Широкодиапазонный Датчик тока АКБ в автомобиле

[Philimon]

Уже давно появилась идея сделать в своем автомобиле расширенный двунаправленный датчик тока АКБ. Сначала думал сделать приблизительно такой, каков был штатным в моем прежнем Москвиче 2140, но идея выросла..
Т.к. у меня электронная панелька приборов, то я задумал интегрировать этот датчик в указатель уровня топлива и маленькой кнопочкой переключать стрелочный указатель между режимами "ток АКБ" - "уровень топлива". При этом показания стрелки "0.5" будет соответствовать НУЛЮ а отклонение вправо-влево - заряду-разряду АКБ. Масштаб шкалы где-то +-25А.
С этим казалось бы вообще ничего сложного нет и я бы не создавал эту тему если бы не другая сногсшибательная идея:
Этот датчик я хочу сделать широкодиапазонным т.е. прецизионным. Дело в том, что мне иногда нужно точно знать сколько потребляет та или иная нагрузка, чтобы знать сколько протянет АКБ без генератора до разрядки не более 75% т.к. кальциевые АКБ при бОльшей разрядке очень быстро выходят из строя. Более всего важно иметь возможность замерять ток утечки в состоянии покоя т.к. именно он покажет сколько времени машина может простаивать без зарядки АКБ, чтобы не допускать разряда больше 75%. Интересно, что например некие магнитолы в режиме покоя потребляют несколько мА для поддержания памяти настроек. Товарищ замерял, что если снять съемную панельку его магнитолы, то ток утечки уменьшается на 15мА а это много в масштабах простоя несколько недель. С десяток мА "берут" сигнализации в режиме охраны а еще компьютер инжектора, часы а еще могут быть утечки на кузов через подмокшие контакты, плохую изоляцию и проч.
В общем мне нужно более-менее точно мерять токи в несколько мА на стрелочном указателе топлива и на этом же указателе - токи в пару сотен Ампер, например 200А на стартер зимой уходит легко. Сначала думал что такая идея нереализуемая, но оказалось, что возможно с современными суперпрецизионными ОУ(опер усилители) на микросхемах.
Если с большими токами не проблема, то как мерять милиамперы??
Идей было пока три:
- интегральный линейный датчик Холла, закрепленный на проводе от минусовой клеммы АКБ к кузову,
- датчик GMR на этом же проводе,
- падение напряжения на том же проводе.
Первые две похоже нереальны для таких малых токов а вот последнюю нужно обговорить...

[Philimon]

Давайте посчитаем каково будет падение напряжения на проводе от АКБ.
Итак у меня этот провод имеет сечение где-то 30кв.мм, длина около 0.5 метра. Предположим, что минимальный ток, который нужно замерять - 1мА. По удельном сопротивлении меди подсчитал, что сопротивление этого провода у меня 0.56 милиОм. Теперь расчитаем падение напряжения на нем:
U=I*R=1mA*0.56mOm=0.56мкВ.
Нам нужно создать устройство способное мерять напряжение 0.5мкВ. Если считать, что нам на стрелочный указатель нужно напряжение +-12В, то нужно построить линейный усилитель постоянного напряжения в 24 миллиона раз.
Чтобы проверить будет ли вообще работать такой усилок или он утонет в шуме и наводках я сначала создал экспериментальную модель на микрухе OPA2277P. Это не самая прецизионная модель на сегодняшний день, напряжение смещения для нее - 10мкВ, температурный дрейф 0.1мкВ/градус Цельсия. Существуют микрухи со смещением 1мкВ и дрейфом 0.005мкВ/С, что возможно приемлимо для этой цели.
Вот схемка:

0005.jpg

(249.52 КБ) 893 скачивания

DSCF5130.jpg

(196.19 КБ) 737 скачиваний

DSCF5131.jpg

(205.67 КБ) 792 скачивания

Здесь можно регулировать усиление от 1 до почти бесконечности, резистивная цепочка на входе - установка НУЛЯ. Схема не совершенна, но эксперименты показали, что мерять около 5мкВ ею возможно. Стало понятно, что на схему имеет очень большое влияние температура среды, причем температурные дрейфы самой микрухи меньше дрейфов резисторов. Достаточно коснутся пальцем резистора на входе как напряжение на выходе, приведенное ко входу плавно уплывает на 2-5мкВ из-за дрейфа сопротивления по температуре. В целом собранная схема довольно стойкая к напряжению питания, похоже питание достаточно хорошо стабилизируется КРЕНОМ. Также удивило, что при столь большом усилении (около миллиона) схема достаточно стойкая к помехам, если вход замкнуть проводом, на котором измеряем падение напряжения.
К проблемам, которые нужно еще решить : влияние шума самой микрухи и температурные дрейфы.
Насчет дрейфов есть хорошая идея, вполне реализуема, ну вот с шумом не знаю что делать.
В этой теме http://radiokot.ru/forum/viewtopic.php?f=42&t=101297 обсуждается шум моей схемы, по моему что-то слишком он велик. Немогу понять: нужно выбрать менее шумную микруху или здесь какой-то другой ньюанс???

