Amplification de signaux tres faibles

[Gershon09]

Bonjour à toutes et à tous.

J'ai besoin de faire un amplificateur pour thermocouple. Les thermocouples délivrent une différence de potentiel d'environ 1~100 microvolt et j'ai besoin d'amplifier ça et de pouvoir le mesurer avec un voltmetre (un voltmetre classique, donc il me faudrait au final environ 100mV~10V...).
Il existe de nombreuses solutions pour faire cela, mais à chaque fois les montages proposés ajoutent des éléments pour "compenser la soudure froide", et ceci en fonction du type de thermocouple...
Comme je travaille avec un thermocouple très spécial (Or - Platinium), je dois faire toute la calibration moi même et j'ai besoin de mesurer le signal originel.

Le problème, c'est que je n'y connais quasiment rien en électronique... Et pourtant je dois arriver à faire ça, sinon je vais devoir acheter un voltmètre de très haute précision qui coute dans les 10000 euros. Mon patron ne veut pas, et il a bien raison

J'ai cherché sur le web et j'ai trouvé ce schéma là:
http://www.sonelec-musique.com/imag...003_tck_001.gif

J'ai deux questions à propos de ce schéma:
Qu'en pensez vous? ))
Je n'arrive pas à trouver l'ampli U1 op7a, je n'y connais rien mais je suppose que je peux le remplacer par un équivalent, lequel ?

J'ai aussi trouvé comme info que ce type d'amplification nécessite une grande impédance en entrée car la résistance du thermocouple est très faible.
Est-ce vrai?
Est-ce que c'est le cas ici ?

J'espère que vous pourrez me donner un coup de main, je suis sur que ça doit pas être si difficile que ça.
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[DAUDET78]

J'ai cherché sur le web et j'ai trouvé ce schéma là:
http://www.sonelec-musique.com/imag...003_tck_001.gif

J'en pense que tu as aussi posé ta question sur un autre forum et que ton lien est cassé car tu as fait un simple copié/collé .....

[ranarama]

Bjr. Ce genre de montage m’intéresse aussi, est-ce vous pouvez donner le lien vers l’article de sonelec s'il vous plait.

[bobflux]

Si tu veux éviter les problèmes d'offset et de dérive, utilise un AOP type chopper, ou auto-zéro

http://www.digikey.com/product-searc...=0&pageSize=25

[A voir en vidéo sur Futura]

[Yoruk]

Il existe des composants réalisant l'amplification, la linéarisation et la compensation de soudure froide... Voir AD595, AD594, MAX6675 et bien d'autres.

[Gershon09]

Bjr. Ce genre de montage m’intéresse aussi, est-ce vous pouvez donner le lien vers l’article de sonelec s'il vous plait.

Le voici :
http://www.sonelec-musique.com/elect...ostat_003.html

[Gershon09]

Si tu veux éviter les problèmes d'offset et de dérive, utilise un AOP type chopper, ou auto-zéro

http://www.digikey.com/product-searc...=0&pageSize=25

Merci Bobfuck !
Les problèmes que tu cites ne sont pas pris en charge dans le schéma que j'ai mis en lien ?

http://www.sonelec-musique.com/image...03_tck_001.gif

[Gershon09]

Il existe des composants réalisant l'amplification, la linéarisation et la compensation de soudure froide... Voir AD595, AD594, MAX6675 et bien d'autres.

Oui, j'ai bien regardé tout ça. Mon problème c'est qu'a chaque fois les composant proposé ont toujours un linéarisation et la compensation de soudure froide. C'est exactement ce que je ne veux pas !
J'ai besoin uniquement de l'amplification et je ne trouve rien la-dessus. A mon avis ça doit être quelque chose de très simple...

[gienas]

Bonjour Gershon09 et tout le groupe

Bienvenue sur le forum.

... je n'y connais rien ... J'espère que vous pourrez me donner un coup de main, je suis sur que ça doit pas être si difficile que ça.

J'ai l'impression que tu es dans le rêve.

