Question:
* Très * haute précision, * source de courant très * stable
ugachmaaz
2017-09-26 00:05:27 UTC
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Mon parcours: la physique expérimentale. Pas un ingénieur électricien, mais j'ai une certaine expérience dans la mise en place de circuits électroniques de base pour des expériences de physique. Alors s'il vous plaît soyez gentil et expliquez comme si j'étais un noob. Je vous remercie!

Ce que j'essaie de faire: Une mesure très précise (précision < de 10 ppm, idéal de 5 ppm) de la charge passant par une charge sur une période de plusieurs centaines d'heures. Les courants sont typiquement compris entre 50 mA et 500 mA.

En règle générale, cela se fait en utilisant une source de courant de précision < 10 ppm programmable de haute précision prête à l'emploi pour piloter la charge, et en mesurant le courant séparément du côté bas à l'aide d'une résistance de précision calibrée et d'un multimètre de haute précision. Les mesures du multimètre sont ensuite intégrées pour estimer les coulombs. La résistance étalonnée et le multimètre sont stabilisés en température dans un incubateur pour minimiser la dérive thermique.

Maintenant, mon problème est que ces sources de courant de précision sont chères et que j'ai besoin de construire plusieurs de ces configurations pour un prix relativement bas.

J'ai donc besoin de construire un puits & de précision <10ppm, source de courant 50-500 mA qui sera stable et à faible bruit pendant des centaines d'heures. La précision du point de consigne n'est pas très importante, car je mesurerai le courant séparément de toute façon. Mais le courant doit être très stable et précis, pour ne pas avoir à prélever trop d'échantillons pour obtenir une précision élevée sur les coulombs intégrés. (N'oubliez pas que la mesure durera des centaines d'heures, il est donc pratique de prélever un échantillon toutes les dix ou vingt secondes au maximum, sinon il y aura trop de données à traiter). La source de courant n'a pas besoin d'être programmable, tant que je peux changer une ou deux résistances de mise à l'échelle pour changer le point de consigne pour l'expérience particulière. (la résistance d'échelle et la source en général peuvent être stabilisées en température dans un incubateur)

Maintenant, toutes les notes techniques et les forums que j'ai lus sont pour une précision de 0,01% (100 ppm) ou de 0,005% (50 ppm) au maximum.J'ai besoin de quelque chose de bien meilleur que cela, et je n'ai pas trouvé de stratégies pour le faire en ligne.Des idées sur la façon dont cela peut être fait?

Merci d'avance pour votre aide!

