Измерение температуры с точностью ±0,01°C

На самом деле очень сложно измерить такой уровень точности системы . Конкретный датчик, который вы показываете, имеет допуск DIN класса A, что означает, что максимальная погрешность одного датчика составляет 150 мК + 2 мК*|T| (где Т в градусах Цельсия). Таким образом, при 100 градусах Цельсия максимальная погрешность датчика (не считая самонагрева) составляет 350 мК, что в 35 раз больше, чем вы говорите. Этот тип относительно недорогого датчика также подвержен ошибкам гистерезиса из-за тонкопленочной конструкции. Это вступает в игру, если существуют большие колебания температуры, но даже до 200 ° C вы можете увидеть много десятков мК погрешности (не показано в вашем техническом описании).

Даже при эталонной температуре 0°C один только датчик вносит 15-кратную ошибку, которую вы заявляете. Самонагревание будет вносить больший вклад, в зависимости от выбранного вами тока, и даже самая лучшая измерительная схема будет вносить некоторую погрешность. Если вы выполняете калибровку, вы можете уменьшить некоторые ошибки, но это дорого и сложно, и вы должны иметь инструменты, способные обеспечить точность и стабильность mK. Калибровка по одной точке в тройной точке воды проще, но все же не так просто.

Стабильность при температуре 0,01 °C в относительно узком диапазоне не представляет особой сложности, но требует хороших методов проектирования. Если вы используете питание 200 мкА, вам нужна стабильность намного лучше, чем 40 мкВ на входе. Ваш эталон также должен быть стабильным в пределах 20-30 частей на миллион во всем диапазоне рабочих температур (который необходимо будет определить). Если вы используете точный опорный резистор из металлической фольги и логометрические измерения, ошибки опорного напряжения можно свести к минимуму.

Разрешение 0,01 ° C довольно просто. Просто повесьте 24-битный АЦП на формирование сигнала датчика, но это может не иметь большого значения (кроме отображения краткосрочных тенденций в благоприятной измерительной среде), если все остальные вещи не будут выполнены правильно.

Я бы использовал 24-битный сигма-дельта АЦП от TI ADS1248, полный аналоговый интерфейс для датчика RTD (Pt100). К сожалению, плат Arduino с этим чипом мало, я нашел только одну - http://www.protovoltaics.com/arduino-rtd-shield/ , я бы не купил ее, потому что в ней есть много функций, которые не могут существуют, если на плате был установлен фильтр нижних частот от TI.
Этот чип может дать вам 18-битные коды без ошибок во всем диапазоне, если печатная плата хорошо сделана.
Если вам нужен только ограниченный диапазон, вы можете использовать 3-проводной метод и дополнительный компенсационный резистор, но вы должны точно рассчитать резистор и настройку PGA. Например нужно от -85С до 50С, это 135С диапазона измерения, теперь с установкой PGA(128 например) выше можно сузить начальный диапазон измерения. Добавив компенсационный резистор с сопротивлением pt100 при -17,5°C (135/2-85), вы установите центр диапазона измерений. При дополнительном расчете эталонного резистора R_BIAS вы можете точно установить интересующий вас диапазон измерений: http://www.ti.com/lit/an/sbaa180/sbaa180.pdf

Вы также можете посмотреть на кварцевые датчики температуры. Точно измерить изменение частоты гораздо проще, чем измерить микровольты ... IIRC У меня есть это прямо со страниц AoE, 1-е издание.

Имейте бумагу или три:

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/Publications/Hopcroft_QT_ApplPhysLett_91_013505.pdf

Имейте техническое описание (ваш нижний температурный диапазон ниже того, что они перечисляют, кроме «специального заказа», но я был бы склонен бросить в него одну из частей военного класса от -55 до 125C, прежде чем идти туда.

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

Довольно причудливый продукт, который предлагает температуру и давление:

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

Страница в Википедии, которая, кажется, в основном является проповедью HP2804A.

