Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Texa PolandTexa Poland
Proszę, dodaj wyjątek dla www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Pomiar różnicy temperatur z dokładnością 0,01stopnia Celsiusza

30 Cze 2012 14:19 8936 34
  • Poziom 16  
    Witam serdecznie,
    Muszę zrobić ustrojstwo które będzie mierzyć różnice temperatur z dokładnością do 0,01 stopnia Celsiusza w zakresie temperatur powiedzmy od 0 do +30. Czy dało by się to zrobić na 10 bitowym ADC w atmega8? Wzorcowanie właściwie nie jest potrzebne interesuje mnie tylko różnica temperatur. Zdaję sobie sprawę że jest to bardzo duża dokładność i niestety DS18B20 z góry odpada. Ale np. na LM35 dało by się?
    Lm35 ma 10mV/stopnień czyli 0,1mV na 0,01stopnia. Układ wtedy np. kalibrował by 2 czujniki w tej samej temperaturze zapisywał poprawkę do EEPROM'u i na jej podstawie wyznaczał różnice temperatur po oddaleniu czujników.
    A co myślicie o wykorzystaniu sond typu PT100? Po takiej kalibracji (jak wyżej opisałem) można by też mierzyć różnice z 0,01 stopnia?

    Myślę jeszcze gdyby tak uśredniać wartości z pomiaru 10 próbek z DS18B20 z dokładnością 0,0625 stopnia, miało by to sens?
    pozdrawiam,
    franek
    Darmowe szkolenie: Ethernet w przemyśle dziś i jutro. Zarejestruj się za darmo.
  • Texa PolandTexa Poland
  • Poziom 27  
    A czym to chcesz skalibrować?
  • Poziom 43  
    Ponieważ układ ma mierzyć niewielką różnicę w bardzo szerokim zakresie temperatur, kluczowe znaczenie będzie miała zgodność charakterystyk obu czujników w całym zakresie i stabilność długoczasowa.
    kimofranek napisał:
    Lm35 ma 10mV/stopnień czyli 0,1mV na 0,01stopnia. Układ wtedy np. kalibrował by 2 czujniki w tej samej temperaturze zapisywał poprawkę do EEPROM'u i na jej podstawie wyznaczał różnice temperatur po oddaleniu czujników.
    Musiał byś przeprowadzić tą procedurę w całym zakresie temperatur bo nieliniowość LM35 i rozrzut parametrów choć niewielki, to w tym zakresie może mieć znaczenie. Jaki czujnik będzie najlepszy? trzeba przeprowadzić testy, półprzewodnikowy - ma duży sygnał wyjściowy, Pt-100 mógł by być lepszy ale stawia to znacznie większe wymagania w stosunku do układu przetwornika R/U. Termopara - teoretycznie można zrobić układ reagujący wyłącznie na różnicę temperatur ale sygnały wyjściowe będą bardzo słabe. Były kiedyś bardzo dokładne termometry z czujnikiem kwarcowym (rezonator) PTK-1.
    szymon122 napisał:
    W przypadku takiej dokładności to polecam jakieś scalaczki z cyfrowym odczytem temperatury I2C itp. Jeśli chcesz na ADC to przetwornik musi być bardzo wysokiej dokładności.
    Scalaczków aż tak dokładnych nie ma (rozdzielczość to nie to samo co dokładność). Wymagane jest >12bit można zastosować mniej doprowadzając do przetwornika sumę i różnicę obydwu kanałów.
    Pierwszym problemem będzie zrobienie urządzenia które zapewni tą samą temperaturę obu czujników ±0.01°C (choćby do testów).
  • Poziom 36  
    AVE...

    Przy tak małych napięciach czy prądach do pomiaru będzie potrzebny precyzyjny, niskoszumny stopień wzmacniający. W tym przypadku ja bym zrobił mostek pomiarowy z dwiema termoparami. Ewentualnie jak kolega sugerował: czujnik na bazie rezonatora kwarcowego, potrzebny jak najgorszy model pod względem stabilności częstotliwości w funkcji temperatury. Ale wtedy też trza mieć drugi, jak najdokładniejszy generator, by tę częstotliwość mierzyć. No i we wszystkich przypadkach trza to kalibrować...