Les amplificateurs de thermocouple sont plutôt difficiles à maîtriser, en général, ne s'improvisent pas pour les modèles connus. Tu nous parles d'un modèle que je ne connais même pas, donc qui a une sensibilité mystérieuse. Peux-tu nous donner un lien qui fournit sa caractéristique de sortie?

Tu parles aussi de mesurer des tensions de sortie, mais les thermocouples ont toujours besoin de la compensation de soudure froide. La fém qu'ils délivrent est celle correspond à la différence de température entre la soudure (chaude en général) et l'extrémité de ton branchement, dite soudure froide.

Pour que la tension soit représentative de la température "absolue" (vraie), tu dois ajouter à la température résultant de la conversion de tes volts/millivolts/microvolts issus de ta mesure, la valeur de ta température ambiante.

C'est ce que font les compensations de soudure froide, spécifiques à chaque TC, qui ajoutent les μV nécessaires en série avec le dit TC.

Ceci c'est la théorie, qui se complique par le fait que la caractéristique μV/°C n'est pas linéaire entre l'ambiante et le haut d'échelle.

Comme tu ne précises même pas les performances que tu souhaites atteindre, aucun conseil ne peut être prodigué.

Mais, compte tenu des matériaux utilisés (platine et or), dits nobles ou précieux, leur usage doit probablement se justifier par des besoins impératifs, car leur prix doit être tellement dissuasif, que le prix que tu annonces pour un équipement tout fait et sans tous les inconvénients dont tu ne te sortiras pas à un moindre coût.

Le seul conseil à te donner: achète le produit que tu dénigres.

Pour me permettre de ne pas mourir ignorant, peux-tu nous donner un lien vers les caractéristiques de sortie de ton TC?

Mes recherches à moi n'ont pas abouti.

[Gershon09]

Merci beaucoup Gienas de te pencher sur mon problème
En effet les choses ne sont pas si simple et il faut faire avec

Tu as bien résumé ce que fait la compensation de soudure froide. J'ai bien étudié la problématique de la mesure de température avec un thermocouple, et je vais maintenant résumé ça pour clarifier mon problème (c'est un peu long, mais ca aidera ceux qui souhaite savoir comment marche un thermocouple...):

Un thermocouple c'est tout simplement deux métaux différents raccordés entre eux. L'endroit de raccordement est la jonction (que j'appellerai dans la suite Jonction chaude). Lorsque la jonction chaude est à une température différente du reste des métaux, une différence de potentiel est crée. A une différence de témpérature, correspond une différence de potentiel. Donc, grace a une calibration, on peut faire correspondre des différences de potentiel a des différence de température.


Un appareil de mesure de température par thermocoupe va d'abord mesurer la difference de potentiel. Parce qu'il connait les deux métaux servant à la mesure, il va consulté des table pré-établies et conclure sur la difference de température qui correspond a cette différence de potentiel.
Pour donner la valeur de la température à la jonction chaude (qui est la sonde de l'appareil), il va mesurer la température du circuit intégré qui mesure de la différence de potentiel (avec une thermistance ou truc comme ca situé à l'intérieur du circuit intégré), et comme il connait la différence de température entre soudure chaude/froide, avec une simple soustraction il donnera la température de la sonde.

Donc les appareils de mesure de température a thermocouple sont basé sur des tables de calibration, comme par exemple celle-ci : http://srdata.nist.gov/its90/download/type_k.tab

Mon problème, c'est qu'il n'y a pas de calibration pour le type de métaux que j'utilise (ou il y en a, mais je n'ai pas confiance car c'est a chaque fois des cas spéciaux...). Mais ce n'est vraiment pas un problème pour moi, car je peux faire cette calibration ! J'ai un four très précis, un très bon thermomètre. Tout simplement pour faire ma calibration, je dois:
faire une jonction des deux métaux (raccorder deux fils de métaux), la mettre dans mon four.
Je mets les deux autres extrémités des métaux dans un verre d'eau glacé pour etre sur d'avoir 0 degré à cet endroit.
Je fais varier la température du four et je mesure la différence de potentiel (ddp) (dans l'eau glacée, bien sur tout est isolé...).

C'est ma calibration, j'ai une évolution de la ddp en fonction de la différence de température, elle est peut etre non-linaire, mais c'est pas grave...

