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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Mehrere analogen Signale messen


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Autor: M. K. (sylaina)
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Hallo alle zusammen,

ich möchte mehrere analoge Signale messen. Es geht dabei darum, von 
insgesamt 38 Halogenlampen relativ gleichzeitig (Zeitfenster maximal 100 
ms, Messintervall sei 1s) deren Stromaufnahme zu messen.
Das System besteht bereits, die Messung soll nun zusätzlich dazu kommen. 
Die Lampen sind leistungsgesteuert (maximal 2000 W), haben einen 
Kaltwiderstand von etwa 2.5Ω und bekommen maximal 300 VDC zugeschaltet.
Meine Idee bisher ist, dass ich in eine Leitung zur entsprechenden Lampe 
einen 10 mΩ Shunt einfüge und den Spannungfall über den Shunt mittels 
Subtrahierer (wollte den LT1014 dafür benutzen) messe. Das 
Ausgangssignal will ich dann auf einen ADC geben, mir ist aber erstmal 
kein ADC bekannt, der 38 Eingänge hätte. Also muss wohl ein Multiplexer 
noch dazwischen aber welcher? Hiervon hab ich überhaupt keine Ahnung 
welcher denn geeignet wäre, vielleicht ein CD74HC4067.
Letzten Endes sollen die Messwerte von einem Mikrocontroller verarbeitet 
werden, ein Atmega328 würde von der Rechenleistung her schon genügen. 
Auch seine ADC-Geschwindigkeit erscheint mir ausreichend, Auflösung mit 
10 bit sowieso, es würden auch 8 bit genügen.
Mein Problem ist aktuell eigentlich nur, dass ich keine Ahnung davon 
habe, worauf ich bei einem analogen Multiplexer achten muss. Was würdet 
ihr empfehlen?

Autor: Joggel E. (jetztnicht)
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Sportlich. Pro Lampe wirst du um die 100A Einschaltstrom haben. Hast du 
soviel Anschluss Leistung ?

Autor: Lothar M. (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
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M. K. schrieb:
> will ich dann auf einen ADC geben, mir ist aber erstmal kein ADC
> bekannt, der 38 Eingänge hätte.
Dann nimm einfach mehrere ADC mit z.B. je 8 Eingängen. Allemal einfacher 
und sehr wahrscheinlich auch billiger, als mit analogen Signalen vor 
einem ADC-Eingang herumzuhampeln:
https://www.mouser.de/Semiconductors/Data-Converter-ICs/Analog-to-Digital-Converters-ADC/_/N-4c43g?P=1yzxao1&Ns=Pricing|0

Autor: M. K. (sylaina)
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Zitronen F. schrieb:
> Sportlich. Pro Lampe wirst du um die 100A Einschaltstrom haben. Hast du
> soviel Anschluss Leistung ?

Die Anlage besteht schon, der Lampenstrom soll nur gemessen werden. 
Hintergrund ist, dass der Ausfall einer Lampe detektiert werden soll. 
Der Lampencontroller kann das zwar schon, allerdings gabs vor geraumer 
Zeit einen defekt im Lampencontroller sodass der Ausfall einer Lampe 
nicht detektiert werden konnte. Das führte zu jeder Menge Kosten. Das 
System, dass ich plane, ist also lediglich redundant, ist also nur eine 
zusätzliche Überwachung.
Die Lampen werden auch nicht sofort mit 100% Leistung angesteuert, es 
startet zunächst mit rund 20% Leistung. Ist aber eigentlich für die 
Fragestellung total uninteressant da es, wie schon gesagt, lediglich um 
die Strommessung geht.

