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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik 8-36V Drucksensor mit 4-20mA an Mikrocontroller


Autor: Nibor T. (napster1989)
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Hi Community,

ich plane immernoch die beste (idealste) Verschaltung von einem 2-Draht 
Druckmessumformer, der ein SIgnal von 4-20mA (0-20 bar) liefert. Die 
Versorgung ist laut Datenblatt mit  8-36V angegeben.

Als MC verwende ich einen Arduino Mega 2560 R3. Da ich bzw. der MC als 
Eingang ja max. 5V vertragen, muss ich mit der Spannung logischerweise 
runtergehen. Ich habe mir folgendes überlegt:

Spannungsversorgung soll über ein DC-Netzteil mit 24V in den Sensor 
gehen. Am Ausgang des Sensors kommen maximal 20mA als Strom raus. Auf 
der GND-Leitung will ich dann einen 250 Ohm Widerstand in Reihe einlöten 
und vor, sowie hinter dem Widerstand die Spannung abgreifen, sprich die 
Leitung vor dem Widerstand in einen I/O Pin und nach dem Widerstand in 
den GND Pin vom Arduino.

Leider sind meine E-technik Kenntnisse etwas eingerostet, sodass ich mir 
erhoffe, dass einer mein Vorhaben bestätigen oder dringend davon abraten 
kann! :) ... Gibt es sonst eine praktikable Lösung, den 
Druckmessumformer anzuschließen?

Anbei habe ich schematisch den geplanten Messaufbau skizziert.

Beste Grüße!

Autor: H.Joachim Seifert (crazyhorse)
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Im Prinzip ist das so richtig.
Allerdings solltest du noch ein wenig in den Eingangsschutz investieren 
(defekt des Transmitters, Überbrücken der Anschlüsse beim rumbasteln 
etc.)

Autor: Olaf (Gast)
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> dass einer mein Vorhaben bestätigen oder dringend davon abraten kann! :)

Grundsaetzlich koennte das funktionieren, aber:

1. Du verlaesst dich darauf das dein Sensorgehaeuse potentialfrei 
gegenueber GND ist. Das mag so sein und bei 4-20mA wuerde ich das auch 
eher erwarten. Aber das solltest du trotzdem mal nachpruefen.

2. Beim an/abstecken kann es passieren das du 24V deinen Controllerpin 
legst. Dagegen musst du dich absichern.

Olaf

Autor: Matthias S. (Firma: matzetronics) (mschoeldgen)
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Nibor T. schrieb:
> Leider sind meine E-technik Kenntnisse etwas eingerostet, sodass ich mir
> erhoffe, dass einer mein Vorhaben bestätigen oder dringend davon abraten
> kann! :)

Das ist schon ok so. Schau nochmal ins Datenblatt des Sensors, wie gross 
die Bürde (der 250 Ohm Widerstand) maximal sein darf, aber m.E. sollte 
das so klappen - mache ich zumindest genauso bei einen Drucksensor von 
Günthner.
Ich verwende allerdings eine 125 Ohm Bürde, weil Günthner im Datenblatt 
maximal 200 Ohm erlaubt.
Die Bürde habe ich aus einem 100 Ohm Widerstand in Reihe mit einem 50 
Ohm Präzision Trimmer aufgebaut, um möglichst genau die 125 Ohm zu 
treffen und meine (2,5 Volt) Referenz für den MC besteht aus einem 
TL431.
Der Haken bei der Anordnung ist, das ein etwaiger Überlauf, also mehr 
als 20mA, nicht gut erkannt werden.

: Bearbeitet durch User
Autor: Nibor T. (napster1989)
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Hi,

im Datenblatt ist für den 2-Leiter eine zulässige Bürde von:
Rmax = [(UB–UB min) / 0,02A]Ω

angegeben.

Mit: Ubmin=8V | Ub=24V

Ergibt laut meiner Rechnung eine Bürde von maximal 800 Ohm.

Weitere Einflusseffekte laut Datenblatt: (Was muss ich da noch 
berücksichtigen)

Hilfsenergie:
0,05 % FSO / 10 V
Bürde:
0,05 % FSO / kΩ



Zum Thema Absichern: Wie kann ich das ganze denn Sinnvoll absichern 
bzgl. dem Eingangsschutz?

