Hallo zusammen! Ich stehe vor der Aufgabe, den Strom von 8 Sensoren (4-20mA) möglichst präzise zu messen. Die gemessenen Werte werden von einem Multimeter (Agilent/Keysight 34450A) an einen PC gesendet. Ich habe mir das Ganze so vorgestellt, dass ich den zu messenden Kanal mit einem Analog Multiplexer auswähle und den Strom bzw. die Spannung am Shunt-Widerstand mit dem Multimeter messe, siehe Skizze. Ich habe gelesen, dass Analoge Multiplexer geeignet sind, jedoch für so kleine Ströme (Eingangsimpedanz des Multimeters sind 10MΩ) Relais (Reed-Relais?) besser geeignet sind. Die 8 Relais würde ich mit einem 1-aus-8 Decoder ansteuern. Gemessen wird ca. einmal pro Sekunde (vom Multimeter vorgegeben), die Stromwerte ändern sich nur langsam und sind während der Messung annähernd konstant. Ist mein Vorhaben, Relais zu verwenden, die bessere Lösung? Hat schon jemand eine ähnliche Aufgabe erledigt? Vielen Dank für weitere Anregungen. Kann mir jemand Tipps für das Platinenlayout geben? Wie groß sollte der Abstand zwischen den Shunt-Widerständen sein? SMD oder bedrahtete Widerstände? Ist es sinnvoll, zwischen den Shunt-Widerständen eine Masseleitung zu ziehen oder die Platine zwischen den Widerständen freizufräsen/ein Loch in die Platine fräsen? Vielen Dank!!
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Philipp S. schrieb: > Hallo zusammen! > Kann mir jemand Tipps für das Platinenlayout geben? Wie groß sollte der > Abstand zwischen den Shunt-Widerständen sein? Die Shunts sind eher unkritisch, da niederohmig und keine nennenswerten Spannungen zu isolieren sind. Wegen der Eigenheiten einer 4..20mA-Quelle wird so ein Aufbau auch nicht sonderlich störempfindlich. BTW: Schon mal über eine kleine SPS nachgedacht? Falls bei Deinem Weg nicht der Weg das Ziel ist?
Philipp S. schrieb: > Kann mir jemand Tipps für das Platinenlayout geben? Das sollte "möglichst präzise" sein.
Philipp S. schrieb: > Ist mein Vorhaben, Relais zu verwenden, die bessere Lösung? Zumindest ist sie teuer, wenn es um Präzision und Haltbarkeit der Kontakte geht. Präzisionsmultiplexer gibt es heute in Hülle und Fülle, nicht mehr vergleichbar mit den alten 4051 o.ä., die man früher verwenden musste: https://www.analog.com/en/parametricsearch/10641 Da es hier um praktisch unbelastete Kontakte handelt (das Agilent wird sehr hochohmig sein), spielt auch der Meßstrom durch den Mux so gut wie keine Rolle. Edit: Wichtiger ist der Schutz vor zu hohen Eingangsspannungen. Wenn da jemand am Sensor erst VCC und Signal anschliesst, und erst zum Schluss die Masse, können da schon mal hohe Spannungen vorkommen.
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Der elegantere Weg wäre natürlich, die Ströme zu schalten und direkt die Ströme mit dem Multimeter zu messen. Dann haut man sich keine Ungenauigkeiten durch die Shunts rein.
Sebastian R. schrieb: > Der elegantere Weg wäre natürlich, die Ströme zu schalten und direkt die > Ströme mit dem Multimeter zu messen. Das hängt von den Sensoren ab. Manche müssen sich nach Aufschalten der Bürde erstmal einpendeln, vor allem, wenn es 2-Draht Stromquellen sind. Man wäre aber dann das Problem des Mindeststromes über Relaiskontakte los.
Vielen Dank für eure Antworten!! Über eine SPS habe ich noch nicht nachgedacht, würde aber die Variante mit Multimeter+PC bevorzugen. Matthias S. schrieb: > Präzisionsmultiplexer gibt es heute in Hülle und Fülle Je nachdem welcher Multiplexer verwendet wird, kann Ron im Bereich von 100Ohm liegen, das würde meine Messung verfälschen, richtig? Channel-to-Channel Crosstalk bzw. Leckströme von unter bis zu wenigen nA können das Ergebnis ebenfalls beeinflussen. Daher die Überlegung mit Relais. Sebastian R. schrieb: > Der elegantere Weg wäre natürlich, die Ströme zu schalten Interessanter Ansatz, aber bringt das harte Ein- und Auschalten der Ströme nicht weitere Probleme?