Autor: M. K. (sylaina)
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Lothar M. schrieb:
> M. K. schrieb:
>> will ich dann auf einen ADC geben, mir ist aber erstmal kein ADC
>> bekannt, der 38 Eingänge hätte.
> Dann nimm einfach mehrere ADC mit z.B. je 8 Eingängen. Allemal einfacher
> und sehr wahrscheinlich auch billiger, als mit analogen Signalen vor
> einem ADC-Eingang herumzuhampeln:
> 
https://www.mouser.de/Semiconductors/Data-Converter-ICs/Analog-to-Digital-Converters-ADC/_/N-4c43g?P=1yzxao1&Ns=Pricing|0

In so eine Richtung hatte ich auch schon einmal nachgedacht. Aber muss 
ich mit den Signalen nicht eh "rumhampeln"? Mit dem geplanten 10 mΩ 
Shunt bekomm ich ja jetzt nicht so wahnsinnig große Signale, ich müsste 
ja eh eine Aufbereitung machen. Klar, kann man auch digital aber ich 
würd ich schon gern vorher (vor dem ADC) analog aufbereiten. Damit hab 
ich das "rumgehampel" ja sowieso oder was meintest du genau?

Autor: Detlef _. (detlef_a)
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Ich würde Lothars Vorschlag folgen und mehrere uCs mit 8 ADC nehmen 
anstatt die analogen Signale zu multiplexen. Aber ich würde keine shunts 
nehmen sondern Zangenstrommesser ( also Trafos ) oder Hall Sensoren.

Cheers
Detlef

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Autor: Lothar M. (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
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Autor: Edi_R (Gast)
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Detlef _. schrieb:
> Zangenstrommesser ( also Trafos ) oder Hall Sensoren.

Die Hallsensoren würde ich auch nehmen, die Trafos eher nicht - wegen 
der 300 VDC, genau gesagt wegen dem DC.

Hallsensoren sind galvanisch getrennt, das wäre bei mir ein großer 
Pluspunkt. Und nachdem es nur um eine Aussage geht, ob ein Strom in 
einer bestimmten Mindesthöhe fließt oder nicht, würden eigentlich auch 
Komparatoren reichen.

Autor: knallkopf (Gast)
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Selbst bei 10 mOhm hast du pro Widerstand 5W Verlustleistung. Das gibt 
bei 38 Lampen 190W Verlustleistung. Schöne Heizung, das.
Wie gedenkst du 190W abzuführen?

Autor: Lothar M. (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
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knallkopf schrieb:
> Selbst bei 10 mOhm hast du pro Widerstand 5W Verlustleistung.
Zeig mal deinen Rechenweg, ich komme mit 7A Lampenstrom auf knapp ein 
halbes Watt...

Autor: Andrew T. (marsufant)
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M. K. schrieb:
> Hiervon hab ich überhaupt keine Ahnung
> welcher denn geeignet wäre, vielleicht ein CD74HC4067.

besser: 74HC(T)4851  Serie, da diese injection current   befreit ist.

38 Messtellen rufen nach 5 Multiplexern, beim nachfolgende 
Microcontroller hat dann mind. 5 ADC Eingänge  zu berücksichtigen, das 
haben fast alle uC zu bieten.

Autor: knallkopf (Gast)
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P=U*I
2000W/230V=A
A=8,7A
U=R*I
230V=R*8,7A
R=26 Ohm
Gesamt R 26 Ohm + 0,01 Ohm = 26,01 Ohm
Anteilig für Shunt:
0,01 Ohm / 26,01 Ohm = 0,000384
Anteilig an Gesamtleistung
2000W*0,000384 = 0,768 W

Okay, ne Null verrutscht.

Autor: Lothar M. (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
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knallkopf schrieb:
> Okay, ne Null verrutscht.
Nein, völlig falscher Rechenweg. Und lies mal im allerersten Post 
besonders die Stelle mit "maximal 300VDC"...

> Anteilig an Gesamtleistung
Da ist nichts mit "anteilig", es gilt einfach: P=I²R
Und Imax ist 2000W/300V = 6,6A
Und somit ist Pmax = 44,444A² x 10mOhm = 0,44W

: Bearbeitet durch Moderator
Autor: Suchender (Gast)
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Da werden doch bestimmt auch Stecker und Kabel warm. Könnte man das 
nicht mit billigen digitalen SPI oder I2C Sensoren messen und das ganze 
Problem umgehen? Muss die Detektion denn wirklich so schnell sein?