    LM35 ma dokładność w najlepszym razie do 0,1°C. Choć częściej jest to 0,2-0,5°C. I też są nieliniowe...

    MAX6675 i termopara typu K pozwolą na pomiar z maksymalną dokładnością 0,25°C, ta termopara wytwarza napięcie 41µV/°C, zawsze liniowo, łącząc dwie i mierząc napięcie różnicowe za pomocą precyzyjnego wzmacniacza możesz uzyskać potrzebną dokładność. Jedną termoparę musisz wsadzić do zamkniętej puszki o stałej temperaturze. W tym wypadku polecałbym drut oporowy do podgrzewania jej zasilany z precyzyjnego źródła prądowego...
  • Texa PolandTexa Poland
  • Poziom 43  
    Z termoparami sprawa łatwa nie będzie, ale może się da, dla typu K (ok 41mv/°C) trzeba by rozróżniać 0,4uV problemem będą "pasożytnicze" termopary na każdym złączu dwóch różnych metali. PTK-1 to był termometr wzorcowy, (rozdzielczość miał 0.01°C) jako czujnik był używany specjalny rezonator kwarcowy o dużym współczynniku temperaturowym.

    [quote=Urgon"]LM35 ma dokładność w najlepszym razie do 0,1 stopnia. Choć częściej jest to 0,2-0,5. I też bywają nieliniowe...[/quote]
    Można przypuszczać, że dwa egzemplarze z tej samej serii produkcyjnej, będą miały mniejsze względne różnice, ale jakie one będą tego nikt Ci nie powie, musisz sam zmierzyć (po wykalibrowaniu na taką samą czułość).
  • Poziom 36  
    AVE...

    Bez miernika wzorcowego nie da się tego zrobić tak czy siak. I w większości wypadków trza robić kalibrację dla całego zakresu pomiarowego. ADC zaś powinien być 16-24bitowy, by mieć jako-taką dokładność, z precyzyjnym źródłem napięcia odniesienia...

    Swoją drogą na co tak dokładny pomiar różnicowy?
  • Poziom 16  
    Taki dokładny pomiar do modelowania wpływu różnicowej refrakcji poziomej na przebieg wiązki laserowej. (Chodzi o to, że światło nie leci w linii prostej tylko jego droga zależna jest od różnicy temperatur, ciśnień)

    Panowie, puentując mówicie, że bez kalibracji dla całego zakresu się nie obejdzie? nawet jakbym zrobił to najprościej jak się da tj 2x DS18B20 skalibrował je w jednej temperaturze by wskazywały tę samą temperaturę, to i tak przy innej temperaturze ta wartość się rozjedzie bo dokładność czujnika wynosi +-0,5stopnia?
  • Poziom 36  
    AVE...

    Dokładnie tak. Te czujniki nie są identyczne, a i przy nie dość stabilnym zasilaniu dochodzą zakłócenia. Do tego jeszcze dochodzi problem przetwarzania wartości analogowej na cyfrową. DS18B20 mają przetworniki 9-12bitowe, lecz nie są one dokładne. Dlatego jeśli masz mierzyć wartość różnicową, to użyj dwóch termopar typu K i mierz napięcie różnicowe między nimi. Ale tu już by się przydał bardzo dokładny wzmacniacz operacyjny lub instrumentalny. Na przykład OPA128...
  • Poziom 16  
    Termopar typu K nie będę musiał kalibrować względem siebie? Są zawsze liniowe?
  • Pomocny post
    Poziom 36  
    AVE...

    Liniowe są. Robisz tylko pomiar różnicowy między nimi by ustalić dokładnie napięcie w funkcji różnicy temperatur. Będzie się zmieniać bodaj o 41 mikrowoltów na stopień. Zresztą masz tu dokładniejsze informacje. Tam podają by użyć miernika z kompensacją zimnych końców, Tobie to niepotrzebne, bo mierzyć będziesz napięcie różnicowe między dwoma termoparami, i zawsze jedna z nich będzie "zimną"...
  • Poziom 16  
    Nurtuje mnie inne pytanie: czy jeżeli umieszczę te termopary w teoretycznie tej samej temperaturze, pokazywane napięcie różnicowe będzie równe 0 z dokładnością do 0,01 stopnia i w podanym zakresie temperatur tj. 0-40 stopni?
  • Pomocny post
    Poziom 43  
    Nawet w tak prostej konstrukcji czujniku mogą być błędy wystarczy różnica składu chemicznego drutów. Pomysł wziął się stąd że termopara reaguje wyłącznie na różnicę temperatur, niestety każde połączenie dwóch metali (np rezystora ze ścieźką) stanowi termoparę i jeśli pojawi się różnica temperatur to będzie też różnica potencjałów (czułości takich termopar mogą być różne).
  • Poziom 36  
    AVE...