Pour expliquer la suite, je note que j'appelle la jonction "froide" Jf et la jonction chaude Jc (voir mon schéma). La jonction froide est l'endroit ou je mesure la ddp, la jonction chaude est ma sonde de température, c'est là ou je mesure la température.
Donc, j'ai ma calibration, et en plus une loi fondamentale qui me dit (por comprendre cette loi, c'est pas facile, pour ça il faut se reporter a une bouquin de physique de l'état solide...):

ddp( Jf(To) , Jc(T2) ) = ddp( Jf(To) , Jc(T1) ) + ddp( Jf(T1) , Jc(T2) )

Lors d'une mesure de température, je mesure le deuxième terme de la droite de l'équation:
ddp( Jf(T1) , Jc(T2) )
c'est la ddp qui existe entre la jonction froide à la température T1 (La température ambiante) et la jonction chaude à la température T2 (Température que je veux trouver).




Ma calibration m'a donnée
ddp( Jf(To) , Jc(T1) ).
T0 est 0°C, c'est la température de la soudure froide quand elle était plongée dans l'eau glacée.
T1 est la température de ma jonction froide lors de ma mesure, c'est la température ambiante, je la mesure grace à un autre thermomètre très cher, bien calibrer.


Je résout l'équation (je fais l'addition), je trouve:
ddp( Jf(To) , Jc(T2) )
Je retourne dans ma table de calibration, je trouve cette valeur, et fais la correspondance pour trouver T2.

C'est bon, j'ai mesuré/trouvé T2 !


Donc vous voyez, je comprends tout ça, mon problème c'est que mesurer la ddp avec un voltmètre tout bète, c'est pas possible car le signal est trop faible. Il faut l'amplifier.

L'amplitude des signaux des thermocouples, sont tous a peu près de l'ordre 10 microvolt jusque 10 millivolts.
Pour mon thermocouple spécial, c'est pareil. Tu peux voir une doc sympa la dessus:
http://cdn.intechopen.com/pdfs/27205...rmocouples.pdf

On y voit que la ddp pour mon system Or/platinium a une sensibilité vers 20°C de 6.2 microvolt pour une différence de température entre les jonctions froides et chaudes de 1 degré.

Pour résumé:

Les appareils de mesures de température par thermocouple utilisent des tables de calibration différente selon le type des métaux composant le thermocouple. La différence entre un circuit intégré pour un thermocouple de type k et celui de type N, c'est la table de calibration (qu'on appelle ça la compensation de soudure froide). Mais l'amplificateur de signal est le meme quelque soit le thermocouple, enfin j'en suis convaincu...

Pour mon cas précis, la température de ma jonction froide sera l'ambiante : 25°C, et ce que je veux mesurer fera environ 35°C. Comme mon systeme or/plaitnium a une sensibilité de 6.2 microvolt par degré, je dois etre capable de mesurer environ 62 microvolt.
Mais comme je veux mesurer avec une précision d'environ 0.1 degré, il faut que je mesure une ddp avec une précision de 0.62 microvolt !
En gros, j'ai besoin d'amplifier un signal de 10 microvolt avec une précision de 1 microvolt.

JE SUIS QUE C'EST PAS SI DIFFICILE !
Il y a plein de transitors couplé avec des résistance qui peuvent me faire ça, ce problème doit etre un truc relativement classique...

Je ne trouve pas ce schéma, car a chaque fois on vient y rajouter la compensation de soudure froide... Mais l'ampli de base, et inclu dedans.

Voilà !

J'espère que ca éclaire le problème

Si certain d'entre vous souhaite avoir plus de détail, je peux donner des liens, ou un peu plus d'explications

Juste pour info: J'utilise le thermocouple or/platinium car le signal crée est beaucoup plus stable que les autres thermocouple (classique). Vu qu'il est plus stable, la mesure de ddp est plus précise et donc la mesure de température aussi...

[DAUDET78]

et ce que je veux mesurer fera environ 35°C.

C'est du n'importe quoi ! Il y a une erreur de casting !
Un thermocouple pour mesurer une température de 35° ......
Tu prends une PT100 ou un capteur digital !

