Hallo Forum,
ich versuche hier gerade einen DMS-Zugkraftsensor aus einem alten
Bremsenprüfstand eines Freundes wieder in Gang zu bringen.
Kurz zur Erklärung:
- der eigentliche DMS-Sensor (Vierkanteisen mit aufgeklebten DMS -
Vollbrücke - schutzvergossen) ist noch in Ordnung
- der nachfolgende Messverstärker, welcher sich in einem
Kunststoffgehause befand, ist im Laufe der Jahre weggegammelt (der
Bremsenprüfstand liegt im Freien)
Folgende Daten sind mir bekannt:
- DMS Vollbrücke
- Brückenspeisespannung 10V / Empfindlichkeit ca 1mV/V
- Ausgangssignal Messverstärker 1 mA bis 9 mA
-> die Elektronik des Prüfstandes erwartet also vom Messverstärker 1mA
im Nullpunkt und 9mA unter voller Last
Ich habe nun also nach einer einfachen und vor allem kostengünstigen
Möglichkeit gesucht einen Messverstärker zu bauen und bin dabei über den
AM452 von Analog Microelectronics gestolpert. Dieser scheint für meine
Zwecke wie gemacht!
Das vollständige Datenblatt gibts hier:
http://www.analogmicro.de/products/sheets/german/analogmicro.de.am452.pdf
Den Schaltplan aus diesem Datenblatt hab ich mal als Bild angehangen.
Nun ist mir klar das jemand der das IC nicht kennt keine Lust hat sich
durch das ganze Datenblatt zu quälen. Deswegen hier kurz
zusammengefasst:
Der AM452 ist ein IC mit integrierter Spannungsreferenz, integriertem
OpAmp und integriertem U/I Wandler (das ganze für 4,89 EUR - da kann man
nicht meckern) Durch Beschaltung mit externen Widerständen bestimmt man
zunächst die notwendige Verstärkung für die Brückensignale. Der
nachfolgend integrierte U/I Wandler misst dann die über einen externen
Sensewiderstand abfallende Spannung und steuert anhand dieser Werte
einen EXTERNEN npn Transistor. Dieser Transistor sorgt für die
notwendige Stromverstärkung und 'erzeugt' das Ausgangssignal im Bereich
von 0-20mA
Ich habe mir also eine kleine Platine ätzen lassen und die Schaltung mal
aufgebaut. Dabei habe ich R1 und R7 durch Potis ersetzt um Nullpunkt und
Verstärkung kalibrieren zu können.
Und siehe da - das ganze funktioniert bestens und erstaunlich stabil.
Nun habe ich allerdings folgendes Problem:
Trenne ich die Verstärkerschaltung für eine kurze oder auch längere Zeit
von der Spannungsversorgung und schließe sie später wieder an, zeigt
sich folgendes Phänomen:
- direkt nach dem einschalten liegt das Signal im Nullpunkt bei nur 0,8
mA
- innerhalb von ca. 3 Minuten steigt das Signal dann kontinuierlich auf
die eingestellten und gewünschten 1 mA an, bleibt dort dann aber absolut
stabil
- Problem ist nun das der Elektronik vom Bremsenprüfstand das gar nicht
gefällt und sie einen Fehler anzeigt
Nun vermute ich mal ganz stark das es sich um ein thermisches Problem am
Transistor handelt. Durch die Eigenerwärmung nach dem Einschalten
verschiebt sich der Arbeitspunkt was dann eben zu diesem
Nullpunktdriften führt...
Zu Testzwecken habe ich mal die Eingänge des Opamps kurzgeschlossen um
die DMS Brücke als Fehlerquelle auszuschließen. Das Phänomen bleibt aber
das gleiche.
Hat jemand eine Idee wie ich das ganze in den Griff bekommen kann? Bin
im Moment ziemlich ratlos! Gibt es soetwas wie temperaturkompensierte
Transistoren bzw. welchen Transistor würdet ihr mir empfehlen? Im Moment
ist das ganze mit 0.1% Metall-Widerständen und einem BC547A aufgebaut.
Oder vermutet ihr etwas anderes als den Transistor als Fehlerquelle ?
Bin für jeden Hinweis dankbar!
Vielen Dank schonmal für Eure Hilfe!