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

Мне приходилось делать это в значительной степени на предыдущей работе RL, поэтому я пройдусь по проблемам, которые я вижу здесь, и дам хотя бы краткое описание того, что мы сделали, хотя а) это было около 20 лет назад, так что мой память может расходиться с реальностью, б) это была искробезопасная система, которая добавляет дополнительные компоненты для ограничения доступной мощности в условиях неисправности, и в) я не был первоначальным разработчиком.

Схема блочного уровня представляла собой переключаемый источник тока (стабильный, достаточно точный, но не с точностью, необходимой для измерения), питающий датчик PRT, подключенный по Кельвину, и высокоточный эталонный резистор (0,01%), с различными точками, питаемыми через защитные резисторы. и мультиплексор к 24-битному интегрирующему АЦП с двойным наклоном. Это дало точность 0,01C в середине диапазона, но только 0,02C (0,013C IIRC) на верхнем конце из-за токов утечки, действующих на защитные резисторы, нижний предел можно исправить, как указано ниже. Использование эталонного резистора и логометрических измерений устраняет необходимость в точном и стабильном источнике тока и ослабляет ограничения на эталонный АЦП, так что будет достаточно обычного коммерческого компонента.

Я предполагаю, что точка измерения удалена от электроники (датчик находится на конце какого-то кабеля), потому что в противном случае у вас будут серьезные проблемы с электроникой, находящейся за пределами указанного диапазона температур (нормальный промышленный диапазон -55 +). 85С). Это довольно хорошо диктует использование соединений Кельвина (4-проводной PRT), чтобы сопротивление кабеля можно было исключить из измерения - ток возбуждения передается по одной паре проводов, а напряжение измеряется по другой (где стоимость кабеля очень высокий, вы можете использовать 3-жильный провод со сбалансированными длинами и компенсировать общий провод некоторыми дополнительными измерениями и программным обеспечением). Основное измерение заключается в измерении напряжения на датчике и эталонном резисторе; при том же токе это позволяет рассчитать сопротивление PRT и, таким образом, рассчитать температуру.
Переключение тока возбуждения позволяет избежать самонагрева, в то же время обеспечивая достаточно высокий уровень возбуждения, чтобы обеспечить приемлемые уровни сигнала; можно выбрать ток возбуждения таким образом, чтобы максимальное сопротивление цепи датчика давало напряжение, близкое к полному диапазону, но все же в линейной области, принимая во внимание сопротивление датчика, эталона, соединительных кабелей, изменение их температуры, изменение температуры источник тока и т. д. Вы можете установить ток возбуждения с помощью выхода ЦАП (реальный ЦАП, а не линии ШИМ) и использовать программное обеспечение для регулировки уровня возбуждения в течение длительного времени, чтобы поддерживать максимальное значение АЦП близко к полному диапазону - это позволит избежать потеря разрешения при низких температурах (низкая температура ПТС = низкое сопротивление = низкие показания АЦП = меньше бит на градус = снижение точности).

Использование одного АЦП позволяет избежать проблем (несоответствия) АЦП, приводящих к неизмеримым ошибкам; в моей системе АЦП был сконфигурирован как несимметричный, но вы можете обнаружить, что конфигурация дифференциального входа упрощает дело, однако следите за токами утечки и тем, как они меняются в зависимости от входного синфазного сигнала. При использовании преобразователя с двойным наклоном необходимо использовать полипропиленовые или полиэтиленовые конденсаторы в цепи АЦП, чтобы свести к минимуму диэлектрическое поглощение, они большие и дорогие (а также использовать защитные кольца на печатной плате и минимизировать определенные длины дорожек печатной платы, поскольку эпоксидная смола в FR4 имеет высокое диэлектрическое поглощение). Преобразователь дельта-сигма позволяет избежать этого, но создает проблемы со временем установления при изменении входного сигнала (отбрасываете первые N показаний), что увеличивает время измерения и может позволить самонагреву начать влиять на показания или помешать своевременному считыванию (вот почему была выбрана двухскатная, с доступными на тот момент компонентами). Если на входе АЦП есть блок усиления, его стоит использовать, чтобы минимизировать ток возбуждения, но не пытайтесь выглядеть мило, изменяя усиление между показаниями, поскольку усиления никогда не совпадают с номинальными значениями. поэтому показания АЦП, снятые с разным коэффициентом усиления, несовместимы для этой цели.

