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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Isolierte Messung von Schwingungen


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Autor: Tim (Gast)
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Hallo,

ich möchte von einem Sensor gemessene Schwingungen messen.
Der Sensor gibt ein Signal von 0-10 V aus.
Die zu Messende Grenzfrequenz liegt bei 1,5 KHz, also brauche ich ADCs 
mit einer Abtastrate von mindestens 3KHz.Mir ist wichtig, dass die 
Messschaltung vom Signal galvanisch Getrennt wird.

Soweit ich weiß würde man eine solche galvanische Trennung mit 
Trennverstärkern vornehmen. Ich habe auch zwei Trennverstärker 
Schaltungen, die Funktionieren würden, allerdings brauchen diese eine 
zusätzliche Spannungsversorgung, was ich möglichst vermeiden würde.

Außerdem habe ich gesehen, dass es ADCs gibt welche eine galvanische 
Trennung durchführen (isolated ADCs).

1. Können diese ADCs in diesem Fall angewendet werden ?
2. Kennt jemand evaluation Boards welche solche ADCs benutzen ?

3. Wie würde ich ein möglichst sicheres Netzteil 
auswählen/implementieren   um eine Vorschaltung für die galvanische 
Trennung, sowie mein MCU board zu
betreiben ?

Vielen Dank an alle die Bereit sind mir zu helfen.
Ich bin ein absoluter Anfänger, also alle Hinweise, Erklärungen, Hilfen 
usw. würden mich weiterbringen :)

Autor: Olaf (Gast)
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> 3. Wie würde ich ein möglichst sicheres Netzteil

Woher sollen wir das wissen wenn du noch nichtmal weisst fuer welche 
maximale Spannung du trennen willst?


Olaf

Autor: Karl M. (Gast)
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???

ADC, ich nehme ein digitales OSZI, das Signal kann mal über eine 
passenden Ringkern auskoppeln.

Fertig.

Autor: Patrick C. (pcrom)
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Wenn moeglich in deine Anwending ist es wahrscheinlich einfacher 
galvanisch zu trennen zwischen microcontroller und PC. Es gibt zB USB 
galvanische trennungen.

Autor: Günter Lenz (Gast)
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Tim schrieb:
>ich möchte von einem Sensor gemessene Schwingungen messen.

Was möchtest du an der Schwingung messen, Amplitude, Frequenz?
Bei Frequenzmessung nimm einfach einen Optokoppler zur Isolierung.

Autor: Georg (Gast)
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Tim schrieb:
> allerdings brauchen diese eine
> zusätzliche Spannungsversorgung, was ich möglichst vermeiden würde

Kann man nicht vermeiden - sowohl die meisten Sensoren als auch die 
Auswerteelektronik vor der galvanischen Trennung brauchen Energie. Es 
ist nur die Frage ob die externe Stromversorgung etwa in den 
Trennverstärker schon eingebaut ist oder ob man sie zusätzlich 
implementieren muss.

Tim schrieb:
> Außerdem habe ich gesehen, dass es ADCs gibt welche eine galvanische
> Trennung durchführen

Das ändert daran garnichts.

Georg

Autor: Tim (Gast)
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Ich möchte das gesamte Signal im zeitbereich messen.
Auf dem Controller sollen dann Berechnungen mit dem Signal gemacht 
werden.

Das mit dem Optpkoppler hab ich auch schon gelesen. Ich habe dazu auch 
die Schaltung im Anhang gesehen und habe mich gefragt ob man die OPVs 
unbedingt braucht.

Autor: Käptn Blaubär (Gast)
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> ob man die OPVs unbedingt braucht.

Richtig. Die nehmen nur Platz auf der Platine weg.

Autor: Georg (Gast)
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Tim schrieb:
> und habe mich gefragt ob man die OPVs
> unbedingt braucht.

Nimm einen fertigen Trennverstärker - mit so einer komplizierten 
Schaltung bist du total überfordert.

Georg

Autor: Frank K. (fchk)
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Analoge Signale galvanisch zu trennen ist schwierig und teuer.
Digitale Signale galvanisch zu trennen ist einfach.

Also:

Nimm einen SPI-ADC. z.B. den hier

https://www.microchip.com/wwwproducts/en/MCP3208

Gibts mit 1,2,4,8 Eingängen und hat 12 Bit Auflösung und 100kHz 
Abtastrate bei entsprechend schnellem SPI. Sollte also für viele 
Aufgaben reichen.