Transistoren haben von Natur aus eine grosse Seriensteuung,
Nichtlinearität u. Temperaturabhängigkeit.
Aber das gleicht die Regelung aus.
Ich vermute eher den Sense-Wiederstand Ro als Quelle der
Temperaturdrift.
>Problem ist nun das der Elektronik vom Bremsenprüfstand das gar nicht>gefällt und sie einen Fehler anzeigt
Probier doch mal den Nullpunkt etwas höher einzustellen, so dass er von
1 mA bis 1,2mA driftet oder sogar noch etwas höher.
Vermutlich macht die Software vor jeder Messung sowieso eine
Nullpunktskorrektur, aber negative Werte bzw. eine echte 0 vom ADC wird
sie nicht mögen.
0.2mA Drift bei 10mA Range sind 2%, viel Besser wird es wohl nicht
werden.
Wenn Du diesen Wink mit dem Lattenzaun schon bekommst, solltest Du Dir
das Verhalten bei verschiedenen Temperaturen noch etwas genauer ansehen.
Aussen kann ziemlich kalt und ziemlich warm werden. Nicht das Du im
nächsten Winter gleich die nächsten Probleme hast. Ein Ausflug in den
Tiefkühler und eine kleine Föhnbehandlung ist sicher nicht zu viel
Aufwand.
viel Erfolg
Hauspapa
gk schrieb:> Ich würde erstmal prüfen, ob der Sensor driftet oder der Verstärker.> gk
Hat er schon (kurzgeschlossene Brücke).
Bei ca 11 mA Versorgungsstrom hat das IC ca 20 Grad Erwärmung.
2% Fehler bei 20 Grad erhält man eigentlich nur wenn mand die 5uV/K
Offsetdrift und 5mV Maximalspannung der Brücke annimmt.
-> Du brauchst einen Meßverstärker mit deutlich weniger als 5uV/K
Temperaturdrift.
Gruß Anja
Das das Produkt Temperatursensitiv ist legt schon Punkt 7 aus "WICHTIGE
HINWEISE ZUR INBETRIEBNAHME" nache:
"Es ist zur Vermeidung von Temperaturgradienten dringend darauf zu
achten, dass der Transistor genügend weit vom IC AM452 entfernt
platziert wird und dass für eine ausreichende Temperaturabführung
gesorgt ist."
Ohne mich jetzt mit den Möglichkeiten weiter vertraut zu machen heisst
es im Datenblatt:
"Die externe Kapazität C1 dient zur Stabilisierung der Referenzspannung.
Sie
muß auch dann kontaktiert werden, *wenn die Spannungsreferenz nicht
benutzt wird*."
Zwischen den Zeilen deute ich das als: Die Verwendung einer externen
Referenz ist möglich. Evtl. geht da noch was.
viel Erfolg
Hauspapa
Vielen Dank für Eure vielen Anregungen.
Ich glaub ich werd zunächst einmal andere Widerstände und eine externe
10V Spannungsreferenz testen und schauen was das bringt.
Welchen Typ Widerstand würded ihr mir denn empfehlen? Bedrahtet oder
doch lieber SMD? Was ist am Temperaturstabilsten für meine Zwecke?
Über einen Tip zu einer guten Spannungsreferenz wäre ich auch sehr
dankbar.
Ansonsten würde mich noch interessieren ob jemand Erfahrung mit dem Bau
eines Messverstärkers aus einzelnen Komponenten hat. Mir fällt es
irgendwie schwer zu glauben das ich bessere Ergebnisse erziele wenn ich
das Teil aus einzelnen ICs zusammenbaue...
PS: Ich hab grad mal ein Heissluftfön in Richtung Platine gehalten und
das IC auf ca 60 Grad erwärmt (jedenfalls so gut ich das mit dem
Backinfrarotthermometer meiner Frau messen kann :-))
Das Signal ändert sich nur um 0.08mA. Damit kann ich echt leben, seltsam
ist das alles aber trotzdem irgendwie.
Das IC ist nicht für die kleinen Spannungen einer DMS Brücke geeignet. 5
µV/K sind dafür einfach zu viel Drift. Da kann man mit Einzelteilen
deutlich besser werden. Das kommt schon daher das man den Verstärker am
Eingang und die Leistungsendstufe trennen kann, so dass der Verstärker
nicht so warm wird.
