Hallo zusammen, ich habe ein Problem damit kleine Spannungen (Uss ca. 5µV, f=50Hz) die sehr verrauscht sind, zu messen. Diese Spannung kann von verschiedenen Rogowskispulen kommen die ca. 50-500 Ohm haben. Je nach Bandbreite macht mir das thermische Rauschen und auch Einstreuungen Probleme. Ich habe Schaltungen aufgebaut und Simuliert mit Filtern und normalen Elektrometerverstärkern. Relativ gute Ergebnisse lieferte ein einfacher passiver Tiefpass 2.O. an einem INA (AD8429), bin aber auch nicht zufrieden gewesen damit. Idealerweise würde ich gerne die Signale bis einige Volt verstärken um sie Sinnvoll mit einfachen Multimetern in einer Produktionsanlage messen zu können. Jetzt ist mir die Idee mit einem Lock-In- Verstärker gekommen und bin auf den AD630 gestoßen. Leider hab ich so meine Probleme damit, ich weiß auch nicht ob ich ihn richtig beschalte. (Schaltung im Anhang) Ich dachte mir dabei dass ich das Nutzsignal gleich als Referenzsignal zu nutzen um keine Probleme mit der Phasenverschiebung zu haben, scheint aber einmal der falsche Ansatz zu sein. Habe aber auch schon versucht aus dem Eingangssignal mittels einem Komparator ein Phasengleiches Referenzsignal zu generieren, was mich auch nicht weiterbrachte. Deshalb meine Frage an euch: hat schon jemand einen Lock-In Verstärker mit einem AD630 gebaut, oder kann mir sonst wer Tipps geben wie man sowas richtig löst? Danke schon mal im Voraus für das viele Lesen :)
Angehängte Dateien:
-
AD630.PNG
71 KB
Ja. Hab ich. Er geht. Er ist allerdings falsch beschaltet. Man gibt den Referenz Rechteck oder sinaus an den Komparator. Den effektiven Verstaerker beschaltet man gemaess datenblatt. Bis das Problem geloest ist wuerd ich's mit einem SR810 Lock-in oder so probieren, und erst nachher eigene Hardware aufbauen.
Das Nutzsignal ist nie der Referenzkanal. Dann ist es kein Lock-in. Zieh dir bei Stanford das pdf rein. http://www.thinksrs.com/products/lockin.htm
Vielen Dank erst mal für die sehr schnelle Antwort, heißt das, ich sollte eine AC- Quelle, genau wie meine V17, mit vielleicht etwas höherer Amplitude an Pin 9 meines AD630 hängen? beste Grüße
das waere dann der zweite Schritt. Der erste Schritt ist die Modulation des gesammten Setups mit eben dieser Frequenz. An diesem Ort waere die Frage : worum geht es denn ueberhaupt
Moin, du willst das Messsignal deiner Rogowskispulen zur Messung verstärken... Ein Lock-In Verstärker als Verstärkung wird dabei nicht helfen... dieser kann nur ein Signal, welches sich auf ein Referenzsignal bezieht, verstärken. Beispiel für Lock-In-Verstärker: Vermessung einer Halbleiter-Probe bei tiefen Temperaturen, gemessen werden sollen der Strom und die Spannung der Probe. Dafür stellt der Lock-In Verstärker ein Referenzsignal bereit, ein Sinus mit beliebiger Frequenz (im Bereich des Verstärkers), welches in die Probe geführt wird. Der Ausgang wird auf den Strom- und den Spannungseingang des 2-Kanal Lock-In-Verstärkers geführt. (Stromeingang wird intern in eine Spannung gewandelt) Beide Eingangssignale werden unabhängig voneiander in einen Mischer mit dem Referenzsignal multipliziert und anschließend in einem Tiefpass integriert. Am Ausgang des TP steht dann als Gleichspannung das gemessene Signal zur Bereit. Alternative kann auch ein Rechtecksignale als Referenz verwendet werden, z.B. das Chopper-Signal bei einer optischen Messung. Bei der Messung mit einer Rogowskispule, müsste dass zu messende Signal gleichzeitig auch das Referenzsignal darstellen - nur dann können alle Störungen "weggefilter" werden. Wobei 50Hz als "Messfrequenz" nicht gerade die beste Wahl ist... (Erfahrung aus meiner Physikzeit...!) Evtl. ist ein Chopper-Verstärker bzw. der Auto-Zero-Verstärker als "moderner Nachfolger" die bessere Lösung. Es gibt auch Hersteller, die Rogowskispulen inkl. Vorverstärker anbieten - wir haben bei uns drei verschieden "größen" eines Herstellers, den Namen hab ich aber gerade nicht griffbereit - könnte aber bei Bedarf nachschauen.
