Dehnmessstreifen mit Mikrocontroller auswerten

[Andreas K. (ando93)]

Hallo zusammen,
ich bin unerfahren mit dem Umgang mit Mikrocontroller. Ich möchte euch 
bitten meine Komponentenauswahl sowie den Aufbau der Steckplatine auf 
mögliche Fehler zu überprüfen. Vielen Dank im Voraus!

Folgender Sachverhalt liegt vor:
An einem Stahlblech wird ein einzelner Dehnmessstreifen befestigt. 
Dieses Stahlblech wird ausschließlich auf Zug belastet. Die Last kann 
zwischen 50 kg und 250 kg liegen. Es kann eine statische Belastung 
angenommen werden.

Das Ziel ist, dass wenn mindestens eine Last von 50 kg für z.B. eine 
Minute anliegt und das Blech anschließend komplett entlastet wird, eine 
Zahl “pro Hub (Belastung & Entlastung)“ fortlaufend auf dem OLED-Display 
aufaddiert wird.

Sprich:
Belastung > 50 kg, anschließend totale Entlastung
 „1“ auf Oled-Display

Belastung > 50 kg, anschließend totale Entlastung
 „2“ auf Oled-Display

Belastung = 10 kg, anschließend totale Entlastung
 „2“ auf Oled-Display

Belastung > 50 kg, anschließend totale Entlastung
 „3“ auf Oled-Display

Zusätzlich soll bei einer Last über 200 kg die rote LED kurz 
aufleuchten.
Die Messgenauigkeit des Systems sollte bei ± 10 kg liegen.
Gespeist wird der Arduino von einer handelsüblichen Powerbank.

Folgende Komponenten habe ich ausgewählt:
•  DMS von Firma HBM
o  Bezeichnung: 1-LY11-3/120
o  Widerstand: 120 Ohm

•  Messverstärker von Firma Texas Instruments
o  Bezeichnung: INA122

•  Mikrocontroller
o  Arduino Uno

•  OLED-Display 0,96“
o  Bezeichnung: SSD 1306

Zusätzlich angehängt findet ihr meinen bisherigen Schaltplan und das 
Steckbrett. Über grundsätzliche Fehler, Anmerkungen usw. bin ich äußerst 
dankbar. Folgende Fragen haben sich bei mir aufgetan.

1.  Ist die durch den 220 Ohm Widerstand erzeugte Verstärkung 
ausreichend?
2.  Erreiche ich die gewünschte Messgenauigkeit mit einem Steckbrett 
oder sollte ich auf eine Lötplatine umsteigen?
3.  Funktioniert das Aufleuchten der LED ab dem Wert von ca. 200 kg mit 
dieser Verkabelung?
4.  Ist die Verkabelung um die Messbrücke korrekt?


Datenblätter:
DMS: Datenblatt: 
https://www.hbm.com/fileadmin/mediapool/hbmdoc/temporary-shop-files/b4710.pdf
INA122: http://www.ti.com/lit/ds/symlink/ina122.pdf
OLED: https://www.vishay.com/docs/37902/oled128o064dbpp3n00000.pdf

[Flo (Gast)]

Andreas K. schrieb:
> 1.  Ist die durch den 220 Ohm Widerstand erzeugte Verstärkung
> ausreichend?

Das kommt darauf an, wie groß die Dehnung des Dehnmessstreifens unter 
der angegebenen Belastung ist. Der misst ja nicht die Kraft, sondern 
(unter der Voraussetzung, dass er richtig angebracht wurde) die Dehnung. 
Um die Größenordnung der auftretenden Dehnung ungefähr abschätzen zu 
können, müsste man also die Geometrie und die Belastung des Stahlblechs 
+ die Position an der der DMS befestigt wurde, kennen.

Andreas K. schrieb:
> 2.  Erreiche ich die gewünschte Messgenauigkeit mit einem Steckbrett
> oder sollte ich auf eine Lötplatine umsteigen?

Um zu sehen ob die Schaltung funktioniert, würde ich sagen, dass ein 
Steckbrett ok ist.

Andreas K. schrieb:
> 3.  Funktioniert das Aufleuchten der LED ab dem Wert von ca. 200 kg mit
> dieser Verkabelung?