Ein Ansatz wäre ein Instumentenverstäker wie INA128 (oder ggf. auch
besser), und dann ein relativ unkritischer Spannungs-Stromwandler mit
einem OP und Transistor. Die Frage ist da etwas wie die
Versorgungsspannung zum Ausgang liegt. Die Ref. Spannungsquelle ist
dabei relativ unkritisch, denn die geht nur linear in das Ergebnis ein -
da sollte selbst ein TL431 ausreichen, ggf. auch ein etwas besserer
Spannungsregler.
Auch so super genaue / stabile Widerstände braucht man da eher nicht -
wenn überhaupt kommt es auf den Widerstand für die Stromwandlung ein. Da
wäre schon wegen der Wärmeabgabe eine klassische bedrahtete Bauform
besser. Auch sonst ist SMD eher weniger stabil etwa durch die Belastung
beim Löten und mechanische Spannungen.
Anja schrieb:> Hat er schon (kurzgeschlossene Brücke).
Stimmt habe ich überlesen. Trotzdem ist der Eingang bzw. die Brücke die
empfindlichste Stelle. Und 10 V Speisespannung an einer 120 Ohm Brücke
sind 0,8 W. Aber den Brückenwiderstand kenne wir ja nicht, ebenso die
gesammte Schaltung, nur das Prinzipschaltbild. Interessant wäre z.B. die
Beschaltung des Ref- Pins, den der geht direkt in die Ausgangsspannung
ein.
gk
Also ich hab jetzt das lange Wochenende genutzt und nochmal ein bissl
was getestet. Andere Widerstände - anderen Transistor - externe Referenz
- ums kurz zu machen: das bringt alles nicht viel.
Hab auch mal versucht die Brücke mit weniger Spannung zu versorgen - das
funktioniert aber nur bis ca. 8V. Alles darunter muss ich dann so sehr
verstärken das ich den offset nicht mehr auf 1mA runter bekomme - also
auch das ist ne Sackgasse.
Nun hab ich mich also mal nach Alternativen umgesehen bin aber noch
völlig unentschlossen was nun das vernünftigste ist.
Ich denke der AD694 als U/I Wandler ist konkurrenzlos gut - den werd ich
wohl nehmen. Im Datenblatt wird ein AD708 als Amp vorgeschlagen, der ist
aber wohl nicht mehr ganz Zeitgemäß. Als Alternative käme der von Ulrich
vorgeschlage INA128 in Frage. Dann bin ich aber auch noch über den
AD8552 gestolpert, der scheint mir noch besser geeignet zu sein und
kostet im Prinzip das gleiche.
Desweiteren stellt sich mir die Frage wo ich am besten die Regelung für
den Nullpunktabgleich und die Verstärkung realisiere. Direkt am Amp?
Oder an diesem doch lieber eine feste Verstärkung einstellen und dann
entsprechend am AD694 regeln?
Ihr seht schon, Fragen über Fragen - mir fehlt in diesem Bereich halt
völlig die Erfahrung.
Hat jemand von euch etwas ähnliches schon mal gemacht und kann mir paar
Tips geben? Oder noch besser - kennt jemand ein Seite bzw. ein Project
mit einer halbwegs erprobten Schaltung?
Vielen Dank schonmal für eure Mühe
T.
tuzla schrieb:> das bringt alles nicht viel.
Ach nee:
3 Leute sagen Dir "es liegt an der Offsetdrift" und Du brauchst eine
Woche um festzustellen daß eine Widerstandsänderung nix bringt?
Gruß Anja
Hast ja recht... Manchmal ist es halt schwer die Tatsachen zu
akzeptieren auch wenn sie eigentlich klar auf der Hand liegen.
Das ich den Drift nicht wegbekomme war klar - aber ich hatte die
Hoffnung ihn etwas geringer gestalten zu können.
Der INA128 ist ein Instrumentenverstärker, damit hat man eine definierte
Differenzverstärkung mit 2 hochohmigen Eingängen. Eigentlich genau das
was man für den DMS braucht.
Der AD708 oder AD8552 sind nur gute Operationsverstärker - durchaus
beide für DMS geeignet, einmal klassisch und einmal Chopperstabilisiert.
