ADC för termistor

[fpvkiwi]

I vanliga fall är det lätt att läsa av en termistor, men jag har ganska speciella krav. Jag behöver en upplösning på 0.01 C i området -60 -- +60 C (och helst ner till -80 C). För att få snabb responstid är termistorn pytteliten (monteras under mikroskop), så självuppvärmning blir snabbt ett problem.

Jag tänkte sänka matningen på 3.3 V ner till ca 1.8 V för spänningsdelningen och som referens till den kompetenta ADC:n MCP3561 för att minska strömmen och effektutvecklingen. Jag är tveksam att använda en dedikerad IC med 1.8V-spänningsreferens eftersom den i sig skulle ge brus och kosta. (3.3V-regulatorn har brus 10-15 uVrms.) En zenerdiod är billigare och passar bra att filtrera spänningen med RC-nät. Men jag är osäker på om MCP3561 VREF gillar att ha stor resistor (R4) och jag vet inte riktigt hur man räknar på spänningsdelningen med en zener med i bilden?

Som jämförelse ska ADC:n ge 18 bitar effektiv upplösning med den oversampling jag tänkt, eller 7 uV vid 1.8V. MCP3561 har dessutom PGA på upp till 16x gain som på pappret ger fantastisk upplösning bättre än 0.001 C, men då blir ju brusnivåerna ännu viktigare.

Kan nån hjälpa mig tänka hur jag får ihop kraven utan att komponentpriset springer iväg? Kanske är jag inne på fel spår här.

[Hedning]

Alla ingående komponenter ger termo-emk i kontaktpunkterna där olika
material möts. Inga värmegradienter alls är tillåtna i kretsarna runt
termistorn, HELA kretskortet måste ha EXAKT samma temperatur. På
FOA 3 i Linkeboda gjordes detta genom att sänka ner allting i någon
kubikmeter temperaturreglerad olja med omrörare. (Absolutnoggrannhet
någonstans runt 0,01 C, FOA var riksmätplats då.) Har sett försök med
liknande kopplingar där värmestrålningen från en hand någon decimeter
bort gjorde att kurvorna åkte av oscilloskopskärmen. Temperaturgradienter
över en enskild IC kan också förstöra dagen om man vill maximera upplösningen.

[Henry]

Sedan läser jag att det handlar om ned mot 0.02 atm och då blir upphettningen än lite värre då värmeavledningen mha luften minskar. Om det skapar kännbara effekter eller ej låter jag vara osagt men något skulle det kunna göra.

[Hedning]

Hmmm...
Missade lufttrycket. Hur mäter man lufttemperatur med något som har
egenuppvärmning och där luftmassan/kyleffekten i omgivningen varierar 1:50?

Warum einfach wenn es so herrlich kompliziert sein kann?

[TomasL]

Upplösning är en sak, noggrannhet en annan, vilken noggrannhet , eller snarare onoggrannhet är målet.
Vilka temperaturer handlar det om, och vilket media.

Jag skulle nog gå på en platina-givare, och skippa termistor.

Kika på TIs ADS1248 eller någon i den serien, hyffsat bra omvandlare till hyffsade pengar, använder den själv ihop met PT100-givare.

Sedan har du det intrikata problemet att kalibrera/justera det hela.

[Henry]

Jaså du skall mäta temperaturen i luften där, trodde det var på ett fast material, ja då blir det inte lika lätt tror jag och eftersom det är mindre mängd luft så kan det bli fördröjningar ändå även om sensorn är liten.

[TomasL]

En bra givare inbäddad i en hyffsat stor klump av något bra värmeledande material, med hyffsat stor termisk massa, sedan får man vänta ett par dar så den acklimatiserar sig och göra korta snabba mätningar.
Frågan är fortfarande O-noggrannheten?

[Hedning]

Enkelt löst med en fläkt som blåser vakuum på sensorn!

Serious? Not me!

[fpvkiwi]

Om sensorn inte värms upp i lågt lufttryck klarar den också normalt lufttryck. Möjligt att PT1000 vore enklare tack vare mer linjär temperaturkurva men jag hittar ingen med snabb responstid (< 1 sek).

ADS1248 verkar bra men kostar minst det dubbla mot MCP3561 och tar upp större yta. På plussidan har den hög inimpedans vilket kunde spara in separat op amp. Jag ska läsa in mig mer på den så tack för tipset, Tomas. Kanske konstant ström är vettigt också med termistor?

