Referentie weerstanden maken & karakteriseren

miedema

Golden Member

Ha Ohm Pi,

Zo doet Fluke het met zijn peper-dure Fluke 742A-10K Resistance Standard:

http://www.miedema.dyndns.org/co/2017/r-weerstand/Fluke_742A-10K_Resistance-Standard_internals.jpg
(foto van EEVblog)

Waar het natuurlijk om gaat is dat er geen stroom door sense leidingen loopt. Dus je kunt ook de force en sense aansluitingen op hetzelfde punt aansluiten. (maar ze niet omdraaien :-) )

Als je inzoomt op de grote versie van die foto van m'n 10k Econistor bakje, dan kun je zien dat ik het toch niet kon laten om de sense draden een toefje dichter bij de weerstand te plaatsen dan de source draden. Maar zolang ze in de zelfde soldeerblob zitten maakt het eigenlijk niet uit (hoe groot denk je dat de weerstand van die soldeerblob is t.o.v. de 10k weerstand :-) )

groet, Gertjan.

Tidak Ada

Golden Member

Wat is nu dat componentje dat tussen de massa en de vijfde connectorbus zit?

Rommelige werkplek? In de natuur is wanorde de meest stabiele toestand; de entropie is dan maximaal. Het handhaven van "orde" kost daarom altijd energie. ----------------------> TUBECOLLECTORSASSOCIATION@yahoogroups.com

Op 27 maart 2017 21:06:32 schreef miedema:
(hoe groot denk je dat de weerstand van die soldeerblob is t.o.v. de 10k weerstand :-) )

groet, Gertjan.

Als je spreekt over 2,5ppm dan is de weerstand van een blob significant. Maar variaties van de weerstand van de blob zelf is weer niet significant.

Bezoek mijn neefjes' site: www.tinuselectronics.nl
miedema

Golden Member

Ha Tidak Ada,

Dat is gezichtsbedrog :-)
Die onderste bus is de kast / guard aansluiting, en zit alleen met z'n moer aan de kast.
De component die jij bedoelt is ook een weerstand. Een kleine waarde die in serie staat met de achterste weerstand. Waarschijnlijk om de weerstandswaarde te trimmen, of de tempco te optimaliseren.

groet, Gertjan.

Ik weet niet of ik nu gekke dingen ga vertellen, maar zou het helpen als je de sense draden tussen de weerstand en de connector een grotere diameter geeft.

De achterliggende idee is dat de gebruikte weerstand wel stabiel is, maar in serie met de weerstand staan 2 sense draden die ook een weerstand hebben.
De weerstand van de sense draden is wellicht minder stabiel, dus als ik die weerstand kleiner maak, heeft hij relatief minder invloed op de totale weerstand.

Idem zou je kunnen overwegen om nikkeldraad of constantaan draad te nemen als sense leiding.

Misschien nog een dwaze opmerking. Maar bestaan er weerstanden met een positieve en een negatieve temperatuurscoëfficient ?
Met een juiste combinatie heffen de fouten zich op ?

miedema

Golden Member

Ha pamwikkeling,

Je maakt een denkfout....
De meetstroom loopt door de source draden. In het 10kΩ bereik is de stroombron ingesteld op 100µA. Over die 10k weerstand valt dus 1V. Die ene Volt wordt gemeten via de sense draden, met een Voltmeter met 10MΩ ingangsimpedantie.

Moet ik verder gaan? Door die sense draden loopt dus 0,1µA. Stel dat ze zelfs 1Ω weerstand hebben (het zal een paar mΩ zijn), dan valt daar dus 0,1µV over. 10 miljoen keer minder dan over de weerstand, en daarmee nog 10x onder de resolutie van de 6,5 digit meting....

Ik heb die draadjes juist bewust dun genomen. Dit om de weerstand zoveel mogelijk thermisch te ontkoppelen van de aansluitklemmen.

