Diseño de instrumentos de precisión: qué autocalibrar, qué garantizar por diseño

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Contexto : estoy trabajando en un instrumento de precisión (salida digital) para medir la corriente a los sistemas, en el rango entre 300nA y 300mA (120dB). Sin embargo, espero que esta pregunta pueda ser respondida de manera genérica como una guía útil para el diseño de otros instrumentos de precisión.

En el diseño de un instrumento de precisión, veo dos formas principales de lograr precisión:

  1. utilice componentes de precisión (baja deriva, alta precisión) (amplificadores, resistencias, referencias). Diseñe el instrumento de manera que después del ajuste inicial (desplazamiento), el desplazamiento y la ganancia sean exactamente lo que deberían ser. La precisión está garantizada por el diseño.
  2. diseñe en una sección de autoprueba y calibración (probablemente basada en piezas de precisión), y durante la operación del instrumento use la etapa de calibración incorporada para tener en cuenta (digitalmente) la variación de compensación y ganancia. La precisión está garantizada por la autocalibración y el procesamiento posterior.

Para mí, parece que (2) no es fácilmente posible para un instrumento puramente analógico, mientras que es probable que sea más rentable (para la misma medida de precisión) que (1) para los sistemas que digitalizan las mediciones. Sin embargo, ¿cuándo es (1) la opción adecuada incluso para digitalizar sistemas?

¿Qué principio de diseño es apropiado en qué caso y por qué?

    
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3 respuestas

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No hay una única respuesta correcta y la respuesta correcta en cualquier situación tenderá a cambiar con el tiempo a medida que los diferentes componentes estén disponibles (o no estén disponibles) y los costos y los distintos precios cambien. En un momento, las resistencias del 0,1% eran bastante caras en cantidades pequeñas, ahora son bastante razonables y están disponibles. Una resistencia de 0.01% puede costar alrededor de $ 15 en cantidades bajas, eso es solo 13 bits de precisión. Si desea acercarse a los posibles 16-20 bits de precisión con convertidores ADC de más de 24 bits, será difícil sin algún tipo de calibración. Pero es posible que aún necesite las resistencias de $ 15 si desea que el valor calibrado se mantenga estable con el tiempo y la temperatura.

La segunda opción es completamente práctica con instrumentación analógica: solo utiliza componentes ajustables, seleccionables (o seleccionados) o ajustables. Las computadoras (externamente) pueden estar involucradas. Una vez fue común utilizar computadoras para redes de resistencia de corte abrasivo o láser in situ para calibrar instrumentos.

Realmente tienes que ejecutar todas las opciones posibles y ver qué tiene sentido en una situación determinada. Si solo hay una parte que afecta a la precisión y está disponible en una parte de costo razonable de alto volumen, a menudo es mejor comprar esa parte. Por ejemplo, una referencia ADC. Si solo necesita 0.1% de precisión y puede comprar una referencia de 0.08% que garantice la precisión inicial y tenga una estabilidad superior al 0.25% más el trimpot o la corrección de ganancia digital, entonces esa puede ser la forma correcta de hacerlo.

Cuando haya realizado muchos diseños de instrumentación, la cantidad de opciones plausibles disminuirá, ya que puede rechazar las opciones que probablemente no sean competitivas en una etapa anterior (una razón por la cual los Ingenieros con experiencia ganan mucho más dinero).

Debe considerar el presupuesto de error, la estabilidad deseada (y otras características de rendimiento, como el ruido), el costo de las piezas y el costo general, incluido el costo amortizado de las plantillas de calibración, los procedimientos, la capacitación y la recalibración en el campo. ¿Qué sucede si una EEPROM? se borra y su maravillosa calibración de +/- 10 ppm cambia repentinamente en un 5% del error de escala completa? en lugar de realizar una prueba para verificar que el sistema con las partes compradas realmente está funcionando según las especificaciones (¡no debe intentar omitir ese paso!).

Si está calibrando, probablemente pueda golpear el centro de la banda de tolerancia bastante bien (bueno, quizás dependiendo de cómo se haga, la resolución de la calibración digital todavía tiene que ser suficiente) en la puerta de la fábrica, por lo que es un poco más a la deriva. la temperatura y el tiempo podrían ser permisibles y aun así cumplir con las especificaciones. Si no tiene suerte y varias partes contribuyen de manera adicional al presupuesto de error, entonces podría estar cerca del límite y un pequeño cambio lo dejaría fuera de especificaciones. En algunos casos, la estabilidad puede ser más importante que la precisión absoluta de todos modos.

