопрос именно по входному преобразователю (АЦП пока не трогаем).

Что за странные вопросы? Ответ же очевиден..

Нужно просто измерить напряжение на токоизмерительном резисторе точность которого равна 0% вольтметром точность которого равна 0.01%.. И так - три раза..

Что тут не понятно то?..

Марку датчика, который формирует эти 4-20ма хотя бы с 0,01%.

Зачем??? Измеритель должен быть в 3, а лучше в 4 раза точнее датчика. Поэтому ни о каких 0.01% для датчика речи не идет.

Если смущает только синфазный сигнал при подключении измерит. резистора возле питания,
а все остальные озвученные подводные камни вам не страшны, то как вариант можно сделать
гальванически отвязанные измерительные головки, куда включить токоизмерительный резистор,
одноканальный АЦП, контроллер и источник питания. И таких три канала. А данные передавать уже в цифре.

Да, вроде бы со всякими синфазностями и проблем нет... Развязать питание АЦП и эта проблема снимается.
Другое дело, что АЦП с погрешностью 0.01% - очень непросто. На 90% уверен, что там и 0,1%, а может и 1% вполне достаточно, если бы исходная задача была описана.

Понятно, датчик еще не придуман, или покажете с 0.04% ?

Да, была такая мысля. Но как верно было замечено, хороший АЦП дело тоже не простое и не дешевое. И утраивать количество всанет в копеечку. На текущий момент этот вариант отложен.
А что касается озвученных проблем, кроме синфазного, то они не пугают, т.к. есть опыт их решения.
Я надеялся на то, что есть какие-нибудь схемотехнические хитрости, про которые я не знаю.


В начале я приводил ссылку на прибор с ещё лучшей точностью. Как вы думаете, ребята заморочились и потратились на разработку и внесение в госреестр этого прибора только из любви к искусству? Я не назову конкретный тип датчика, но после разговора с одним из ЦСМ, выяснилось, что эти цифры не с потолка взяты. ЦСМ хочет поверять все датчики и среди них есть и весьма точные. Откуда и вылезает цифра 0.01 или даже 0.0075