Oui, cela peut être fait, mais si vous ne pouvez pas analyser vous-même les sources d'erreur d'un circuit, vous demandez essentiellement à quelqu'un de le concevoir pour vous.
Même si vous devez prendre des mesures 100 fois par seconde, cela semble toujours être l'approche la plus facile.
Un gros problème que vous n'avez pas mentionné ici est la dérive de température.À moins que vous ne conteniez tout cela dans un environnement TRÈS à température contrôlée, la "constante" à 5 ppm ou 10 ppm peut être impossible.De plus, ppm n'est pas un très bon nombre à utiliser ici.10 ppm à 100 A est beaucoup plus facile à atteindre que 10 ppm à 5 mA.
* Je dois donc construire une source et un puits de courant de précision <10 ppm, 50-500 mA qui sera stable et à faible bruit pendant des centaines d'heures. * À mon avis: si vous avez besoin de demander cela, vous manquez d'expérience pour concevoiret construisez-en un.Ces exigences sont un défi même pour un ** EE très expérimenté ** avec des années d'expérience dans les équipements de mesure.Soit vous ** achetez ** l'appareil prêt à l'emploi, soit quelqu'un d'autre le conçoit et le fabrique pour vous.Quoi qu'il en soit, cela coûtera cher.
Liés (mais pas exactement les mêmes): http://www.electronicdesign.com/test-amp-measurement/whats-all-femtoampere-stuff-anyhow
Mes amis, je pose cette question après avoir fait une tonne de lecture pendant un mois.J'ai déjà dit que je ne suis pas un EE, mais je suis prêt à faire le travail nécessaire pour apprendre à faire cela, si vous pouviez simplement m'orienter dans la bonne direction. @trevor - Je suis d'accord que la dérive de température est un problème, mais des composants de précision de ~ 5-10 ppm / deg.La dérive C n'est pas si rare et un incubateur à stabilité de 0,1 ° C est facile à trouver ou à construire.Donc, tant que la source de courant et la résistance de mesure sont stabilisées avec une stabilité de +/- 0,1 ° C, je pense que cela devrait fonctionner.
@ugachmaaz oui, ne disant pas que c'est impossible, disant qu'il y a beaucoup à considérer.Les choses ont aussi l'habitude de s'accumuler et de se multiplier.Il est inutile de maintenir le capteur stabilisé et de ne pas avoir tout ce qui mesure la résistance stabilisée à ces chiffres.Ces 5 ppm / deg au capteur peuvent finir beaucoup plus du côté du conducteur.Donc, garder autant de variables constantes que possible aide beaucoup.Et ne me lancez pas dans le maintien de la stabilité de l'alimentation électrique ...
C'est peut-être une idée de nous dire où va cette recherche ... quel est votre objectif final ici ...
Vous dites aussi que la raison pour laquelle vous voulez construire le vôtre est coté, mais je crains que dès que vous ajoutez du temps pour construire et vérifier un tel appareil, vous feriez mieux d'acheter un appareil chez Keithley ou NI ou autre
* Je suis prêt à faire le travail nécessaire pour apprendre comment faire cela, si vous pouviez simplement me diriger dans la bonne direction * Hmm, si la conception de circuits (et encore moins de circuits haute performance et précis) peut être appris en * pointant quelqu'undans la bonne direction *, pourquoi faut-il encore ** des années ** pour maîtriser la conception de circuits électroniques?Que diriez-vous si je disais, mwah, j'ai un diplôme d'EE, ce qui signifie essentiellement que je connais aussi la physique, donc je peux aussi travailler sur la physique expérimentale comme vous le faites si vous me donnez juste quelques conseils.Vous ririez probablement dans mon visage et à juste titre!
Avez-vous réellement besoin de la source pour avoir ce genre de stabilité, ou avez-vous simplement besoin de pouvoir la mesurer avec ce niveau de précision?De plus, à quoi ressemble votre circuit de test?Modifie-t-il la résistance au fil du temps?Est-ce capacitif ou inductif?
@Trevor: Je ne peux pas vous dire grand-chose pour des raisons de confidentialité, mais la recherche porte sur la mesure de l'énergétique d'une réaction électrochimique.Les coulombs sont une mesure de la quantité de produit de réaction, le courant est la vitesse de la réaction et la tension est l'énergie à laquelle la réaction se produit.
@bimpelrekkie - J'apprécie vos commentaires, mais en toute honnêteté, je pourrais vous apprendre à faire les expériences de physique que je fais uniquement au lycée, comme je l'ai fait avec des stagiaires du secondaire dans le passé.Peut-être que ma naïveté avec cet effort vient du fait que vous pouvez apprendre à n'importe qui à faire de la physique.mais merci pour votre aide.
La stabilité de 5 ppm n'est pas si difficile, et vous pourrez peut-être vous en sortir sans passer au four si votre environnement est stable à un degré ou deux.Utilisez des résistances z-foil, peut-être plusieurs d'entre elles, des amplificateurs opérationnels sans dérive et une très bonne référence de tension compensée.Les pièces coûteront plusieurs centaines de dollars.
Sept réponses:
#1
+18
WhatRoughBeast
2017-09-26 03:26:02 UTC
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Premièrement, vous n'avez pas besoin d'une source de courant de précision. La raison en est que, au fond, une source de courant fonctionne en mesurant le courant à travers une résistance, puis ferme une boucle de rétroaction autour de la mesure de courant et d'une source de tension de précision. Puisque vous souhaitez uniquement mesurer le courant (et donc la charge) à travers votre charge, vous n'avez pas besoin de la tension de référence de précision. Vous pouvez utiliser une source assez bâclée, à condition de mesurer le courant avec précision.