Misschien nog een dwaze opmerking. Maar bestaan er weerstanden met een positieve en een negatieve temperatuurscoëfficiënt ?
Met een juiste combinatie heffen de fouten zich op ?

Dat is een uitstekend idee! Het wordt ook toegepast. Zo komt die Fluke 742A van het plaatje hierboven aan z'n lage temperatuurscoëfficiënt.

In mijn Vishay Z201 zit het zelfs ingebouwd: 2 materialen met tegengestelde tempco. Vandaar ook het soms merkwaardige gedrag van die weerstand: als die folies niet precies tracken (ongelijke temperatuur, mechanische spanningen) is de canceling niet perfect, en zie je merkwaardige artefacten. Maar die zie je alleen maar omdat de bulk van de tempco nog steeds gecompenseerd is :-)

@rbeckers, over rode cijfers
Ik had die getallen inderdaad beter in zwart kunnen schrijven: de meeste zitten boven de nominale 2kΩ :-)
Vooral als je die gemeten waarden compenseert voor de afwijking van mijn meter, die naar schatting 33...35ppm te laag aanwijst. (15ppm volgens cal.rapport, plus 18...20ppm verloop daarna, volgens 3458A Bram)

Interessant is dat die gemeten waarden een mooie Gauss curve vormen. Even aangenomen dat de productie perfect onder controle was, en ook aangenomen dat ik een statistisch perfecte sample heb gekregen, dan zou de top bij 2000,00 Ω moeten liggen.

Bij mijn weerstanden ligt die top bij 2000,045Ω. 22,5ppm te hoog dus. Een (vergaande) conclusie zou kunnen zijn dat deze batch weerstanden in hun leven gemiddeld 22,5ppm omhoog gedrift zijn :-)

groet, Gertjan.

Het lastige met compensatie (van dR/dTemp) is dat je compensatie in tijd precies even snel moet reageren als de fout die je wilt opheffen. Dat is ook een probleem bij slingerklokken, je hebt ook als je je beperkt tot geleiding al snel te maken met een heleboel thermische massa's en thermische weerstanden, die moeten leiden tot voortdurend gelijke temperaturen van compensatie en gecompenseerde wil de compensatie ook gedurende een temperatuursverandering goed blijven werken.
Hier komt daar mogelijk nog eigen opwarming door dissipatie bij.

Een om te beginnen kleine tempco is en blijft heel wenslijk :)
Interessant topic, ik kan er helaas niet veel aan bijdragen.

Die Gauss curve is inderdaad interessant.

Grootste probleem begint de Fluke te worden. ;)
Kalibratie is duur.

miedema

Golden Member

Ha rbeckers,

Inderdaad zijn mijn weerstanden beter dan mijn Fluke 8846A...
Gelukkig heb ik vrienden :-)

Zo is het mooi dat terwijl ik volgens de 8846A specificaties een onzekerheid heb van inmiddels meer dan 110ppm bij 10kΩ, ik dankzij deze weerstanden en metingen ik 10kΩ tot op 10ppm kan bepalen. Over een paar weken hoop ik zelfs binnen een paar ppm. Daarna wordt die onzekerheid wel weer langzaam groter....

Om dit alles in perspectief te zien: mijn doelstelling was een nauwkeurigheidsniveau bepaald door mijn beste meter, de 8846A dus.
Valkuil is natuurlijk om langzaam steeds nauwkeuriger te willen bepalen. Meer digit meters, nauwkeuriger weerstanden.
Een vicieuze cirkel, met afnemend nut. (Dat nut wordt dan vervangen door "nuts", als in voltnuts, timenuts etc. :-) )
Gaan we dus niet doen...

Die Gauss curve is interessant, maar er zitten naar mijn smaak te veel aannames in mijn betoog....

@ Aart,
Dat is een hele heldere observatie, en een goede analyse van wat er speelt. Een uitstekende bijdrage dus!
Leuke parallel met slingerklokken....