Au fait, tu veux mesurer 35° avec quelle précision et quelle résolution ?

[Gershon09]

Oui en effet Daudet78,

Une Pt100 irait très très bien. Mais je n'ai pas tout dit...
Je dois faire une mesure de température en un endroit qui 500 micromètre d'épaisseur (un microcanal), y'a pas une Pt100 commerciale qui puise me faire ça...

Pour d'autre raison technologiques, la solution thermocouple est vraiment la meilleure. Je peux réussir à souder deux fils de 100 micromètres pour faire une sonde adéquate...

Sinon, une précision de 0.1°C est bonne pour moi. Mais je sais qu'on peut avoir une précision bien meilleure avec le couple or/platinium (environ 0.01°C dans les meilleures condition).

[PIXEL]

si c'est un travail de labo , voyez avec un de vos sous traitants ,
ça demande , tout de même , une sacrée expérience

[gienas]

C'est du n'importe quoi ! Il y a une erreur de casting !
Un thermocouple pour mesurer une température de 35° ...

J'ai la même réaction!

Mais ce n'est pas la seule incohérence que je note.

"précision" de 1μV pour un signal de 10μV? Ça veut dire quoi?

La sensibilité de ce TC "de luxe" et non commercialisé ou très peu, est quasiment la même que les platines/rhodium, qui n'ont pas "besoin" de compensation de soudure froide, mais qui sont obligatoires quand les autres TC ne résistent plus, tellement c'est chaud.

Je n'ai donc pas compris l'usage d'un tel TC pour une température si basse. Y faire "miroiter" la notion de précision/stabilité, c'est tout simplement une énormité.

Rassure nous.


Edit: je baisse les bras.

Je ne sais pas, si la température est vraiment autour de 35°C, assurer 0,01° de précision/résolution/stabilité.

[Gershon09]

J'ai la même réaction!

Mais ce n'est pas la seule incohérence que je note.

"précieion" de 1μV pour un signal de 10μV? Ça veut dire quoi?

La sensibilité de ce TC "de luxe" et non commercialisé ou très peu, est quasimentla même que les platines/rhodium, qui n'ont pas "besoin" de compensation de soudure froide, mais qui sont obligatoires quand les autres TC ne résistent plus, tellement c'est chaud.

Je n'ai donc pas compris l'usage d'un tel TC pour une température si basse. Y faire "miroiter" la notion de précision/stabilité, c'est tout simplement une énormité.

Rassure nous.

J'ai besoin d'une précision de 1 microvolt. Ca veut dire que j'ai besoin de mesurer un signal d'environ 10 microvolt, et je dois avoir comme résultat
11.06 microvolt +/- 1 microvolt

Je ne suis pas fabricant / soustraitant, je suis chercheur. Le thermocouple est presque la seule solution pour ma mesure. Avant d'acheter un appareil de 10000 euros, j'aimerai bien faire un essais avec un ampli fais maison qui me coutera 10 euros...

Je ne fais rien miroiter. Il y a eu beaucoup d'étude sur ce système. J'ai lu pas mal de publication ou il est montré que le système, proprement fabriqué, a une précision de 0.01°C.
Les sonde Pt100 qui marche par une mesure de résistance, sont beaucoup plus répandu pour des raisons Xy...

De toute façon, j'ai besoin de systeme pour une multitude d'autre raison technologiques. Notamment le fait que je puisse fabriquer en microtechnologie, une sonde micrométrique constituée de deux fils, souder entre eux par une microsoudure (ca je sais faire).
Voià tout...

[Gershon09]

Alors, vous connaissez un schéma de circuit intégrer qui permet d'amplifier une ddp d'environ 10microvolt ???

Vu vos réaction, ça à l'air très difficile...

[PIXEL]

y'a des amplis d'instrumentation dits "électrométres".....

mais faut commencer à chauffer la CB

et ça n'est pas à mettre entre toutes les mains.....

[Gershon09]

y'a des amplis d'instrumentation dits "électrométres".....

mais faut commencer à chauffer la CB

et ça n'est pas à mettre entre toutes les mains.....