Man braucht da aber noch etwas zusätzliche Schaltung mit ein paar mehr
Widerständen. Der Klassische Intrumentenverstärker besteht aus 3 OPs und
einigen Widerständen, wobei der 3. OP nicht unbedingt so hochwertig sein
muss.
Der AD649 bietet als reiner Spannungsstromverstärker keine besonderen
Verteile, außer einen vermutlich nicht besonders genauem Offset von 4
mA. Eine Spannungsstromwandlung kann man auch mit einem normalen OP
aufbauen.
Die Spannung am DMS sollte nicht zu hoch sein, denn man bekommt sonst
durch die Erwärmung zusätzliche Drift. Wie viel Spannung passt steht
üblicherweisse im Datenblatt. Von der Tendenz her gibt weniger Spannung
weniger Drift, aber halt mehr Rauschen - jeweils auf die Last bezogen.
Danke für die Hinweise Ulrich. Das hilft mir alles sehr und ich glaube
so langsam bekomm ich nen Überblick.
Ist eben doch bissl was anderes als die einfachen Sachen die ich mir
sonst so zusammenbastel. Aber gut - ich denk ich hab selten so viel
gelernt wie bei der Geschichte hier :-)
Ich denk ich werd jetzt mal obige Schaltung aus dem Datenblatt vom AD694
aufbauen. Statt dem AD708 werd ich aber einen AD8552 nehmen.
- Widerstand Rg als Poti zum einstellen der Verstärkung
- zum einstellen vom Nullpunkt verbinde ich Point C nicht direkt mit der
2V Referenz vom AD694 sondern leg nen Spannungsteiler mit Poti an
- Pin9 4mA ON/OFF muss auf High damit ich 0-16 mA hab
Das sollte funktionieren oder ?
Die Schaltung sieht auf den ersten Blick so schon brauchbar aus. Ob das
mit dem Poti für den Offset so klappt weiss ich aber nicht - da hätte
ich eher Zweifel, weil es auch die Differenzverstärkung beeinflusst.
Einen Poti für RG ist eher nicht so gut, weil man da oft mehr Kapazität
hat, und das mag die Verstärkerschaltung nicht so unbedingt. Auch haben
Potis oft eine relativ hohe Drift und ggf. auch Thermospannungen. Den
feinen Abgleich würde ich eher wie Vorgeschlagen an Pin 4 machen, oder
halt erst ein Poti für RG und später durch feste Widerstände ersetzen.
Parallel zu den Rs noch Kondensatoren in der Größenordnung 10 nF, vor
allem wenn es mit Poti ist. Beim AD8552 muss man beachten, das die
Versorgung nur maximal etwas über 5 V sein darf - da braucht man ggf.
einen extra Regler (78L05 oder ähnlich).
Wegen der Probleme mit dem Offset (1 mA statt 4 mA und Abgleich an die
DMS Brücke) ist halt zu überlegen ob man überhaupt den AD694 nutzen
will, zumal man die 2 V Referenz ggf. auch nicht gebrauchen kann -
sofern das nicht für die Brücke passt. So ein Spezielles IC ist schon
gut, wenn es passt und man nicht erst tricksen muss um es an die
Anwendung anzupassen. Die Vorteile sind da eher die interne Referenz und
etwas der 4 mA Offset.
Einfach nur Referenz und U/I Wandler kriegt man halt auch zu Fuß mit
OP, MOSFET und Widerständen hin und dann flexibler. So super genaue
Teile wird man da nicht mal brauchen - da reichen eventuell bald LM358,
TL431 und normale 1% widerstände, etwas bessere kann man aber natürlich
nehmen. Die ersten 2 OPs werden das Signal schließlich schon gut 100 mal
Verstärken, und so super genau und frei von Drift sind DMS in der Regel
auch nicht.
Ulrich H. schrieb:> Einfach nur Referenz und U/I Wandler kriegt man halt auch zu Fuß mit> OP, MOSFET und Widerständen hin und dann flexibler
Das würd ich gern so machen - schon um was zu lernen.
Leider übersteigt das aber meine derzeitigen Möglichkeiten. Kurz gesagt
ich hab keine Ahnung wie.
Hat jemand ne gute Seite zu diesem Thema wo ich mir das entsprechende
wissen aneignen kann ?