[As]

... нужно более-менее точно мерять токи в несколько мА на стрелочном указателе топлива и на этом же указателе - токи в пару сотен Ампер, например 200А на стартер зимой уходит легко. Сначала думал что такая идея нереализуемая, но оказалось, что возможно с современными суперпрецизионными ОУ(опер усилители) на микросхемах...

Полистайте старые подшивки "Радио", нечто подобное там однажды публиковалось...
Точность отсчёта, конечно, получается "плюс-минус лапоть"...

[Enman]

Paдиo 1989-04 (с.55)

[TheTERMINATOR]

Несколько лет у меня в машине успешно работают несколько амперметров e-kits с шунтами. Ток с генератора и обоих аккумуляторов нормально показывается.
К сожалению, они больше не выпускают модели с двунаправленным замером.

[El-Eng]

Первым делом, нужно решить вопрос, как на стрелочном приборе точно отображать значение в диапазоне единицы миллиампер - сотни ампер.

[Philimon]

Полистайте старые подшивки "Радио", нечто подобное там однажды публиковалось...
Точность отсчёта, конечно, получается "плюс-минус лапоть"...

Да это слишком просто, я бы и не открывал тему. Мне нужно кроме больших токов измерять и малые - милиамперы и нужно линейные шкалы а не логарифмические, нужно более-менее точно знать ток, протекающий через АКБ(хотя бы +-20%).

Первым делом, нужно решить вопрос, как на стрелочном приборе точно отображать значение в диапазоне единицы миллиампер - сотни ампер.

маленькая кнопочка будет переключать диапазоны измерений.
Главная задача как измерять токи в 1мА(а точнее напряжения +-0.5мкВ)??

[Philimon]

Идея как измерять напряжения с точностью 0.5мкВ такова:
Берем прецизионный и малошумящий ОУ(выбор пока нужно обсудить) причем нужно соискать компромисс между температурным дрейфом, минимальным смещением и шумностью т.к. "все в одном" - такого не бывает. Строим схему управления, которая будет "подавать" на вход напряжение 0.00мкВ, подавать она будет поочередно с частотой скажем 100Гц, т.е прерывания. В момент нуля на входе схемой точной подстройки нуля установим нуль на выходе подачей управляющих напряжений на первый каскад и "запомним" эти напряжения посредством АЦП и записи в ячейку памяти и подадим их на вход через ЦАП. Потом делаем измерительную выборку. Т.к за столь короткое время 10мс всякие температурные дрейфы не успеют подействовать то измерение будет более-менее точным. все это повторяется 100раз в секунду и на выходе ОУ одержим усиленные импульсы измеренного напряжения, которые можно сгладить и подавать на вольтметр.
Таким образом мы нивелируем темп. дрейфы, но вот не знаю как насчет дрейфа Ку по той же температуре. Существен ли он?? Если да, то придется еще делать цифровую корректировку и Ку..

[El-Eng]

Все это уже реализовано в т.н. ОУ с периодической компенсацией дрейфа (ПКД, chopper stabilized). См., например, AD8628/AD8629/AD8630.

[Philimon]

Все это уже реализовано в т.н. ОУ с периодической компенсацией дрейфа (ПКД, chopper stabilized). См., например, AD8628/AD8629/AD8630.

Да, знаю. Сама микруха, даже OPA2277 по экспериментах дрейфует не столь значительно сколько резисторы смещения на входе. Даже если пальцем коснутся к нему(усиление установил 1млн) на выходе - плавный дрейф +-1В. т.е. на входе +-1мкВ. А мне нужно измерять с точностью +-0,5мкВ да еще в автомобиле, где температуры +-30 градусов.

[El-Eng]

Задача, за которую вы взялись, далеко не из простых. Замечу, что существуют резисторы с ТКС = 1ppm/C но их надо поискать. Кстати, не забудьте учесть, что ТКС меди = 0.004 1/С, если вы собираетесь использовать медный провод в качестве измерительного сопротивления, вряд ли вам нужны резисторы с ТКС меньшим, чем 0.1 от ТКС меди.