Ob sie aufleuchtet hängt von deiner Software ab ;) Unter der Annahme, 
dass an der Led 2V abfallen und vom Arduino 5V kommen:

I_LED = I_R = (5V - 2V) / 220Ohm = 13.6mA --> passt

Andreas K. schrieb:
> 4.  Ist die Verkabelung um die Messbrücke korrekt?

Müsste passen

[georg (Gast)]

Andreas K. schrieb:
> 2.  Erreiche ich die gewünschte Messgenauigkeit mit einem Steckbrett
> oder sollte ich auf eine Lötplatine umsteigen?

Die Anschlüsse des Dehnmessstreifens würde ich löten, weil es da um 
Bruchteile eines Ohm geht, da sollten keine Übergangswiderstände den 
Wert verfälschen.

Prinzipiell: es gibt da keinerlei Einstellmöglichkeit. Man könnte z.B. 
ein Potentiometer an einen weiteren ADC-Eingang anschliessen und damit 
den Umschaltwert einstellen, oder viele andere Möglichkeiten.

Andreas K. schrieb:
> 1.  Ist die durch den 220 Ohm Widerstand erzeugte Verstärkung
> ausreichend?

Das muss man ausprobieren, geht ganz einfach mit einem Multimeter.

Georg

[Wilhelm M. (wimalopaan)]

Vielleicht schaust Du Dir auch einmal den HX711 an (gibts fertig beim 
China-Man). Dann hast Du es eigentlich nur noch mit einer digitalen 
Schnittstelle zu tun und ein wesentlich größere Genauigkeit.

[Der Andere (Gast)]

Du solltest vor allem schrittweise und systematisch vorgehen.

1. Schritt DMS und Verstärker testen.
  Dazu brauchst du kein µC und kein OLED Display. Ein Multimeter genügt

Wenn das funktioniert kannst du zum 2. Schritt gehen

2. Schritt µC programmieren und auf Steckbrett testen
  Dazu brauchst du kein DMS und kein INA als Verstärker. Als Eingang zum 
A/D Wandler reicht ein Poti zum testen.

Und wenn die Teilsyteme funktionieren dann baut man die Chose zusammen 
und wundert sich warum dann nix mehr geht.

Aber bis dahin ist noch Zeit ...

[Andreas K. (ando93)]

Ein großes Dankeschön an alle die sich bisher schon gemeldet haben.
Es freut mich zu hören, dass meine Schaltung zumindest in der Theorie 
funktionieren könnte.

Folgende Punkte kann ich hinzufügen bzw. haben neue Fragen ergeben:


Flo schrieb:

>> 1.  Ist die durch den 220 Ohm Widerstand erzeugte Verstärkung
>> ausreichend?
> Das kommt darauf an, wie groß die Dehnung des Dehnmessstreifens unter
> der angegebenen Belastung ist. Der misst ja nicht die Kraft, sondern
> (unter der Voraussetzung, dass er richtig angebracht wurde) die Dehnung.
> Um die Größenordnung der auftretenden Dehnung ungefähr abschätzen zu
> können, müsste man also die Geometrie und die Belastung des Stahlblechs
> + die Position an der der DMS befestigt wurde, kennen

Auch hier bin ich gerne für Erfahrungswerte offen.
Stand jetzt hätte ich ein Rechteckiges Stahlblech aus S235 mit folgenden
Maßen angedacht:

Länge:    ca. 100 mm
Breite:   ca.  60 mm
Dicke:    ca.   5 mm

Der DMS soll mittig (Schnittpunkt der Diagonalen aus Länge und Breite)
angebracht werden, da der Kraftfluss zentral verläuft.


georg schrieb:

>> 2.  Erreiche ich die gewünschte Messgenauigkeit mit einem Steckbrett
>> oder sollte ich auf eine Lötplatine umsteigen?
> Die Anschlüsse des Dehnmessstreifens würde ich löten, weil es da um
> Bruchteile eines Ohm geht, da sollten keine Übergangswiderstände den
> Wert verfälschen.

Habe ich dich richtig verstanden, dass du mir empfiehlst alles auf eine 
Lötplatine zu setzen oder gibt es auch die Möglichkeit einen "Hybrid" 
aus Steckbrett und Lötplatine zu gestalten?