Еще одним пагубным источником ошибок являются непреднамеренные спаи термопар; даже лужение медных проводов (или дорожек печатных плат) может дать такой эффект. Помимо попыток свести к минимуму количество разнородных соединений металл-металл на пути прохождения сигнала, убедитесь, что все соединения, которых вы не можете избежать, находятся в сбалансированных парах и изотермически, чтобы исключить любые эффекты, и что путь прохождения сигнала находится как можно дальше от более высоких токов. следы. Будьте осторожны с заземлением цепи; иметь заземление со стороны входа АЦП (которое может использоваться в качестве эталона для источника тока возбуждения), подключенное только в одной точке к аналоговому заземлению (земля микросхемы АЦП и входного мультиплексора), которое подключено к системе (микропроцессор) только в одной точке. и т.д.) заземление, которое подключено только в одной точке к входу заземления источника питания. Еще одним источником ошибок могут быть входные токи утечки; Если последовательно с входом АЦП подключено какое-либо значительное сопротивление (например, сопротивление включения мультиплексора или фильтр нижних частот), убедитесь, что падение напряжения на этом сопротивлении при максимальном токе утечки достаточно мало. Кроме того, для такой точности вам необходимо обеспечить очень низкую утечку через датчик и другие части системы, такие как эталонный резистор; все, что меньше 10M, будет иметь заметный эффект.

При снятии показаний включите ток возбуждения, подождите около мс, пока он установится (помните, что кабель датчика имеет внутреннюю емкость, которая должна быть заряжена до устойчивого состояния), выполните преобразования АЦП на всех каналах с фиксированным временем. , затем перечитайте все, кроме последнего, в обратном порядке в одно и то же время; при необходимости выполните еще два набора показаний, чтобы вычислить любой самонагрев, затем отключите возбуждение. Номинальное время набора показаний равно времени нечетного одноэлементного показания (для преобразователя с двойным наклоном это момент отключения входного конденсатора выборки и хранения от входов), а пары показаний должны быть одинаковы, но если они отличаются, возможно, из-за самонагрева, вы можете усреднить их, чтобы получить эквивалентное показание в номинальное время. С 4-проводным ПТС у вас есть показание ПТС и эталонное показание, умножьте значение эталонного резистора на их отношение, чтобы получить сопротивление ПТС; для 3-проводного ПТС сначала вычтите показания на проводе привода из показаний ПТС, чтобы компенсировать общую линию. Чтобы прочитать несколько PRT, вы можете либо соединить их последовательно, если текущий источник имеет достаточную совместимость и иметь входной мультиплексор с достаточным количеством каналов для выбора любого из датчиков (или эталонного резистора), либо мультиплексировать привод - вам все еще нужен широкий вход. мультиплексор, но текущие требования соответствия источника ослаблены.

Чтобы преобразовать сопротивление PRT в температуру, вы можете попытаться создать или найти формулу, но система, которую я использовал, использовала таблицы данных RT производителя и выполняла квадратичную интерполяцию по трем ближайшим точкам данных; это упрощает замену используемых датчиков (просто вставьте новую таблицу) или индивидуальную калибровку путем замены таблицы измеренных значений.

Это может быть немного излишним для вашего приложения, но акустическая термометрия очень точна (хотя и не до желаемого уровня).

Занимательно написано (как и все примечания к применению с именем Джима Уильямса).