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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Min. 16bit ADC Modul für Linearpoti


Autor: Florian Rist (Firma: TU Wien) (frist)
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Hallo,
ich würde gern ein Linearpotentiometer verwenden um einen Länge zu 
messen. Die Werte sollen über einen langen Zeitraum protokolliert 
werden, also brauch ich einen Referenzspannungsquelle und einen ADA, das 
Poti wird einfach als Spannungsteiler geschaltet. Soweit alles kein 
Problem, hab ich schon gemacht, einzig die erforderliche Genauigkeit und 
Langzeitstabilität macht mir hier sorgen.

Ich hätte gern min. 16 bit Auflösung, wobei ich min. 15 signifikante 
Bits möchte, also eine echte Genauigkeit von 15 Bit. Wie schätzt Ihr die 
Realisierbarkeit ein? Bekommt man das mit halbwegs einfachen Mitteln 
hin? Irgendwelche Tipps für die Auswahl von AD Wandler und 
Referenzspannungsquelle? Die ganze Geschichte muss nicht billig werden, 
die Potis sind eh teuer, nur die 500-1000 EUR pro Kanal, die der 
Potihersteller für seine Lösung will ist etwas arg happig weil den ganze 
Kram 20mal brauche. Ein einziger Messkanal  mit Multiplexer ist eher 
keine Lösung, weil etwas unflexibel und weil sich dadurch sehr lange 
Leitungswege ~10m ergeben würden.

Das wohl größte Problem dürfte der große Temperaturbereich werden. Die 
Schaltung muss von -24 bis 80°C funktionieren und die 15 bit liefern, am 
besten ohne, dass man sie für verschiedene Temperaturen kalibrieren 
muss. Sollte man sie vielleicht einfach auf immer auf 80°C heizen? Das 
wäre wohl schon machbar, aber ist das der richtige weg, oder gibt’s 
Referenzspannungsquellen deren Temperaturdrift so klein ist, dass man 
sie sogar bei -24 bis 80°C vernachlässigen kann?

Wie würdet Ihr so was angehen?

Grüße
Flo

Autor: Michael Wilhelm (Gast)
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Um welche Längenmessung (Betrag) geht es denn?

MW

Autor: Florian Rist (Firma: TU Wien) (frist)
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Hallo Michael

> Um welche Längenmessung (Betrag) geht es denn?

So ca. 30mm.

Grüße
Flo

Autor: karadur (Gast)
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Hallo

schließe das Poti mit dem oberen Ende an die Referenz des AD-Wandlers 
und das untere Ende an Ref-GND. Dann ist die Genauigkeit der Referenz 
egal.

Autor: Ekschperde (Gast)
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Bei 30 mm Weg und 15 bit Auflösung gibt das:

0.03m/32768 -> ca. 1um

Bist du sicher das das Linearpoti 1 um überhaupt auflöst?

Das ist ja mal knapp die doppelte Lichtwellenlänge des sichtbaren 
Lichts.

Autor: Florian Rist (Firma: TU Wien) (frist)
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Hallo

> Bist du sicher das das Linearpoti 1 um überhaupt auflöst?

Berechtigte Sorge, und ich war zu Beginn meiner Recherche auch 
überrascht, aber es gibt Linearpotis, die diese Auflösung schaffen, auch 
reproduzierbar. einzig die Linearität ist da schon arg an der Grenze, 
aber das ließe sich, bei Bedarf durch Kalibrieren des Potis in den Griff 
bekommen. Das hätte den Vorteil, dass ich erst mal ohne Kalibrierung 
loslegen könnte, die Genauigkeit liegt dann vielleicht nur bei 5µm, wenn 
das nicht reicht kalibriere ich die Potis un komme auf 1mµ. Ich würde 
die AD Wandlerlösung gern gleich so auslegen, dass sie diese Reserve 
bietet, auch wenn ein 13bit Wandler natürlich erheblich leichter zu 
realisieren wäre. Der ADC selbst scheint ja eh weniger das Problem zu 
sein, mindestens laut Datenblatt gibt's da ja tolle Sachen, 24bit 
Wandler, die 23bit effektiv schaffen und so. Schwierig wird die 
Versorgung für das Poti und die Referenz. Oder? Ah ja und das 
Temperaturproblem natürlich, da hab ich keine Erfahrung, wie man sowas 
am besten in den Griff bekommt.