[Philimon]

Задача, за которую вы взялись, далеко не из простых. Замечу, что существуют резисторы с ТКС = 1ppm/C но их надо поискать. Кстати, не забудьте учесть, что ТКС меди = 0.004 1/С, если вы собираетесь использовать медный провод в качестве измерительного сопротивления, вряд ли вам нужны резисторы с ТКС меньшим, чем 0.1 от ТКС меди.

Спасибо что напомнили. Кажется как раз обычные резисторы имеют ТКС 400ppm/C и это меньше меди в 10 раз. Думаю, что с Ткс меди еще можно смирится, если темп в авто +-30С , то сопротивление будет гулять +-12%, с такой погрешностью измерений я вполне согласен. С резисторами дело другое цепочка коррекции смещения более чувствительна к температуре, ище и влажность на подстроечники будет влиять , пробовал просто подуть на плату как выход медленно поплыл от нуля к напряжению питания или просто подержать палец на резисторе, т.е. +-10С это +-100% дрейфа, это уже недопустимо и без стабилизации прерыванием не обойтись.
пусть и сложно, но зато у меня будет нановольтметр, который можно будет легко переделать на переменные напряжения, и измерять например уровень сигнала с микрофона.

[Philimon]

кстати оказывается есть готовые ОУ выборки и хранения(AD585), возможно для моей цели не нужно будет строить цифровое управление, но похоже эти микрухи аналоговые, и "хранят" уровень на внутреннем конденсаторе и имеют убывание сохраняемого уровня 1мВ/мс.
впрочем можно все это самому устроить и выбрать кондер "памяти" большей емкости, чтобы не лезть в цифровые дебри...
Плюс в том, что на этом конденсаторе памяти можно сделать среднеквадратические выборки за строго определенный по времени период и таким образом несколько нивелировать шумы, но здесь нужно скомпенсировать нелинейность зарядной характеристики кондера.. или использовать начальный более-менее линейный отрезок этой характеристики.

[El-Eng]

Я бы сделал так. Нужно взять ОУ с минимальным дрейфом смещения, например с ПКД. Нужно взять формирователь отрицательного напряжения, чтобы не городить искусственную землю. Земля, в этом случае, не будет плавать, а обратная связь будет иметь всего два резистора, которые нужно взять с одинаковым ТКС и разместить рядом (усиление определяется отношением резисторов и будет зависеть от температуры слабее). Вход нужно непосредственно подключить к измерительному резистору (для страховки можно включить доп. резистор ~1КОм на землю). Любой ОУ очень эффективно подавляет пульсации питания, на этот счет можно не беспокоиться (если нет пути проникновения их на вход). Усиление нужно выставить разумно большим (порядка 100), с учетом смещения ОУ. Это смещение нужно скомпенсировать во втором каскаде. Можно попытаться сделать это и в первом, здесь нужны эксперименты.

[Philimon]

Я бы сделал так. Нужно взять ОУ с минимальным дрейфом смещения, например с ПКД. Нужно взять формирователь отрицательного напряжения, чтобы не городить искусственную землю. Земля, в этом случае, не будет плавать, а обратная связь будет иметь всего два резистора, которые нужно взять с одинаковым ТКС и разместить рядом (усиление определяется отношением резисторов и будет зависеть от температуры слабее). Вход нужно непосредственно подключить к измерительному резистору (для страховки можно включить доп. резистор ~1КОм на землю). Любой ОУ очень эффективно подавляет пульсации питания, на этот счет можно не беспокоиться (если нет пути проникновения их на вход). Усиление нужно выставить разумно большим (порядка 100), с учетом смещения ОУ. Это смещение нужно скомпенсировать во втором каскаде. Можно попытаться сделать это и в первом, здесь нужны эксперименты.

В эксперименте установил усиление 2 миллиона(в конечном итоге мне нужно 20тис) - это приблизительно предел заданной точности прибора(+-0.5мкВ на входе) растянутый до +-1В на выходе. Не знаю точно природы дрейфа, но он значительный(+-3мкВ на входе), установил реакцию на влажность, температуру отдельных элементов схемы. Больше всего реагировали резисторы коррекции смещения на входе, сама микруха на температуру, вся плата на влажность. Радует, что питание почти вообще не вносило лепты, стойкость к наводкам и помехам, подавал даже полусинусоиду на вход от трансформатора с сети, подключал мощные лампочки к этому же Тр а стрелка на выходе лишь слегка дергалась. Значит вся проблема почти исключительно в СНЧ дрейфах, которые при таких усилениях и условиях перепадов температур в автомобиле не удастся никак минимизировать кроме как стабилизацией прерыванием.
За идею с коррекцией во втором каскаде спасибо, действительно так лучше нежели городить цепями коррекции столь чувствительный вход первого каскада..
насчет дрейфа Ку - если бы его природа была только в ТКС резисторов ОС, то можно пренебречь, но температурные дрейфы резисторов да еще и Разных номиналов ИМХО могут отличатся и пропорция тоже может дрейфовать, особенно при перепадах +-30градусов да и микруха может дрейфовать по Ку а еще влажность. Вот не знаю насколько дрейф именно Ку значительный, в эксперименте этого определить невозможно. ведь как отличить дрейф Ку от дрейфа смещения нуля если на выходе один вольтметр.

