Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Wägezelle Genauigkeit


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von Michael B. (instax)


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Hallo zusammen,
ich möchte eine möglichst genaue Waage bauen mit einem Messbereich von 
bis zu 300g.

Dazu habe ich zwei passende Sensoren gefunden. Die Sensoren 
unterscheiden sich in ihren technischen Daten und der Bauart.

Nach meinen Recherchen scheint die Nennleistung die relevante Größe für 
die Genauigkeit zu sein. Die Nennleistung ist die Spannung, welche am 
Ausgang der Messbrücke anliegt, wenn die Messbrücke mit Maximalgewicht 
(300g) belastet wird. Je größer diese Spannung, desto genauer kann ein 
Analog/Digitalwandler auswerten.

Oder liege ich hier falsch und ein anderer Wert ist relevant?

Als Analog/Digitalwandler wird folgender eingestzt (Spannung 5V):

HX711:
Chip low noise programmable amplifier, selectable gain of 64 and 128
On-chip voltage regulator circuit provides power directly to the 
external sensor and on-chip A / D converter
On-chip clock oscillator requires no external components, if necessary, 
use an external crystal or clock
Automatic power-on reset circuit
Simple digital control and serial communication: All are controlled by 
input pins, the chip registers without programming
Output data rate: 10Hz or 80Hz optional
Simultaneous rejection of 50Hz and 60Hz power interference
Power consumption (including power supply circuit): Typical operating 
current: < 1.7mA, shutdown current: < 1μA
Operating voltage range: 2.6 ~ 5.5V
Operating temperature range: -20 ~ + 85 ℃
Chip FootPrint:SOP-16 16-pin



Sensor 1:
(Siehe Bild 1)

Produktname: Waegezelle
Nennlast: 0-300g
Nennleistung: 1.0946mV / V
Linearitaet: Weniger als oder gleich 0,005% F.S;
Nullsaldo: +/- 2% F.S
Temp-Effekt auf Null:Weniger als oder gleich 0,005% F.S;
Ausgangsimpedanz : 350 +/- 3Ω;
Isolierung: groesser als 5000MOmega / 50V DC;
Kompensierten Temperaturbereich : -10 Celsius ~ 40 Celsius;
Betriebstemperaturbereich : -20 Celsius ~ 60 Celsius;
ueberlastschutz: 150% F.S
Ultimative ueberlastung: 200% F.S
Eingang Ende: Rot +, Schwarz-
Output Ende: Gruen +, Weiss-
Pruefgeraet: E2000
Ausruestung Kraft-: Tatsaechliche Last; Speisespannung : 5-10V DC
Gesamtgroesse: 4.7 x 1.2 x 0.6 cm / 1.9 "x 0.5" x 0.2" (L x B x T)
Gewindebohrung -Durchmesser: 2.3 mm / 0.09 "
Kabellaenge: 12 cm / 4.7 "
Diese Waegesensors Waegezelle ist weit verbreitet in elektronischen 
Zaehlwaagen, Plattformwaagen usw. Die Reichweite betraegt 0-300g.
Paket-Inhalt: 1 x Waegezelle
Hinweis: Wegen der Lichtstrahlung und Bildschirme koennte der Farbeton 
in den Fotos sowie des tatsaechlichen Produkts etwas unterschiedlich 
sein. Der erlaubte Messfehler ist +/-1-3 cm.



Sensor 2:
(Siehe Bild 2)

Produktname
Wägezelle
Modell   YAC-191
Nennlast
  300g / 0.66 lbs
Nennleistung
  4±0.1mV/V
Insgesamt Präzision
  0.02%F.S
Widerstand Input/Output
  1000 Ohm
Verarbeitungstemperatur
  -20°C~ 65°C
Kompensierter Temperaturbereich
  -10°C~ 55°C
Sicherheit-Überladung
  150%
Erregerspannung empfehlen
  3V DC
Max Erregerspannung
  6V DC
Gesamtgröße   45 x 10.5 x 6mm /1.7" x 0.4" x 0.24"(L*W*T)
Thead Loch Diameter   5mm / 0.2"
3mm / 0.12"
Kable Länge   95mm/ 3.7''
Material   Aluminium Alloy
Farbe   Silver Tone
Gewicht   7g
Lieferumfang   1 x Wägewelle