Sensorerna kommer kalibreras i klimatkammare. Det går inte att uppnå någon noggrannhet annars. Ett rimligt mål kan vara absolut noggrannhet 0.2 C. Syftet är att mäta små variationer i atmosfären, för forskning. Elektroniken kanske kan bli några grader varmare än termistorn. Temperaturberoendet på komponenterna verkar överkomligt men jag vet inte vilket övrigt brus eller mätfel som introduceras.

Jag funderar på hur man räknar på ström och spänning med spänningsdelning där zenerdiod sänker matningsspänningen. Se bilden.

2019-10-16_v_divider.png

Om jag testar de två extremfallen som TH1 kommer mäta:

Maximala strömmen begränsas av R4 och VDDA=3.3V:
I = 3.3 / 10 kohm = 0.33 mA

Om TH1 = 1 kohm:
TH1+R9 = 7 kohm
VREF = 7/17 kohm * 3.3 = 1.359 V
Ingen ström genom D1
I = 3.3 V / 17 kohm = 0.19 mA
VREF sjunkar alltså till 1.359 V men det gör inget för ADC:n.
V(R9) = 6 kohm * 0.19 mA = 1.14 V
ADC mäter ratiometriskt 1.14 / 1.359 V = 83.9%

Om TH1 = 400 kohm:
TH1+R9 = 406 kohm
V(VREF) = 406/416 kohm * 3.3 = 3.22 V
Men D1 kommer dra ström genom R4 tills VREF når 1.8 V:
I(D1) = (3.3-1.8 )/10 kohm = 0.15 mA
Ström genom TH1 blir istället
I(TH1) = 1.8 / 406 kohm = 4.4 uA
V(R9) = 6 kohm * 4.4 uA = 26.4 mV
ADC mäter ratiometriskt 0.0264 / 1.8 V = 1.47%

Om jag tänkt rätt här blir det två scenarion; ett där V(VREF) är under 1.8 V och ett där D1 är aktiv. Men en zenerdiod behöver en viss ström för att ge korrekt spänningsfall, tror jag att jag läste. Det borde inte vara så viktigt eftersom jag ändå bara mäter ratiometriskt?!
Jag är orolig för vad som händer när ADC drar ström från VREF. Databladet har resistans på bara 100 ohm och rekommenderar ändå hela 10 uF mellan VREF och jord.

[Icecap]

Kan vara jag som har missat det men jag ser ingen funktioner som pulser mätströmmen.

Om man t.ex. slår på mätströmmen, kör en omvandling och sedan stänger av strömmen kommer egenuppvärmningen att vara minimal.

[prototypen]

Jag skulle aldrig blanda in en zener, de brusar som en FM radio mellan stationerna och brukar kräva 10 mA ström för att vara stabila.

Protte

[fpvkiwi]

Icecap: Ja Q1 med signalen ENABLE_T i första schemat pulsar strömmen. Att pulsa strömmen är ett måste. Det märks tydligt i en tidigare version. Tyvärr vet jag inte *hur fort* termistorn värms upp -- uppvärmningen kommer ju inte skala helt linjärt med duty cycle.

prototypen: Zenerdiodens datablad är här:
https://www.onsemi.com/pub/Collateral/MMSZ4678T1-D.PDF. "Ström för stabilitet", är det Izf "reverse current"? Detta anges isåfall som 50 uA.

Jag förstår inte varför en passiv komponent som en zener skulle ge brus, men de verkar användas som bruskälla så det kanske är en dum väg att gå. En aktiv regulator som NCP110AMX180TBG är kanske tryggare val (https://www.onsemi.com/pub/Collateral/NCP110-D.PDF), med brusnivå 9 uVrms. Då finns också andra varianter om jag vill gå ner ytterligare i spänning. Men op amp kanske har brus 2 uVrms och ADC 12 uVrms = totalt 23 uVrms(?), så jag ser inte att jag skulle vinna på lägre spänning totalt sett. Bruset blir lätt större än självuppvärmningen. Allt det här är bara från datablad och ignorerar externa bruskällor som termiskt brus, temperaturdifferenser (termo-emk) och störningar från EMI och RF så kanske är jag fortfarande lyckligt ovetande om de verkliga problemen.

En ide är att sätta en klick värmepasta över benen på op ampen för att se till att de har samma temperatur.