Galvanisch trennen tust Du den SPI-Port. z.B. damit:

https://www.analog.com/en/products/adum2401.html

Es gibt von TI, SiLabs usw andere Bausteine mit gleicher Funktionalität.

Die ADC-Seite muss irgendwie mit Strom versorgt werden. Üblichere 
Herangehensweise wäre ein isolierter DC-DC-Wandler. So etwas wie das 
hier:

https://www.xppower.com/Product/IML02-Series

Bei allen Komponenten gibts verschiedene Hersteller, das hier ist nur 
ein Beispiel.

fchk

Autor: Käptn Blaubär (Gast)
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Der wohl billigste 8 Kanal ADC ist ein PIC 16F684.
Dazu ein ein 5V/5V DC/DC und ein Optokoppler.

Die 1,5 kHz auf allen acht Kanälen schafft er auch locker.

Autor: Manteemoo (Gast)
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Nur so eine Idee: Falls die untere Grenzfrequenz nicht zu tief ist, 
könnte ein Signalübertrager (Transformer) eine Lösung sein.

Autor: Wolfgang (Gast)
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Tim schrieb:
> ich möchte von einem Sensor gemessene Schwingungen messen.
> Der Sensor gibt ein Signal von 0-10 V aus.
> ...
> Ich habe auch zwei Trennverstärker Schaltungen, die Funktionieren
> würden, allerdings brauchen diese eine zusätzliche Spannungsversorgung,
> was ich möglichst vermeiden würde.

Hast du dich schon mal gefragt, woher dein Sensor seine Spannung 
bekommt, damit er 0-10V ausgeben kann?
Wenn die gelvanische Trennung von deinem Messsignal sinnvoll sein soll, 
muss deine Sensorversorgung sowieso schon über eine getrennte 
Stromversorgung verfügen.

Autor: Sem52 (Gast)
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Frank K. schrieb:
> Die ADC-Seite muss irgendwie mit Strom versorgt werden. Üblichere
> Herangehensweise wäre ein isolierter DC-DC-Wandler. So etwas wie das
> hier:

Nicht unbedingt, ein bisschen ADC versorgen können adums auch, ADUM64xx 
glaube ich.

Autor: Klaus R. (klara)
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Tim schrieb:
> Das mit dem Optpkoppler hab ich auch schon gelesen. Ich habe dazu auch
> die Schaltung im Anhang gesehen und habe mich gefragt ob man die OPVs
> unbedingt braucht.

Je nach dem was Du trennen willst. Wenn es nur um 
Gleichspannungspotential geht, das macht man auch mit einem Kondensator. 
Erzähl doch einfach mal die ganze Geschichte.

Tim schrieb:
> Soweit ich weiß würde man eine solche galvanische Trennung mit
> Trennverstärkern vornehmen. Ich habe auch zwei Trennverstärker
> Schaltungen, die Funktionieren würden, allerdings brauchen diese eine
> zusätzliche Spannungsversorgung, was ich möglichst vermeiden würde.

Ja, willst Du trennen oder nicht? Klar bei einer 100% Trennung braucht 
man auch zwei unabhängige Spannungsquellen. Oder geht es wirklich nur um 
die Trennung von Gleichspannungspotential?

mfg Klaus

: Bearbeitet durch User
Autor: Rainer V. (a_zip)
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Tim schrieb:
> Ich bin ein absoluter Anfänger, also alle Hinweise, Erklärungen, Hilfen
> usw. würden mich weiterbringen :)

Ich wundere mich immer wieder, wie diese absoluten Anfänger an solche 
(anspruchsvollen) Aufgaben geraten können! In diesem Fall interessiert 
mich zuerst mal, warum das Sensorsignal galvanisch getrennt verarbeitet 
werden muß. Ist der TO ein Bastler, der sich eine Aufgabe gestellt hat 
oder wurde der TO von seinem Chef an einen Prüfstand gesetzt mit der 
Anweisung, das Signal galvanisch zu trennen?!
Gruß Rainer

Autor: Frank K. (fchk)
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Sem52 schrieb:
> Frank K. schrieb:
>> Die ADC-Seite muss irgendwie mit Strom versorgt werden. Üblichere
>> Herangehensweise wäre ein isolierter DC-DC-Wandler. So etwas wie das
>> hier:
>
> Nicht unbedingt, ein bisschen ADC versorgen können adums auch, ADUM64xx
> glaube ich.