Grüße
Flo

Autor: Arc Net (arc)
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Florian Rist wrote:
> Hallo
>
>> Bist du sicher das das Linearpoti 1 um überhaupt auflöst?
>
> Berechtigte Sorge, und ich war zu Beginn meiner Recherche auch
> überrascht, aber es gibt Linearpotis, die diese Auflösung schaffen, auch
> reproduzierbar. einzig die Linearität ist da schon arg an der Grenze,
> aber das ließe sich, bei Bedarf durch Kalibrieren des Potis in den Griff
> bekommen. Das hätte den Vorteil, dass ich erst mal ohne Kalibrierung
> loslegen könnte, die Genauigkeit liegt dann vielleicht nur bei 5µm, wenn
> das nicht reicht kalibriere ich die Potis un komme auf 1mµ. Ich würde
> die AD Wandlerlösung gern gleich so auslegen, dass sie diese Reserve
> bietet, auch wenn ein 13bit Wandler natürlich erheblich leichter zu
> realisieren wäre. Der ADC selbst scheint ja eh weniger das Problem zu
> sein, mindestens laut Datenblatt gibt's da ja tolle Sachen, 24bit
> Wandler, die 23bit effektiv schaffen und so. Schwierig wird die
> Versorgung für das Poti und die Referenz. Oder? Ah ja und das
> Temperaturproblem natürlich, da hab ich keine Erfahrung, wie man sowas
> am besten in den Griff bekommt.
>
> Grüße
> Flo

Wie schon oben angedeutet, ratiometrische Messung.
1. Stabile Referenz, die Wandler/Referenzeingang und Poti versorgt.
oder
2. Stabilerer Referenzwiderstand (z.B. Vishay VSMP) + einfache 
Konstantstromquelle (oder einen AD-Wandler mit integrierter CS)

Autor: Obelix (Gast)
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Ich würde eine Längenmessung auf jeden Fall nicht mit einem Poti 
realisieren.

Nur mal so angedacht :

1. Was für eine Auflösung haben GUTE optische Mäuse?

2. Sehr feines Streifenmuster welches optisch abgetastet wird.

Autor: Ekschperde (Gast)
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Wie wärs alternativ mit der Abtastung eines optischen Gitters?
Der Ausdehnungskoeffizient von Glas ist bekannt.
Da sind 1 um "relativ" bequem realisierbar ;-)

Hauptvorteil ist der digitale Charakter dieses Verfahrens.

Autor: Michael Wilhelm (Gast)
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Andere Idee: Linearantrieb
Ein Motor treibt eine Gewindestange an mit z. B. einer Steigung von 
0,5mm. An dem Motor ist ein Istwertgeber mit 1000 Impulsen pro Umdrehung 
angeflanscht. Das ergäbe eine Auflösung von 60000/30mm = 2µm.

Problem wird die Mechanik sein.

MW

Autor: Falk Brunner (falk)
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@ Michael Wilhelm (Gast)

>Ein Motor treibt eine Gewindestange an mit z. B. einer Steigung von
>0,5mm. An dem Motor ist ein Istwertgeber mit 1000 Impulsen pro Umdrehung
>angeflanscht. Das ergäbe eine Auflösung von 60000/30mm = 2µm.

???
Grundrechenarten?

Ich komm da auf 0,5mm / 1000 Pulse = 0,5 um / Puls

>Problem wird die Mechanik sein.

Wohl wahr.

MFG
Falk

Autor: Florian Rist (Firma: TU Wien) (frist)
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Hallo,
danke für die rege Beteiligung.

@ Obelix

> 1. Was für eine Auflösung haben GUTE optische Mäuse?

Um die 800 dpi, oder? Das wären 3,2µm, klingt nicht schlecht. Ich kann 
mir aber nicht vorstellen, dass sich die geforderte Reproduzierbarkeit 
und Linearität auch nur annähernd realisieren lässt.

> 2. Sehr feines Streifenmuster welches optisch abgetastet wird.

Kann man machen, mit Glasmaßstab und so kommt man da sogar über 1µm 
Genauigkeit, aber die Leseköpfe sind zu groß (jedenfalls die die ich 
kenne) und dann wär’ da noch der Preis, da kommt man kaum unter 500-1000 
EUR weg. Ein Linearpoti mit 1µ Auflösung  gibt schon für 170 EUR. Die 
Maßstabsgeschichten (gibt auch Systeme mit magnetischem Maßstab, 
billiger, unempfindlicher, weniger genau, eher >5µm) sind interessant, 
wenn lange Strecken gemessen werden müssen. Das Größte Problem in meinem 
speziellen Fall ist, dass es eine recht präzise Führung zwischen Kopf 
und Maßstab braucht. Die müsste ich erst bauen. Bei einem Poti ist die 
schon 'drin'. Die bezahlbaren Systeme mit magnetischem Maßstab 
funktionieren alle nicht unter 0, spätestens bei -10°C ist Schluss. Der 
Temperaturbereich von Potis gehen bis -40°C runter und wenn’s sein auch 
bis 120 °C rauf.