Beste Gertjan, ook ik volg dit topic al enige tijd en met grote interesse.

Ik kom nu met een beetje raar idee aan:
Is het mogelijk om de weerstand bij een verwarmingselement te plaatsen die de weerstand in het kastje, op een constante temperatuur houdt.
Door middel van een temperatuur regeling hou je zo de temperatuur op bijvoorbeeld 30 of 40 graden.
Op deze manier ben je van die variabele af en is de temperatuur/weerstand variabele dus constant.

"tijd is relatief"
miedema

Golden Member

Ha Martin V,

Dat is een heel goed idee! Sterker nog, Blackdog is bezig dat idee uit te voeren! Hij schrijft er over in dit topic.

Ik heb gekozen om geen oven toe te passen, vanwege mijn "goed maar basic", maar niet "het onderste uit de kan" aanpak.

Ik zag als nadelen van de ovenaanpak:
- Complexer
- Door de inwendige warmtebron is het lastiger om alles op dezelfde temperatuur te houden, en meer problemen met Seebeck
- Mogelijk hogere lange termijndrift door snellere veroudering van de de weerstanden door de hogere temperatuur.
- Die oven houdt natuurlijk ook luchtvochtigheid variaties buiten de deur. Maar dan zou je hem wel 24/7 aan moeten zetten. En dat voor een weerstand waar je maar een paar keer per jaar aan wil meten.
- Referentie weerstanden van de grote merken zijn veel beter dan de mijne,en ook zonder oven.

Ik wil hiermee zeker niet zeggen dat de oven aanpak minder is, in tegendeel. Je zou hiermee inderdaad superieure prestaties moeten kunnen halen. Vraag voor mij was meer of ik dat prestatie niveau nodig had, en de extra complexiteit er voor over had. Blackdog is zeer ervaren met ovens. Dus ik ben heel benieuwd hoe zijn aanpak zich gaat verhouden tot mijn bakjes....

Anders gezegd, ik denk dat het voor het door mij gewenste prestatieniveau ook zonder oven moet kunnen, en vindt het leerzaam om dat straks te kunnen vergelijken met de dezelfde weerstanden, maar dan in een oven van Blackdog.
Daar kijk ik naar uit!

Edit: nog een andere invalshoek:
- Bij een oven stook je de tempco er uit
- Bij mijn aanpak met ingebouwde temperatuur sensor gecombineerd met Excel reken ik de tempco er uit :-)

groet, Gertjan

Ook ik lees al even mee.
Het idee om referentie weerstanden te maken vind ik lovenswaardig, maar wat me niet duidelijk is, is welke invloed een vergulde connector zou kunnen hebben op het Seebeck effect.
Wat ik me wel kan voorstellen is dat de overgangsweerstand kleiner wordt dus dat de afdeling van de ingangsimpedantie van de meter minder mee gaat spelen.

miedema

Golden Member

Ha Brainbox,

Heb je het Seebeck effect, waar we het hier steeds over hebben opgezocht? :-)
Naast de eerder gegeven verwijzing heb ik hier nog een link voor je: Seebeck coëfficiënt

Heel in het kort: als je 2 metalen tegen elkaar houdt zal bij temperatuursverschil tussen die metalen een spanning ontstaan. Aangezien dat spanninkje bij je meting opgeteld wordt, wil je dat zo klein mogelijk houden.
Dat spanninkje wordt uitgedrukt in een Seebeck coëfficiënt. Dat is de optredende spanning in µV/K ten opzichte van platinum.

Als je nu naar de tabel in de link hierboven kijkt zie je een hele lijst met materialen met bijbehorende coëfficiënten.
Wat opvalt is dat goud, zilver en koper dezelfde coëfficiënt hebben (6,5) Dat betekent dat je die dus kunt samenvoegen zonder dat er een thermo-electrische spanning optreedt.
Nikkel daarentegen heeft een coëfficiënt van -15, en er zal bij een nikkel koperverbinding dus een flinke spanning ontstaan....