Alors, comment mesurez-vous le courant? Eh bien, c'est (en principe) assez simple. Vous mesurez simplement la tension à travers une résistance en série avec votre charge, généralement appelée résistance shunt. Bien sûr, vous n'avez pas indiqué qu'une stabilité extrême du niveau actuel était requise, et si c'est le cas, vous devez vous en préoccuper.

Malheureusement, vous avez beaucoup mordu à vos exigences. Vous voulez un courant assez élevé pour votre stabilité. Cela jouera un joyeux enfer avec vos exigences, car l'auto-échauffement deviendra un acteur majeur. Commençons par un système de base. Imaginons que vous vouliez 1 volt sur votre shunt à plein courant. Ensuite, la puissance dissipée sera de 1/2 watt et la résistance cible sera de 2 ohms. Cela provoquera un auto-échauffement important de la résistance. Allez sur digikey.com et commencez à regarder les résistances basse température. Imaginons l'utilisation d'unités de 10 ppm / deg C. En limitant la recherche aux résistances en stock, vous remarquerez que les unités plus puissantes disponibles sont toujours inférieures à 1/2 watt, et qu'elles ne sont généralement pas en stock, avec des achats minimum de 4000 unités (certes, à 40 cents par pop, mais c'est encore environ 1600 dollars). Pire encore, ils ont des valeurs de résistance élevées.

Une fois que vous atteignez 1/8 watt, vous pouvez trouver des unités de 10 ohms. Si vous mettez 5 en parallèle, vous obtiendrez 2 ohms à 0,625 watts. Ceci, cependant, va être interdit. Les résistances individuelles sont conçues pour une température de 70 C, ou 50 degrés au-dessus de la température ambiante. Ceci, bien sûr, produira une dérive thermique de 500 ppm nominalement. En fait, si vous deviez les trouver, vous auriez besoin de tempcos individuels d'environ 0,2 ppm.

Dans cet esprit, consultez https://www.digikey.com/products/en/resistors/chip-resistor-surface-mount/52?k=&pkeyword=&pv2085=u10+Ohms&pv2=4&F = ffe00034% 2C4400c9&mnonly = 0&ColumnSort = 0&page = 1&stock = 1&quantity = 0&ptm = 0&fid = 0&pageSize = 25 et vous trouverez 0,2 ppm / °, 10 ohms, 1/4 W. vous pouvez obtenir 4 ou 5 pour mettre en parallèle, et vous devriez être OK. Non seulement le TCR est faible, mais la PCR est de 5 ppm à 70 ° C. Certes, avaler la moitié de votre budget d'erreur dans une seule source ne demande que des problèmes, mais cela fait généralement partie du jeu lorsque vous faites des choses à bon marché. Il y a une très bonne raison pour laquelle les sources actuelles que vous étudiez coûtent si cher. Bien sûr, ils (les résistances spécifiées) vous coûteront environ 50 à 60 dollars. Est-ce un problème? Est-ce que c'est «bon marché»?

Eh bien, c'est certainement beaucoup moins cher que le type de source actuelle que vous avez consultée. Et c'est certainement une bonne idée d'envisager un refroidissement approprié pour votre shunt, mais ce sera quand même une bonne idée.

Et tant que nous y sommes, sachez que les exigences de votre compteur sont en dehors des limites habituelles du bon marché. Vous avez besoin d'au moins 0,001% de linéarité et d'au moins 5 1/2 chiffres d'un multimètre numérique. Si vous voulez lancer votre propre A / N, vous avez besoin d'au moins 17 bits.

Et ce type de plage dynamique étendue et de haute précision implique une sensibilité au bruit d'entrée dont vous devez être conscient. Certes, si tout ce que vous voulez faire est d’additionner les échantillons, vous obtiendrez une moyenne considérable du bruit, même si dans ce cas, une fréquence d’échantillonnage plus élevée vaut mieux qu’une faible.

Dans aucun des cas, la raison pour laquelle vous voulez un taux d'acquisition de données aussi bas n'est claire. Bien sûr, c'est beaucoup de données, mais à moins que des équipes de travailleurs ne prennent des mesures, 200 heures de données ne représentent que 720 000 secondes. En supposant 10 octets par échantillon, c'est seulement une taille de fichier de 7,2 Mo. Même le modeste FAT32 peut contenir environ 500 fois ce montant. D'un autre côté, même en supposant 10 secondes par échantillon, allez-vous vraiment essayer de crunch 72 mille points de données à la main? pour plusieurs configurations? Il est difficile d'imaginer pourquoi il n'a pas de sens d'automatiser à la fois l'acquisition et la réduction des données. À tout le moins, vous pouvez faire un total simple dans Excel de manière presque triviale.