@ Ekschperde

> Wie wärs alternativ mit der Abtastung eines optischen
> Gitters? Der Ausdehnungskoeffizient von Glas ist bekannt.
> Da sind 1 um "relativ" bequem realisierbar ;-)

Stimmt, aber es wird schnell groß, zu groß, und teuer, sehr teuer. Ich 
bauch' 20 Aufnehmer.


@ Michael Wilhelm

> Ein Motor treibt eine Gewindestange an mit z. B.
> einer Steigung von 0,5mm. An dem Motor ist ein Istwertgeber
> mit 1000 Impulsen pro Umdrehung angeflanscht. Das ergäbe
> eine Auflösung von 60000/30mm = 2µm.
>
> Problem wird die Mechanik sein.

Richtig. Für meinen Fall wird’s zu groß werden. Und bei 2µm Auflösung 
muss die Geschichte echt verdammt spielfrei sein. Es gibt solche 
Linearantriebe, bauen kann man das, auch noch viel besser, wenn’s sein 
muss. Aber es wird groß und teuer. Und das System bräuchte noch einen 
Taster und eine Regelschleife, der Taster müsste eine Schaltschwelle 
haben, die deutlich unter 2µm genau reproduzierbar ist, machbar aber 
nicht ganz unproblematisch.


Insgesamt scheinen mir die Linearpotis eine ganz gute Möglichkeit zu 
sein. Vielleicht kämen noch Induktive Aufnehmer in Frage. Das ist im 
Prinzip eine Tauchspule, der Anker wird mehr oder weniger weit 
herausgezogen, verändert die Induktivität der Spule, die Induktivität 
wird gemessen, daraus der Weg errechnet. So sind sehr kleine, leichte 
Sensoren möglich (kleiner als Lin.Potis). Leider sind die erreichbaren 
Genauigkeiten deutlich schlechter als bei Potis und die Auswertung ist 
auch eher aufwändiger. Es ist glaub ich leichter den Widerstand genau zu 
messen, als die Induktivität. Oder? Die Induktivität könnte man wohl 
über die Eigenfrequenz eines Schwingkreises messen, das hätte den 
Vorteil, schon quasi digital zu sein (Zähler). Da müsste man dann aber 
die Aufnehmer ziemlich sicher Kalibrieren und wohl leider auch bei 
verschiedenen Temperaturen um wenigstens auf 5µm Genauigkeit zu kommen.


Grüße
Flo

Autor: Obelix (Gast)
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> Temperaturbereich von Potis gehen bis -40°C runter und wenn’s sein auch
> bis 120 °C rauf.

Da hast du aber auch gute Widerstands-Tolleranzen. Gegenüber den 16Bit 
wird der Temperaturdrift sehr groß sein.

Autor: Florian Rist (Firma: TU Wien) (frist)
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Hallo Obelix

>> [-40 - 120 °C]
>
> Da hast du aber auch gute Widerstands-Tolleranzen. Gegenüber den
> 16Bit wird der Temperaturdrift sehr groß sein.

Ist kein so großes Problem, weil das Poti als Spannungsteiler beschaltet 
wird und da gleicht sich das aus.

Grüße
Flo

Autor: Florian Rist (Firma: TU Wien) (frist)
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Hallo,
ich nochmal.

Um mal auf das ADC Problem zurückzukommen. Mir scheinen 
Präzisionsvoltmeter eher Dual Slope Wandler als Delta Sigma ADCs zu 
enthalten. Warum? Die Delta Sigma Wandler versprechen (im Datenblatt) 
eigentlich die höhere Auflösung und auch eine größere Linearität. Ich 
hab z.B. das Signal eines Drucksensores mit einem ADS1210 digitalisiert, 
das ist ein 24 bit Delta Sigma Wandler mit einer Linearität von 0.0015% 
(10ppm) der angeblich bis zu 23 bit effektive Auflösung liefern kann. 
Die Genauigkeit hängt dann doch nur noch von der güte Referenzspannung 
und von der Stabilität des Taktes ab, oder? Den Takt mit besser als mit 
15ppm bereitzustellen sollte machbar sein, mit der Ref.Spannung ist das 
schwieriger, da ist man schnell allein bei einer Temperaturabhängigkeit 
von 10ppm/°C. Mit einem Dual Slope Wandler hat man aber ja die gleichen 
Probleme, hängt immer alles von Takt und Referenz ab. Welches 
Wandlerprinzip wäre denn hier empfehlenswert?

