Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Messbrücke im Ausschlagverfahren mit diesem A/D Wandler überhaupt sinnvoll?


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von Merlin T. (mertum)


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Hallo,
erstmal vorne weg: Ich kenne mich leider nicht gut mit Elektronik, 
Schaltungstechnik und Signalverarbeitung aus, möchte aber sehr gerne 
lernen und bin aktuell auch schon dabei viel zu diesem Thema zu lesen. 
Mir fehlt allerdings Erfahrung, weshalb ich mich an euch wende. Es geht 
erstmal darum zu erfahren, wie viel Sinn mein Vorhaben hat.

Zur Erfassung meines Messsignals habe ich nur eine Bosch Rexroth Anlage 
mit einem Analogeingang zur Verfügung. Datenblatt ist angehängt.
Als Spannungsquelle habe ich ein Netzteil, welches Konstant 10V liefert.

Ich möchte die Widerstandsänderungen durch Hitzeeinwirkung eines 
Edelstahldrahtes messen. Der genaue Widerstand muss hierbei nicht 
bestimmt werden, sondern nur die Änderungen. Prinzipiell sogar nur, dass 
es sich ändert und nicht um welchen Betrag.  Dafür habe ich mir eine 
Wheatstonsche Messbrücke überlegt, bei der die Widerstände R_1 , R_2 , 
R_3 aus demselben Edelstahldraht gefertigt werden, sodass die 
Spannungsdifferenz in der Brücke  ca. 0V beträgt, wenn alle Drähte die 
gleiche Temperatur haben.
Bei Raumtemperatur haben die Drähte in der von mir gewählten Länge und 
Durchmesser ungefähr 400mOhm.
Die Widerstandsänderungen des zu erhitzenden Drahtes belaufen sich auf 
+- 200mOhm. Der zu messende Widerstand wird also im Bereich von 200 - 
600mOhm schwanken. Spannungsänderungen werden also vermutlich im 2-3 
stelligen mV Bereich liegen
Schaltung der Messbrücke ist angehängt.
Jetzt zur Frage:
Ist es mit dem von mir benutzen Analogeingang der Anlage realistisch ein 
brauchbares Signal zu erfassen oder wird mein Signal durch Rauschen und 
andere Fehler vermutlich so stark beeinflusst, dass da eigentlich gar 
nichts zu erkennen ist?
Wenn nein, könnte das Signal durch entsprechend ausgelegte 
Instrumentenverstärker so verstärkt werden, dass es selbst mit diesem 
Eingang möglich ist ein brauchbares Signal zu liefern? Würde mich dann 
dementsprechend mit diesem Thema auseinandersetzen.
Anschließende digitale Signalverarbeitung durch entsprechende Tiefpass 
Filterung etc. ist auch möglich.

Danke schonmal für die Hilfe.

von Max M. (jens2001)


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Merlin T. schrieb:
> Ist es mit dem von mir benutzen Analogeingang der Anlage realistisch ein
> brauchbares Signal zu erfassen

Nein.

Merlin T. schrieb:
> könnte das Signal durch entsprechend ausgelegte
> Instrumentenverstärker so verstärkt werden, dass es selbst mit diesem
> Eingang möglich ist ein brauchbares Signal zu liefern?

Ja.

von Dieter B. (debe)


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Bei 10V fließen da 33 bis 50A.
Ist das Netzteil in der Lage die zu liefern?
Bei dem Strom wird sich der Draht alleine schon davon erwärmen.

von Henrik V. (henrik_v)


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(R1 und R3)  oder (R2 und R3) müssten nicht aus dem Draht gewickelt 
werden,es reicht, wenn der verbleibende R(2/1) die Kompensation der 
Umgebungstemperatur(?) übernimmt.

Die Frage wäre wie groß der Strom durch R_mess sein darf/soll?
Ist die Eigenerwärmung des Drahtes durch den (Mess)Strom funktioneller 
Teil der Messung?

von Peter D. (peda)


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Dieter B. schrieb:
> Bei dem Strom wird sich der Draht alleine schon davon erwärmen.

Der wird bei 50A nur mal kurz aufblitzen. Also möglichst nichts 
brennbares darunter legen.