fast, Boris, danke erstmal. Ich dachte eben dass ich mir das einspeisen eines Signals sparen könnte, und als Referenzsignal einfach mittels Trenntrafo die 50 Hz aus dem Netz abgreifen könnte und vielleicht mittels phase- shifter auf gleiche Phasenlage bringe. Leider ist die Aufgabenstellung die, dass die Rogowskispulen bei Betriebsfrequenz ( die 50 Hz) vermessen werden sollen. @ fast: muss das ganze Setup wirklich moduliert werden? Reicht es nicht als Referenzsignal eine Phasengleiche Spannung reinzuschicken, die mit dem zu messenden Signal multipliziert wird? Der Autozero ist eine gute Idee, werde mal ein Modell damit aufbauen. Leider mache ich solche Sachen viel zu selten, aber danke für eure Geduld.
Schau Dir mal die Anleitung zum SR830 von Stanford Research: http://www.thinksrs.com/downloads/PDFs/Manuals/SR830m.pdf Auf Seite 33 ist ein Blockschaltbild des Verstärkers... Die 50Hz aus dem Trenntrafo brauchst Du nicht in gleicher Phasenlage zu "schieben", dass übernimmt der Verstärker... Das Blockschaltbild zeigt auch, dass man gegen Störungen aus dem Netz 50Hz und/oder 100Hz Notchfilter zuschalten kann! Gefühlt sind die 50Hz nicht wirklich eine "gute" Wahl, ich würde evtl. mit 49Hz oder 51Hz messen... Roman J. schrieb: > fast, Boris, danke erstmal. > Ich dachte eben dass ich mir das einspeisen eines Signals sparen könnte, > und als Referenzsignal einfach mittels Trenntrafo die 50 Hz aus dem Netz > abgreifen könnte und vielleicht mittels phase- shifter auf gleiche > Phasenlage bringe. > Leider ist die Aufgabenstellung die, dass die Rogowskispulen bei > Betriebsfrequenz ( die 50 Hz) vermessen werden sollen. > @ fast: muss das ganze Setup wirklich moduliert werden? Reicht es nicht > als Referenzsignal eine Phasengleiche Spannung reinzuschicken, die mit > dem zu messenden Signal multipliziert wird? > > Der Autozero ist eine gute Idee, werde mal ein Modell damit aufbauen. > > Leider mache ich solche Sachen viel zu selten, aber danke für eure > Geduld.
:
Bearbeitet durch User
Probleme bei Mikrovolt messen sind : Einstreuungen von Netz, usw, Thermospannungen, Mechanische Vibrationen auf Kabeln. Ich bin auch grad am Mirkovolt messen. Ein Spannungsteiler aus einem NTC und einem Festwiderstand. Das Problem, ueber dem NTC duerfen hoechstens 2..3mV abfallen, dessen Widerstand aendert zwischen 50 Ohm und 1.5kOhm. Dh die Spannungen beginnen bei 50uV. Aequivalent zu 1.4 Grad Differenz ueber einem Thermoelement. Und etwas aufloesung moechte man auch noch. Die Loesung: Anregen des Spannungsteilers mit 100mV @ 20Hz. Die Messwerte sind auf sub-uV stabil.