Besten Dank an dieser Stelle schon für die vielen Antworten zur frühen 
Stunde ;)

: Bearbeitet durch User
Autor: Matthias S. (Firma: matzetronics) (mschoeldgen)
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Ich habe mal die Empfehlung meiner Vorposter in die Schaltung 
geschmiert. R2 könnte so zwischen 2,2k bis 10k liegen und C1 zwischen 
1nF bis 22nF.

R2 und C1 bilden allerdings einen Tiefpass. Wenn du sehr schnelle 
Änderungen erfassen willst, sollten C1 und R1 eher kleiner sein, wenn es 
gemächlich zugeht, können beide auch grösser werden. R2 ist ein 
Schutzwiderstand für den ADC Eingang und C1 glättet ein wenig und 
speichert den Wert für den ADC zwischen.

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Autor: Nibor T. (napster1989)
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Hi,

also die Änderunge werden eher schnell stattfinden...
Welche Aufgabe hat konkret der R2 Widerstand? (Man lernt nie aus :) )

Danke!!!

Autor: Harald Wilhelms (wilhelms)
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Nibor T. schrieb:

> also die Änderunge werden eher schnell stattfinden...

Wie schnell?

> Welche Aufgabe hat konkret der R2 Widerstand?

Zitat von  Matthias:  R2 ist ein Schutzwiderstand für den ADC Eingang

Autor: Matthias S. (Firma: matzetronics) (mschoeldgen)
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Nibor T. schrieb:
> Welche Aufgabe hat konkret der R2 Widerstand? (Man lernt nie aus :) )

Matthias S. schrieb:
> R2 ist ein
> Schutzwiderstand für den ADC Eingang

Was heisst denn 'eher schnelle' Änderungen des Messwertes? Wenn du da 
Frequenzen weisst, kannst du mittels der Formel für einen RC Tiefpass 
eine Kombination raussuchen, die diese schnellen Änderungen an den ADC 
durchreicht:
http://www.didactronic.de/hptp.htm

Autor: Nibor T. (napster1989)
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Also die Änderung wird von 0-15 bar in ca. 5-10 Sekunden stattfinden, 
dann erfolgt eine "schlagartige" Entspannung und das ganze geht erneut 
los ...

Achso zum R2: Wenn ich vor dem R2 jedoch maximal 5V habe, wie kann ich 
denn dann nach einem 2,2kOhm-Widerstand immernoch die 5V erreichen? Da 
fällt doch wieder eine Spannung ab, oder stehe ich jetzt auf dem 
Schlauch? :)



Gruß

: Bearbeitet durch User
Autor: Matthias S. (Firma: matzetronics) (mschoeldgen)
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Nibor T. schrieb:
> Wenn ich vor dem R2 jedoch maximal 5V habe, wie kann ich
> denn dann nach einem 2,2kOhm-Widerstand immernoch die 5V erreichen? Da
> fällt doch wieder eine Spannung ab, oder stehe ich jetzt auf dem
> Schlauch? :)

Theoretisch hast du recht, aber der Eingangswiderstand des ADC ist 
erstens recht hoch, so das ein paar kOhm da nicht auffallen und zweitens 
wird C1 ja auf den Messwert aufgeladen und macht das Signal im Moment 
der Abtastung niederohmig.

Nibor T. schrieb:
> Also die Änderung wird von 0-15 bar in ca. 5-10 Sekunden stattfinden.

Das ist also wahrlich nicht schnell. In diesem Fall kannst du gut und 
gerne 2,2k - 4,7k für R2 nehmen und 10nF für C1.

: Bearbeitet durch User
Autor: Nibor T. (napster1989)
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Matthias S. schrieb:

> Das ist also wahrlich nicht schnell. In diesem Fall kannst du gut und
> gerne 2,2k - 4,7k für R2 nehmen und 10nF für C1.

Ok, dann fürs Verständnis: Was ist denn dann "schnell"? :)

Abgetastet soll jedoch mit 2-3 Takten pro Sekunde, damit man einen 
schönen Messverlauf erkennen kann...