Philipp S. schrieb: > Je nachdem welcher Multiplexer verwendet wird, kann Ron im Bereich von > 100Ohm liegen, das würde meine Messung verfälschen, richtig? Na und? Du schaltes die SPANNUNG, die über den Shunts abfällt und mißt sie hochohmig. Da fällt an 100 Ohm nicht viel Spannung ab. PS: Zu Relais: abgesehen von den offensichtlichen Nachteilen (Platzbedarf, Ansteuerschaltung- und Ströme, Mindeststrom etc): Wenn Dein Meßaufbau dauerhaft läuft und im Sekundentakt geschaltet wird, erreichst Du auch in endlicher Zeit die Lebensdauer der Relais.
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Philipp S. schrieb: > Je nachdem welcher Multiplexer verwendet wird, kann Ron im Bereich von > 100Ohm liegen, das würde meine Messung verfälschen, richtig? Ja, das ist der Grund, warum hier bereits mehrfach das "möglichst präzise" Zitiert wurde und verdeckt kritisiert wurde. Die 100 Ohm des Multiplexers sind, in Reihe zu dem 10 Mohm des Multimeters nur noch 0,001%. Da überwiegen andere Einflüsse bereits deutlich (Ströme der anderen Sensoren über die gleiche Masseleitung, Toleranz der Widerstände, Erwärmungsdrift, Genauigkeit des Multimeters, ...) Solange Du Dir nicht im klaren bist, welche Genauigkeit erforderlich ist, kannst Du auch nicht sagen, was dich stören könnte. Wir verwenden hier seit jahren ein National Instruments Multiplexer, der hat intern normale Signalrelais (Omron G5V glaube ich) mit Goldkontakten. Damit würde das sicherlich gut funktionieren. > Channel-to-Channel Crosstalk bzw. Leckströme von unter bis zu wenigen nA > können das Ergebnis ebenfalls beeinflussen. > Daher die Überlegung mit Relais. Jetzt wird es aber etwas übertrieben, die wenigen nA erzeugen bezogen auf die 20mA wieviel Messfehler? Bei 100nA Leckstrom ist der Messfehler, auf die minimalen 4mA ganze 0,0025%. Das ist wohl getrost vernachlässigbar. Das Multimeter hat 0,015% Genauigkeit, das ist Faktor 6 schlechter.
Philipp S. schrieb: > Interessanter Ansatz, aber bringt das harte Ein- und Auschalten der > Ströme nicht weitere Probleme? Stimmt. Eventuell müssen die Sensoren einschwingen... Dann könnte man sie vielleicht von Offen auf GND schalten, sondern umschalten, dass sie immer in Betrieb sind und dann zum Messen auf das Messgerät umgeschaltet werden. Die Millisekunde Umschaltzeit können sie vielleicht wegstecken. Zum Umschalten gäbe als es als offizielle Lösung z.B. den 34970a mit der 34901a
Prometheus schrieb: > Die 100 Ohm des Multiplexers sind, in Reihe zu dem 10 Mohm des > Multimeters nur noch 0,001%. Prometheus schrieb: > die wenigen nA erzeugen bezogen > auf die 20mA wieviel Messfehler? Bei 100nA Leckstrom ist der > Messfehler, auf die minimalen 4mA ganze 0,0025%. Das ist wohl getrost > vernachlässigbar. > Das Multimeter hat 0,015% Genauigkeit, das ist Faktor 6 schlechter. Hinzu kommt die Frage, wie genau die Sensoren ihre Meßwerte eigentlich in die 4 bis 20mA übersetzen, ich schätze, an dieser Stelle treten auch nochmal wesentlich größere Toleranzen auf, als die oben zitierten.