Was immer noch fehlt, ist der Widerstand der DMS-Brücke. Das ist
entscheidend für die Dimensionierung der Brückenversorgung. Und das kann
auch das Problem bei der ursprünglichen Schaltung gewesen sein, denn der
maximale Ausgangsstrom von OP2 ist 10mA. Bei 10V Speisespannung ergibt
das 1k als minimalen Brückenwiderstand. Normalerweise haben DMS-Brücken
350 Ohm. Damit wäre der Ausgang von OP2 überlastet. Aber keine Ahnung wo
Du die Brückenspeisespannung hergenommen hast.
gk
Hallo gk,
ja du hast Recht die Brücke hat 350 Ohm.
Der AM452 hat eine integrierte 10V Referenz und daran hängt auch die
Brücke.
Ansonsten alles haargenau wie im Referenzschaltplan aufgebaut...
tuzla schrieb:> Der AM452 hat eine integrierte 10V Referenz und daran hängt auch die> Brücke.
Wenn ich das Datenblatt richtig interpretiere, dann kann der
Referenzausgang auch nur 10mA. Und 10V / 350 Ohm = 28,6 mA. Und die
brauchst Du auch bei einer alternativen Schaltung. Mit dem AM452 würde
das sogar gehen, wenn man gemäß Abbildung 9 noch einen npn-Transistor
dazwischen schaltet, Basis an 1, Collektor an die Versorgungsspannung
und den Emitter zur Brückenspeisespannung und R6/R7. Eventuell brauchst
Du dann noch einen Ausgangskondensator. Ob das aber den beschriebenen
Effekt behebt, kann ich Dir nicht sagen.
gk
Hast recht da klappt was nicht... Danke für den Hinweis.
Zum Schluss macht das aber wohl keinen Unterschied da ich die Brücke
Testweise auch mal aus einer externen Referenz gespeist habe (10V/0,1A)
Das Problem bleibt dann aber das gleiche...
Ich hab heute meinen freien Tag mal genutzt und mir die Elektronik vom
Prüfstand mal etwas genauer angeschaut. Das Signal vom Sensor (1ma -
9ma) wird über einen 510 Ohm Widerstand gegen Masse gezogen. Die
abfallende Spannung wird dann von einem PIC16F ADC ausgewertet.
Nun hab ich mich etwas belesen, weil Ulrich ja sagte das es nicht so
schwer ist das ganze einzeln aufzubauen. Für ihn ist es das wohl auch
nicht - für mich im Moment leider schon noch...
Mein Wissensstand ist im Moment so:
1. Brückensignal mit IA oder entsprechend beschalteten OpAmps verstärken
-> habs mal auf Steckbrett aufgebaut und hab nun 0,5V .. 4,5V als
Ausgang, was ja so - wenn ich alles richtig verstanden habe - wohl ganz
gut ist da dies einem Verhältnis von 1:9 entspricht
2. verstärktes Brückensignal steuert eine "Spannungsgesteuerte
Stromquelle für geerdete Verbraucher"
Und genau bei der Stromquelle komm ich im Moment nicht weiter.
Schaltungen gibts ja unheimlich viele aber welche ist für meine Zwecke
denn am besten geeignet ?
tuzla schrieb:> Schaltungen gibts ja unheimlich viele aber welche ist für meine Zwecke> denn am besten geeignet ?
Integriert, z.B. XTR115, diskret aufgebaut im Datenblatt des INA132 als
Fig. 7
gk
Man kann die Schaltung aus dem Datenbaltt des INA132 nutzen oder mehr
oder weniger die klassische mit OP und MOSFET. Bei der Schaltung aus dem
DB des INA132 muss der OP den Spannungshub der Last mitmachen - für 510
Ohm Last braucht man da also schon etwa 5 V an Hub für den
Lastwiderstand. Man würde also wenigstens etwa 10 V Versorgung brauchen.
Auch ist der Ausgangswiderstand nicht so sehr hoch, was hier aber nicht
groß stören würde.
Bei der klassischen Stromquelle legt der FET (ggf. Transistor) den
Spannungshub fest. Der OP kann da auch mit weniger Spannung (z.B. 5 V
Versorgt werden. Dabei wäre es vermutlich sinnvoll die Schaltung
andersherum als Üblich zu nutzen, also die Spannung relativ zur
Positiven Spannung und mit P-Kanal MOSFET (ggf. PNP Transistor).