Angehängte Dateien:
-
1.JPG
80 KB
Habe einmal das derzeitige Ausgangssignal beigefügt. Grün (kaum zu sehen) ist die Eingangsspannung der Rogowskispule, nach einem Tiefpass und Instrumentenverstärker kommt das rote Signal raus. Durch den Offset entsteht dann das etwas ungleichmäßige blaue Signal, was bei Mittelwertbildung aber egal sein dürfte. Würde ein 50 Hz Bandpass helfen? Bzw. sollte ich mich eher auf einen Autozero konzentrieren? @Boris, leider soll der Verstärker so aufgebaut werden, da der Kunde dann scheinbar das in der Endanwendung genauso realisieren will, die Spulen sind für Stromzähler, leider kann ich daher keinen fertigen Lock-In Verstärker nehmen, das sollte alles halbwegs kompakt sein und nicht allzu teuer (wobei die Stückzahlen sehr gering sind, also ein wenig Bauteilkosten dürfen schon anfallen) Oder meint ihr der Lock-In Verstärker ist eh der falsche Ansatz für die Anwendung? Aja, das Rauschen ist hier im Bild nicht so stark ausgeprägt, da ich die Eingangsspannung hier viel höher als in der Realität gewählt habe, nur mal für Versuche. Das SNR ist in Wahrheit also viel schlechter. lg
:
Bearbeitet durch User
Huh, schwierige Sache... Mit Lock-In Verstärkern hab ich nur mit SR830 gearbeitet und dort mit vom Lock-In generierten Referenzsignal, niemals mit einer eigenen Lösung/Signal... Ich kann nicht wirklich sagen, dass ein Lock-In die Lösung ist... wie sieht denn dass Signal gemittelt aus, mit Digi-Scope über 16, 32 oder auch 64 Perioden??? Die Frage die sich mir stellt, sind die 50Hz Netzfrequenz eine brauchbare Referenz für eine Lock-In-Messung - dazu kann ich keine Antwort geben. Was den Einsatz eine 50Hz Bandpasses angeht, der müßte schon höher Ordnung sein - stellt sich nur die Frage, was am Ausgang dann Rauschen und "echtes" Nutzsignal sind. Da sind wir dann wieder beim Lock-In Verstärker... und dem Mischen, was mehr SNR bietet... Eine Idee für eine Hardware-Realisierung bietet evtl. die Anleitung zum SR124 von Stanford Research - leider enthält die Online Version des Manuels keine Schaltpläne, der Hinweis "Circuit schematic diagrams follow this page" läßt aber vermuten, dass diese in der gedruckten Version des Handbuches enthalten sind. Beim SR830 war es auf jedenfall so, was den kompletten analogen Part des Verstärkers angeht.
Das war eben das Problem, warum ich auch auf den Lock-In Verstärker gekommen bin, dachte das wäre eine schöne Lösung. Die 50 Hz sind eigentlich mein größtes Problem, wie du sagst auch mit den Filtern. Ich bin grad dabei mittels Tietze-Schenk einen Bandpass 4 Ordnung zu basteln mit 40 dB Abschwächung und 50 Hz Mittenfrequenz. Ich denke ich werde vor dem Filter etwas verstärken und nach dem Filter einfach direkt noch einmal einen Instrumentenverstärker schalten und testen was dabei rauskommt. Werde aber morgen noch wie du sagst die Mittelwertbildung testen. Danke für die freundliche Hilfe.
Ich hab damals aus dem SR830 die 50Hz Notchfilter nachgebaut --> Beitrag "Analog Filter und unterschiedliche Eingangsspannung" Bestehen aus einem Bandpass 2. Ordnung, Multiple Feedback Active Filter und anschließenden Summierer ... lass den Summierer weg und du hast schon mal einen Bandpass. Einfach als zu Fuß mit Tietze-Schenk geht es mit dem kostenlosen TI Filter Pro Designer, inkl. Toleranz und daraus resultierende Abweichung des Filters usw... http://www.ti.com/tool/FIlterPro
Das signal is synchron, phasenstarr zum Netz? Dann waere ein Lock-in das Richtige. Dann nimmt man das Netz als Referenz. Resp ein PLL Signal davon, sonst hat man den Rundsteuermist und Thyristorstoerung mit drauf.
