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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Pickup - wie auslegen?


Autor: Martin Schneider (docmartin)
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Ich habe aktuell ein Meßproblem:

in einer problematischen Umwelt (Temperatur, tw. Strahlung) muß ich die 
Istposition einer sich drehenden Scheibe einmal pro Umdrehung möglichst 
exakt bestimmen (also ein Referenzsignal bzw. eine Index-Impuls 
generieren).

Jegliche aktive Elektronik bzw. Optokoppler sind nicht verwendbar 
(Inkremental-Geber haben eine Lebensdauer von max. 3 Monaten),
so daß ich vorhabe, einen einfachen magnetischen Pickup einzusetzen.

Allerdings sind die Randbedingungen sportlich:
- Drehzahlen liegen im Bereich von 100 bis 30000 U/min,
  z.Z. noch limitiert auf 3600 U/min. 22000 U/min hatte ich schon.

- die Entfernung zwischen dem Sensor und dem Schaltschrank mit der
  Datenerfassung liegt bei ca. 25m, Kabellänge (verdrillt, geschirmt) 
ist
  eher das Doppelte

- die gewünschte Genauigkeit (ja, Genauigkeit und Reproduzierbarkeit,
  nicht die Auflösung) ist wünschenswert besser 0.01°, mindestens aber 
0.1°

Grundidee ist, wie gesagt, der Einsatz eines einfachen magnetischen 
Pickups. Den Magnetkern bekomme ich in ausreichend robuster Ausführung. 
Die Auswertung des Nulldurchgangs der Ausgangsspannung scheint auch 
genau genug zu werden, möglicherweise gibt es eine systematische 
Abweichung durch die Drehzahl - das könnte ich behandeln.

Mein Hauptproblem ist eher die untere Drehzahlgrenze, da die Amplitude 
des Meßsignals deutlich abnimmt.

Welche Alternativen gibt es zu einem Pickup-basierten Meßsystem?
Wo finde ich Informationen zur optimalen Pickup-Auslegung?
Was kann ich tun, um das Meßsignal auch bei niedrigen Drehzahlen am Ende 
meiner langen Leitung zu messen?

Für alle Tips dankbar -

Martin

Autor: ingo (Gast)
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> Mein Hauptproblem ist eher die untere Drehzahlgrenze, da die Amplitude
> des Meßsignals deutlich abnimmt.

Schon mal an Hallsensoren gedacht? die funktionieren auch statisch.
mfG ingo

Autor: Martin Schneider (docmartin)
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Hallo,

ingo schrieb:
> Schon mal an Hallsensoren gedacht? die funktionieren auch statisch.

Entweder haben die Elektronik eingebaut, oder ihr Meßsignal ist auch 
sehr klein. (Soweit ich weiß-...)

Wie schnell sind Hallsensoren eigentlich? Die Genauigkeitswünsche 
resultieren in notwendigen Zeitauflösungen bis ca. 50ns...

Martin

Autor: ingo (Gast)
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> Wie schnell sind Hallsensoren eigentlich? Die Genauigkeitswünsche
> resultieren in notwendigen Zeitauflösungen bis ca. 50ns...

Da müsste wohl ein Blick ins entsprechende Datenblatt helfen, aber z.B. 
solche, die in hochdrehenden Ottomotoren den Zündzeitpunkt (besser 
gesagt o.T) melden, dürften nicht weit davon entfernt sein, hoffe ich.
mfG ingo

Autor: V. Baumann (dr-robotnik)
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Wie wärs mit einer optischen Auswertung, jedoch über zwei optische 
Fasern, so dass der aktive Teil sich außerhalb der kritischen Umgebung 
befindet.

Autor: Kalli L. (knl)
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Was für eine Strahlung?
Licht Gamma Wärme?
Welche Temperaturen?

Autor: Klaus T. (gauchi)
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Lass mich raten: es ist in der Nähe eines Reaktorkerns, Neutronen 
zerschlagen dir jeden Lichtleiter, Halbleiter leben ca eine Stunde?

Autor: Martin Schneider (docmartin)
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Hallo,

ingo schrieb:
> Da müsste wohl ein Blick ins entsprechende Datenblatt helfen, aber z.B.
> solche, die in hochdrehenden Ottomotoren den Zündzeitpunkt (besser
> gesagt o.T) melden, dürften nicht weit davon entfernt sein, hoffe ich.

das hoffe ich auch, schließlich stammt die Idee für die einfachen 
Pickups aus dem gleichen Umfeld...

AHoi, Martin

Autor: Martin Schneider (docmartin)
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Hallo,

Klaus T. schrieb:
> Lass mich raten: es ist in der Nähe eines Reaktorkerns, Neutronen
> zerschlagen dir jeden Lichtleiter, Halbleiter leben ca eine Stunde?