: Bearbeitet durch User
Autor: Nibor T. (napster1989)
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Sorry, ich hatte eine Falschinformation!!!!

Der Druckverlauf findet innerhalb von < 1s statt.

Ist das für euch nun immernoch langsam, oder wird es langsam "schnell"? 
:-D

Autor: Bernd N (Gast)
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Das ist immer noch langsam. Ich würde mir eher die Frage stellen wie 
genau du Messen mußt / willst ?

4 - 20 mA entspricht 2000 Punkten, (20.00mA) somit brauchst du 
mindestens 11 BIT aber dein ADC liefert dir nur 10. Also entweder 
verwendest du einen externen ADC oder einen anderen MC für die Messung 
z.B. http://www.ti.com/product/MSP430F2013

Autor: Nibor T. (napster1989)
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Also 0,1 bar-Schritte würden im ersten Zug reichen....

In Version 2 darf es dann genauer werden... ;)

Autor: Matthias S. (Firma: matzetronics) (mschoeldgen)
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Bernd N schrieb:
> 4 - 20 mA entspricht 2000 Punkten, (20.00mA)

Hmm, das ist mir jetzt nicht klar, ein 'Punkt' soll also 0,01mA 
darstellen, es ist aber gar nicht klar, wie genau der Druck erfasst 
werden soll.
Wenn wir mal annehmen, das 0-20mA auf den ADC abgebildet werden sollen 
(dann hat man die Open Loop Erkennung mit bei), wären das mit dem 10-Bit 
Wandler des Mega 1024 Werte, entspricht also einer Schrittweite von etwa 
0,0195mA.

Perfekte Genauigkeit vorausgesetzt, sind das bei 4-20mA also noch etwa 
820 Werte.
D.h, der Druck kann also mit etwa 20/820 = 0,024 bar pro Schritt erfasst 
werden. Unvermeidlich sind natürlich Ungenauigkeiten beim Erfassen, aber 
für viele Anwendungen reicht so eine Auflösung. Man muss aber damit 
rechnen, das bei guten Aufbau, sauberer Referenz und AVCC die letzte(n) 
Stelle(n) springen, mitteln sollte man also immer.

Autor: Harald Wilhelms (wilhelms)
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Nibor T. schrieb:

> Ok, dann fürs Verständnis: Was ist denn dann "schnell"? :)

Manche verstehen darunter Megaherz; für andere ist alles unter
einem Gigaherz "zappeliger Gleichstrom". :-)
Als Techniker sollte man solche Ausdrücke am besten mit Zahlen
untermauern.

Autor: Matthias S. (Firma: matzetronics) (mschoeldgen)
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Nibor T. schrieb:
> Der Druckverlauf findet innerhalb von < 1s statt.

Saug dir mal die Tiefpass Formeln aus dem o.a. Link rein und rechne mit 
einer Grenzfrequenz von 10Hz (0,1s Zeitkonstante), dann sollte das 
klappen und du kannst Werte für C errechnen. Dabei setzt du für R2 
erstmal 3,3k an oder so.

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Autor: Andreas M. (elektronenbremser)
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Seine 10 Bit reichen doch. Er schreibt ja nicht, welche Auflösung er 
braucht.
So hat er ca. 15uA/Bit=> 19 mbar/ Bit.
Sollte bei einem Messbereich von 20 bar ausreichen.

War jemand schneller.

Aber Matthias,
die open loop Erkennumg macht er doch in seinem Controller. Bei 4 mA 
Strom hat er schon eine deutliche Spannung am Shunt. Wenn diese 0V ist, 
ist deie Schleife offem

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Autor: Matthias S. (Firma: matzetronics) (mschoeldgen)
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Nibor T. schrieb:
> Ok, dann fürs Verständnis: Was ist denn dann "schnell"? :)

Für den Hirndruck Monitor, den ich mal vor ewigen Jahren konstruiert 
habe, war 'schnell' etwa 100 Hz, um Herzschlag etc. mit zu erfassen und 
auch noch Welligkeiten und Artefakte zu erkennen.