    W tym przypadku można ewentualne różnice eliminować za pomocą regulacji offsetu wzmacniacza różnicowego na wejściu układu pomiarowego. Umieszczasz dwie termopary najbliżej siebie, jak się da i regulujesz offset aż na wyjściu masz zero. Każda zmiana temperatury jednej z termopar będzie dawać zmianę napięcia na wyjściu wzmacniacza, zależnie od tego, która termopara jest zimniejsza, a która cieplejsza napięcie będzie dodatnie lub ujemne. Obacz sobie schematy w nocie OPA128 lub innych wzmacniaczy precyzyjnych...
  • Poziom 16  
    Właśnie! Czyli w ten sposób kalibruję te termopary względem siebie przy danej temperaturze, ale jeśli teraz je oddzielę od siebie i jedna będzie w temperaturze kilka stopni innej niż wzorcowa, to czy nie będzie przekłamania względem nimi >0.01 stopnia, ze względu na nieliniowość?

    Gdybym zastosował 2x DS18B20 i też je skalibrował względem siebie w temp pomiarowej i potem oddzielił czujniki i mierzył różnicę temperatur nie uzyskał bym takiej samej dokładności? (no powiedzmy te 0,0625 stopnia na 12bitach)

    Termopary musiały by być idealnie liniowe by skalibrować je w jednej temperaturze i potem dopiero mierzyć różnice (po oddaleniu).

    Czy nie uzyskam podobnej dokładności jeżeli skalibruję 2x DS18B20 w temp pomiarowej, jeżeli z ciekawości teraz wziąłem 2 DS18B20 napisałem prostą funkcję i we dwóch mam tę samą temperaturę z wyświetlaniem do 0,1stopnia. Bez wzorcowania dla żadnej temperatury(przypomnę że w nocie jest dokładność+-0,5stopnia- czyli te temperatury mogły się różnić o 1 stopień a ja nawet różnicy nie potrafię zauważyć).
    Funkcja napisana na pewno dobrze bo czujniki reagują bardzo ładnie nawet na lekkie dmuchnięcie.

    Pytam tak szczegółowo bo nie chcę robić czegoś tylko dla sztuki, a może zastosowany czujnik półprzewodnikowy w DS nie jest aż tak nieliniowy w porównaniu do termopary, skoro może nawet wykonali go z jednego kawałka krzemu? (bo z jednej serii).
  • Poziom 43  
    Z DS18B20 jest jeszcze jeden problem - samopodgrzewanie przy rezystancji termicznej obudowy TO-92 ok 180°C/W i mocy wydzielanej podczas pomiaru rzędu 5mW (1mA 5V) może się nagrzać prawie o 1°C (przy częstych pomiarach).

    W DS18B20 jest bardzo wiele źródeł błędów:nieliniowość czujnika, nieliniowość ADC, musi też być tam jakieś źródło napięcia odniesienia - które też jakieś błędy ma. Nie spodziewaj się że w tanim czujniku klasy ±0,5°C ktoś zastosował DAC albo REF 100x lepsze niż potrzeba - jak jest tak wiele źródeł błędów, to wynikowa charakterystyka jest trudna do przewidzenia.

    Jeśli już wybierał bym jakiś prosty czujnik, który umożliwi Ci zbudowanie jak największej części układu samemu tak aby mieć wszystkie parametry pod kontrolą - a więc żeby mozna było wszystko policzyć i zoptymalizować.
    Np LM335 będzie lepszy, możesz go wykalibrować, problem samopodgrzewania pozostaje.