Typisch dimensioniert man Meßschaltungen so, daß nur wenige µA..mA 
fließen.

von Carlo (Gast)


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... einfacher mit eingestellter Schaltung  :-)
für die wheatstone vorab 
https://www.instructables.com/Reading-Temperature-From-PT100-Using-Arduino/

für LTspice Schaltungen und Tricks für
Beitrag "Re: Thermoelementverstärker LTSpice"
Beitrag "Re: LTspice Temperaturen simulieren"

Hier noch ein sehr informativer Bericht
https://www.ama-science.org/proceedings/download/ZmD3Aj==

mal sehen wie es weiter geht ..

von Merlin T. (mertum)


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Hi,
ich komme leider erst heute wieder dazu mich damit zu beschäftigen.
Der Strom in der Schaltung ist natürlich ein wichtiger Punkt den ich 
noch nicht beachtet habe. Bin aufgrund des Netzteils auf 2A begrenzt. 
Die Wärmeentwicklung aufgrund der Stromstärke, um die 2A, sollte 
vernachlässigbar sein, da der Edelstahldraht von einem Laserstrahl in 
kurzer Zeit so stark erhitzt wird, dass die Temperatur ohnehin in der 
nähe der Schmelztemperatur sein wird. Es geht wie gesagt nur darum eine 
Änderung messen zu können, der Betrag ist erstmal nebensächlich und muss 
nicht 100% Wiederholgenau sein.

Um den Strom zu begrenzen habe ich die Widerstände R3 und R4 jetzt auf 
20Ohm festgelegt. Ich habe nun auch schon einige Messungen durchführen 
können und festgestellt, dass die zu messenden Widerstände im Bereich 
von 0,05Ohm und 0,5Ohm liegen werden. In dieser Zusammensetzung habe ich 
also Spannungen zwischen UA und UB von ca -122mV und +96mV anliegen.

Als Instrumentenverstärker habe ich mich jetzt vorerst für einen AD8221 
entschieden. Keine Ahnung warum? Habe online oft gelesen, dass er für 
Messbrücken verwendet wird.

An meinem Analogeingang kann ich also Spannungen zwischen -10V und 10V 
messen. Wobei ich an der unteren und oberen Grenze des Messbereichs noch 
eine Reserve von 2V haben möchte. Mein Verstärkungsfaktor ergibt sich 
also zu G = (16V / 0.218V) = 73,4. Stimmt das so? Kann man das so 
machen?

Für R_G würde ich dann einen Widerstand von 680Ohm erhalten, um die 
Verstärkung zu realisieren.

Für die Spannungsversorgung des Instrumentenverstärker habe ich ein 
Netzteil mit 24V und Strombegrenzung von 0,8A zur Verfügung. Der 
Instrumentenverstärker muss ja jetzt mit -10V am Ausgang und 10V am 
Eingang versorgt werden um einen Messbereich von +-10V ausgeben zu 
können, richtig?
Wie mache ich das am besten? Könnte man zum Beispiel einen DC/DC Wandler 
benutzen, um aus den 24V +-10V zu machen? Oder sind die aufgrund von 
hoher EMV Strahlung eher ungeeignet? Ladungspumpen habe für diesen 
Spannungsbereich keine gefunden.

Ich habe hoffentlich keine sehr groben Fehler gemacht und freue mich auf 
eure Antworten.

von Achim S. (Gast)


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Merlin T. schrieb:
> Ich habe hoffentlich keine sehr groben Fehler gemacht

In der Zeichnung hast du die Polarität der Versorgung vertauscht (bzw. 
die Pfeile der Quellen falsch gezeichnet): der AD8221 sieht danach an V+ 
-10V und an V- +10V.

Außerdem hast du noch nicht den Massebezug der Brücke eingezeichnet. 
Wenn du GND unten am gemeinsamen Ende von R3 und R4 anschließt, 
funktioniert es nicht: der Eingang des AD8221 liegt dann höher, als dass 
es der Baustein verarbeiten könnte. Wenn du GND oben an R_ref und R_mess 
anschließt, so dass die Gleichtaktspannung der Eingänge nahe bei 0V 
liegt, sollte es gehen.