Vieln Dank für die Antworten!! Prometheus schrieb: > Jetzt wird es aber etwas übertrieben, die wenigen nA erzeugen bezogen > auf die 20mA wieviel Messfehler? Bei 100nA Leckstrom ist der > Messfehler, auf die minimalen 4mA ganze 0,0025%. Du hast recht, mein Fehler, der Einfluss des Leckstroms ist vernachlässigbar. Zur Genauigkeit gibts es im Moment leider keine konkrete Angabe. Aber wie du schon beschrieben hast, ist das Multimeter auch nicht zu 100% genau. M.A. S. schrieb: > Dein Meßaufbau dauerhaft läuft und im Sekundentakt geschaltet wird, > erreichst Du auch in endlicher Zeit die Lebensdauer der Relais. Die Schaltung wird nicht dauerhaft im Betrieb sein, die Lebensdauer der Relais sollte ausreichend sein. Auch Platzbedarf auf der Platine usw sind nicht kritisch. Sebastian R. schrieb: > Dann könnte man sie vielleicht von Offen auf GND schalten, sondern > umschalten, dass sie immer in Betrieb sind und dann zum Messen auf das > Messgerät umgeschaltet werden. Das wäre eine Möglichkeit um das Einschwingen der Sensoren zu vermeiden. M.A. S. schrieb: > Hinzu kommt die Frage, wie genau die Sensoren ihre Meßwerte eigentlich > in die 4 bis 20mA übersetzen Ich werde das gleich recherchieren. Vielen Dank für eure Anregungen, hat mir geholfen verschiedene Aspekte zu bedenken/zu berücksichtigen. Ich werden die Möglichkeiten mit meinem Vorgesetzten diskutieren.
Philipp S. schrieb: > möglichst präzise Unsinnsanforderung. Rechne halt deinen Messfehler aus, der sich durch Serienwiderstsnd und Leckstrom des Analogmultiplexers ergibt, und urteile, ob die Abweichungen dir gut genug sind.
Was man auch machen kann: -alle Kanäle über Z-Dioden (Bürdenerhalt) nach Masse legen. Damit bleiben die Stromschleifen in Betrieb. Bei max. Messspannung (20mA *R) sollte durch die Z-Dioden kein Strom fliessen, also entsprechende Typauswahl. -über einen Schalter deiner Wahl (Mosfet, Analogmultiplexer, PhotoMos, Relais) auf einen Messwiderstand gehen. Es gibt also keinen Fehler durch den Multiplexer und vor allem braucht man nur einen Messwiderstand (gute kosten Geld, und du willst ja "möglichst präzise" :-) Absolute Toleranz, TK und Langzeitverhalten ist das, was popelige Widerstände durchaus teuer machen kann.
Philipp S. schrieb: > Je nachdem welcher Multiplexer verwendet wird, kann Ron im Bereich von > 100Ohm liegen, das würde meine Messung verfälschen, richtig? Solch schlechte Muxes muss man aber schon lange suchen :-P > Channel-to-Channel Crosstalk bzw. Leckströme von unter bis zu wenigen nA > können das Ergebnis ebenfalls beeinflussen. Kannste auch vergessen. Deine ursprüngliche Schaltung zeigt ja schon, das du da 8 sehr niederohmige Quellen hast, die sich selbst von ein paar µA Leckstrom nicht beeindrucken lassen würden. Die Leckströme in einem modernen Mux liegen aber bei nur 30-100pA, siehe z.B. den ADG1608.
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Du könntest dafür ein handelsübliches Mikrocontroller-Board (z.B. Arduino Nano) benutzen. Da hast du den analogen Multiplexer, den A/D Wandler und die Schnittstelle zum PC (USB) gleich mit drauf. Bei Bedarf kannst du auch eine RS232 Schnittstelle mit einem MAX232 Modul nachrüsten. Es gibt sogar fix und fertige Firmware dafür, erspart Dir die programmierung des Mikrocontrollers: http://stefanfrings.de/serial_io/index.html Philipp S. schrieb: > Kann mir jemand Tipps für das Platinenlayout geben? Wie groß sollte der > Abstand zwischen den Shunt-Widerständen sein? SMD oder bedrahtete > Widerstände? Ist es sinnvoll, zwischen den Shunt-Widerständen eine > Masseleitung zu ziehen oder die Platine zwischen den Widerständen > freizufräsen/ein Loch in die Platine fräsen? Das ist alles total unkritisch.
Stefan F. schrieb: > Du könntest dafür ein handelsübliches Mikrocontroller-Board (z.B. > Arduino Nano) benutzen. Da hast du den analogen Multiplexer, den A/D > Wandler und die Schnittstelle zum PC (USB) gleich mit drauf. Das ist aber nicht "möglichst präzise " ;-(
Schau mal ins Datenblatt dieser Sensoren wie genau die überhaupt sind, ich schätze mal plusminus etliche Prozent werden die herumeiern. Also nimmst Du einfach einen µC mit 8 ADC-Kanälen (12 Bit reicht dicke) und das teure Tischmultimeter kann im Labor bleiben wo es hingehört.
Ich kenn die erwähnten HP-DMM jetzt nicht, aber mein gebraucht erstandenes Keithley 2000 hat bereits so ein 10x Messtellenumschalter drin. (gekauft Sommer 2019, 200.- inkl. Kalibrierprotokoll, nat. ungestempelt...)