Bah oui mais il y a de tels ampli dans n'importe quel appareil qui mesure la température avec un thermocouple. Ca doit rien couter...

Ca doit etre tout bête...

[bobflux]

Eh bé, ça chauffe ici

J'ai besoin d'une précision de 1 microvolt. Ca veut dire que j'ai besoin de mesurer un signal d'environ 10 microvolt, et je dois avoir comme résultat
11.06 microvolt +/- 1 microvolt

Bon, ok.

C'est quoi l'impédance de ton thermocouple ? (en ohms, bien sûr) autrement dit, quelle doit être la résistance d'entrée de l'appareil de mesure pour ne pas fausser la mesure ?

Et, la question la plus chère : tu veux une mesure tous les combien ? 1000 par seconde ou une toutes les minutes ?

[DAUDET78]

C'est quoi l'impédance de ton thermocouple ?

Moins que 10 ohm .....

[bobflux]

Au fait, je précise que j'y connais rien en thermocouples. Enfin si, j'en ai un dans mon four à refusion maison, mais c'est un type standard géré par le chip qui va avec, un MAXtruc je crois.

Bon bref, donc si l'impédance de source est faible, où est le gros problème ?

[ranarama]

Bsr wow 500µm c'est devenu pointu ton bidule..
En te citant : "J'ai lu pas mal de publication ou il est montré que le système, proprement fabriqué, a une précision de 0.01°C." A ta place je m’adresseraient directement à eux, ils ne sont pas forcement tous liés par le secret, ont surtout l'habitude de collaborer, et il suffit que l'un d'entre eux se mettent a table ^^ En t'adressant aux chercheur (par mail) qui ont déjà réussi à exploiter une telle technologie pour mendier un schéma ou autre explications, au pire un indice (article etc..) tu risque au mieux de gagner un temps fou, au pire de te faire ignorer.
Lorsque je trainais à l'université Marie curie ou à Saclay il y avait une multitude de profs qui kiffaient tout ce qui se approchait de près ou de loin la métrologie de pointe, ou encore chez http://www.lne.fr/ que je ne connais pas perso.
Et ensuite de revenir chez nous avec plus d'infos, un début de schéma (coté sonde)
Sinon merci pour le lien, super intéressant comme toujours chez sonelec ^^
Pas mal la vanne de Bobfuck

[bobflux]

Tiens, en quelques minutes de googlage, je tai trouvé un chip rigolo, c'est un ADC et il y a un capteur de température dedans. C'est fait pour les thermocouples, mais comme ça marche avec un micro, ils n'ont pas mis la linéarisation dedans. Le module d'évaluation est vraiment pas cher.

http://www.ti.com/tool/430boost-ads1118

La précision est seulement 1µV, à condition de pas échantillonner trop vite...

http://www.analog.com/en/products/am...oduct-overview

Low offset voltage drift: 0.015 µV/°C maximum
Low Noise: 5.6 nV/√Hz at f = 1 kHz,
AV = +100 -> 97 nV p-p at f = 0.1 Hz to 10 Hz, AV = +100

Bon, j'ai la flemme de googler la suite pour toi....

[Gershon09]

C'est quoi l'impédance de ton thermocouple ? (en ohms, bien sûr) autrement dit, quelle doit être la résistance d'entrée de l'appareil de mesure pour ne pas fausser la mesure ?

Et, la question la plus chère : tu veux une mesure tous les combien ? 1000 par seconde ou une toutes les minutes ?

J'aurais un fil de platine, de probablement 20cm de long, de 100micron de diametre, ca fait une resistance d'environ 1 ohm.

Pour la fréquence de mesure, une mesure toute les 10 secondes ça irait impec...

[Gershon09]

J'ai suivi les liens de bobfuck, j'ai retrouver un ampli qui a l'air similaire chez mouser:

http://www.mouser.com/ProductDetail/...2ftel1ATAaKxZE

C'est quelque chose qui me convient ?