Nur was ist, wenn das zu messende Signal kein reiner "Sinus" mehr ist, sondern durch Störungen und Oberwellen ziemlich dreckig ist - durch die PLL/Oszillator ist das für den Mischer kein Problem - aber ich messe dann wirklich nur die 50Hz ohne Oberwellen... ja nun schrieb: > Das signal is synchron, phasenstarr zum Netz? Dann waere ein Lock-in das > Richtige. Dann nimmt man das Netz als Referenz. Resp ein PLL Signal > davon, sonst hat man den Rundsteuermist und Thyristorstoerung mit drauf.
@ja nun: genauso war mein Plan, wollte das Signal direkt vom Netz nehmen. und wie SkyperHH sagt fürchte ich, dass das mein Problem ist. In meinem Beitrag gestern (22:50) habe ich das zu messende Signal absichtlich verrauscht (im Bild). Gestern ist mir noch was völlig anderes eingefallen, mal sehen was ihr davon haltet: Ich habe vor, zuerst einmal nur die Rogowsikspule anzuschließen, ohne jedoch Strom durch den Mittelpunktsleiter in der Spule zu schicken, d.h. theoretisch kommt nur Rauschen aus der Spule, kein "sinnvolles" Ausgangssignal. Dann will ich dieses Rauschein einfach um einen Faktor X verstärken. -> Dann aktiv Gleichrichten. -> Das Gleichgerichtete Signal z.B. auf einen Flash oder Dual Slope Converter und wieder DA wandeln (nur um den Analogwert länger speichern zu können). -> Jetzt mit diesem Signal auf einen Summierverstärker zusammen mit diesmal einem Ausgangssignal der Rogowsispule (dieses Signal will ich ebenfalls Gleichrichten und am Summierverstärker geben) Jetzt, so mein Plan, messe ich zwar DC, und wenn sich das Rauschen nicht durch Temperatur oder Einstreuungen verändert, sollte meine Messung i.O. sein. Haltet ihr das für sinnvoll? Oder Idee gleich wieder verwerfen? Beste Grüße
Ich würde Versuchen, das Signal analog so gut es geht aufzubereiten - digitalisieren ist dann der letzte Schritt in der Kette. Andere Idee, das Signal der Spule vergrößern, mehr Windung verwenden? Alternative eine andere Messmethode einsetzen? Trafo-Prinzip wie bei den Strommesszangen, bzw. mit Hall-Sensor? Dort könnte man sich dann "Anregungen" aus einem "günstigen" Produkt holen - denn die Geräte werden millionenfach verkauft / verwendet!
Dein Kunde will ja wahrscheinlich nicht den Zeitverlauf des Stromsignals sehen, oder? Dann würde dir der Lockin nichts nutzen und du müsstest weiter an Filtern ... arbeiten um das messen zu können. Wenn der Kunde sich nur für die Amplitude des Stroms interessiert, ist der Lockinansatz nicht verkehrt. Wie schon ja nun vorgeschlagen hat als Referenzsignal eine PLL, die aufs Netz synchronisiert ist. Ich gehe mal davon aus, dass das Ausgangssignal der Rogowski-Spule schon richtig vorverarbeitet ist. (Die Rogowski liefert als Ausgangssignal ja erst mal eine Spannung die proportional zur Ableitung des Stroms ist und die aufintegriert werden muss). Die blaue Kurve in Beitrag "Re: kleine Spannungen messen mit Lock- In- Verstärker" war der Ausgang des AD630? Das sieht schon mal gut aus, für den vollständigen Selbstbau-Lockin braucht es jetzt nur noch eine zuverlässige, netzsynchrone Referenz und hinter dem AD630 einen passenden Tiefpass. Roman J. schrieb: > die > Spulen sind für Stromzähler, Ähhh: es geht hoffentlich nicht um einen Stromzähler, der in irgendeiner Weise ein halbwegs genaues Ergebnis liefern muss. Denn das wird bei diesen Signal-Rauschverhältnissen nicht klappen. Wenn "Stromzähler" bedeuten soll, dass du Wirkleistungen bestimmen willst, dann ist der ganze Ansatz hinfällig. Zur Wirkleistungsbestimmung brauchst du den Momentanwert des Stroms, nicht nicht nur dessen Amplitude. Dann fällt die Lockin-Lösung flach, und dann wirst du mit der gegenwärtigen Sensorik nichts vernünftiges hinkriegen. Du bräuchtest dann unbedingt Stromsensoren mit einem sehr viel besseren Signal-Rauschverhältnis. Wahrscheinlich solltest du ohnehin zunächst mal versuchen, das Problem an dieser Stelle anzupacken.
