Đo nhiệt độ với độ chính xác ± 0,01 ° C

Cách chính xác nhất để đo nhiệt độ đến ± 0,01 ° C là gì? Tôi đã xem xét việc sử dụng một cây cầu Wheatstone (với một minipot để hiệu chỉnh nhỏ) và RTD cho độ chính xác và phạm vi của nó. Tôi cần một phạm vi từ -85 ° C đến 55 ° C. Lý tưởng nhất sẽ là một hoạt động điện áp thấp (6 VDC). Đầu ra cần phải là tín hiệu số và hiện tại sẽ được gửi tới Arduino, tuy nhiên trong tương lai tôi muốn bao gồm một hệ thống ghi dữ liệu cùng với thiết bị này trước khi kết nối với Arduino. Powersource cũng đến từ Arduino nên sự ổn định hiện phụ thuộc vào phần cứng của Arduino, tuy nhiên thiết bị sẽ được cắm vào ổ cắm 115 V để có thể sử dụng tham chiếu mặt đất.

Mục tiêu cuối cùng là có nhiều đơn vị nhiệt độ như dữ liệu ghi nhật ký này và gửi đến mC có thể vẽ biểu đồ dữ liệu. Tôi đã tìm thấy các RTD bạch kim khác nhau đủ chính xác để đo nhưng tôi muốn biết làm thế nào tôi sẽ cần đặt mạch ra, làm thế nào để chuyển đổi tín hiệu analog sang kỹ thuật số chính xác và bất kỳ bộ ổn áp nào sẽ cần cho nguồn điện.

Trên thực tế, rất khó để đo lường mức độ chính xác của hệ thống . Cảm biến cụ thể bạn hiển thị là dung sai DIN loại A, nghĩa là sai số tối đa của riêng cảm biến là 150mK + 2mK * | T | (với T tính bằng độ C). Vì vậy, ở 100 độ C, chỉ riêng cảm biến lỗi tối đa (không tính tự sưởi ấm) là 350mK, gấp 35 lần những gì bạn nói bạn muốn. Loại cảm biến chi phí tương đối thấp này cũng dễ bị lỗi trễ do cấu trúc màng mỏng. Điều đó có hiệu lực nếu có các biến đổi nhiệt độ rộng - nhưng thậm chí đến 200 ° C, bạn có thể thấy nhiều lỗi mK (không hiển thị trên biểu dữ liệu của bạn).

Ngay cả ở nhiệt độ tham chiếu 0 ° C, chỉ riêng cảm biến đã đóng góp 15 lần lỗi bạn nói bạn muốn. Tự sưởi ấm sẽ đóng góp nhiều hơn, tùy thuộc vào dòng điện bạn chọn, và ngay cả mạch đo lường được thiết kế tốt nhất cũng sẽ gây ra một số lỗi. Nếu bạn thực hiện hiệu chuẩn, bạn có thể giảm một số lỗi, nhưng điều đó rất tốn kém và khó khăn và bạn phải có thiết bị có khả năng chính xác và ổn định mK. Hiệu chuẩn một điểm tại điểm ba của nước dễ hơn nhưng vẫn không dễ.

Độ ổn định 0,01 ° C trong phạm vi tương đối hẹp không quá khó khăn - nhưng đòi hỏi kỹ thuật thiết kế tốt. Nếu bạn sử dụng năng lượng 200uA, bạn cần sự ổn định tốt hơn nhiều so với 40uV ở đầu vào. Tài liệu tham khảo của bạn cũng phải ổn định trong vòng 20-30ppm trên toàn bộ phạm vi nhiệt độ hoạt động (sẽ cần phải được xác định). Nếu bạn sử dụng điện trở tham chiếu lá kim loại chính xác và phép đo tỷ lệ, lỗi tham chiếu điện áp có thể được giảm thiểu.

Độ phân giải 0,01 ° C là khá dễ dàng. Chỉ cần treo ADC 24 bit trên bộ điều hòa tín hiệu cảm biến, nhưng nó có thể không có ý nghĩa nhiều (bên cạnh việc hiển thị các xu hướng ngắn hạn trong môi trường thiết bị lành tính) trừ khi tất cả những điều khác được thực hiện đúng.