    Może by próbować zrobić na podobnej zasadzie do tej na jakiej działają czujniki półprzewodnikowe - pomiar rezystancji dynamicznej (tranzystora połączonego w układzie diody), teoretycznie liniowa, małe moce wydzielane w czujniku, wszystkie parametry pod kontrolą, ale sygnały również słabe.

    Pt-100 prawdopodobnie najlepsza opcja, tylko że tu trzeba wykryć różnice rezystancji rzędu 3mΩ więc też łatwo zepsuć dokładność.
  • Poziom 39  
    To może PT-500 albo PT-1000, są dostępne cienkowarstwowe za tanie pieniądze.
  • Poziom 16  
    Pt-1000, samo ustrojstwo w cenie 10zł/szt to chyba nie drogo?
    Jeśli podają do danego czujnika dryft temperaturowy to przy danym maksymalnym prądzie? jeśli teraz będę używał mniejszego prądu do pomiaru to dryft będzie dużo mniejszy?

    Czyli teraz ostateczne pytanie, czy PT-1000 będzie odpowiedni do mojego zastosowania?
    Czy możecie mi podać namiary na jakieś odpowiednie, tanie wzmacniacze operacyjne do mojego zastosowania?
    Przetwornik A/C 12 bitowy 2 kanałowy ze 100k sampli wystarczy ? do tego Atmega8? np. taki MCP3202-CI/P
    http://www.tme.eu/html/PL/przetworniki-ad-i-da-firmy-microchip/ramka_594_PL_pelny.html
  • Poziom 18  
    Mam szalony pomysł.
    Cały problem polega na tym, że musimy użyć DWÓCH czujników i mierzyć różnicę wskazań. Dużo prościej byłoby użyć JEDNEGO czujnika, który będzie mierzył wprost różnicę temperatur. Oczywiście, musi być fizyczna/mechaniczna możliwość zamontowania takiego pojedynczego czujnika pomiędzy punktami, których temperaturę mierzymy.
    Myślałem o ogniwie Peltiera - po szybkim wywiadzie wydaje mi się (głowy nie dam), że możemy uzyskać czułość na poziomie 100 mV/K.
    Problemem może być spora przewodność cieplna ogniwa, która sama będzie wpływać na pomiar...
  • Poziom 16  
    Odległość między punktami pomiarowymi to około 1metr.
  • Pomocny post
    Poziom 18  
    Odpowiadając na pytania z poprzedniego posta:
    Co do wzmacniacza - ja używałem AD8221, cena (Farnell) to około 25 zł przy jednej sztuce.
    W "klasycznym" układzie z przedwzmacniaczem do przetwornika nie przywiązywałbym specjalnej uwagi - temperatur szybko się nie mierzy to raz; dwa - mierzymy różnicę temperatur i na moje oko najlepszą metodą jest odjęcie wskazań analogowo (układ mostkowy); reasumując - myślę, że wystarczy przetwornik, który jest w atmedze.

    Od strony analogowej sprawa jest chyba wykonalna. W PT-1000 zmiana rezystancji wynosi w przybliżeniu 4Ω/K; przy zasilaniu mostka z 5V i układzie pełnego mostka daje to zmianę napięcia różnicowego o (4/1000)*2*5V = 40mV. Przy 1/100 stopnia będzie to 400 µV. Jest to na tyle dużo, że dryft temperaturowy AD8221 (a nawet jego fabryczne napięcie niezrównoważenia) nie będzie miał znaczenia. Powiem więcej - chyba nawet można zastanowić się nad gorszym wzmacniaczem:)
    Natomiast upierałbym się przy układzie pełnego mostka - tzn. po dwa czujniki w każdym z dwóch punktów pomiarowych. Powód jest prosty - jeśli dwa czujniki zastąpimy rezystorami, to będą one musiały mieć bardzo dobrą tolerancję i stabilność. Przy zastosowaniu czterech czujników PT-1000 ten problem znika, a dodatkowo zwiększamy dwukrotnie czułość.
    Wadą pełnego mostka jest to, że nijak nie możemy mierzyć bezwzględnej temperatury, co oznacza brak możliwości skorygowania "współbieżności" czujników w szerokim zakresie temperatur. (chyba, że będziemy przełączać nasze czujniki między dwoma różnymi układami pomiarowymi)