Den Lock-in mit 50Hz als Referenz zu betreiben ist nicht sehr gut. Durch Einstreuungen auf die Messleitungen und dem Gerät selbst, wird es schwierig werden das Signal von den Einstreuungen zu unterscheiden. Deshalb meidet man normalerweise 50Hz und deren Vielfache. Roman J. schrieb: > Gestern ist mir noch was völlig anderes eingefallen, mal sehen was ihr > davon haltet: Wenn ich deinen Plan richtig verstanden habe: Nichts. Du scheinst davon auszugehen, dass das Rauschen sich nicht ändert und du ein vorher aufgezeichnetes Rauschen von deinem Messsignal wieder abziehen kannst. Da Rauschen aber ein zufälliger Prozess ist wird das nicht funktionieren. SkyperHH schrieb: > Nur was ist, wenn das zu messende Signal kein reiner "Sinus" mehr ist, > sondern durch Störungen und Oberwellen ziemlich dreckig ist - durch die > PLL/Oszillator ist das für den Mischer kein Problem - aber ich messe > dann wirklich nur die 50Hz ohne Oberwellen... Wenn es sich bei dem Demodulator um den AD630 handelt ist das kein Problem. Das der AD630 als Umschalter dient wird das Messsignal mit einem Rechtecksignal mit der Frequenz des Referenzsignals multipliziert. Somit findet auch eine Demodulation der Oberwellen statt. Es ändert sich lediglich der Faktor zwischen Signalamplitude und dem Ausgangssignal des Tiefpasses. Eine weitere Möglichkeit zur Bestimmung der Amplitude des Signal wäre noch eine FFT, welche du an der Stelle von 50Hz auswertest.
Ich denke, ein Lock-In-Verstärker hat gegenüber einem einfachen Amplitudenauswerter maximal 3 dB Gewinn an Störabstand, weil er die 90 Grad phasenverschobenen 50 Hz-Störungen unterdrückt. Es wäre vielleicht möglich, ein digitales "automatisches Notchfilter" auf den gewöhnlichen Netzbrumm zu setzen, wenn die zu messenden 50 Hz genau 90 Grad dagegen versetzt wären. Das addiert einen gegenphasigen Sinus gleicher Amplitude zum Netzbrumm. Ein normales Notchfilter ist dagegen für alle Phasenlagen gleich wirksam und unterdrückt alles gleichzeitig, Nutz- und Störfrequenz.