Con la calibración digital, incluso puede corregir los cambios de temperatura colocando el instrumento en una cámara y calibrándolo a varias temperaturas. Este es un PITA importante y debe evitarse en todas las situaciones, excepto en las más extremas, en mi experiencia.

    
respondido por el Spehro Pefhany
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La respuesta de Spehro es correcta. Tu pregunta es demasiado amplia. No hay un proceso genérico que pueda seguir para determinar cuál es la mejor manera de avanzar, ya que la "mejor" forma depende de sus criterios, como la disponibilidad de componentes, el costo, el tiempo de desarrollo, el entorno (temperatura, EMI, vibración, etc. ) en el que el dispositivo funcionará, la vida útil del dispositivo, etc.

Además, está solicitando un rango de medición enorme y no ha especificado nada relacionado con el proyecto, como el presupuesto o la resolución. La mayoría de las personas probablemente implementaría esto con una serie de rangos de detección discretos y cambiaría entre ellos, lo que agrega otras preocupaciones de calibración.

Discutimos esto extensamente en IRC. No hay un conjunto genérico de principios de ingeniería que lo ayude a llegar a la respuesta "correcta" porque el campo es muy amplio y su pregunta tan genérica. Estoy votando para cerrar su pregunta a menos que quiera refinarla.

    
respondido por el akohlsmith
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Es difícil. La ingeniería es difícil. Si fuera fácil, todos lo harían, y los ingenieros pagarían menos. Tienes que hacer el trabajo.

Comience desde una especificación precisa de lo que se necesita . La especificación puede requerir precisión durante un período de tiempo, o un rango de temperatura, o linealidad en un rango, o un buen seguimiento entre los rangos de 1x y 1000x. ¿El caso de uso requiere una medición continua o hay pausas en la operación? Cada uno de estos requisitos podría empujarlo en una u otra dirección.

Tenga en cuenta que 'lo mejor posible' no es una especificación. Necesitas saber lo que quiere tu cliente. Muchas veces he tenido que hacer la pregunta a un cliente: ¿ realmente necesita este punto de especificación aquí, porque si lo hace, va a duplicar el costo?

Consejo general. En algún lugar, un instrumento de precisión tiene que volver a una referencia de precisión. En general, una cosa de precisión es más fácil de mantener que varias. La precisión pasiva (relaciones de resistencia) es más fácil de entender que las cosas activas (referencias de voltaje). El tiempo se puede hacer en órdenes de magnitud más precisos que los voltajes y corrientes (osciladores de cristal, PWM, delta sigma).

Puede utilizar estos recursos para calibrar canales de medición menos precisos. Sin embargo, estos canales deben ser estables (a lo largo del tiempo, temperatura). Si necesita componentes más caros para la estabilidad, ¿obtiene precisión de forma gratuita a ese precio?

¿Cuánto tiempo llevará calibrar estos canales? ¿Con qué frecuencia necesita calibrar para compensar la deriva? ¿Tiene que interrumpir la medición para calibrar, o puede hacerse en segundo plano? ¿Necesita dos canales de medición y ping-pong con calibración (como lo hacen los opamps con cero automático)? Tenga en cuenta que la calibración en el encendido es el peor tiempo posible para hacerlo, ya que el instrumento se utilizará en caliente, por lo que se calibra a la temperatura incorrecta.

Probablemente se encontrará presionado en la dirección de tener una referencia de voltaje de alta calidad, una referencia de tiempo de alta calidad, una resistencia de alta calidad para obtener entre voltios y corriente, y un conjunto de resistencias de relación para traducir la precisión entre rangos . Sin embargo, necesitará interruptores de baja fuga y baja resistencia para hacer malabarismos con estos recursos, por lo que puede ser mejor tener una precisión dedicada en múltiples lugares, o usar relés en lugares clave en lugar de interruptores CMOS.

No sé sobre tu situación precisa. No lo sabrás hasta que hayas hecho un montón de trabajo detallado. Ese trabajo debe incluir la creación de prototipos en algunos canales de medición y medir cómo se realizan . Usted podría aprenderá algo inesperado.

    
respondido por el Neil_UK

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