Калибратор сверх-малых токов. (концепт блока физики)

Ранее мы с вами уже рассмотрели концепты калибраторов сверх-малых токов. Поскольку я не ищу легких путей, я остановился на варианте концепта I=C*dV/dt crazy

За прошедшее время я успел разработать схему прототипа генератора линейно-изменяющегося напряжения Микрон-ГЛИН и заказать под него плату.

Получилось такое:

Не решены проблемы ФНЧ фильтра с высокой линейностью и некоторые другие аспекты надо будет исследовать в железе. Но поскольку хоть с чего-то надо начинать, то я заказал в JLCPCB разработанную под него плату:

Даже уже успели приехать некоторые компоненты этого генератора:

Но до постройки прототипа дело дойдет по видимому не ранее конца месяца.

А тем временем я зарисовал общую схему блока физики под данный концепт:

Данный концепт содержит три ключевых блока:

1.Микрон-ГЛИН

Генератор линейно-изменяющегося напряжения, который я сейчас строю. Скорость нарастания будет выверяться с помощью Agilent 34410A, триггерный вход которого затактирован от эталона времени системы GPS.

То-есть 34410A будет делать ровно по 1 измерению напряжения ЛИН в секунду и передавать данные на Raspberry Pi. Но поскольку разница между двумя соседними измерениями будет не велика(от единиц до сотен милливольт), то на целевом диапазоне 10В, это будет всего 3-4 разряда от разрешения прибора. Да и точность срабатывания триггера у 34410A не очень высокая, есть определенный джиттер хоть и не большой(>1мкс). По этому скорее всего скорость ЛИН я буду выверять не по двум соседним отсчетам, а по разнице между 100 измерениям. Это позволит получить две не очень точные точки напряжения с разницей в 100 секунд. Применив простую формулу “(Vнапр1 – Vнапр100) / 100сек=скорость ЛИН”, легко вычисляется скорость ЛИН и ее значение будет уже в 100 раз точнее, т.к. все негативные факторы в равной степени усредняется.

2.Эталонная емкость

Предполагается, что я буду строить самодельный азото-наполненный конденсатор с сапфировым изолятором, чтобы минимизировать частную зависимость диэлектрика при переносе единицы емкости из килогерцового диапазона в суб-милигерцовый. Поскольку классичекский подход измерения емкостей работает на килогерцовых частотах, а ЛИН для электрометрии использует емкость в экстремально низко-частотном диапазоне. Можно сказать практически DC. По этому, емкость измеряется и сличается с эталоном на одной частоте, а генерирует ток уже на сосвем другой частоте. Сапфир естественно мне понадобится чтобы минимизировать утечку по креплению электрометрической обкладки конденсатора.

Так-же по видимому мне надо будет найти эталоны емкости и измерить их в ВНИИМ им. Д.И.Менделеева. С ними будет сличаться емкость электрометрического конденсатора непосредственно перед началом использования установки. Да, мне придется продумать метрологическое обеспечение для точного измерения-сличения емкости. На ум приходят приборы типа Andeen-Hagerling 2700A и прочие не менее анальные мосты.

Ну что-ж поделать, вопрос этот думаю удастся так или иначе проработать.

3.Обеспечения эксперимента

На стражу температурной стабильности электрометрической емкости встанет новоиспеченный проект Микрон-ТЭК, так-что дрейф температур и температурное расширение и изменение габаритов обкладок и зазоров электрометрического конденсатора мне не грозит.

С азотом тоже вроде проблем нет, его у меня придостаточно, да и все обеспечение в виде регуляторов низкого давления у меня тоже есть.