Tôi sẽ sử dụng ADC sigma delta 24bit từ TI ADS1248, mặt trước tương tự hoàn chỉnh cho cảm biến RTD (Pt100). Thật không may, có vài bo mạch Arduino với con chip đó, tôi chỉ tìm thấy một - http://www.protovoltaics.com/arduino-rtd-shield/ , tôi sẽ không mua nó vì nó có nhiều tính năng không thể cùng nhau tồn tại nếu bảng có bộ lọc thông thấp có đạo cụ từ TI.
Con chip này có thể cung cấp cho bạn 18 bit mã lỗi miễn phí trên toàn bộ phạm vi nếu PCB được thực hiện tốt.
Nếu bạn chỉ cần phạm vi hạn chế, bạn có thể sử dụng phương pháp 3 dây và điện trở bù bổ sung, nhưng bạn phải tính toán chính xác cài đặt điện trở và PGA. Ví dụ: bạn cần từ -85C đến 50C, đây là phạm vi đo 135C, hiện tại với cài đặt PGA (128 cho ví dụ) cao hơn, bạn có thể thu hẹp phạm vi đo ban đầu. Với việc thêm điện trở bù có điện trở pt100 ở -17,5C (135 / 2-85), bạn đặt tâm của dải đo. Với tính toán bổ sung của người gửi tham chiếu R_BIAS, bạn có thể đặt phạm vi đo chính xác mà bạn quan tâm: http://www.ti.com/lit/an/sbaa180/sbaa180.pdf

Bạn cũng có thể muốn xem xét các cảm biến nhiệt độ thạch anh. Đo lường sự thay đổi tần số dễ dàng hơn nhiều so với các phép đo microvolt ... IIRC Tôi có điều đó ngay từ các trang của AoE, phiên bản 1.

Có một hoặc ba tờ giấy:

http://www.sensorsportal.com/HTML/DIGEST/august_2014/Vol_176/P_2252.pdf http://maxwellsci.com/print/rjaset/v5-1232-1237.pdf http://micromachine.stanford.edu/ ~ hopcroft / Ấn phẩm / Hopcroft_QT_ApplPhysLett_91_013505.pdf

Có một bảng dữ liệu (phạm vi nhiệt độ thấp hơn của bạn thấp hơn mức họ liệt kê, ngoài "thứ tự đặc biệt", nhưng tôi có xu hướng ném một trong các bộ phận cấp quân sự từ -55 đến 125C vào đó trước khi đến đó.

http://www.statek.com/products/pdf/Temp%20Sensor%2010162%20Rev%20B.pdf

Một sản phẩm khá lạ mắt cung cấp nhiệt độ và áp suất:

http://www.quartzdyne.com/quartz.html

Trang Wikipedia có vẻ như là một bài tập về HP2804A

https://en.wikipedia.org/wiki/Quartz_thermometer

Tôi đã phải làm khá nhiều việc này ở một công việc RL trước đây, vì vậy tôi sẽ xem xét các vấn đề tôi có thể thấy ở đây và đưa ra ít nhất một mô tả phác thảo về những gì chúng tôi đã làm, mặc dù a) cách đây khoảng 20 năm bộ nhớ có thể không phù hợp với thực tế, b) đó là trên một hệ thống an toàn nội tại có thêm các thành phần bổ sung để hạn chế nguồn điện có sẵn trong các điều kiện lỗi và c) Tôi không phải là nhà thiết kế ban đầu.

Mạch cấp khối là nguồn dòng được chuyển đổi (ổn định, chính xác hợp lý nhưng không chính xác theo yêu cầu đo) cung cấp cho cảm biến PRT được kết nối Kelvin và điện trở tham chiếu có độ chính xác cao (0,01%), với các điểm khác nhau được cung cấp qua điện trở bảo vệ và bộ ghép kênh với ADC tích hợp độ dốc kép 24 bit. Điều này cho độ chính xác 0,01C ở giữa phạm vi, nhưng chỉ 0,02C (0,013C IIRC) ở mức cao vì dòng rò tác động lên các điện trở bảo vệ, mức thấp có thể sửa được như ghi chú dưới đây. Sử dụng một điện trở tham chiếu và đo lường theo tỷ lệ sẽ tránh được sự cần thiết của một nguồn dòng chính xác và ổn định và làm giảm các ràng buộc trên tham chiếu ADC để một thành phần thương mại bình thường sẽ đủ.