J'ai tendance à être d'accord avec Tony Stewart pour dire que ce n'est pas un projet pour un débutant. Si vous devez absolument le faire vous-même, je choisirais un shunt bien construit, puis je choisirais un DAQ commercial d'une société comme Measurement Computing. Vous pouvez obtenir un DAQ à 8 canaux et 24 bits avec un logiciel qui fera 2 échantillons / s pour un peu plus de 400 dollars. La température de décalage d'entrée est inférieure à 0,5 uV / deg, vous n'aurez donc peut-être pas besoin de penser à la climatisation pour votre instrumentation. Là encore, le tempco du gain est de l'ordre de 4 ppm / deg, donc c'est probablement le cas.

MODIFIER - Plutôt que d'utiliser des commentaires pour répondre aux commentaires, je prolonge cette réponse.

J'ai peut-être mal compris vos exigences. Si je comprends bien votre message, vous êtes intéressé par la charge totale qui traverse votre ou vos charges. Vous n'avez rien dit sur la distinction entre le courant dans la charge et le courant à travers la résistance shunt. En d'autres termes, vous avez donné l'impression que l'entrée de charge est égale au courant de sortie de charge, et si vous mesurez l'une, vous mesurez l'autre. Dans ces circonstances, il n'y a guère besoin d'une source de précision, du moins pas dans le sens où vous semblez le penser. Si vous mesurez le courant à 10 ppm, eh bien, c'est le mieux que vous puissiez faire. Si cela varie entre les échantillons, alors tant que cette variation n'est pas corrélée à l'intervalle d'échantillonnage, tout sortira dans le lavage.

D'une part, oui, la stabilité à un certain niveau est nécessaire. Mon point était, cependant, qu'il n'a pas besoin d'être aussi grand que vous pourriez le penser. Oui, si le niveau actuel change avec le temps, il est nécessaire de le suivre. Cependant, à moins que les changements (qui peuvent être considérés comme du bruit) ne soient corrélés avec le temps d'échantillonnage, de longues séries de données compenseront ce bruit. En d'autres termes, les problèmes de stabilité auront tendance à être filtrés sur les longues périodes considérées. En principe, il est toujours possible que vous obteniez des erreurs d'accumulation, mais cela ne devrait pas être un problème majeur. Et la stabilité dans ce cas signifie une stabilité sur 10 secondes, ce qui n'est pas difficile à faire.

Et je devrais quantifier mes conditions, en particulier la stabilité. 0,01% (100 ppm) dans une source de courant n'est pas si difficile ou coûteux, bien que 0,1% soit beaucoup plus facile. Et si vous utilisez le genre de shunt basse température que j'ai suggéré, vous pouvez utiliser cette tension pour contrôler votre source de courant, et la tension de référence devient le facteur limitant, suivi du décalage de l'amplificateur.

De plus, le contrôle de la température est, à tort, facile à qualifier de "simple", et à certains égards il l'est.Cependant, à moins de quantifier votre contrôle, vous n'avez aucun moyen de savoir s'il est adéquat.Vous ne pouvez pas simplement fournir un dissipateur de chaleur et être sûr que le problème est résolu.D'ailleurs, vous ne savez même pas s'il y a eu un problème en premier lieu.