von Lothar M. (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite


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Michael B. schrieb:
> Oder liege ich hier falsch
Ja. Der von die angeführte Wert zeigt nur, wie viel die Ausgangsspannung 
verstärkt werden muss, um den ADC sinnvoll bedienen zu können. Das 
Signal der Zelle 1 muss 4-mal mehr verstärkt werden um den selben Pegel 
wie das Signal der Zelle 2 zu haben. Allerdings wirst du dann auch das 
Rauschen 4 mal mehr verstärken. Deshalb ist die 2. Zelle einfacher 
handzuhaben.

> und ein anderer Wert ist relevant?
Für (Wiederhol-)Genauigkeit und Drift zuständig sind die Wert mit den 
Prozentangaben.

> Der erlaubte Messfehler ist +/-1-3 cm.
Das würde mir zu Denken geben...  ;-)
Wenn du diesem Wert schon nicht glauben kannst, wie gut sind dann die 
anderen Zahlen in der Beschreibung?

: Bearbeitet durch Moderator
von Peter R. (pnu)


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Michael B. schrieb:
> eine möglichst genaue Waage

Lass bitte das mit "möglichst genau" erstmal in der Ecke stehen.

Bau die Waage erstmal und stell dann fest, was sie tut.

Für die Genauigkeit von Wägezellen ist nicht nur die Zelle maßgebend 
sondern auch ganz wesentlich die Einleitung der Kraft auf die Zelle, zum 
Beispiel auch, wie die Zelle festgeschraubt ist.

Beide Zellen sind wunderbar geeignet erstmal die Arbeitsweise von DMS 
(Dehnungsmessstreifen) kennen zu lernen.

An der Sorgfalt wie die Daten der Zelle 1 angegeben werden, kann  man 
schon ersehen, dass es die bessere Zelle ist, aber nur dann wenn sie in 
der entsprechenden Meachanik und der entsprechenden Elektronik 
untergebracht ist.

Ohne Kenntnisse der Probleme wie sie bei Waagen auftreten können, ist 
die billige Nr2 mit HX711 zusammen sicher die passendere Lösung.

von Werner H. (werner45)


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Die erste Zelle ist mit 0,005% Linearität angegeben.
Das entspricht bei 300g max. 15mg Abweichung  --> 300,015.
Du bekommst also 5-stellige Genauigkeit.
Die zweite Zelle ist um den Faktor 4 schlechter.

Paßt auch zu den käuflichen Taschenwaagen, die haben bei 100g max. 10mg 
Fehler. Übliche Laborwaagen haben 6-stellige Genauigkeit, ist also nicht 
so schlecht.

Gruß   -   Werner

von µPTB (Gast)


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1 oder 4 mV/V - woher kommen die großen Unterschiede?

Die Mechanik?
DMS Eigenschaften?
1 oder 4 DMS verklebt?

?

von Achim S. (Gast)


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µPTB schrieb:
> 1 oder 4 mV/V - woher kommen die großen Unterschiede?
>
> Die Mechanik?

Ja, von der Mechanik. Die DMS messen ja nicht direkt das Gewicht sondern 
die Durchbiegung des Balkens (bzw. die damit verbundene Dehung der 
Balkenoberseite). Beim ersten Balken wurde viel mehr Material 
rausgenommen, entsprechend verbiegt er sich stärker bei gleichem 
Gewicht.

von Dieter (Gast)


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Oder einfacher gesagt, unterschiedliche Federkonstante des Biegelementes 
an dem der Meßstreifen hängt.

Wenn man mehr als ein Meßelement aufbringt und die Dehnung daher klein 
hält, dann erreicht man höhere Genauigkeiten. Bei großen Dehnungen gerät 
man immer weiter in den nichtliniearen Bereich der Dehnungsmeßstreifen 
und auch des Federstahls.

von Karl (Gast)


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Achim S. schrieb:
> Ja, von der Mechanik. Die DMS messen ja nicht direkt das Gewicht sondern
> die Durchbiegung des Balkens (bzw. die damit verbundene Dehung der
> Balkenoberseite). Beim ersten Balken wurde viel mehr Material
> rausgenommen, entsprechend verbiegt er sich stärker bei gleichem
> Gewicht.