Egal wie, es bleibt das Takt- und Referenzspannungsproblem. Ich könnte 
den Takt und die Referenzspannung von "aussen" aus einem Bereich mit 
21°C +/- 1C° zuzuführen. Mit dem Takt scheint das noch reicht einfach zu 
sein, bei der Spannung bin ich mir nicht so sicher, ob ich die über 
sagen wir mal 10m Kabel an 20 Punkte bringen kann. Geht so was? Man 
könnte diese Referenzversorgung belasten, dann müsste man doch 
wenigstens schon mal Thermospannungen erledigen können oder?

Alternativ könnte man natürlich auch gleich die ganze Wandlung in 
angenehmen Klima (21C°) machen und das Poti über lange Kabel 
anschließen?  Bleibt das gleiche Grundproblem: Bekommt man eine Spannung 
bei kleiner Last sauber (<15ppm) über 10m Kabel?

Vielleicht könnte man auch so eine Art 4punkt Messung machen: Poti an 
Konstantstromquelle, 3 Messleitung die drei Anschlüsse des Potis, beide 
Spannungen, die an den Teilwiderständen abfallen, messen, Quotient 
bilden. Dann hat man aber wieder Probleme mit Thermospannungen auf den 
Messleitungen. Hmm.


Grüße
Flo

Autor: karadur (Gast)
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Hallo

ich würde den Wandler so nah wie möglich an das Poti setzen und die 
Übertragung digital machen.

Autor: lontano (Gast)
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bei www.Silabs.com findest du MCs mit 24 bit A/D Wandler...dabei 
duerften wohl mit etwas Glueck und Verstand 16 brauchbare bits 
herausspringen.
ich frage mich wie der Schleifer des pots bei -20°C verhaelt bzw nahe 
Null und gewisser Luftfeuchtigkeit arbeitet......16 bit ... ???

Autor: sechsmalzwei (Gast)
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Linearmessungen macht man nicht mit einem Poti, sondern mit einem 
Differentialtransformer. Eine Rueckmeldung wieviele Bits ein Poti 
liefert waerten allerdings erwuenscht.

Autor: Florian Rist (Firma: TU Wien) (frist)
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Hallo,
danke für die vielen Ideen.

@ karadur:
> ich würde den Wandler so nah wie möglich an das Poti
> setzen und die Übertragung digital machen.

Ja, das war auch mein Gedanke, nur ist dann der Wandler in -24C° oder 
+80°C Umgebung. Vielleicht eben doch alles Wandler, Quarz, Referenz) auf 
80°C heizen.

@ lontano:
> bei www.Silabs.com findest du MCs mit 24 bit A/D Wandler...

Danke, werd' ich mir genau anschauen, praktische wenn der µC gleich mit 
drin ist. Was hältst Du denn von dem erwähnten ADS1210?

Bei http://www.aldinc.com scheint es ganz interessante Dual Slope 
Wandler zu geben. Hat jemand eine Meinung zu diesen Wandlern?

> dabei duerften wohl mit etwas Glueck und Verstand 16
> brauchbare bits herausspringen.

Bei 21°C Umgebungstemperatur würde ich mir das im Moment schon fast 
zutrauen, bei -24°C bis 80°C sehe ich da noch schwarz, da hab ich noch 
keine Strategie wie man da vorgehen könnte.


> ich frage mich wie der Schleifer des pots bei -20°C
> verhaelt bzw nahe Null und gewisser Luftfeuchtigkeit
> arbeitet......16 bit ... ???

Das ist kein Problem, weil das Klima kontrolliert ist, die Temperatur 
ist konstant, es gibt keine kondensierende feuchte usw.

Vielleicht könnte man die Temperaturdrift von Referenzspannungsquelle 
und Quarz in den Griff bekommen indem man sozusagen ihre 
Temperaturkennlinie aufnimmt und die in das Wandlerergebnis reinrechnet? 
51/2 Stelliges Voltmeter hätte ich hier, würde eigentlich schon reichen, 
das müsste ich aber auch mal wieder kalibrieren lassen.

@ sechsmalzwei:
> Linearmessungen macht man nicht mit einem Poti, sondern
> mit einem Differentialtransformer.