Für deine Anwendung und eine Abtastrate von etwa 2-3Hz ist 'schnell' 
also z.B. bei 20-40Hz. Deswegen hatte ich eine Grenzfrequenz von etwa 
10Hz für den Tiefpass vorgeschlagen, aber selbstverständlich bist du 
frei, dir eine andere Frequenz auszusuchen und RC danach zu berechnen. 
Um den Strom in den ADC bei 36V auf unter 10mA zu begrenzen, sind für R 
rechnerisch 3,6 kOhm erforderlich, wobei die ersten 5V abgezogen werden 
können, weil die im erlaubten Bereich liegen. Deswegen schlug ich 3,3k 
vor.

Andreas M. schrieb:
> Aber Matthias,
> die open loop Erkennumg macht er doch in seinem Controller. Bei 4 mA
> Strom hat er schon eine deutliche Spannung am Shunt. Wenn diese 0V ist,
> ist deie Schleife offem

Sag ich ja, deswegen misst der ADC ja auch die 0-4mA mit. Liefert der 
ADC dann Werte unter etwa 200, ist die Schleife offen. Für den aktiven 
Bereich von 4-20mA bleiben dann noch etwa 820 Werte im Messbereich des 
ADC.

Autor: Nibor T. (napster1989)
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Hi,

sorry, habe jetzt erst wieder Zeit gehabt mich hier zu melden.

Ich habe mir den Ansatz der Tiefpassformel angeguckt.

Wenn ich von einer Grenzfrequenz von 10Hz (1/10s) ausgehe, dann erhalte 
ich gemäß der Formel C = 10 /(2*PI*3300Ohm) eine Kapazität von 0,00048F 
... Da komme ich aber nicht auf Nanofarad. Wo mache ich nun den 
Denkfehler? :)



Besten Gruß

Autor: Christian Müller (Firma: magnetmotor.ch) (chregu) Benutzerseite
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Bei der Potenzrechnung?

Chregu

Autor: Nibor T. (napster1989)
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Shit, sorry! Ich sollte heute besser ins Schwimmbad gehen.... ;)

Autor: Matthias S. (Firma: matzetronics) (mschoeldgen)
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fg liegt für R=3,3kOhm und C=4,7µF schon ziemlich genau bei 10 Hz. Das 
ist aber alles recht unkritisch, so genau muss es nicht sein. 2,2µF oder 
1µF tuns da auch. Wichtig ist es eher, einen einigermassen guten neuen 
Kondensator einzubauen, also keinen uralten aus dem Röhrenradio von Oma 
:-P Etwas höhere Spannungsfestigkeit (25V oder 35V) schadet sicher auch 
nicht.

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Autor: Nibor T. (napster1989)
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Mikro oder NANOfarad ... Ich habe ein onlinetool getestet, das gibt mir 
auch 4,8 NANOfarad aus ...

Das ist schon ein unterschied ;)

Autor: Forist (Gast)
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Nibor T. schrieb:
> Mikro oder NANOfarad ... Ich habe ein onlinetool getestet, das gibt mir
> auch 4,8 NANOfarad aus ...

Was hat die Welt bloß früher (tm) ohne Online Tools gemacht.
Kopfrechnen ist heutzutage wohl mega out?

Autor: H.Joachim Seifert (crazyhorse)
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Kopfrechnen braucht man da nichtmal. Das sagt einem schon der Bauch, 
dass 3k3/4n7 und 10Hz nicht zusammenpassen :-)

Autor: Harald Wilhelms (wilhelms)
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H.Joachim S. schrieb:

> Kopfrechnen braucht man da nichtmal. Das sagt einem schon der Bauch,

Bauchrechnen?

Autor: Matthias S. (Firma: matzetronics) (mschoeldgen)
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Ich verstehe das Problem nicht ganz. Das kann man mit jedem Rechner 
ausrechnen, und wenn es auf dem Telefon ist.
Die Formel ist
fg = 1 / (6,28 x R x C)
Setzt man da jetzt für R 3300 ein und für C 4,7E-6 (4,7 µF), dann kommt 
was knapp über 10 Hz (10,266) raus. Bekommt man was anderes raus, wirds 
wohl ein FDIV Bug sein.

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