Ein 350 Ohm Brücke darf man wahrscheinlich nicht mit 10 V Treiben - das
wird zu heiß und damit ungenau. Da wären eher 2-3 V, ggf. auch weniger
angebracht.
Wenn man aus der Verstärkung schon 0,5 - 4,5 V raus bekommt, reicht das
vom Hub allemal aus. Den Offset wird man aber noch abgleichen müssen,
denn die DMS Brücken sind oft nicht perfekt auf Null. Das es ein Bereich
1:9 ist, ist ggf. eher Zufall, bzw. der untere Wert von 1 mA kam vom
Offset der Brücke - ggf. wird der Abgleich aber auch noch auf der
Empfängerseite etwa in Software gemacht. Und der 1 mA Offset waren
einfach das Sensorexemplar.
Wenn das Signal nur auf den µC internen AD geht (10 Bit Auflösung) sind
die Ansprüche hinsichtlich Drift / Linearität auch nicht so hoch. Da
würde auch noch die Stromquelle mit einem PNP Transistor und OP reichen,
und auch die Ref. Spannung muss nicht genauer sein als die vom µC - im
Idealfall wäre es sogar die von µC, bzw. beide aus einer Quelle.
Nachdem ich nun die letzten Tage damit verbracht habe mir das
entsprechende Grundwissen anzueignen bin ich schlussendlich bei obiger
Grundschaltung angelangt.
Ich hab das ganze mal auf Steckbrett aufgebaut und es funktioniert
soweit auch wirklich gut.
Die Brücke wird momentan auch mit 9V versorgt - scheint keine Probleme
zu machen. Ich werd aber nochmal testen wie weit ich runtergehen kann
und noch vernünftige werte bekomme.
Wäre nett wenn einer von euch Profis nochmal drüberschaut und mir paar
Tips geben kann was ich evtl. noch verbessern/verändern sollte.
Vielen Dank!
PS: Das Poti für Rg würd ich eigentlich gern lassen um falls nötig
später nachregeln zu können (war beim Original auch so). Was hab ich für
Möglichkeiten das ganze zu stabilisieren?
Die Schaltung würde im Prinzip funktionieren. Ein Paar Kondensatoren
(z.B. 1 nF) am Eingang als HF Bremse wären nicht schlecht.
Beim Poti sollte man auf weng Kapazität achten und ggf. auch noch je 50
Ohm zu den Verstärker-Eingängen hin dazu machen. Alternativ könnte man
die "Verstärkung" auch über die Brückenspannung (z.B. 4 - 5 V)
einstellen. Der 7809 ist als Referenz ohnehin verbesserungsfähig, und
etwa 5 V sind eher üblich.
Die Anforderungen sind beim OP und den Differenzverstärker für die
Stromwandlung schon nicht mehr so hoch. Da müssen es keine so guten OPs
sein wie im Plan. Sogar ein LM358 / LM324 und die Differenzverstärkung
mit OP und 4 Widerständen würden auch schon ausreichen - es geht ja
schließlich auch nur auf den µC internen AD Wandler.
Vielen Dank für die Hinweise.
Die Idee die "Verstärkung" über die Brückenspeisespannung zu regeln
gefällt mir richtig gut.
Habs grad mal auf Steckbrett mit einem TL431 aufgebaut - funktioniert
deutlich besser als direkt über Rg Poti.
Für die Verstärker reicht aber der 78L09 oder ist auch da eine Referenz
zu empfehlen?
Danke
Für die Verstärker reicht der 78L09 alle mal. Der Offsetabgleich sollte
aber natürlich über die Referenz (wohl eher fest) gehen. Das könnte auch
der Adjust Pin beim TL431 sein - ist ja nur ein minimaler, praktisch
konstanter Strom.
Die Brückenspannung sollte man aber nicht zu sehr verstellen, denn damit
ändert sich auch die Temperatur und bei zu wenig Spannung nimmt der
Einfluss von Rauschen usw. zu. So etwa 4-5 V sollten passen, den groben
Abgleich sollte man dann über Austausch der Widerstände (Gain am INA
oder die 100 Ohm am Spannungsstromwandler) machen.