Jein. So schlimm ist es nicht, Halbleiter leben durchaus bis zu 3 
Monaten... ;-) Neutronenstrahlung spielt aber schon eine Rolle.
Die eingesetzten Encoder hatten neben den Elektronikausfällen auch mit 
blind / schwarz gewordenen Code-Scheiben zu kämpfen.
Mit dieser Erfahrung sind LWL vermutlich keine Option (abgesehen vom 
Zusatzaufwand, die Kupferkabel liegen eben schon).

Ahoi, Martin

Autor: Anja (Gast)
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Martin Schneider schrieb:
> Allerdings sind die Randbedingungen sportlich:
> - Drehzahlen liegen im Bereich von 100 bis 30000 U/min,
>   z.Z. noch limitiert auf 3600 U/min. 22000 U/min hatte ich schon.

Da wäre schon zu überlegen ob Du das Signal splitten kannst.
z.B. 2 Meßbereiche mit 2 verschiedenen Zahnteilungen.

Martin Schneider schrieb:
> - die gewünschte Genauigkeit (ja, Genauigkeit und Reproduzierbarkeit,
>   nicht die Auflösung) ist wünschenswert besser 0.01°, mindestens aber
> 0.1°

Das wird hart. Drehzahl abhängige Ausgangsspannung, Schaltschwellen 
drift, Unrunder Lauf des Zahnrades, Schwingen der Sensorbefestigung 
(Luftspalt) usw.....

Martin Schneider schrieb:
> Wo finde ich Informationen zur optimalen Pickup-Auslegung?

Ich würde einen Maschinenbauer aus dem Automotive-Umfeld oder alternativ 
einen Chip-Hersteller oder Distributor von Auswertechips fragen:
http://www.datasheetcatalog.org/datasheets2/13/131545_1.pdf
http://www.rutronik.com/index.php?id=1609&L=1&id=1...

Gruß Anja

Autor: Andreas K. (derandi)
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Wenn die Strahlung Halbleiter kaputt macht sind Hallsensoren natürlich 
auch nix...

Würde es stören wenn das Signal bei höheren Geschwindigkeiten in ein 
Rechteck übergeht?

Autor: Kai Klaas (Gast)
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Ich würde den Meßbereich auch aufteilen auf mehrere Untermeßbereiche, 
das Signal unterschiedlich stark, parallel verstärken und für jeden 
Meßbereich eventuell eine mitlaufende Schaltschwelle verwenden, wie hier 
besprochen:

Beitrag "Nulldurchgang Induktivgeber 0,2-120V"

Um die Ströungen auf der Übertragungsleitung und am Sensor selbst zu 
unterdrücken, würde ich einen symmetrisch arbeitenden Sensor bauen und 
das Signal mit einem Differenzverstärker verstärken. Ganz so, wie man es 
bei dynamischen Mikrofonen macht.

Sieht nach einer sehr anspruchsvollen Aufgabe aus...

Kai Klaas

Autor: Martin Schneider (docmartin)
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Hallo,

@Anja: Danke, das ist ein interessanter Tip. Mal sehen, ob ich mit 
Stückzahlwünschen weit diesseits der 1Mio. Auskünfte/Muster/Datablätter 
bekomme...

@Andreas: Nein, Rechteck stört nicht, ich muß ja "nur" eine Position 
sicher bestimmen.

@Klaas: Danke! den Beitrag hatte ich garnicht gesehen, aber das paßt 
schon recht gut auf meine Aufgabe.

Ahoi, Martin

Autor: MaWin (Gast)
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Lichtleiter hin, Lichtleiter zurück, und Striuch abtasten, Elektronik 
ist im Schaltschrank.

Autor: G_a_s_t (Gast)
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@MaWin
>Mit dieser Erfahrung sind LWL vermutlich keine Option

Autor: Andreas K. (derandi)
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Martin Schneider schrieb:
> @Andreas: Nein, Rechteck stört nicht, ich muß ja "nur" eine Position
> sicher bestimmen.

Na dann leg den Pickup so aus, das er bei niedriger Drehzahl gut 
funktioniert und schneid den Rest ab, wenn die Scheibe schneller wird.
Evtl könnte man auch einen einfachen Transistor-Verstärker an den Pickup 
anbauen, oder gilt "keine Elektronik" auch für Diskrete Bauelemente?

Autor: Kai Klaas (Gast)
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>Evtl könnte man auch einen einfachen Transistor-Verstärker an den Pickup
>anbauen, oder gilt "keine Elektronik" auch für Diskrete Bauelemente?