Tôi giả sử điểm đo ở xa thiết bị điện tử (cảm biến nằm ở cuối cáp), vì nếu không, bạn sẽ gặp vấn đề lớn với thiết bị điện tử nằm ngoài phạm vi nhiệt độ quy định (phạm vi công nghiệp bình thường là -55 + 85C). Điều này khá chính xác khi sử dụng các kết nối Kelvin (PRT 4 dây) để có thể loại bỏ điện trở cáp khỏi phép đo - dòng điện kích thích được gửi xuống một cặp dây và điện áp được đo ở bên kia (nơi có chi phí cáp rất cao, bạn có thể sử dụng 3 dây với độ dài cân bằng và bù cho dây chung với một số phép đo và phần mềm hơn). Phép đo cơ bản là đo điện áp trên cảm biến và trên điện trở tham chiếu;
Chuyển đổi dòng kích thích để tránh tự làm nóng trong khi cho phép mức kích thích đủ cao để đưa ra mức tín hiệu hợp lý; bạn có thể chọn dòng điện kích thích để điện trở mạch cảm biến cao nhất cung cấp điện áp gần toàn dải nhưng vẫn ở vùng tuyến tính, có tính đến điện trở của cảm biến, tham chiếu, cáp kết nối, biến đổi nhiệt độ của chúng, biến đổi nhiệt độ của nguồn hiện tại, v.v. Bạn có thể đặt dòng kích thích bằng đầu ra DAC (một bộ xử lý thực tế, không phải các dòng PWM) và sử dụng phần mềm để điều chỉnh mức ổ đĩa trong thời gian dài để giữ cho ADC đọc cao nhất gần với toàn bộ phạm vi - điều này sẽ tránh được mất độ phân giải ở nhiệt độ thấp (nhiệt độ PRT thấp = điện trở thấp = đọc ADC thấp = ít bit trên mỗi độ = độ chính xác giảm).

Việc sử dụng một ADC duy nhất sẽ tránh được các vấn đề về khớp (mis) của các ADC gây ra các lỗi không thể đo lường được; hệ thống của tôi có cấu hình ADC là kết thúc đơn nhưng bạn có thể thấy rằng cấu hình đầu vào vi sai đơn giản hóa các vấn đề, tuy nhiên hãy theo dõi các dòng rò và cách chúng thay đổi theo chế độ chung đầu vào. Sử dụng bộ chuyển đổi độ dốc kép, bạn cần sử dụng tụ polypropelene hoặc polyetylen trong mạch ADC để giảm thiểu sự hấp thụ điện môi, chúng rất lớn và đắt tiền (và cũng sử dụng vòng bảo vệ trên PCB và giảm thiểu độ dài vết PCB nhất định vì epoxy trong FR4 có hấp thụ điện môi cao). Bộ chuyển đổi delta-sigma tránh điều đó nhưng gây ra vấn đề về thời gian giải quyết thay đổi tín hiệu đầu vào (vứt bỏ số đọc N đầu tiên) giúp kéo dài thời gian đo và có thể cho phép tự làm nóng để bắt đầu ảnh hưởng đến việc đọc hoặc ngăn chặn việc đọc kịp thời (đó là lý do tại sao độ dốc kép đã được chọn, với các thành phần có sẵn tại thời điểm đó). Nếu có một khối khuếch đại có sẵn trên đầu vào cho ADC, thì đáng để sử dụng nó để cho phép dòng điện kích thích được giảm thiểu, nhưng đừng cố gắng dễ thương bằng cách thay đổi mức tăng giữa các lần đọc vì mức tăng không bao giờ chính xác là giá trị danh nghĩa, vì vậy các bài đọc ADC được thực hiện với các mức tăng khác nhau không tương thích cho mục đích này.