    Można też zrobić to całkiem inaczej i użyć czegoś w rodzaju AD7718 (używałem tego, rzeczywiście działa) - przetwornika z wbudowanym przedwzmacniaczem - co właściwie zwolni nas z potrzeby stosowania jakiegokolwiek przedwzmacniacza. Problem precyzyjnych oporników niestety zostaje.
  • Poziom 16  
    Witam,
    Podsumowując, robiąc w prosty sposób, robię 2 mostki :
    Pomiar różnicy temperatur z dokładnością 0,01stopnia Celsiusza

    po jednym dla każdego ustrojstwa pomiarowego.
    Potencjometrem P reguluję moją różnicę na 0 w jednej temperaturze. Teraz proponujesz żeby zamiast R3 zastosować drugi PT-1000 i sprzęgnąć je razem?

    Teraz, jak mierzę różnicę pomiędzy wskazaniami obu mostków pomiarowych?

    Co do AD8221, może bardziej orientujesz się w temacie, jest coś tańszego i bardziej dostępnego ze wzmacniaczy pomiarowych? Po prostu najpierw chciałbym wypróbować na gorszym.
  • Poziom 43  
    Powyżej jest mowa o jednym mostku, złożonym z czterech Pt-1000, co do pomiarów temperatury bezwzględnej w takim układzie to są możliwe - trzeba mierzyć rezystancję całego mostka, np. zasilić go ze źródła prądowego i mierzyć napięcie. Warto by rozważyć czy zasilać go w sposób ciągły, czy tylko na (krótki) czas pomiaru - żeby zmniejszyć samopodgrzewanie.

    Stosowanie samego potencjometru w takim układzie to nie jest dobry pomysł, musiał by trzymać nastawioną wartość z dokładnością do 40mΩ. Z powodu tych 40mΩ trzeba uważać nawet na różnice długości przewodów z czujników.

    Można dać radę bez wzmacniacza pomiarowego, nawet z lepszym skutkiem, zobacz sposoby Jim'a Williams'a w AN-43
  • Poziom 16  
    Np. taki układ? Pomiar różnicy temperatur z dokładnością 0,01stopnia Celsiusza

    A czy w zwykłym prostym rozwiązaniu ze wzmacniaczem instrumentalnym- pomiarowym jak tu
    Pomiar różnicy temperatur z dokładnością 0,01stopnia Celsiusza
    nie jest wymagane napięcie symetryczne do zasilania wzmacniacza? Bo we wszystkich innych przypadkach widocznych w pdf'ie jest. Układ ma być zasilany bateryjne tak więc to by był dodatkowy kłopot.
    Moglibyście polecić więc dobry ale tani wzmacniacz instrumentalny oraz źródło napięcia odniesienia? Chyba, że wystarczy te z Atmegi?

    Jak regulować niesymetrię mostka bez potencjometru szeregowo?
    Czy precyzyjny potencjometr wieloobrotowy nie trzyma tych 40mOhm? Szukam parametrów takich potencjometrów ale coś nie mogę znaleźć.

    pozdrawiam
  • Poziom 43  
    Jak ma być niesymetryczne zasilanie to nieco komplikuje, teoretycznie używając wzmacniacza pomiarowego z napięciami wejściowymi zmieścisz się w zakresie, żeby napięcie wyjściowe się zmieściło potrzebna jest sztuczna masa (wejście REF wymaga niskiej impedancji żeby nie psuć CMRR wzmacniacza).

    Z tym równoważeniem to trzeba przemyśleć, potencjometry mają kiepskie parametry i dodatkowo potrzeba by tu potencjometru o rezystancji rzędu kilku Ω. Można by próbować połączenie równoległe potencjometru z rezystorem o mniejszej wartości,
    albo taki sposób.

    Trzeba by przeanalizować, jaką reakcję na zmiany temperatury wspólnej dało by równoważenie mostka dodatkowymi rezystorami, bo możliwe że nie powinno się tego robić w tym miejscu.
  • Poziom 16  
    Cytat:
    Jak ma być niesymetryczne zasilanie to nieco komplikuje, teoretycznie używając wzmacniacza pomiarowego z napięciami wejściowymi zmieścisz się w zakresie, żeby napięcie wyjściowe się zmieściło potrzebna jest sztuczna masa (wejście REF wymaga niskiej impedancji żeby nie psuć CMRR wzmacniacza).