GaAs hält deutlich mehr Neutronen aus. Deshalb haben wir dieses Material 
in den 90igern mal für das ATLAS-Experiment am CERN erforscht...

Kai Klaas

Autor: Martin Schneider (docmartin)
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Hallo,

Andreas K. schrieb:
> anbauen, oder gilt "keine Elektronik" auch für Diskrete Bauelemente?

Ja, so ist die aktuelle Vorgabe: gar nichts aktives...

Im Prinzip würde ich vermutlich mit dem passiven Sensor auch gut
hinkommen, Bauchschmerzen kriege ich eher mit der relativ langen
Zuleitung in Kombination mit dem evtl. sehr kleinen Signal.
Eine Testspule liefert bei 100 rpm etwa 50mV Peak - aber da kann man
sicher noch dran drehen. Auf Grund der hohen Maximaldrehzahl muß ich nur 
aufpassen, daß ich keine Hochspannungsgenerator kriege ;-)
Naja, und der steigende Innenwiderstand ist auch kontaproduktiv 
bezüglich störarmer Einspeisung bzw. Leitungsanpassung...

Ahoi, Martin

Autor: Jens Martin (jens-martin)
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Martin Schneider schrieb:
artin Schneider schrieb:
> Mein Hauptproblem ist eher die untere Drehzahlgrenze, da die Amplitude
> des Meßsignals deutlich abnimmt.
>
> Welche Alternativen gibt es zu einem Pickup-basierten Meßsystem?



Eventuell einen Resolver.

http://de.wikipedia.org/wiki/Resolver

Autor: Falk Brunner (falk)
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Vielleicht könnte man den Pickup so auslegen, dass ein magnetischer Kern 
in die Sättigung geht und somit die Ausgangsspannung bei hohen 
Drehzahlen begrenzt? Oder man macht es so, dass nicht eine Spannung per 
Magnet induziert wird, sondern per Metallteil der Kern verstimmt wird, 
das kann man auch messen.

MFG
Falk

Autor: oszi40 (Gast)
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>Mein Hauptproblem ist eher die UNTERE Drehzahlgrenze,
>da die Amplitude des Meßsignals deutlich abnimmt.

Dann doch optisch mit Schlitzscheibe + LWL +Laser+ Putzmechanik?
http://www.sachsenkabel.de/lwl_singlemode_multimode.html

Oder induktiv (ähnlich wie bei der Ampelinduktionsschleife) 
HF-moduliertes Signal durch Metall-Zahnrad verstimmen lassen?

Autor: Kai Klaas (Gast)
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>Im Prinzip würde ich vermutlich mit dem passiven Sensor auch gut
>hinkommen, Bauchschmerzen kriege ich eher mit der relativ langen
>Zuleitung in Kombination mit dem evtl. sehr kleinen Signal.

Dynamische Mikrofone produzieren beim Besprechen mit normaler Sprache 
Signale unter 1mV und deren Signale werden teilweise Hunderte von Metern 
übertragen. Wenn du das strikt symmetrisch machst, sehe ich da kein 
größeres Problem.

>Auf Grund der hohen Maximaldrehzahl muß ich nur aufpassen, daß ich keine 
>Hochspannungsgenerator kriege ;-)

30000/100 x 50mV = 15V. Das ist noch keine Hochspannung.

Du könntest übrigens auch zwei unterschiedliche Spulen an die Scheibe 
anbringen, eine für niedrige Drehzahlen, die andere für hohe.

Kai Klaas

Autor: Martin Schneider (docmartin)
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Hallo,

Jens Martin schrieb:
> Martin Schneider schrieb:
> artin Schneider schrieb:
>> Mein Hauptproblem ist eher die untere Drehzahlgrenze, da die Amplitude
>> des Meßsignals deutlich abnimmt.
>>
>> Welche Alternativen gibt es zu einem Pickup-basierten Meßsystem?
>
>
>
> Eventuell einen Resolver.
>
> http://de.wikipedia.org/wiki/Resolver

Ein Resolver ist als Positionsgeber drin. Leider produziert die 
Auswerteelektronik beim (simulierten) Indexpuls eine zeitlichen Jitter 
von +-20µs - das ist bei den anvisierten Drehzahlen viel zu hoch für die 
geforderte Winkelgenauigkeit. Der Jitter ist leider Prinzip-bedingt, man 
kann den villeicht halbieren mit etwas Aufwand, das reicht aber nicht.

Ahoi, Martin

Autor: Martin Schneider (docmartin)
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Hallo,

Kai Klaas schrieb:
> Dynamische Mikrofone produzieren beim Besprechen mit normaler Sprache
> Signale unter 1mV und deren Signale werden teilweise Hunderte von Metern
> übertragen. Wenn du das strikt symmetrisch machst, sehe ich da kein
> größeres Problem.