Es muss nicht von der Mechanik sein, kann genauso von der Anzahl und den 
Eigenschaften der DMS kommen. Beim 2. Sensor sind z.B. 1000 Ohm DMS 
verbaut.
Wenn es so genau wie möglch sein soll, braucht man 6-Leiter-Technik und 
Betrieb mit Wechselstrom.

von Karl (Gast)


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Biegebalkenwagen sind übrigens im hohen Maße auch von der korrekten 
Lasteinleitung abhängig. Liegt die masse nicht zentrisch auf dem 
Sollpunkt, dann hat man eine andere Biegung, weil anderer Hebelarm.
Von der Mechanik her sind Hängewaagen mit S-förmigen Aufnehmern so 
ziemlich das beste.

von Dieter W. (dds5)


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Karl schrieb:
> Biegebalkenwagen sind übrigens im hohen Maße auch von der korrekten
> Lasteinleitung abhängig. Liegt die masse nicht zentrisch auf dem
> Sollpunkt, dann hat man eine andere Biegung, weil anderer Hebelarm.

Das ist das wichtigste bei der ganzen Waagenbauerei.
Durch jeweils 2 Bohrungen in beiden Schenkeln ist außerdem überhaupt 
nicht klar, wo der Punkt für die Krafteinleitung liegt.

von Michael B. (instax)


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Hallo zusammen,
erst einmal Danke für die vielen Antworten. Ich bin sehr froh das es 
hier so viele Fachleute gibt :)

Ich fasse zusammen:

1. Gernerell ist es wichtig bei dieser Art von Zellen die Kraft richtig 
einzuleiten.

2. Bei der ersten Zelle muss das Signal 4 Fach mehr verstärkt werden, da 
die Nennleistung geringer ist. Das führt zu mehr Signalrauschen.

3. Bei der ersten Zelle die Linearität 4 Fach genauer, was zu einem 
genaueren Wiegeergebnis führt.

Noch einmal Danke für die wertvollen Hinweise. Interessant das der 
Faktor 4 so oft auftritt.

Ich hätte folgende Fragen dazu:

-Zu 1.:
Mein Gedanke wäre die Kraft direkt über bzw. unter den Schraubpunkten 
über plan aufliegende Flächen Ein- und Auszuleiten. Gibt es dazu 
genauere Vorgaben?

-Zu 2.:
Wie kann das Signalrauschen entfernt werden? Ich würde spontan an einen 
einen Low-Pass-Filter denken mit einem gleitenden Mittelwert über die 
letzten 10 Messwerte!?

-Mir ist außerdem aufgefallen das der HX711 möglicherweise für die erste 
Zelle ungeeigent ist. Bei dem höchsten Gain von 128 geht der Messbereich 
bis 20mV. Mit dem ersten Sensor wird eine Differenzspannung bei Nennlast 
bei 5V von 5mV erzeugt--> Hier wird nur 1/4 des Messbereiches genutzt. 
Gibt es eine ähnlich preisgünstige Alternative?

Gruß Michael

: Bearbeitet durch User
von Achim S. (Gast)


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Karl schrieb:
> Es muss nicht von der Mechanik sein, kann genauso von der Anzahl und den
> Eigenschaften der DMS kommen. Beim 2. Sensor sind z.B. 1000 Ohm DMS
> verbaut.

Ob 1000Ohm oder 350Ohm: der absolute Widerstand der DMS spielt für die 
Brückenempfindlichkeit keine Rolle. Er kürzt sich aus der 
Berechnungsformel für den Widerstand einfach heraus. (Der Widerstand ist 
zwar nicht egal, aber auf die Brückenemfindlichkeit hat er in erster 
Ordnung keinen Einfluss.)

Und metallische DMS haben auch alle ungefähr die gleiche 
Dehnungsempfindlichkeit (k ist jeweils ~2, weil die identische 
Formänderung bei allen Metallen ungefähr zur gleichen 
Widerstandsänderung führt).