Roman J. schrieb: > [...] theoretisch kommt nur Rauschen aus der Spule, [...] Nee. Warte mal. Was Du tust, sieht mir arg nach ziellosem Rumprobieren aus. Moment noch... wo habe ich "Ansprache Nr.1 bei zu geringem Störabstand"... Ahh. Hier. Also: So wie ich Dich verstehe, kämpfst Du mit einem sehr geringen Störabstand, d.h. Du hast ein recht kleines Mess-Signal, das von relativ großen Störungen überlagert ist. Vor der Therapie kommt bekanntlich die Diagnose. Du musst also zunächst die Art der Störungen und ihre Ursache feststellen. Du sprichst die ganze Zeit von "Rauschen". Beim Rauschen handelt es sich um ein - breitbandiges - zufälliges - zum Nutzsignal unkorreliertes Störsignal. Das hast Du geprüft, ja? Alle drei Eigenschaften? Ich glaube nämlich nicht an Dein "Rauschen". Es ist eine (weit verbreitete) Unsitte, jede Störung als Rauschen zu bezeichnen. Das thermische Rauschen eines 500-Ohm-Widerstandes bei 100Hz Bandbreite sollte in der Größenordnung von 30nV liegen. Das ist noch sehr weit von Deinen 5µV entfernt. > [...] und wenn sich das Rauschen nicht durch Temperatur > oder Einstreuungen verändert, sollte meine Messung i.O. > sein. > > Haltet ihr das für sinnvoll? Nein. (Thermisches) Rauschen und Einstreuungen sind ganz verschiedene Störsignale, die auch verschieden bekämpft werden müssen. Ich schätze, dass die Einstreuungen in Deinem Falle weit überwiegen. Besser als "hinterher filtern" ist "vorher abschirmen". Dazu solltest Du als erstes mal untersuchen, wo welches Signal einstreut.
Ein Lockinverstärker hat einen wirklichen Vorteil wenn das Signal nicht bei 50 Hz ist, sonder etwa 51 Hz oder 49 Hz - also gerade nicht netzsynchron. Sonst kann man nur zusehen das man möglichst wenig Einkopplungen vom Netz bekommt, und die vor allem nicht zu sehr schwanken. Rauscharm ist hilfreich, aber vermutlich wird die Einstreuung das deutlich größere Problem. Die Auswertung der Amplitude sollte man schon Phasenstarr mit dem Signal (Netz) machen, schon einfach weil man nur so den unvermeidlichen Untergrund vernünftig abziehen kann. Als Lösung bietet sich da aber eher eine Digitale Lösung an, als der AD630. Also das Signal erst grob filtern (etwa per aktivem Bandpass eher geringer Güte, ggf. auch hochpass+tiefpass), damit die Rauschamplitude nicht mehr wesentlich größer ist als das 50 Hz Signal, dann digitalisieren und dann rechnerisch weiter. Das Ergbenis sind dann ggf. nicht nur die 50 Hz sondern auch die Oberwellen.
War leider im Krankenstand, wollte mich jetzt wieder melden. Habe aus meiner Sicht ganz gute Ergebnisse mit einem Butterworthfilter 4. Ordnung erzielt. Die Simulation sieht eigentlich sehr gut aus. Werde jetzt Bauteile bestellen und mal testen. Werde wenn ich fertig bin die Schaltung und die Ergebnisse posten. Beste Grüße
Angehängte Dateien:
-
Schaltung.png
98 KB
Hallo an alle, ich wollte das Thema nicht einfach so offen lassen. Ich habe das Problem gelöst, Spannungen bei genau 50 Hz im einstelligen µV- Bereich sauber messen zu können. Das Signal wird dazu zuerst mit einem Instrumentenverstärker versärkt, anschließend mit einem aktiven Filter mit Mehrfachgegenkopplung (Siehe Tietze Schenk) gefiltert und wiederum verstärkt. Abschließend kommt es zu einem TrueRMS 2 DC- Converter (ich weiß ich könnte einfach multiplizieren, aber möglicherweise werden einmal andere Frequenzen zu messen sein). Ein Einbauvoltmeter dient als Anzeige. Das Ganze geht zwar weit von meinem anfänglichen Lösungsansatz weg, funktioniert jedoch bestens. Habe auch das Bodediagramm aufgenommen und die Linearität gemessen ... alles wie geplant. Schaltung im Anhang
Thread beobachten
Seitenaufteilung abschaltenBitte melde dich an um einen Beitrag zu schreiben. Anmeldung ist kostenlos und dauert nur eine Minute.
Bestehender Account
Schon ein Account bei Google/GoogleMail? Keine Anmeldung erforderlich!
Mit Google-Account einloggen
Mit Google-Account einloggen
Noch kein Account? Hier anmelden.