Autor: Lothar M. (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
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Suchender schrieb:
> Da werden doch bestimmt auch Stecker und Kabel warm.
Bei 7A sollte das nach Möglichkeit noch nicht nennenswert der Fall sein. 
Und das ist ja nur der Maximalwert. Evtl. sollte ein Lampenausfall auch 
schon erkannt werden, wenn nur 1A fließt. Und das wäre dann nur etwa 
1/50 der "vollen" Verlustleistung...

Autor: M. K. (sylaina)
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Lothar M. schrieb:
> Oder setze als Stromsensor gleich irgendwas Aktuelles mit
> Potentialtrennung ein:

Das hatte ich noch gar nicht betrachtet, danke für den Schubser ;)

Lothar M. schrieb:
> Dann plane eine größeren ein.

Wegen dem Kalt-Widerstand wollte ich nicht soo groß werden aber ich 
denke eine Zehnerpotenz mehr sollte drin sein. Würde sich dann eine 
Signalaufbereitung vor dem ADC nicht immer noch empfehlen?

knallkopf schrieb:
> Selbst bei 10 mOhm hast du pro Widerstand 5W Verlustleistung. Das gibt
> bei 38 Lampen 190W Verlustleistung. Schöne Heizung, das.
> Wie gedenkst du 190W abzuführen?

Wir haben ja inzwischen erkannt, dass es keine 190W sind, es wäre aber 
auch kein Problem 190W abzuführen. 38*2 kW sind so Pi mal Daumen 76 kW 
und die Ofenkühlung hat da sicher noch Kapazitäten frei. Ist übrigens 
auch keine Dauerleistung sondern eine Puls-Leistung, je nach Prozess so 
zwischen 2-3 Sekunden bis 30-40 Sekunden Puls mit entsprechend 1-2 
Minuten Pause dazwischen.

Andrew T. schrieb:
> 38 Messtellen rufen nach 5 Multiplexern, beim nachfolgende
> Microcontroller hat dann mind. 5 ADC Eingänge  zu berücksichtigen, das
> haben fast alle uC zu bieten.

Daher kam ich auf die Idee mit den Multiplexern ;)

Suchender schrieb:
> Da werden doch bestimmt auch Stecker und Kabel warm. Könnte man das
> nicht mit billigen digitalen SPI oder I2C Sensoren messen und das ganze
> Problem umgehen? Muss die Detektion denn wirklich so schnell sein?

Ja, leider. Es gibt Temperaturverläufe, da bleibt man grad mal nen paar 
Sekunden auf auf Zieltemperatur (im Ofen bei bis zu 1200°C, 
Rapid-Thermal-Process) und der Verlauf soll nachgebildet werden, 
zumindest "sekundengenau" ist die Vorgabe, wenn man jede zehntel Sekunde 
auch Messwerte hat wäre das noch schöner und mir erscheint das auch 
nicht wirklich schnell.

Vielen Dank für eure Tipps bisher, es waren einige darunter, die ich 
bisher noch nicht mal in Betracht gezogen hatte. Da ergeben sich sicher 
einige interessante Lösungsansätze.

Autor: M. K. (sylaina)
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Ich hab mir nun mal einige Lösungen angeschaut und würde in der Tat als 
Sensor den ASC712 benutzen wollen.
Dazu nur ein paar Fragen Interesse halber: Hat den von euch schon mal 
jemand benutzt? Insbesondere die 20 A bzw. 30 A Version? Ich mein, bei 
der 5 A Version kann ich mir das ja noch gut vorstellen aber 20 oder gar 
30 A durch ein SOIC-8 Gehäuse jagen...also irgendwie wird mir dabei ganz 
anders. Hat den von euch in dieser Größenordnung schon mal eingesetzt 
und hat Erfahrungen damit?

Autor: Lothar M. (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
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M. K. schrieb:
> würde in der Tat als Sensor den ASC712 benutzen wollen.
Datenblatt geöffnet und als erstes "Not for New Design" gesehen...  :-/
Du wirst auf den ACS723 umsteigen müssen.