Một nguồn lỗi nguy hiểm khác là các mối nối cặp nhiệt điện ngoài ý muốn; thậm chí mạ thiếc trên dây đồng (hoặc dấu vết PCB) có thể cho hiệu ứng này. Bên cạnh việc cố gắng giảm thiểu số lượng khớp kim loại-kim loại khác nhau trong đường dẫn tín hiệu, hãy đảm bảo rằng bất kỳ điểm nào bạn không thể tránh đều ở các cặp cân bằng và đẳng nhiệt để mọi hiệu ứng đều bị hủy và đường dẫn tín hiệu được giữ ở mức hợp lý so với dòng điện cao hơn dấu vết. Hãy cẩn thận của căn cứ mạch của bạn; có mặt đất đầu vào ADC (có thể được sử dụng làm tham chiếu cho nguồn dòng kích thích) chỉ được kết nối tại một điểm với mặt đất tương tự (chip ADC và bộ ghép kênh đầu vào), được kết nối tại một điểm với hệ thống (bộ vi xử lý vv) mặt đất được kết nối tại một điểm với đầu vào mặt đất cung cấp điện. Một nguồn lỗi khác có thể là dòng rò đầu vào; nếu bạn có bất kỳ điện trở đáng kể nào nối tiếp với đầu vào ADC (chẳng hạn như điện trở 'bộ ghép kênh' hoặc bộ lọc lo-pass), hãy kiểm tra xem điện áp rơi trên điện trở này ở dòng rò tối đa có đủ nhỏ không. Ngoài ra, với độ chính xác này, bạn sẽ cần đảm bảo rằng có rò rỉ rất thấp trên cảm biến và các bộ phận khác của hệ thống, chẳng hạn như điện trở tham chiếu; bất cứ điều gì ít hơn khoảng 10 triệu sẽ có hiệu quả đáng chú ý. chẳng hạn như điện trở tham chiếu; bất cứ điều gì ít hơn khoảng 10 triệu sẽ có hiệu quả đáng chú ý. chẳng hạn như điện trở tham chiếu; bất cứ điều gì ít hơn khoảng 10 triệu sẽ có hiệu quả đáng chú ý.

Khi đọc, bật dòng điện kích thích, đợi một giây hoặc lâu hơn để nó ổn định (hãy nhớ rằng cáp cảm biến có điện dung vốn phải được sạc ở trạng thái ổn định), thực hiện hội tụ ADC trên tất cả các kênh theo thời gian cố định , sau đó đọc lại tất cả nhưng cuối cùng theo thứ tự ngược lại trên cùng một thời gian; thực hiện thêm hai bộ bài đọc nếu cần để tính toán bất kỳ sự tự làm nóng nào, sau đó tắt kích thích. Thời gian danh nghĩa cho tập hợp các lần đọc là thời gian đọc đơn lẻ (đối với bộ chuyển đổi độ dốc kép, tức là khi tụ điện mẫu và giữ đầu vào bị ngắt khỏi đầu vào) và các cặp số đọc phải là giống nhau nhưng nếu chúng khác nhau, có thể là do tự sưởi ấm, bạn có thể lấy trung bình chúng để đọc tương đương tại thời điểm danh nghĩa. Với PRT 4 dây, bạn có đọc PRT và đọc tham chiếu, nhân giá trị điện trở tham chiếu với tỷ lệ của các giá trị này để có điện trở PRT; đối với PRT 3 dây trừ đi số đọc trên dây ổ đĩa khỏi đọc PRT trước để bù cho dòng chung. Để đọc nhiều PRT, bạn có thể xâu chuỗi chúng thành chuỗi nếu nguồn hiện tại có đủ tuân thủ và có bộ ghép kênh đầu vào với đủ kênh để chọn bất kỳ cảm biến nào (hoặc điện trở tham chiếu) hoặc ghép kênh - bạn vẫn cần đầu vào rộng bộ ghép kênh, nhưng các yêu cầu tuân thủ nguồn hiện tại được nới lỏng.

Để chuyển đổi điện trở PRT thành nhiệt độ, bạn có thể thử tạo hoặc tra cứu công thức, nhưng hệ thống tôi đã sử dụng bảng dữ liệu RT của nhà sản xuất và thực hiện phép nội suy bậc hai trên ba điểm dữ liệu gần nhất; điều này cho phép thay đổi dễ dàng hơn các cảm biến được sử dụng (chỉ cần đặt bảng mới vào) hoặc hiệu chuẩn riêng bằng cách thay thế một bảng các giá trị đo.

Điều này có thể hơi quá mức cho ứng dụng của bạn, nhưng Acoustic Thermometry rất chính xác (mặc dù không đến mức bạn mong muốn).

Viết hấp dẫn (như tất cả các ghi chú ứng dụng với Jim Williams được đặt tên trên chúng).