st ein MCP4725 DAC mit OPA551 Op-Amp eine gute Lösung für präzise 0-10V Ventilsteuerung?

[Tricker (tricker)]

Hallo zusammen,

ich arbeite an einem Projekt, bei dem ich ein 0-10V Ventil (stufenlos 
von 0% bis 100% geöffnet) über einen Arduino möglichst präzise steuern 
möchte. Mein Ziel ist es, eine sehr feine und stabile Regelung zu 
erreichen, um z.B. den Wasserfluss und die Temperatur genau 
einzustellen.

Meine bisherige Lösung sieht wie folgt aus:

    MCP4725 DAC (12-Bit) für die Erzeugung eines präzisen 0-5V analogen 
Signals.
    OPA551 Op-Amp, um das 0-5V Signal des DAC auf 0-10V zu verstärken.
    Ein rauscharmes Netzteil und präzise Widerstände (0,1% Toleranz) zur 
Verstärkung.
    Optional ein Tiefpassfilter, um eventuelles Rauschen oder 
Welligkeiten im Signal zu glätten.

Meine Fragen:

    Ist diese Schaltung eine gute Lösung, um eine maximale Präzision zu 
erreichen?
    Gibt es bessere Alternativen zur Verstärkung von 0-5V auf 0-10V für 
dieses Ventil?
    Sollte ich an irgendeiner Stelle zusätzliche Filter oder 
Stabilisatoren hinzufügen, um die Genauigkeit zu verbessern?
    Hat jemand praktische Erfahrungen mit dem MCP4725 DAC und könnte 
Tipps geben, wie ich das Beste aus der Schaltung herausholen kann?

Vielen Dank für eure Hilfe!

[Jens G. (jensig)]

Tricker schrieb:
> Mein Ziel ist es, eine sehr feine und stabile Regelung zu
> erreichen, um z.B. den Wasserfluss und die Temperatur genau
> einzustellen.

Da Du eh regeln willst, und zwar nicht die Ventilöffnung oder den 
Wasserfluß, sondern die Temperatur, muß der DAC und der OPV sich sowieso 
mit in der Regelschleife befinden. D.h., deren Ungenauigkeiten werden 
automatisch mit ausgeregelt. D.h., der Kram muß nicht genau sein. Hier 
kommt es eher nur auf gewisse Randbedingungen an, z.B. Aussteuerbarkeit 
bei gegebener Betriebsspannung z.B. Nicht jeder läßt sich am Ein- und 
Ausgang bis auf 0V runterdrücken, wenn keine neg. Betriebsspannung 
vorhanden ist.
Aber wird sowas nicht sowieso eher mit PWM gemacht, statt analog?

Tricker schrieb:
> Ist diese Schaltung eine gute Lösung, um eine maximale Präzision zu
> erreichen?

Was heist "maximale Präzision"? Dein 12bit-DAC macht ja auch keine max. 
Präzision, sondern kann nur auf max. 1/4096stel genau sein.

>     Gibt es bessere Alternativen zur Verstärkung von 0-5V auf 0-10V für
> dieses Ventil?

Tja, wir wissen ja noch nichtmal, ob das nur ein Ansteuersignal ist mit 
wenigen µA, oder ob da etliche mA oder gar A geliefert werden müssen.

>     Sollte ich an irgendeiner Stelle zusätzliche Filter oder
> Stabilisatoren hinzufügen, um die Genauigkeit zu verbessern?

Nö, wenn das eine Regelung werden soll, dann sorgt die Regelung eben 
schon für die nötige Stabilität. Und irgendwelches Rauschen im 
µV/mV-Bereich stört so ein Ventil ja sicherlich nicht.

[Andre G. (andgst01)]

Welche Eingangsimpedanz hat das anzusteuerne Ventil?
Sind lange Kabel zwischen der Steuerung und dem Ventil?
Sind störende Gerätschaften (Motoren, Schaltnetzteile, ...) in der Nähe?

Falls du einen Tiefpass verwenden willst dann würde ich den direkt nach 
dem DAC einbauen.
(ggf. Spannungsfolger zwischen DAC Ausgang und Tiefpass oder gleich ein 
aktiver Tiefpass mit OPV)

[Joachim B. (jar)]

kurz und schmerzlos, du brauchst kein DAC mit all seinen Fehlern um ein 
Ventil zu steuern, PWM reicht aus.

[Florian L. (muut)]

Letztlich möchtest du die Temperatur regeln.
Zwischen Temperatur und Stellwert hängt dein DAC, dein Verstärker, der 
temperaturabhängige Spulenwiderstand, die Ventilkennlinie, der 
Wasserdruck, die Wassertemperaturen.
Bei allem dazwischen ist der DAC dein kleinstes Problem.
Daher wie schon vorgeschlagen einfach PER und alles in einen Regelkreis 
packen.