    A gdybym 5V podzielił na 2 na opornikach i tak stworzył +-2,5 V to nie wystarczyło by do wzmacniacza pomiarowego?

    Cytat:
    Z tym równoważeniem to trzeba przemyśleć, potencjometry mają kiepskie parametry i dodatkowo potrzeba by tu potencjometru o rezystancji rzędu kilku Ω. Można by próbować połączenie równoległe potencjometru z rezystorem o mniejszej wartości,
    albo taki sposób.

    Z "tym"sposobem chodzi o stabilizatory lm317 i lm337 napięcia dodatniego i ujemnego? Ktoś pisał już tutaj w temacie o regulacji offsetu wzmacniacza jak się to realizuje?

    Cytat:
    Trzeba by przeanalizować, jaką reakcję na zmiany temperatury wspólnej dało by równoważenie mostka dodatkowymi rezystorami, bo możliwe że nie powinno się tego robić w tym miejscu.


    A może na wejściu a/c tzn na wyjściu ze wzmacniacza?
  • Poziom 43  
    Cytat:
    A gdybym 5V podzielił na 2 na opornikach i tak stworzył +-2,5 V to nie wystarczyło by do wzmacniacza pomiarowego?
    Jak dodasz wtórnik i nie będzie zakłóceń, o wyższych częstotliwościach, przy których jego rezystancja wyjściowa rośnie. Jeśli zakres przetwornika będzie od 0 do 2,56V, to ta sztuczna masa powinna być w połowie.
    Cytat:
    Z "tym"sposobem chodzi o stabilizatory lm317 i lm337 napięcia dodatniego i ujemnego? Ktoś pisał już tutaj w temacie o regulacji offsetu wzmacniacza jak się to realizuje?
    Nie, ta nota aplikacyjna jest o sposobie regulacji (nie ważne czego), bez potencjometrów - poprzez zwieranie / wycinanie rezystorów.
    Cytat:
    A może na wejściu a/c tzn na wyjściu ze wzmacniacza?

    Jeśli, po wzmocnieniu samego offsetu, wzmacniacz nie wejdzie w nasycenie...
  • Poziom 18  
    Panowie,

    0.
    Rzeczywiście, da się w pełnym mostku tą metodą zmierzyć średnią temperaturę:) Nie pomyślałem o tym. Ale zasilałbym raczej stałym napięciem i mierzył prąd (nie będziemy wpływać na pracę samego mostka; wahania napięcia de facto zmieniałyby wzmocnienie właściwego układu)

    1.
    Przy niesymetrycznym zasilaniu mostka na jego wyjściu mamy składową wspólną 2.5V - symetryczne zasilanie op-ampa nie jest potrzebne. Wzmacniacze instrumentalne mają zazwyczaj wejście Vocm, które definiuje poziom napięcia przy zrównoważonym mostku. W przypadku zwykłego wzmacniacza operacyjnego taki sam efekt da się osiągnąć poprzez właściwy układ rezystorów sprzężenia zwrotnego.

    2. Zamiast szeregowych rezystorów równoważących można dać równoległe o rezystancji rzędu kilkuset kΩ czy kilku MΩ. Problem kiepskiego kontaktu odpada.

    Pozdrawiam.
  • Poziom 16  
    Dobra to jeszcze raz:
    1) Potrzebuję znaleźć tani i łatwo dostępny wzmacniacz instrumentalny.
    2) Dobrać źródło referencyjne, jakie np: MCP1525/41 http://ww1.microchip.com/downloads/en/devicedoc/21653b.pdf
    Chodzi mi o napięcie jeśli zasilam niesymetrycznie tego pomiarowca to wybrać takie na 2,5V?


    Pt-1000 już kupiłem, na razie będę robił jeden mostek z dwoma PT do tego 2 rezystory 1k 1% i do czujników równolegle potencjometry precyzyjne np. 100k?
    Miernik napięcia zrobiłem na 10bitowym ADC w atmega8.

    Pomożecie jeszcze z pytaniami 1 i 2?