Ja, von TI und Analog gibt es auch solche Bausteine. Die sind nur sehr 
teuer, und sofern der Platz vorhanden ist, ist es meist billiger und 
einfacher in der Beschaffung, einen externen DC-DC-Wandler zu nehmen.

Autor: ... (Gast)
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> Ich wundere mich immer wieder, wie diese absoluten Anfänger an solche
> (anspruchsvollen) Aufgaben geraten können!

Ein haeufiges Szenario: Ein, vermutlich neuer Mitarbeiter, einer
Firma wird als Consultant/Leihing./... an eine zweite Firma
verkauft. Im Prinzip sind die Kompetenzen in der ersten Firma
schon vorhanden, aber der Mitarbeiter ist ja neu.

Der "neue" strampelt dann ein paar Wochen, bis er vom
Projektverantwortlichen der zweiten Firma fremdgecanceled wird,
weil der Projektfortschritt ausbleibt.

Und dann landet das Projekt wieder in der Queue...
(Und wartet auf den Naechsten.)

Autor: brgr (Gast)
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... schrieb:
> (Und wartet auf den Naechsten.)

Katze ---> Schwanz? Na, wundern würde es mich nicht.
Auf dem Arbeitsmarkt erlebt man ja durchaus öfter
mal Unfaßbarkeiten.


Wurden diese Schwingungen bzgl. Form charakterisiert?
Finde ich nirgends. Hätte doch aber großen Einfluß?

Autor: Rainer V. (a_zip)
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brgr schrieb:
> Auf dem Arbeitsmarkt erlebt man ja durchaus öfter
> mal Unfaßbarkeiten.

Jau, erinnert mich an den Hochschulabgänger, der sich bei uns auf eine 
Hardwarentwicklerstelle beworben hatte und in seiner umfangreichen 
Beschreibung seiner Kenntnisse u.A. auch "Betriebssysteme" vermerkt 
hatte. Beim "Schnuppergespräch" - es hatten sich nicht wirklich viele 
beworben, sodass erst mal jeder eingeladen wurde - stellte sich beim 
Stichwort Betriebssysteme heraus, dass der Gute auf einem PIC "Hello 
world" über eine ser. Schittstelle ausgeben konnte. Die Frage nach z.B. 
Windows beantwortete er mit der klaren Ansage, Window wäre Microsoft und 
kein Betriebssystem! Wenn ich nicht dabei gewesen wäre, ich würd's nicht 
glauben :-)
Gruß Rainer

Autor: Tim (Gast)
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Also okay ich versuche nochmal alles etwas genauer zu erklären.
Ich habe einen Reaktor, welcher Schwingt. Diese Schwingung wird mit 
hilfe von Drucksensoren im Zeitbereich gemessen. Diese Sensoren geben 
ein Signal von 0-10 V mit maximal 5KHz aus.

Das Signal im zeitbereich soll gemessen werden und digitalisiert werden 
(ADC). Mit dem MCU soll dann eine FFT durchgeführt werden um eine 
Frequenzanalyse durchzuführen. Anschließend sollen die Ergebnisse an 
eine SPS weitergegeben werden.

Dazu wurde bereits von jemand anderen eine Vorarbeit gemacht. Der MCU 
wurde bereits programmiert. Ich dachte erst, dass das Pragrammieren 
meine aufgabe sein soll (ich komme eher aus dem Informatik bereich), 
allerdings liegt meine Aufgabe jetzt eher im Bereich Elektronik und wie 
ihr bereits merkt, habe ich kaum Wissen darüber.

In der Vorarbeit wurden 2 Trennverstärker Schalltungen entworfen, die 
das Signal der Drucksensoren galvanisch trennen und auf die 
Eingangsspannung der ADCs bringen. Ich weiß nicht ob man das Signal 
galvanisch trennen muss, aber von dem was ich über galvanische Trennung 
gelesen habe erscheint es mir Sinnvoll.

Eine der Schaltungen ist die Optokopplerschaltung, welche ich oben schon 
gezeigt habe.