Edit: Of vraag je je af in hoeverre het dunne laagje van het vergulden invloed heeft op het Seebeck effect?
Dat is een goede vraag, waar de geleerden het niet over eens zijn :-)
Mijn insteek was dat een laagje goud over messing in elk geval gunstiger is dan een laagje nikkel over messing.

groet, Gertjan.

[Bericht gewijzigd door miedema op 28 maart 2017 16:02:54 (13%)]

miedema

Golden Member

Gister heb ik de tempco van de Econistor 10k weerstand gemeten.

Omdat deze weerstandbakjes bedacht zijn voor gebruik bij constante temperatuur was het geen probleem dat de temperatuursensor slechts losjes met de weerstanden is verbonden. Zodra je de temperatuur omhoog en omlaag gaat jagen wordt dat anders. Dan zou je weerstand en opnemer zo goed mogelijk willen koppelen. Bij de Econistor 10k weerstand speelt dat nog wat meer, omdat die 10k gevormd wordt door een clustertje weerstanden:

http://www.miedema.dyndns.org/co/2017/r-weerstand/IMG_9935-Econistor%2010k-temp-sensor-600pix.jpg

Ik heb geprobeerd die temperatuur sensor daar zo goed mogelijk bij te brengen, maar toch....
De LM35 temp. sensor is de TO-92 behuizing met oranje-wit merkje.

Aan de positieve kant blijft dat dikwandige aluminium bakje zorgen voor een gelijke interne temperatuur. Mijn oplossing is om die temperatuursveranderingen zo geleidelijk mogelijk te doen. Je bent dan wel een hele dag bezig met een tempco meting..... Maar goed, in principe hoef ik dat maar 1x te doen :-)

Hier het resultaat van een dagje tempco meten:

http://www.miedema.dyndns.org/co/2017/r-weerstand/Econistor-10k-GJM-tempco-meting-27-03-2017-600pix.png
klik voor grote versie

De blauwe lijn is de temperatuur. Begonnen met een half uur op kamer temperatuur, dan omhoog naar 29°C, en dan naar beneden naar 12°C. Daarna weer terug naar kamer temperatuur, en dat nog een tijd laten staan. Lekker langzaam, zodat de temperaturen in het bakje (en van de verbindingen aan de aansluitbussen, Seebeck!) toch vrij homogeen blijven. Zo ben ik dus al met al 9,5uur bezig geweest.....

De rode lijn is de weerstandswaarde. De tempco is positief: wordt de temperatuur hoger, dan wordt de weerstand dat ook. De lijn golft mooi mee met de temperatuurcurve, dat is een goed teken.

Een recente verbetering is dat ik die weerstandscurve middel over en aantal metingen, (hier een voortschrijdend gemiddelde over 15 metingen van 10sec.) Voordeel is dat ik hierdoor de “traptredes” van de laatste digit resolutie grotendeels kwijtraak, en de tempco beter te beoordelen is.

Een andere recente toevoeging is de groene curve. Dit is de weerstand, maar met de tempco er uit gerekend. Theoretisch moet dat een rechte lijn opleveren, maar tempco is bijna nooit lineair over het temperatuursbereik, en dat kan je zo mooi zien. Hier is duidelijk zichtbaar dat de gevonden tempco van 3ppm/°C bij hoge temperaturen eigenlijk te hoog is (de groene lijn toont wat negatieve tempco), en bij lage temperaturen eigenlijk wat te weinig is (er zit daar nog een beetje positieve tempco in de groene curve).

Als ik vervolgens de weerstand tegen de temperatuur plot krijgen we de tempco curve te zien:

http://www.miedema.dyndns.org/co/2017/r-weerstand/Econistor-10k-GJM-tempco-R-vs-temp-27-03-2017-600pix.png
klik voor grote versie

Op het oog een mooie rechte lijn, met een steilheid van de gevonden 3ppm/°C.
Er zit weinig ruimte tussen het omhoog en omlaag gaande deel van de lijn. Dat is mooi. Dat betekend dat er weinig hysteresis in de weerstand zit èn in de meting. Met andere woorden, de matige koppeling van weerstand en temp sensor was toch voldoende voor deze snelheid van temperatuur veranderen.