Stefan F. schrieb: > Du könntest dafür ein handelsübliches Mikrocontroller-Board (z.B. > Arduino Nano) benutzen. z.B. dir hier was abschauen https://de.aliexpress.com/item/32648760840.html evtl. plus diesem https://de.aliexpress.com/item/32654490431.html (Achtung, kein Atmel, sondern ein MD-328D )
Vielen Dank für die weiteren Antworten!! Bernd K. schrieb: > Schau mal ins Datenblatt dieser Sensoren wie genau die überhaupt sind, > ich schätze mal plusminus etliche Prozent werden die herumeiern. Laut Datenblatt haben die Sensoren eine Genauigkeit von 0,25% (Accuracy NLHR:≤ ±0.25 % of span BFSL) Datenblatt: https://www.esi-tec.com/datasheet/general-purpose-pressure-sensor.pdf Mistmesstechniker schrieb: > Keithley 2000 hat bereits so ein 10x Messtellenumschalter Das klingt interessant, das verwendete MM hat jedoch so einen Messstellenumschalter nicht. Matthias S. schrieb: > Die Leckströme in einem > modernen Mux liegen aber bei nur 30-100pA, siehe z.B. den ADG1608 Der ADG1608 scheint sehr gut zu sein, 4,5Ohm Ron und 30pA (typ) 150pA (max) Leckstrom. Ich habe noch eine Frage bezüglich der Leckströme. Im Datenblatt des TMUX1108 von TI habe ich folgendes gelesen: Drain on-leakage current is defined as the leakage current flowing into or out of the drain pin when the switch is on. Source on-leakage current is defined as the leakage current flowing into or out of the source pin when the switch is on. Bedeutet das, dass ein Leckstrom (30pA) aus dem drain am Innenwiderstand des Multimeters (10MOhm) eine Spannung von 0,3V verursachen würde, oder habe ich da etwas falsch verstanden?
Na ja wohin wird der Leckstrom wohl fließen? In den Bürdewiderstand natürlich! Fehler ca. 10ppm bei 4mA. Gerhard
Philipp S. schrieb: > Bedeutet das, dass ein Leckstrom (30pA) aus dem drain am Innenwiderstand > des Multimeters (10MOhm) eine Spannung von 0,3V verursachen würde, oder > habe ich da etwas falsch verstanden? Da sind dir die Exponenten durcheinander geraten. Es sind nur 300µV. U = 10E6 x 30E-12
Philipp S. schrieb: > Bedeutet das, dass ein Leckstrom (30pA) aus dem drain am Innenwiderstand > des Multimeters (10MOhm) eine Spannung von 0,3V verursachen würde, oder > habe ich da etwas falsch verstanden? Einer der 8 Kanäle ist bei der Messung doch immer durchgeschaltet, also hast Du an dem Punkt niemals 10MOhm sondern immer nur zum die (zum Beispiel) 500 Ohm des Bürdewiderstands. Wenn also an diesem Punkt noch 30pA zusätzlich injiziert werden dann macht das gesalzene 15nV (in Worten Nano-Volt) bzw. 1.5 ppb (Parts Per Billion, Milliardstel) Fehler bezogen auf den Messbereich von 20mA! Eins Komma 5 Promille von einem Promille von einem Promille! Selbst wenn man das mit 7 multipliziert (7 offene Schalter) kannst Du das noch getrost ignorieren! Da kann mir jetzt sogar in der Eile ein Komma verrutscht sein, sogar mehrmals wenns sein muß, und du kannst es immer noch ignorieren!
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Philipp S. schrieb: > Laut Datenblatt haben die Sensoren eine Genauigkeit von 0,25% Hab ich mir's doch gedacht. Es reicht ein 0815 µC mit Eingangsmultiplexer vor dem >=10 Bit ADC.
Philipp S. schrieb: > Laut Datenblatt haben die Sensoren eine Genauigkeit von 0,25% Dann nimm den 4051 und gut.
Wenn man statt der seriellen Schnittstelle eine parallele verwendet, kann der Mikrocontroller entfallen.