> aber 20 oder gar 30 A durch ein SOIC-8 Gehäuse jagen...also irgendwie
> wird mir dabei ganz anders.
Und wenn man sich dann noch anschaut, wie das innen drin weitergeht...
https://www.allegromicro.com/de-DE/Products/Current-Sensor-ICs/Zero-To-Fifty-Amp-Integrated-Conductor-Sensor-ICs.aspx

Die angegebenen 0,65mOhm Übergangswiderstand gelten dann auch nur für 
den "primary conductor resistance" und nicht für die beteiligte 
Leiterbahn und die Löstelle. Ich bin mir sicher, dass dort bei 30A lokal 
mehr als das rechnerische halbe Watt umgesetzt wird. Ich würde einfach 5 
der Dinger kaufen und (zur Not mit einem Schweißtrafo) auf Herz&Nieren 
testen...

Autor: Bentschie (Gast)
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Hallo,

wenn Du auf dich auf den Stromsensor noch nicht festgelegt hast, ich hab 
noch eine ganze Menge Lem Wandler HX05 rumliegen. Die sind unbenutzt 
(NOS - New Old Stock)

Da kannst Du gerne 50 Stück von haben, sagen wir mal 1€ pro Stück oder 
so.

----
Bentschie

Autor: Nils P. (torus)
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Wenn Du gleich Opamps mit Output Enable Pin benutzt kannst Du dir die 
Multiplexer sparen. Solche Opamps schalten den Output in der Regel auf 
hohe Impedanz. D.h. wenn Du mehrere Ausgänge parallel schaltest, aber 
nur einen Opamp aktivierst siehst Du auch nur dessen Signal.

Aus Sicherheitsgründen würde ich die Ausgänge vor dem Zusammenfassen 
noch über einen kleinen Widerstand leiten (100 Ohm oder so). Das erspart 
Dir Ärger falls doch mal zwei Opamps gleichzeitig aktiviert sind. Am 
gemessenen Signal ändert das nicht viel.

Autor: oszi40 (Gast)
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Bentschie schrieb:
> auf den Stromsensor noch nicht festgelegt

Mich würde mal interessieren, wie für die Lampen die Leistung reduziert 
wird, da z.B. bei PWM nicht jeder Sensor das gleiche Ergebnis liefern 
könnte.

Autor: M. K. (sylaina)
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Lothar M. schrieb:
> Datenblatt geöffnet und als erstes "Not for New Design" gesehen...  :-/
> Du wirst auf den ACS723 umsteigen müssen.

Das ist kein Problem ;)

Lothar M. schrieb:
> Die angegebenen 0,65mOhm Übergangswiderstand gelten dann auch nur für
> den "primary conductor resistance" und nicht für die beteiligte
> Leiterbahn und die Löstelle. Ich bin mir sicher, dass dort bei 30A lokal
> mehr als das rechnerische halbe Watt umgesetzt wird. Ich würde einfach 5
> der Dinger kaufen und (zur Not mit einem Schweißtrafo) auf Herz&Nieren
> testen...

Ich werd ja nur so bis zu 6-7 A haben. Das wird OK sein. Ich hab halt 
nur gesehen, dass das Teil bis 30 A gehen soll...in der Tat aber werde 
ich mal ein paar mehr bestellen und die Teile prüfen.

Autor: M. K. (sylaina)
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oszi40 schrieb:
> Mich würde mal interessieren, wie für die Lampen die Leistung reduziert
> wird, da z.B. bei PWM nicht jeder Sensor das gleiche Ergebnis liefern
> könnte.

Es bekommen auch nicht alle Lampen die gleiche Leistung, die sind 
indiviuell gesteuert. Und die volle Power bekommen die auch nicht 
gleichzeitig ab, die Anlage ist mit einer Anschlussleistung von 43 kW 
ausgezeichnet. 38*1,5 macht aber, so Pi mal Daumen, weit über 70 kW aus.