Ook hier de groene curve waar de tempco uit de weerstandswaarde gerekend is. Ideaal zou dat een horizontale lijn opleveren (tempco = 0). Hier heb ik die groene curve gebruikt om de te bepalen tempco zo uit te mikken dat de lijn op het belangrijkste stukje 20°....25°C precies recht loopt.
Dat die groene lijn aan beide zijden een beetje afloopt verraadt dat de tempco curve toch een beetje boogvormig is.....

Dus.... resultaat van een dagje meten is dat ik noteer dat m'n 10k Econistor een tempco heeft van 3ppm/°C voor 20°...25°C. Dat is de range waarbinnen deze weerstand gemeten zal worden.

Die 3ppm/°C is wèl 10x slechter dan de Vishay Z201 in de oorspronkelijke versie, nu is hij waarschijnlijk nog beter.
Om dat in perspectief te zien: een normale metaalweerstand heeft een tempco van 100ppm/°C. De "low tempco" weerstanden die ik voor m'n 10MHz Master Clock gebruikte zijn 15ppm/°C. Dus die Econistors zijn nog steeds hèèl erg goed!

Groet, Gertjan.

Zo'n ding heet SCHAKELENDE, niet "geschakelde" voeding.
miedema

Golden Member

Ha Alex P,

Oeps, slordig foutje.... Nog niet wakker zeker :-(
Dank voor het spotten, ik heb het verbeterd.

groet, Gertjan.

Heb je het Seebeck effect, waar we het hier steeds over hebben opgezocht? :-)

Ik ken het Seebeck effect heel goed, ik heb er bijna dagelijks mee te maken.
Je hebt gelijk dat er een spanningsverschil meetbaar als er twee verschillende materialen met elkaar vebonden worden waarbij er een temperatuurverschil bestaat tussen het koppelpunt en het "andere" einde.
Bij een thermokoppel is dit het verschil tussen het laspunt van twee draden en het "koude" einde.
Wat ik niet zie hoe de ene kant van een laagje goud van enkele uM dik een meetbaar andere temperatuur kan hebben dan de andere kant.
Er bestaat dus effectief nagenoeg geen temperatuurverschil in de connector zelf, dus ook geen spanningsverschil.
Wel kan er een temperatuurverschil ontstaan als er een verschil in temperatuur is tussen de beide connectoren onderling.
Omdat je de beide bussen geïsoleerd hebt met kunststof bussen zou ik daar eerder problemen mee verwachten.
Maar je oplossing om het geheel in een plastic doosje te plaatsen zal dat onderlinge verschil minimaal houden.
Bij professionele thermokoppel meters zijn de aansluitingen vaak thermisch gekoppeld zodat er zo weinig mogelijk temperatuurverschil is tussen de twee aansluitpunten.
Die zitten dan op een aluminium blok waarop ook de koude las compensatie zit.

miedema

Golden Member

Ha Brainbox,

Allereerst excuses dat ik je kennisniveau niet goed ingeschat had...
Die snelcursus Seebeck had ik dus wel achterwege kunnen laten :-)

Waar ik qua Seebeck vooral aan denk is de overgang van de banaansteker (of vorkje) en de aansluitbus. De banaansteker is thermisch gekoppeld aan z'n kabel, de aansluitbus aan het inwendige van het bakje. Tussen die twee is de kans op Seebeck dus het grootst.

Daarbij kun je je inderdaad afvragen wat daarbij meer bepalend is, de dunne vergulde laag, of het onderliggende messing. Uiteindelijk is het wel dat goud, hoe dun ook, dat in contact is met de connector met de afwijkende temperatuur....
Ik heb gezocht, maar kon in de literatuur geen goed antwoord op die vraag vinden. Misschien heb jij daar ervaring mee?