Die zweite Schaltung benutzt einen ISO124 Trennverstärker und 2 IV0515S
DC-DC Converter um den Trennverstärker zu versorgen.

Im ende soll ich ein gesamtsystem eintwerfen, welches die oben genannte 
Aufgabenstellung erfüllt.

Also so wie ich das sehe habe ich mehrere Optionen, wenn ich das Signal 
trennen will:

1. Nutzung des MCU + Trennverstärkerschaltung
2. Nutzung des MCU + isolierte ADC

1. Hat den Vorteil, dass im Prinzip alles getan ist, ich es nur nochmal 
alles aufbauen und testen muss.

2. Hat den Vorteil, dass ich keine Trennverstärkerschaltung mehr 
brauche, aber hat dafür den Nachteil, dass ich diese erst über SPI oder 
I²C ansteuern muss. Und dann stell ich mich fragen wie:
-wie kann ich berechnen ob die Ansteuerung über SPI oder I²C schnell 
genug ist

Mir ist klar, dass das ganze Projekt nicht ganz gut durchdacht ist :D

Mit freundlichen Grüßen
Tim

Autor: ... (Gast)
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> Ich weiß nicht ob man das Signal galvanisch trennen muss

Frag den Betreiber der Anlage. Wenn seine uebliche Messtechnik
nicht galvanisch getrennt ist, musst du da nicht der Erste sein.

Die 0 - 10 V kann jeder Controller mit einem Teilernetzwerk
mit seinen eigenen ADC wandeln.

> -wie kann ich berechnen ob die Ansteuerung über SPI oder I²C schnell
> genug ist

Simple Arithmetik: Anzahl der Bits die uebertragen werden,
Zeit per Bit und Taktfrequenz.

Autor: Tim (Gast)
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... schrieb:
> Frag den Betreiber der Anlage. Wenn seine uebliche Messtechnik
> nicht galvanisch getrennt ist, musst du da nicht der Erste sein.

Ja, dass sollte ich machen.

... schrieb:
> Simple Arithmetik: Anzahl der Bits die uebertragen werden,
> Zeit per Bit und Taktfrequenz.

Danke, nach so etwas in der Art habe ich gesucht.

Mit freundlichen Grüßen
Tim

Autor: Rainer V. (a_zip)
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Prima und danke für die ausführliche Beschreibung. Da hast du also quasi 
alle Komponenten fertig und mußt die jetzt zusammenbringen. Dann rate 
ich dir, dass jetzt zügig einfach mal zu machen. So kannst du an Hand 
der Messergebnisse feststellen, ob das gewünschte Ergebnis erreicht 
wird. Dann kannst du entscheiden, ob z.B. irgendwo etwas galvanisch 
getrennt sein muß, weil die Signale "schlecht" sind. Aber wenn du eh 
eine FFT über die Messung laufen hast, dann sollte dein Nutzsignal klar 
zu erkennen sein und auch unerwünschte Störungen. Da kann man dann meist 
recht bequem Signalaufbereitung "rechnen".
Viel Spass...
Gruß Rainer

Autor: Frank K. (fchk)
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Tim schrieb:

> 2. Hat den Vorteil, dass ich keine Trennverstärkerschaltung mehr
> brauche, aber hat dafür den Nachteil, dass ich diese erst über SPI oder
> I²C ansteuern muss. Und dann stell ich mich fragen wie:
> -wie kann ich berechnen ob die Ansteuerung über SPI oder I²C schnell
> genug ist

Da schaust Du in den Link zum ADC, den ich Dir gegeben habe, und liest 
"100 ksps sample" (rate), also 100000 Abtastwerte pro Sekunde. Das 
vergleichst Du mit Deinen Anforderungen aus deinem ersten Posting, und 
damit bist Du fertig.

Das Lesen kann ich Dir nicht abnehmen.

fchk

Autor: Weg mit dem Troll ! Aber subito (Gast)
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Wobei man einen 100kSample ADC nicht mit 100kSample laufen lassen muss. 
Wenn 10kSample genuegen ist doch auch gut.

Autor: Wolfgang (Gast)
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Tim schrieb:
> Diese Sensoren geben ein Signal von 0-10 V mit maximal 5KHz aus.

Ist das die Grenzfrequenz des Sensors (-3dB Punkt der 
Übertragungsfunktion) oder die höchste im Signal gerade noch enthaltene 
Frequenz?

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