 

В общем и целом, считаю что шансы на успех есть. blush

Калибратор сверх-малых токов. (концепт блока физики): 2 комментария

  1. Приветствую, SHODAN!
    Да не посеет небольшой налет сарказма сомнений на счет моего глубокого уважения smile
    Только что прослушал ваше новогоднее подведение итогов. Впечатлился “дзэном” советской аналоговой школы. Решил приобщиться. Но вот ЦАП с дофига разрядов и фильтром это скорее американский подход “брут форс”. Может еще не все приемчики аналогового кунг-фу рассмотрены?
    Предлагаю покритиковать вариант “этажерки” из двух конденсаторов. Верхний ваш измерительный 100пФ, заряженный к началу измерения до Vee (потенциал верхней обкладки на уровне земли), и нижний на 100мкФ с одной обкладкой сидящей на Vee (отрицательном напряжении питания), к началу измерения разряженный полностью. Некоторый операционник следит за тем чтобы на верхней обкладке измерительного конденсатора потенциал никогда не превышал уровень земли – шаг вверх карается расс… разрядом через нагрузку. Отслеживание ноля это очень выгодный режим работы операционника с точки зрения получения максимальной точности. А некоторый источник тока 1мкА пусть заряжает нижний конденсатор (назовем его опорным), напряжение на котором при таком насилии будет расти с заданной скоростью 10 мВ/с. И тут уже мне, как подавану, сказать больше нечего. Только истинный джедай сможет навскидку сказать насколько трудно найти стабильную емкость 100мкФ. Может лучше использовать 100-1000нФ и умножитель емкости на опере. А может 100нА можно задать с тем же успехом, что и 1мкА. Или можно еще уменьшить измерительную емкость. В конце концов если работать с такими токами все еще не удобно, то можно сделать ход конем и заряжать опорную емкость через третью емкость на пару порядков меньшую по номиналу и контролировать скорость роста напряжения уже на ней – 1В/с это большая величина. Такой сигнал шумы уже не помешают легко продифференцировать и контролировать неизменность этой производной. С открытым ртом внимаю гуру SHODAN владеющему силой, в надежде хоть чему-нибудь научиться. К сожалению мне не по зубам прочесть все указанные супостатские статьи о непревзойденности ЦАПа над генератором тока, а так хочется узнать вкратце как они пришли к такому выводу… blush

    1. Доброе утро коллега!

      Тут преследуется несколько очевидных для меня профитов: Сам по себе ГЛИН вещь сугубо сферически-вакуумная, нужная по сути для пары-тройки экспериментов в очень узкой области. Концепт-же с применением высоко-разрядного ЦАП позволит применять девайс и в других дисциплинах, а не только в генерации ЛИН. Это и программируемый источник напряжения и эмулятор медленно изменяющихся процессов и т.п.

      Дзэн аналога будет направлен в сугубо-аналоговые русла, такие как спектрометрия, к которой я планирую еще вернутся. Почерпанный мною с приборов скиллс очень хорошо вписывается именно в мои идеи о спектрометрии.

      Метод конденсаторных этажерок в области сверхмалых токов был популярен в теоретической патентной базе датируемой 60-80-ми годами прошлого столетия. На практике в области генерации они не применялись. Только в области измерения и речь там шла о нанофарадных, пикофарадных и фемтофарадных(предположительно) кондерах сверху и снизу. И насколько мне известно, дальше теории это не пошло. Хотя в теории там речь шла даже чуть-ли не о -30й степени ампера focus
      Думается мне, по тому, что сотня-микрофарадные электролиты в которые перетекает сверх малый заряд пикофарадных кондеров, “в дизайне уебут всю идею” своей диэлектрической абсорбцией и прочими паразитными эффектами электролита. Это работает чисто в теоретическом мире, на практике-же я думаю если какой-никакой ЛИН если и получится, то его линейность будет очень плоха.

      Если говорить вообще о конденсаторах, то настолько стабильным и идеально-предсказуемым, чтобы можно было говорить о какой-никакой метрологии и прецизонности, может быть только воздушный, вакуумный или азото-наполненный конденсатор.
      Кстати именно по этой причине, в электрометрах совка, по мере повышении тока(и как результат емкости) переходили с интеграторов на конденсаторах на резисторы и транс-импедансные преобразователи. Потому как конденсатор “о метрологии” на большую емкость не создать. Это отлично видно к примеру в В7Э-42, где верхняя часть диапазонов TIA на резисторах а нижняя интегратор на кондерах.(см. стр.37 В7Э-42 ТО часть 1)

Добавить комментарий