Merci pour le commentaire long et utile!Je pense que le courant doit être stable parce que j'ai besoin de précision dans le courant intégré - s'il y a un bruit important dans le courant, l'erreur `` non mesurée '' entre les échantillons peut s'accumuler pendant une mesure aussi longue et peut provoquer la désactivation des coulombs intégréspar pas mal. Vous avez raison de dire que la taille du fichier sera de 7 à 8 Mo (en fait le double, car la tension sera également enregistrée), mais la difficulté est de faire une analyse détaillée des données, ce qui peut être assez lent avec Excel pour des données aussi volumineuses.set, et je vais générer de très nombreux ensembles.
J'ai besoin de construire des dizaines de ces canaux actuels pour effectuer des mesures indépendantes simultanément.J'ai donc besoin de plusieurs sources de courant indépendantes, mais pas de plusieurs multimètres.J'ai un multimètre Keithley à 6 1/2 chiffres, que je prévois d'utiliser pour lire la tension sur les résistances de précision en série, dans une boucle.En gros, si je prends une mesure toutes les secondes et qu'il y a 20 canaux, chaque canal sera mesuré avec un intervalle de 20 secondes.
D'accord avec votre point sur l'auto-échauffement des résistances.Cependant, maintenir les résistances stables n'est pas très difficile.Il est assez facile de dissiper un watt en utilisant une bonne colle thermique et un bloc de cuivre gainé d'eau, ou même simplement un dissipateur de chaleur CPU et un ventilateur. Je vais réfléchir attentivement au reste de votre commentaire.Merci pour le commentaire!
@ugachmaaz - Voir modifier.
Je vois que c'est une question assez ancienne, mais: Excel n'est pas une excellente approche pour votre analyse de données à cette échelle, même si je comprends qu'elle est extrêmement populaire et pour de bonnes raisons.Peut-être utiliser une partie de votre budget pour payer un programmeur pour écrire du code pour faire l'analyse?L'intégration que vous décrivez ne vous demandera pas grand-chose et elle sera EXTRÊMEMENT rapide par rapport à la configuration Excel que vous impliquez.
@GlennWillen - Eh.Si les données s'exécutent dans les centaines d'heures, il ne semble pas que quelques minutes pour traiter une feuille de calcul soit un si gros problème.Et oui, j'irais moi-même sur la voie de la programmation, mais l'affiche est d'une compétence inconnue et d'un budget inconnu.
#2
+9
Tony Stewart Sunnyskyguy EE75
2017-09-26 02:48:56 UTC
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Une dérive de 10 ppm équivaut à 100 dB SNR en courant continu et cela nécessite un capteur de courant au four pour une détection stable et un régulateur de bruit extrêmement faible.Ensuite, un ADC avec une résolution de 20 bits et une précision de 18 bits qui doit également être régulée thermiquement.Keithley peut fabriquer un tel instrument pour 5 000 $.DIY sans expérience?bon ruck.

#3
+3
Descon
2019-10-06 06:43:43 UTC
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Nous fabriquons des sources de courant de précision depuis plus de 26 ans et pouvons offrir quelques suggestions. Pour le sens actuel, utilisez la série Vishay VPR221Z ou le VCS331Z en fonction de votre puissance. Pour de meilleurs résultats, dissipez la chaleur de la résistance de détection malgré le Tempco de 0,2 ppm / ° C. Utilisez des amplificateurs de qualité instrumentation tels que l'INA103 pour la détection de courant et également pour la détection de tension à travers la charge. Pour la tension de référence, sélectionnez la meilleure référence que vous pouvez vous permettre, quelque chose comme l'AD587 et tamponnez-la à l'aide d'amplis opérationnels tels que l'AD797 configuré comme filtre passe-bas. Réduisez autant que possible la bande passante actuelle de la boucle d'asservissement, y compris l'élément pass. Éliminez les courants d'air parasites en protégeant le circuit imprimé. Placez un 10 ohms en série avec tous les CI et un .1uF pour revenir. Isolez la section analogique du numérique avec des opto-isolateurs ou des équivalents plus récents. Utilisez des alimentations linéaires avec une capacité distribuée sur le PCB. Utilisez des alimentations séparées pour la section analogique et AUCUN retour commun vers la section numérique. Utilisez des retours séparés avec des points Mecca pour minimiser les décalages de cuivre. Isolez les diverses coulées de cuivre utilisées pour le blindage de la couche interne de sorte que les tensions analogiques isolées soient séparées des tensions de source de courant isolées, sauf en un point soigneusement choisi. Prévoyez de faire tourner la planche plusieurs fois.