In der Tat wird hier mit einer PWM gearbeitet um die Lampen anzusteuern, 
an den Lampen selbst sieht man von der PWM jedoch nichts mehr. Ich hab 
das schon im Vorfeld mit nem 0,15 Ohm, 50 W Widerstand in Reihe zu einer 
Lampe mit nem Oszi überprüft um abschätzen zu können, was ich wohl wie 
messen kann und was die potentiellen Shunt-Widerstände für ne 
Leistungsklasse haben müssen. Naja, das hat sich ja erst mal gegessen ;)

Autor: Jürgen W. (Firma: MED-EL GmbH) (wissenwasserj)
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Das Risiko bei Shunts ist, daß der Shunt nicht korrekt angeschlossen ist 
und dann 300V am Signaleingang anstehen.

Also sind isolierte Meßwandler das Ding der Wahl; bei Digi-Key mal 
geschaut und gefiltert:
ACS717: 20A, 800V Isolation, 20mW @ 3V3
ACS718: 10A, 800V Isolation, 35mW @ 5V

=> 1,3W für die Versorgung vorsehen!

Ich nehme mal an, die 300V werden wird mit einem DC-DC-Konverter <9kHz 
Schaltfrequenz generiert, also ist am Sensorausgang noch ein RC-Tiefpaß 
notwendig; ich würde da großzügige 1kOhm*1uF=1ms anwenden.

Dann werden jew. 8 Kanäle mittels Multiplexer auf jew. einen ADC-Kanal 
(der ATmega hat ja 8 davon im SMD-Gehäuse) zusammengefaßt, z.B. mit 
SN74LV4051A. Aber Achtung: Das sind 5 Multiplexer mit jew. mind. 3 
Steuerleitungen => 15 weitere Leitungen also - geht sich mit dem AtMega 
gerade so aus.

Autor: Arc N. (arc)
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Jürgen W. schrieb:
> Das Risiko bei Shunts ist, daß der Shunt nicht korrekt angeschlossen ist
> und dann 300V am Signaleingang anstehen.
>
> Also sind isolierte Meßwandler das Ding der Wahl; bei Digi-Key mal
> geschaut und gefiltert:
> ACS717: 20A, 800V Isolation, 20mW @ 3V3
> ACS718: 10A, 800V Isolation, 35mW @ 5V
>
> => 1,3W für die Versorgung vorsehen!
>
> Ich nehme mal an, die 300V werden wird mit einem DC-DC-Konverter <9kHz
> Schaltfrequenz generiert, also ist am Sensorausgang noch ein RC-Tiefpaß
> notwendig; ich würde da großzügige 1kOhm*1uF=1ms anwenden.
>
> Dann werden jew. 8 Kanäle mittels Multiplexer auf jew. einen ADC-Kanal
> (der ATmega hat ja 8 davon im SMD-Gehäuse) zusammengefaßt, z.B. mit
> SN74LV4051A. Aber Achtung: Das sind 5 Multiplexer mit jew. mind. 3
> Steuerleitungen => 15 weitere Leitungen also - geht sich mit dem AtMega
> gerade so aus.

5x 8:1 auf 1x 8:1 -> 3 Signale für den ersten Multiplexer und 3 Signale 
für die anderen fünf oder wenn der Controller/ADC schon acht Eingänge 
hat, dann z.B. zwei Gruppen a 3x 8:1 mit 2x drei Steuerleitungen und man 
könnte die Umschaltzeit zw. den Kanälen minimieren:
Signal aus Gruppe eins messen, in der Zwischenzeit Signal aus Gruppe 
zwei auswählen usw.

Autor: M. K. (sylaina)
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In der Tat ist es zur Zeit so geplant, dass ich 3 16:1 Multiplexer 
benutzen will (hab jetzt erstmal den 74HCT4067 ins Auge gefasst mit 16 
Eingängen), die alle auf jeweils einen ADC-Kanal gehen und ich mit den 
entsprechenden 4 Steuerleitungen immer alle 3 Multiplexer gleichzeitig 
umschalte. Den Enable von jedem Multiplexer kann ich ja separat dem uC 
zuführen und benutzen wenn ich mag. Von den Zeiten her bin ich ja nicht 
soo kritisch, das sollte locker passen. Ich bräuchte also 3 ADC-Eingänge 
und 4 IOs für die Steuerleitungen S0-S3 und 3 IOs für die Enables. Da 
reicht der Atmega328 locker aus.

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