Da hast Du recht. Ich werde es wohl einfach testen müssen.

>>Auf Grund der hohen Maximaldrehzahl muß ich nur aufpassen, daß ich keine
>>Hochspannungsgenerator kriege ;-)
>
> 30000/100 x 50mV = 15V. Das ist noch keine Hochspannung.

Ja, das ist mir schon klar (siehe Smiley). Der Dynamik-Umfang ist aber 
schon beachtlich.

> Du könntest übrigens auch zwei unterschiedliche Spulen an die Scheibe
> anbringen, eine für niedrige Drehzahlen, die andere für hohe.

Mal sehen, wie das mechanisch zu machen ist. Bauraum ist zwar da, aber 
natürlich nicht unbegrenzt.

Was ich bisher nicht explizit geschreiben hatte: es gibt bereits einen 
Resolver als Positionsgeber, die (abgesetzte) Auswerteelektronik 
generiert auch einen Indexpuls, aber mit einem zeitlichen Jitter. Für 
hohe Drehzahlen ist der dadurch erzeugt Winkelfehler viel zu hoch, aber 
bei niedrigen kann ich das Signal evtl. nutzen.
Danke für die Anregung.

Ahoi, Martin
>
> Kai Klaas

Autor: JensMartin offline (Gast)
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Martin Schneider schrieb:
> Was ich bisher nicht explizit geschreiben hatte: es gibt bereits einen
> Resolver als Positionsgeber, die (abgesetzte) Auswerteelektronik
> generiert auch einen Indexpuls, aber mit einem zeitlichen Jitter. Für
> hohe Drehzahlen ist der dadurch erzeugt Winkelfehler viel zu hoch, aber
> bei niedrigen kann ich das Signal evtl. nutzen.
> Danke für die Anregung.

Moin,

Resolver gibt es bis 100 000 1/min. Kann sein das es Modelle gibt die 
deine Anforderungen erfüllen. Die Elektronik wird sich ihren "Indexpuls" 
auch irgendwo herholen, evlt. ist es einfacher sich die Signale 
anzuschauen und selbst einen zu generieren.

Nächste Variante ein Synchro, sind dann halt 3 Phasen oder eben ein 
zusätzlicher high speed Index.

Evtl hilft  es den Jitter zu mitteln.

Gruß zurück

Autor: Kurt (Gast)
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Klingt irgendwie nach ner UF6 Zentrifuge :)

Ich würde dafür einen AMR-Sensor nehmen, die dürften deutlich robuster 
als normale Halbleiter sein.  Sensitec (dot com) hat da sicher was im 
Angebot.

Gruß!

Autor: Martin Schneider (docmartin)
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Hallo,

JensMartin offline schrieb:
> Resolver gibt es bis 100 000 1/min. Kann sein das es Modelle gibt die
> deine Anforderungen erfüllen. Die Elektronik wird sich ihren "Indexpuls"
> auch irgendwo herholen, evlt. ist es einfacher sich die Signale
> anzuschauen und selbst einen zu generieren.

Der Wandler erzeugt ein Quadratur-Signal incl. Index-Impuls (Spur Z).
Die absolute Genauigkeit ist auch gut genug, aber eben nur statisch. 
Zeitlich gibt es eine Abhängigkeit zum Takt in der Auswerte-Elektronik,
soweit ich das verstanden habe, werden die SIN/COS-Werte durch ADC 
gelesen und umgerechnet, der Jitter entsteht durch den Wandlungstakt.

>
> Nächste Variante ein Synchro, sind dann halt 3 Phasen oder eben ein
> zusätzlicher high speed Index.

Ja, den baue ich sozusagen gerade ein.

>
> Evtl hilft  es den Jitter zu mitteln.
Für die Regelung ja (die Drehbewegung wird auf eine externe Vorgabe 
synchronisiert), aber leider nicht für die Kontrolle und den Nachweis,
das alles korrekt läuft. Vor allem letzteres.

Ahoi, Martin

Autor: Jens Martin (jens-martin)
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Martin Schneider schrieb:
> Der Wandler erzeugt ein Quadratur-Signal incl. Index-Impuls (Spur Z).
> Die absolute Genauigkeit ist auch gut genug, aber eben nur statisch.

Woher kommt denn "Spur Z"?

> Zeitlich gibt es eine Abhängigkeit zum Takt in der Auswerte-Elektronik,
> soweit ich das verstanden habe, werden die SIN/COS-Werte durch ADC
> gelesen und umgerechnet, der Jitter entsteht durch den Wandlungstakt.


dann nimm doch einen Schnittpunkt des SIN/COS Signal mittels Komparator.
Kannst du evtl parallel anklemmen.

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