#4
+2
user224292
2019-06-14 02:25:33 UTC
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ce lien montre un circuit de référence de courant de précision avec une stabilité d'environ 10 ppm http://www.ti.com/lit/an/sbva001/sbva001.pdf

Linear en a de meilleurs
Exemple d'@laptop2d?
LT3092, désolé, j'ai une vendetta personnelle contre TI après qu'ils m'ont brûlé sur un amplificateur et que le support client soit inexistant.
#5
+1
Whit3rd
2018-04-08 12:30:20 UTC
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Avec ces exigences, vous aurez besoin d'une boîte au four, à faible dérive composants, sources d'énergie silencieuses, et une certaine finesse. Un convertisseur courant-fréquence et un compteur accumuleront une valeur entière qui correspond à la charge totale. L'étalonnage sera un défi, mais si vous savez que la précision que vous recherchez est révélateur d'un phénomène important, ce phénomène peut être votre source d'étalonnage.

Sachez que la température, la pression atmosphérique, le champ magnétique, et même la lumière parasite peut influencer votre résultat, alors ceux-ci devraient tous être contrôlés.

Votre résistance de détection sera horizontale, donc la chaleur qui s'en dégage ne provoque pas de différence de température sur ses bornes (ce qui donnent lieu à des tensions de thermocouple à partir des connexions de fils de cuivre).

Un bain d'huile agité peut être utile.

Les techniques d'échantillonnage (comme la plupart des ADC) sont votre ennemi, vous ne voulez PAS d'erreurs de temps mort ou d'arrondi; avec un oscillateur comme convertisseur, il y a pas de temps mort. La plupart des systèmes de test automatisés sont conçus pour contrôle des produits d'usine, et sont mal adaptés à cette précision au fil des jours d’opération.

#6
  0
bobflux
2017-09-26 00:20:43 UTC
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Vous pouvez utiliser une source de courant basée sur MOSFET;comme le FET n'a qu'un petit courant de fuite de grille, la tension sur la résistance vous donnera une bonne précision sur le courant.

Vous avez donc besoin de:

  • Un ampli-op à faible bruit et dérive de décalage

Pour un faible bruit, ADA4898 est difficile à battre, et pas si cher, en plus il a une faible dérive de décalage ...

  • Une référence de tension à faible dérive

Des exemples sont LTZ1000 ou LTC6655, etc.

  • Une résistance à faible dérive

Voici un exemple, n'hésitez pas à appuyer sur le moteur de recherche digikey / mouser et à trier par tempco;)

Ce n'est qu'un point de départ, cela va probablement être assez difficile ... Mettre les appareils actifs dans une enceinte à température contrôlée pourrait aider ...

La valeur minimale des résistances que vous avez liées est de 50 ohms, peut-être trop élevée pour cette application.Vishay a des pièces de précision [jusqu'à 0,5 ohms] (http://www.vishaypg.com/docs/63001/63001.pdf) (en fait d'autres séries descendent à 5 mOhms, mais c'est peut-être trop bas ici).
@ThePhoton Je vais être honnête: compte tenu des chances de succès de l'OP, pour les résistances, j'ai choisi le premier lien de Google.Je suis d'accord que votre choix de pièces est bien meilleur.Les spécifications sur ceux-ci sont comme si elles venaient du futur dans une machine à remonter le temps ou quelque chose comme ça.
#7
  0
analogsystemsrf
2017-09-26 11:30:25 UTC
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Je travaille sur un outil pour fournir des systèmes aussi précis, mais pas prêt pour les heures de grande écoute.D'autre part, la construction de la base de données électronique pour un tel outil fournit de nombreuses expériences de réflexion, et une limitation majeure est la détection résistive du courant.

La feuille de cuivre a un coefficient de température de 4 000 ppm par degré centigrade.Achetez un shunt.N'essayez pas d'en créer un.

Se mettre d'accord.N'essayera pas de construire un shunt.
Ne construisez pas de shunt en cuivre, évidemment.Mais il pourrait être possible d'en construire un à partir de fil ou de papier d'aluminium de manganine.


Ce Q&R a été automatiquement traduit de la langue anglaise.Le contenu original est disponible sur stackexchange, que nous remercions pour la licence cc by-sa 3.0 sous laquelle il est distribué.
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