Pour être honnete, c'est du chinois pour moi. Sur quelle ligne se trouve le terme qui donne l'amplification?
Il y a un voltage gain 139 dB. Soit avec la formule gain_db = 20*log10(Vout/Vin), je trouve Vout = 9.10^6 Vin...
Ca me parait impossible, c'est quoi l'erreur ?

[ranarama]

Bjr.
https://www.youtube.com/watch?v=x31U0iGI63E
la dame a tout dit

[gienas]

Bonjour à tous

Merci de se recentrer sur le sujet, avec le vocabulaire convenable.

[bobflux]

Ton 139dB c'est le gain en boucle ouverte (Aol).

Je te conseille de lire un tuto sur les ampli-ops, les systèmes bouclés, et la contre-réaction.

Quand tu fermes la boucle pour obtenir un gain en boucle fermée Av (mettons 1000), tu n'obtiens exactement le gain demandé par ton choix de résistances que si Aol est infini. Comme pour un ampli-op réel, Aol n'est pas infini, le gain réel obtenu sera un tout petit peu moins.

En gros, la quantité de contre-réaction qui reste à ton ampliop pour corriger ses erreurs est Aol / Av, c'est pourquoi tous ces aop "de précision" ont tendance à avoir un Aol énorme, pour minimiser les erreurs de gain en continu ou très basses fréquences.

Si tu regardes la figure 30 de la datasheet, tu verras que Aol diminue avec la fréquence. Et si tu regardes la figure 31, tu verras qu'à la fréquence où Aol devient inférieur au Av demandé, y'a plus assez de gain pour que ça marche.

Bref, pour ton thermocouple, tu peux mettre deux AOP avec un gain de 100 chacun par exemple. Ca te donnera un gain de 10000, tu dois bien avoir un instrument qui acceptera ce qui en sort dans ton labo ?...

Regarde en bas de la page web de cet ampliop chez AD. Il y a une tonne de liens, de docs, d'appnotes, il y a même un chapitre du bouquin de walt jung en pdf...

[bobflux]

Au fait, ton thermocouple, il sort une tension qui a toujours la même polarité ?

[Gershon09]

Ton 139dB c'est le gain en boucle ouverte (Aol).

Je te conseille de lire un tuto sur les ampli-ops, les systèmes bouclés, et la contre-réaction.

Quand tu fermes la boucle pour obtenir un gain en boucle fermée Av (mettons 1000), tu n'obtiens exactement le gain demandé par ton choix de résistances que si Aol est infini. Comme pour un ampli-op réel, Aol n'est pas infini, le gain réel obtenu sera un tout petit peu moins.

En gros, la quantité de contre-réaction qui reste à ton ampliop pour corriger ses erreurs est Aol / Av, c'est pourquoi tous ces aop "de précision" ont tendance à avoir un Aol énorme, pour minimiser les erreurs de gain en continu ou très basses fréquences.

Si tu regardes la figure 30 de la datasheet, tu verras que Aol diminue avec la fréquence. Et si tu regardes la figure 31, tu verras qu'à la fréquence où Aol devient inférieur au Av demandé, y'a plus assez de gain pour que ça marche.

Bref, pour ton thermocouple, tu peux mettre deux AOP avec un gain de 100 chacun par exemple. Ca te donnera un gain de 10000, tu dois bien avoir un instrument qui acceptera ce qui en sort dans ton labo ?...

Regarde en bas de la page web de cet ampliop chez AD. Il y a une tonne de liens, de docs, d'appnotes, il y a même un chapitre du bouquin de walt jung en pdf...

Ok, merci pour l'aiguillage, ca va m'éviter des journées érrances...

Au fait, ton thermocouple, il sort une tension qui a toujours la même polarité ?

Oui, un thermocouple inverse sa polarité. Mais il ne l'inverse (en général, ou toujours, je suis pas si sur...) qu'à une seule température fixe. Pour le mien, il inverse sa polarité pour une différence de température de 1°C. Donc, oui il inversera sa polarité lorsque je mesurerai une évolution de température, en partant de Tambiante jusqu'à Tambiante +1, ensuite il ne l'inversera plus.
Ca pose vraiment un problème?
Si oui, je m'arrangerai pour ne mesurer que des différence de température supérieure à 1...