Omdat je de beide bussen geïsoleerd hebt met kunststof bussen zou ik daar eerder problemen mee verwachten

Die zin van je begrijp ik niet....

Tot slot mijn pragmatische keuze van deze aansluitbussen: messing is al weer de helft beter als nikkel. En goud over messing zal altijd beter zijn dan nikkel over messing.... Tellurium koper bussen vond ik te duur voor deze no-nonsense opzet.

groet, Gertjan.

Als alle metaalovergangen dezelfde temperatuur hebben, dan is er geen probleem. Bij een X° verschil alle metaalovergangen meetellen. Net zoals spanningsbronnen. ;)

miedema

Golden Member

Ha rbeckers,

Er is hier een argument dat het complexer maakt... :-)
Wat als dat goud rondom het messing omvat, en je dus alleen (in en uit) contact maakt over dat goud.
Tel je dan alleen het goud,of zijn die paar micron te dun....
Daar zit de crux. Ene argument: Het goud telt, en maakt niet uit wat er onder zit. Andere argument: die toplaag is zo dun, dat je vooral te maken hebt met wat er onder zit....

(Zoals bekend zit mijn oplossing vooral in je eerste zin)

groet Gertjan

Als de (opgedampte?) goudlaag zo dun is, dan heeft die dezelfde temperatuur als de onderliggende laag.
Gevolg is dat voor Seebeck de plug zich gedraagt als zijnde helemaal van goud te zijn.

Maar bij slijtage...

Maar bij een thermokoppel zijn toch ook beide "draden" dezelfde temperatuur en deze genereert toch ook een spanning?

Voor de duidelijkheid: Goud is in veel opzicten beter dan nikkel.

Het heeft een lagere soortelijke weersand.
Doordat het zachter is heeft het een groter effectief contactoppervlak.
Het is corosie bestendiger.
Het heeft een lager seebeck coefficient
Het ziet er mooier uit :)

Die zin van je begrijp ik niet....

Welk materiaal je ook gebruikt, het seebeck effect zal altijd meespelen bij verschillende metalen.
Wanneer de + en de - sense bus van hetetzelfde materiaal zijn en dezelfde temperatuur hebben dan zullen de beide spanningen elkaar opheffen en kun je die wegstrepen.
Als 1 van de twee bussen een andere temperatuur heeft dan dan blijft er een resulterende restspanning over die een offset veroorzaakt.
De gebruikte bussen zijn begrijpelijkerwijs gemonteerd met kunsstof isolatieringen die echter ook goede thermische isolators zijn.
De ene bus kan dus een andere temperatuur hebben dan de andere.

Vandaar dat je oplossing met een extra kunsstof box waarin wel een betere stabiliteit zal geven.

miedema

Golden Member

Ha Brainbox,

Dank voor je uitleg.
Het roept wel een aanvullende vraag op. Je zou dus eigenlijk willen dat beide sensebussen thermisch zo goed mogelijk gekoppeld zijn aan het aluminium bakje, zodat ze zoveel mogelijk dezelfde temperatuur hebben. Vraag: zijn er elektrische isolatoren die thermisch geleidend zijn?

Deze gedachte staat wel weer haaks op de gedachte dat contactbussen en stekers zo min mogelijk thermische massa moeten hebben, zodat ze zo snel mogelijk een thermisch equilibrium bereiken....

Het plastic bakje werkt in de praktijk inderdaad erg goed, Na 10min. is alles zeer stabiel. En die 10 minuten heb je toch nodig. Na aansluiten van de bekabeling drift de temperatuur door mijn lichaamswarmte :-)
Ook de LM35 drift na aansluiten een beetje door zelfopwarming. Dat zijn honderdste graden, maar wil je toch stabiel hebben om te kunnen zien of de rest stabiel is.

groet, Gertjan.