[Philimon]

Составил цепи коррекции смещения во втором каскаде, в симуляторе все работает на "ура". Радует хорошая линейность коррекции относительно управляющего напряжения коррекции. У меня в схеме для наглядности этот сигнал - "пила" с размахом +-2В. Ку схемы установил такой как мне нужно - 20тисяч, если разбить на два каскада то выходит на каждом по 140раз. Размах коррекции выбрал примерно в 10 раз больше максимального расброса смещения микрухи - примерно +-140мкВ, приведенных ко входу. Вот:

444.jpg

(121.51 КБ) 486 скачиваний

[El-Eng]

Смещение лучше компенсировать так:

Bias.png

(5.06 КБ) 1872 скачивания

[Philimon]

Сейчас составляю схему стабилизации прерыванием, нужно на входе сделать ключ включения-отключения входа, напомню, что на входе около 100мкв, минимальное "разрешение" входа 0.5мкВ.
Вот экспериментальная схема:

500.jpg

(97.81 КБ) 673 скачивания

Можно ли полевиком переключать такие напряжения??
На симуляторе вроде работает, только в моменты включения- выключения возникают сильные всплески, впрочем их можно будет отсечь если нужно, но интересно будет ли в реале так работать?? Проверить не могу, нет осциллографа..

[El-Eng]

Philimon, я вижу, вы не ищете легких путей. Я настоятельно рекомендую посмотреть в сторону готовых микросхем. Задача, за которую вы взялись, очень сложная, поверьте моему опыту. Я не смогу даже перечислить все подводные камни, которые вас ждут, зачем добавлять новые? Приведу лишь одну известную ловушку: контакт разнородных металлов является паразитной термопарой, и небольшая разница температур создаст термо-ЭДС, с которой вам придется бороться при монтаже устройства.

[Philimon]

Philimon, я вижу, вы не ищете легких путей. Я настоятельно рекомендую посмотреть в сторону готовых микросхем. Задача, за которую вы взялись, очень сложная, поверьте моему опыту. Я не смогу даже перечислить все подводные камни, которые вас ждут, зачем добавлять новые? Приведу лишь одну известную ловушку: контакт разнородных металлов является паразитной термопарой, и небольшая разница температур создаст термо-ЭДС, с которой вам придется бороться при монтаже устройства.

Я так понял вы предлагаете взять самую прецизионную микруху, на вход подать без всяких лишних элементов измеряемое напряжение, во втором каскаде компенсировать смещение, установить требуемое усиление и нановольтметр готов??
Я для этого и спаял плату, на не самой лучшей микрухе чтоб убедится, будет ли она измерять несколько микровольт и к моему удевлению она измеряла 2-3 микровольта, только ее нужно было время от времени балансировать(пару раз в минуту) т.к. "ноль" дрейфовал себе плавно. В эксперименте были и контакты разнородных металов(припой-медь) и температуру менял и имитировал перепад влаги - все это вызывало плавные дрейфы на выходе. Замерял я на куске толстого провода(10см), через который пускал всего 1мА, на нем падало около 3мкВ, усиление зделал миллион и на вольтметре на выходе стрелка четко отклонялась на 2-3В и возвращалась в ноль когда я снимал ток. Причин дрейфа наверняка много: и термопары и фликкер-шумы 1/F на частотах меньше 1Гц и дрейф Ку, впрочем выяснять подробно нет смысла, главное, что дрейфы плавные и прерывания 100Гц вполне достаточно. чтобі компенсировать эти дрейфы.
Я почти вполне уверен, что какая-бы прецизионная микруха не была из-за этих же подводных камней прибор не будет стабилен по времени на СНЧ. Пусть задача не проста, впрочем ничего сверхсложного здесь нет. Если не получится - и в этом польза есть: другие будут знать что за такое делать не стоит. Есть промышленные нановольтметры с разрешением 1нВ (Keithley 2182A) а мне нужно разрешение 500нВ. Я думаю это вполне реально осуществить.