>> 1.  Ist die durch den 220 Ohm Widerstand erzeugte Verstärkung
>> ausreichend?
> Das muss man ausprobieren, geht ganz einfach mit einem Multimeter.

Welcher gemessene Wert mit dem Multimeter wäre ausreichend? Ist das ein 
Erfahrungswert Ihrerseits oder finde ich diesen in dem Datenblatt eines 
Bauteils?


Wilhelm M. schrieb:
> Vielleicht schaust Du Dir auch einmal den HX711 an (gibts fertig beim
> China-Man). Dann hast Du es eigentlich nur noch mit einer digitalen
> Schnittstelle zu tun und ein wesentlich größere Genauigkeit.

Habe ich mir überlegt, da HX711 Verstärker und AD-Wandler in einem ist. 
Allerdings erreiche ich mit dem INA122 eine größere Verstärkung und ich 
dachte der AD-Wandler des Arduinos sei ausreichend. Allerdings bin ich 
auch hier gerne offen für Erfahrungswerte.


Der Andere schrieb:
> Du solltest vor allem schrittweise und systematisch vorgehen.

Danke, werde ich beherzigen.

[georg (Gast)]

Andreas K. schrieb:
> gibt es auch die Möglichkeit einen "Hybrid"
> aus Steckbrett und Lötplatine zu gestalten?

Das sind die Anschlüsse an Pin 2 und 3, das sind ja eh Kabel zum 
Dehnmessstreifen. Die kann man direkt an die Pins anlöten.

Andreas K. schrieb:
> Welcher gemessene Wert mit dem Multimeter wäre ausreichend?

Die Differenz zwischen den genannten Pins muss soweit verstärkt werden, 
dass am ADC-Eingang eine gut messbare Spannung anliegt, UND

Andreas K. schrieb:
> Zusätzlich soll bei einer Last über 200 kg

Also muss die Ausgangsspannung bei 200 kg noch im Messbereich liegen. 
Wie das einzustellen ist müsste aus dem Datenblatt des INA hervorgehen, 
oder man probiert es aus mit einer 200 kg-Last. Das muss man sowieso, 
weil der Zusammenhang zwischen Last und Brückenspannung nicht 
berechenbar ist.

Also: man belastet das Blech mit 200 kg und misst mit einem Multimeter 
die Brückenspannung. Dann berechnet man die Verstärkung so, dass die 
Spannung am ADC noch gut innerhalb des Messbereichs liegt.

Georg

[Flo (Gast)]

Andreas K. schrieb:
> Flo schrieb:
>
>>> 1.  Ist die durch den 220 Ohm Widerstand erzeugte Verstärkung
>>> ausreichend?
>> Das kommt darauf an, wie groß die Dehnung des Dehnmessstreifens unter
>> der angegebenen Belastung ist. Der misst ja nicht die Kraft, sondern
>> (unter der Voraussetzung, dass er richtig angebracht wurde) die Dehnung.
>> Um die Größenordnung der auftretenden Dehnung ungefähr abschätzen zu
>> können, müsste man also die Geometrie und die Belastung des Stahlblechs
>> + die Position an der der DMS befestigt wurde, kennen
>
> Auch hier bin ich gerne für Erfahrungswerte offen.
> Stand jetzt hätte ich ein Rechteckiges Stahlblech aus S235 mit folgenden
> Maßen angedacht:
>
> Länge:    ca. 100 mm
> Breite:   ca.  60 mm
> Dicke:    ca.   5 mm
>
> Der DMS soll mittig (Schnittpunkt der Diagonalen aus Länge und Breite)
> angebracht werden, da der Kraftfluss zentral verläuft.


Ist wahrscheinlich eine sehr sehr grobe Näherung und ich hab das auch 
noch nie nachgemessen, um zu sehen ob die Werte in der gleichen 
Größenordnung liegen. Aber mein Ansatz wäre (mit E-Modul von S235 = 215 
GPa):

Federkonstante: k = E * A / L0 = 215k * 60 *5 / 100 = 645 kN/mm

Federkraft: F = k * delta_L -> delta_L = F / k = g * 200 / 645k = 3µm

Dehnung also: 3µm / 100mm = 30 µm/m

Wie gesagt sicher nur eine sehr grobe Näherung :)