Ganz Fix schrieb: > Wenn man einen Arduino benutzt, kann der PC entfallen. > Wenn man ... öhh, NEIN, ganz und gar nicht. Du verwechselt als erstes Auflösung und Genauigkeit. Der Arduino (ich nehme jetzt mal einen mit Atmega328) hat 10bit Auflösung. Aber die Genauigkeit ist viel viel schlechter. Absolute accuracy sind +-2LSB, und das ist nur der SAR-Wandler. Beim Arduino, mit interner Referenz, sind es bis zu 10% Fehler. Mit AVCC als Referenz wird es auch nicht viel besser. Über Rauschen, Drift, Alterung, Biasströme, ... brauchen wir gar nicht mal nachdenken. Ein Arduino hat mit Messtechnik, hier ein ernsthaftes Tischmultimeter, gar nichts gemeinsam, außer, das beide elektrisch funktionieren. Bitte mich nicht falsch verstehen. Ich mag die Arduinos durchaus sehr gerne, aber als Messtechnik alleine sind die nicht zu gebrauchen. Wie so ziemlich alle anderen µC Experimentierboards auch.
Wer hat denn behauptet, dass der Arduino das Messen an sich übernehmen soll?? Richtig, niemand. Aber er kann den Multiplexer steuern und die Daten des Multimeters entgegennehmen. Und dann anzeigen, auf ne SD-Karte schmieren, per WLAN wegschicken etc.
H.Joachim S. schrieb: > Wer hat denn behauptet, dass der Arduino das Messen an sich übernehmen > soll?? > Richtig, niemand. > Aber er kann den Multiplexer steuern und die Daten des Multimeters > entgegennehmen. Und dann anzeigen, auf ne SD-Karte schmieren, per WLAN > wegschicken etc. Oh, ja da hast Du recht. Mein Fehler. Ich hatte noch den Beitrag von weiter oben im Kopf der da schrieb: Stefan F. schrieb: > Du könntest dafür ein handelsübliches Mikrocontroller-Board (z.B. > Arduino Nano) benutzen. Den Arduino als Steuerung taugt natürlich hervorragend. Dafür sind die super.
Warum den Strom der Sensoren erst durch Widerstände in eine Spannung wandeln, wenn das 34450A den Strom auch direkt messen kann? Die Bürdenspannung ist beim 34450A kleiner als 0,2 Volt bei 100mA spezifiziert. Also kann man den Strom einfach über eine Diode, z.B. 1N4148, mit einem zweipoligen Relais "abgreifen". Die Diode wird durch das Messgerät kurzgeschlossen. Zweipolig deshalb, da man damit auch gleich alle Probleme mit dem Massenpotential erledigt hat. Alles unter 0,3 Volt an einer 1N4148 kann man in diesem Kontext getrost ignorieren, da der Strom durch die Diode dann vernachlässigbar klein ist. Das 34450A ist kein Genauigkeitswunder und ist nur für 1 Jahr spezifiziert. Also könnte man sich noch einen Kalibrierungskanal mit hoher Stabilität und kleinem Temperaturkoeffizient dazu basteln, wenn man es denn wirklich braucht, was ich hier definitiv bezweifle... Im Prinzip braucht man hier nur 8 Dioden und acht kleine Relais plus irgendeine geartete Ansteuerung dafür.
Erstaunter schrieb: > Warum den Strom der Sensoren erst durch Widerstände in eine Spannung > wandeln, wenn das 34450A den Strom auch direkt messen kann? Je kleiner der Bürdewiderstand desto größer die Erwärmung des Sensors weil dann am Sensor mehr Spannung abfallen muss. 500 Ohm um 0..10V draus zu machen und dann mit nem Spannungseingang zu messen wird wahrscheinlich in der Praxis der häufigst auftretende Fall sein, vermutlich hat er dabei auch die höchste Genauigkeit weil der Hersteller diesen weitverbreiteten Fall am ausgiebigsten testet oder die Datenblattangaben bei R=500 Ohm gemessen wurden.
Bernd K. schrieb: > Je kleiner der Bürdewiderstand desto größer die Erwärmung des Sensors > weil dann am Sensor mehr Spannung abfallen muss. Das ist völlig unerheblich. Man könnte das zwar durch die Versorgungsspannung anpassen, ist aber bei diesen Genauigkeitsklassen völlig übertrieben. Man paßt den Bürdewiderstand so an, daß er beim Messen beste Auflösung nebst einigen Prozent Überlast bietet. > diesen weitverbreiteten Fall am ausgiebigsten testet oder die > Datenblattangaben bei R=500 Ohm gemessen wurden. Auch das ist reine Spekulation. Die beste Anpassung für einen Stromsensor wäre eine Stromsenke mit 0 Ohm Innenwiderstand. Dadurch werden jegliche Versorgungsspannungsschwankungen am Sensor vermieden. Aber wie gesagt: alles weit überzogen!
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