Merlin T. schrieb:
> In dieser Zusammensetzung habe ich
> also Spannungen zwischen UA und UB von ca -122mV und +96mV anliegen.
...
> An meinem Analogeingang kann ich also Spannungen zwischen -10V und 10V
> messen. Wobei ich an der unteren und oberen Grenze des Messbereichs noch
> eine Reserve von 2V haben möchte. Mein Verstärkungsfaktor ergibt sich
> also zu G = (16V / 0.218V) = 73,4. Stimmt das so? Kann man das so
> machen?

wenn du -122mV mit dem Faktor 73,4 verstärkst, werden daraus -8.95V. Das 
wird knapp für den AD8221, die "Reserve von 2V" hältst du damit 
jedenfalls nicht ein.

von Merlin T. (mertum)



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Danke für deine Antwort:

Achim S. schrieb:
> In der Zeichnung hast du die Polarität der Versorgung vertauscht (bzw.
> die Pfeile der Quellen falsch gezeichnet): der AD8221 sieht danach an V+
> -10V und an V- +10V.
>
> Außerdem hast du noch nicht den Massebezug der Brücke eingezeichnet.
> Wenn du GND unten am gemeinsamen Ende von R3 und R4 anschließt,
> funktioniert es nicht: der Eingang des AD8221 liegt dann höher, als dass
> es der Baustein verarbeiten könnte. Wenn du GND oben an R_ref und R_mess
> anschließt, so dass die Gleichtaktspannung der Eingänge nahe bei 0V
> liegt, sollte es gehen.

Ah klar, das leuchtet ein. Habe es jetzt nochmal überarbeitet.

Achim S. schrieb:
> wenn du -122mV mit dem Faktor 73,4 verstärkst, werden daraus -8.95V. Das
> wird knapp für den AD8221, die "Reserve von 2V" hältst du damit
> jedenfalls nicht ein.

Ja das kommt leider dadurch, dass mein Messbereich unsymmetrisch um den 
Nullpunkt bzw. um meinen Referenzwiderstand liegt. Wäre für mich aber 
nicht weiter schlimm, wenn die "Reserve" nur ca. 1 Volt beträgt.
Bin gerne bereit einen anderen Instrumentenverstärker zu verwenden, der 
meinen Anforderungen besser entspricht. Kannst du mir einen empfehlen?

Edit: Das erste Bild ist das überarbeitete! Das zweite kann ignoriert 
werden

: Bearbeitet durch User
von Manfred (Gast)


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Merlin T. schrieb:
> Bin aufgrund des Netzteils auf 2A begrenzt.
> Die Wärmeentwicklung aufgrund der Stromstärke, um die 2A, sollte
> vernachlässigbar sein, da der Edelstahldraht von einem Laserstrahl in
> kurzer Zeit so stark erhitzt wird, dass die Temperatur ohnehin in der
> nähe der Schmelztemperatur sein wird.

Warum dann das Gekaspere mit der Brücke?

Schicke Konstantstrom durch den Draht und messe den Spannungsabfall. 
Stromeinspeisung und Messung getrennt, Stichworte "Vierpolmessung" oder 
"Kelvinklemme".

von Merlin T. (mertum)


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Habe leider keine Konstantstromquelle zur Verfügung. Bei 2A und 
Widerständen zwischen 0,05A und 0,5A hätte ich ja auch Spannungen 
zwischen 0,1V und 1V, die ich verstärken müsste. Das könnte ich dann mit 
einem nicht-invertierenden Operationsverstärker machen oder?

Ist es nicht eigentlich sowieso besser eine differentielle Spannung 
(ungleich zum Potential) zu messen, weil dann der Gleichtaktstöranteil 
unterdrückt wird? Nur ne Vermutung, bitte nicht steinigen.

Die Messbrücke hatte ich eigentlich gewählt weil mich die 
Widerstandänderungen aufgrund von Temperaturänderungen zu einer 
Referenztemperatur interessieren.

Vernachlässigbar meinte ich weil der Strom von 1A nur höchstens 60s 
fließen wird und der Temperaturunterschied trotzdem extrem hoch sein 
wird. Mein Referenzwiderstand wird sich in der Zeit also um ca. 5 Grad 
erhöhen, während sich der gezielt zu erhitzende Widerstand in 100 Grad 
Schritten auf fast Schmelztemperatur erhöht. Aber ja evtl. reduziere ich 
den Strom in der Messbrücke noch auf 0,5A und erhöhe den 
Verstärkungsfaktor.

von Stefan ⛄ F. (stefanus)


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Merlin T. schrieb:
> Bei 2A und Widerständen zwischen 0,05A und 0,5A hätte ich ja
> auch Spannungen zwischen 0,1V und 1V, die ich verstärken müsste.

Wieso das?

Bei einem gewöhnlichen ADC mit 1,1V Referenz liegt das perfekt in seinem 
Messbereich.

von Merlin T. (mertum)


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Muss aber leider zwingend den Analogeingang, der im Eingangpost erwähnt 
wurde nutzen.

Meinte bei den Widerständen natürlich Ohm nicht A, fällt mir gerade erst 
auf.

: Bearbeitet durch User

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