Du hast recht: theoretisch könnten unterschiedlich viele DMS verschaltet 
sein. Aber alle Billig-Wägezellen, die ich bisher in der Hand hatte, 
waren diesbezüglich gleich aufgebaut. Und da bei beiden Produkten von 
einem kompensierten Temperaturbereich die Rede ist, gehe ich auch hier 
von der identischen Verschaltung in der Brücke aus.

Den mechanischen Unterschied sieht man den beiden Prokutfotos allerdings 
auf den ersten Blick an - was es sehr wahrscheinlich macht, dass er für 
den Unterschied relevant ist.

von Achim S. (Gast)


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Achim S. schrieb:
> Er kürzt sich aus der
> Berechnungsformel für den Widerstand einfach heraus

Ups, sorry - das sollte eigentlich heißen: der absolute DMS-Widerstand 
kürzt sich aus der Berechnungsformel für die Brückenempfindlichkeit 
einfach heraus.

von Michael B. (instax)


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Sensor 1 ist der Sensor mit der größeren "Bohrung", allerdings mit der 
geringeren Differenzspannung. Hätte ich genau anders herum erwartet.

von Achim S. (Gast)


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Michael B. schrieb:
> 2. Bei der ersten Zelle muss das Signal 4 Fach mehr verstärkt werden, da
> die Nennleistung geringer ist. Das führt zu mehr Signalrauschen.

Der Begriff "Nennleistung" ist eine unschöne, automatische Übersetzung 
des englischen Begriffs "rated output". Ich finde ihn im Deutschen eher 
irreführend. Wenn du stattdessen von der Empfindlichkeit der Wägezelle 
sprechen würdest, fände ich das passender. Aber von der Begrifflichkeit 
abgesehen passen deine Überlegungen.

Michael B. schrieb:
> Wie kann das Signalrauschen entfernt werden? Ich würde spontan an einen
> einen Low-Pass-Filter denken mit einem gleitenden Mittelwert über die
> letzten 10 Messwerte!?

Vom Ansatz her richtig. Den größten Teil der Mittelung übernimmt schon 
der HX711 als Delta-Sigma ADC für dich. Wenn du seine Datenrate auf 10 
Samples pro Sekunde runtersetzt mittelt er schon über längere 
Zeitbereiche. Außerdem ist sein Mittelungsintervall dann ein 
ganzzahliges Vielfaches der Netzperiode, was dir eine gute Unterdrückung 
von Netzstörungen gibt. Nur mit solchen Ansätzen kommt man überhaupt in 
einen sinnvollen Betrieb von so hochauflösenden ADCs für so kleine 
Signale.

Wenn du besser als das werden wolltest (was eher eine Sache für Profis 
ist) bliebe der von Karl vorgeschlagene AC-Betrieb der Brücke mit einer 
phasenrichtigen Gleichrichtung des Ausgangs.

Michael B. schrieb:
> Mit dem ersten Sensor wird eine Differenzspannung bei Nennlast
> bei 5V von 5mV erzeugt--> Hier wird nur 1/4 des Messbereiches genutzt.

ein Viertel des Messbereichs ist zwar nicht optimal. Aber 22 von 24 Bit 
sind immer noch mehr, als du mit normalen "Haushaltsmitteln" ausreizen 
kannst.

von Rainer V. (a_zip)


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Peter R. schrieb:
> Beide Zellen sind wunderbar geeignet erstmal die Arbeitsweise von DMS
> (Dehnungsmessstreifen) kennen zu lernen.

Hallo, ich meine mich zu erinnern, dass "früher" Messungen mit 
Dehnungsmessstreifen per Wechselstrombrücke mit nachfolgendem 
Lock-In-Verstärker gemacht wurden. Und bei der angegeben Toleranz- bzw. 
Genauigkeitsvorstellung wäre das auch hier anzuraten. Sonst quälst du 
dich bei den kleinen Messspannungen allein schon mit dem 50Hz-Brumm 
ausreichend herum, gar nicht zu Reden von Rauschen oder der nötigen 
Genauigkeit in der Verstärkung deines OP's, die du erreichen mußt! Und 
wie ja schon gesagt, der mechanische Aufbau der Messeinrichtung ist auch 
nicht ohne! Ich schätze mal, dass da genau soviel Zeit reingeht, wie in 
den Bau der Elektronik.
Ich wünsche dir jedoch viel Erfolg...
Gruß Rainer

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