[Rainer W. (rawi)]

Tricker schrieb:
> OPA551 Op-Amp, um das 0-5V Signal des DAC auf 0-10V zu verstärken.
>     Ein rauscharmes Netzteil und präzise Widerstände (0,1% Toleranz) zur
> Verstärkung.
>     Optional ein Tiefpassfilter, um eventuelles Rauschen oder
> Welligkeiten im Signal zu glätten.

Ob das eine gute Idee ist, hängt vom Ventiltyp ab. Bei einem 
Kolbenventil wäre das mit Sicherheit kontraproduktiv.

[Gerd E. (robberknight)]

Für eine schnelle und stabile Regelung kommt es meiner Erfahrung nach 
weniger auf Rauschen & Genauigkeit beim Stellglied (also die Spannung 
zur Ventilsteuerung), sondern viel mehr auf die gute thermische 
Anbindung und geringe Totzeit des Sensors an. Also wie schnell siehst Du 
eine ansteigende Temperatur an Deinem Sensor wenn Du gerade das Ventil 
mit dem warmen Wasser aufgemacht hast.

[Manfred P. (pruckelfred)]

Joachim B. schrieb:
> kurz und schmerzlos, du brauchst kein DAC mit all seinen Fehlern um ein
> Ventil zu steuern, PWM reicht aus.

Ich habe eine geregelte Last mit MCP4725 aufgebaut Im Gegensatz zu PWM 
kommt da eine statisch stabile Spannung heraus, ich muß nichts 
integrieren und / oder filtern. Du darfst es anders machen, ich halte 
ihn für eine gute Wahl.

Tricker schrieb:
> Ist diese Schaltung eine gute Lösung, um eine maximale Präzision zu
> erreichen?

Eine gute Idee wäre, realistisch zu bauen. Dem Ventil ist Rauschen egal 
und 5%-Widerstände sind vermutlich genauer als das Ventil. Baue den 
Verstärker von 5 auf 10 Volt mit einem beliebig schlechten 
Operationsverstärker, das regelt der Arduino aus.

Interessanter wird der Regelalgorithmus, ohne große Überschwinger zu 
agieren.

Gerd E. schrieb:
> Für eine schnelle und stabile Regelung kommt es meiner Erfahrung nach
> weniger auf Rauschen & Genauigkeit beim Stellglied (also die Spannung
> zur Ventilsteuerung), sondern viel mehr auf die gute thermische
> Anbindung und geringe Totzeit des Sensors an. Also wie schnell siehst Du
> eine ansteigende Temperatur an Deinem Sensor wenn Du gerade das Ventil
> mit dem warmen Wasser aufgemacht hast.

Gut ausgedrückt.

[Peter D. (peda)]

Tricker schrieb:
> Ein rauscharmes Netzteil und präzise Widerstände (0,1% Toleranz) zur
> Verstärkung.

Das ist Quatsch mit Soße.
Das Hauptproblem wird das Ventil sein. Das ist sowas von ungenau und 
nichtlinear. Außerdem haben viele Ventile eine riesen Hysterese. In der 
Praxis werden daher Ventile oft gepulst. Quasi eine sehr langsame PWM, 
nennt man auch Stotterbetrieb.

Für eine Anwendung mit einem Dosierventil zum Gaseinlaß haben wir einen 
Algorithmus entwickelt, der das Ventil ganz langsam öffnet. Wird der 
Druck zu hoch, dann wird mit einem definierten Spannungseinbruch das 
Ventil wieder etwas geschlossen und langsam neu hochgefahren. Die 
Steuerung erfolgt also immer nur von einer Richtung aus.

Nenne mal den Link auf das konkrete Ventil, damit man sich dessen Daten 
anschauen kann.

[Vanye R. (vanye_rijan)]

> Das Hauptproblem wird das Ventil sein. Das ist sowas von ungenau und
> nichtlinear.

Hihi, das hab ich gerade auch gedacht. Solange das nicht irgendwelche 
krassen Spezialventile aus der Medizintechnik in der >1000Euro Klasse 
sind, braucht man sich keine weiteren Gedanken um die Feinheit der 
Ansteuerung zu machen.

> Die Steuerung erfolgt also immer nur von einer Richtung aus.

Und das Ventil hat dadurch immer etwas Bewegung. Die Teile haengen sonst 
auch gerne etwas wenn man sie nur 0.1mm bewegen will.

Vanye