Das ist eine Methode, die Potilösung eine andere. Die Datenblätter der 
Aufnehmer mit Differentialtransformer lassen alle einen sehr viel 
stärker eingeschränkten Temperaturbereich erkennen, als die der 
Linearpotis.

> Eine Rueckmeldung wieviele Bits ein Poti liefert
> waerten allerdings erwuenscht.

15bit. :-)

Von Waycon z.B. gibt's 0.05% Linearitätsfehler (also 11 signifikante 
bit), auf Anfrage hat man mir aber auch was von 0.01 (etwas über 13 bit) 
erzählt. Die erreichbare Auflösung liegt bei 30mm Weg bei <1µm. 
(http://www.waycon.de/linearpotentiometer.html)

Einziges Problem für hochpräsisionsmessungen ist, dass die Potis altern, 
allerdings wird speilt da fast nur die Zahl der Bewegungszyklen eine 
rolle und die ist bei mir sehr klein (<50, wahrscheinlich <10).

Also, die 15bit, die ich gern hätte sind nicht so unsinnig, ohne 
Kalibrierung bzw. Linearisierung des Potis kann ich zwar keine 15bit 
Genauigkeit erreichen, aber denn der ADC die 15bit liefern könnte, hätte 
ich die Möglichkeit zu kalibrieren, wenn das nötig ist.


Grüße
Flo

Autor: sechsmalzwei (Gast)
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15bit erreicht man nicht indem man einen 16bit Wandler einsetzt. 15bit 
erreichen bedeutet eine Mikrometerschraube an das Poti, 5 Umdrehungen 
vor, 5 Umdrehungen zurueck und dann muss es auf die 15 bit stimmen. Ich 
denk man erreicht die 15bit nicht.

Autor: Arc Net (arc)
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Zum ADS1210: Die Auflösung ist in Bits RMS angegeben (bei TI Effective 
Resolution genannt), die rauschfreie Auflösung ist um min. ~2.7 Bits 
(ln(6.6)/ln(2)) geringer. Alternativen wären z.B. der
AD7794 von Analog, CS5534 von Cirrus oder ADS1232/34 und ADS1282 von TI 
(alle mit integriertem PGA)
Der CS5534 ist davon der einzige der tatsächlich bis zu 23-Bit erreicht, 
der AD7794 ist der einzige, der eine effektive, interne 
Gain-Kalibrierung kennt.
Referenzen mit geringer Drift sind z.B. MAX6126, ISL21007 oder ADR44x 
oder VRE30x/40x von Thaler.
Widerstände mit sehr geringer Drift gibt's eigentlich nur noch von 
Vishay.

Autor: Florian Rist (Firma: TU Wien) (frist)
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Hallo

@ sechsmalzwei:
> 15bit erreicht man nicht indem man einen 16bit Wandler einsetzt. 15bit
> erreichen bedeutet eine Mikrometerschraube an das Poti, 5 Umdrehungen
> vor, 5 Umdrehungen zurueck und dann muss es auf die 15 bit stimmen. Ich
> denk man erreicht die 15bit nicht.

Ah, Du meinst die Wiederholgenauigkeit wäre nicht 1µm (=15 bit bei 30mm 
Länge). Da hab ich nur die Aussage von einem WayCon Techniker, dass die 
Wiederholgenauigkeit von >1µm erreicht wird und auflösbar ist. Aber ich 
sollte das mal überprüfen. Der beschriebene Test lässt sich ja leicht 
mit einem guten Multimeter durchführen.

@  Arc Net:
> Zum ADS1210: Die Auflösung ist in Bits RMS angegeben
> (bei TI Effective Resolution genannt), die rauschfreie
> Auflösung ist um min. ~2.7 Bits (ln(6.6)/ln(2)) geringer.

Ah ja, stimmt. Das hab ich bei dem schnellen Blick ins Datenblatt 
übersehen. Als ich ihn eingesetzt habe war mir das noch bewusst, ich 
erinnere mich dunkel.


> Alternativen wären z.B. der AD7794 von Analog, CS5534
> von Cirrus oder ADS1232/34 und ADS1282 von TI (alle mit
> integriertem PGA) Der CS5534 ist davon der einzige der
> tatsächlich bis zu 23-Bit erreicht, der AD7794 ist der
> einzige, der eine effektive, interne Gain-Kalibrierung kennt.

Danke. Werde mir morgen die Datenblätter anschauen. ADS1232 kommt mir 
bekannt vor, hab ich vielleicht als alternative zum ADS1210 in Erwägung 
gezogen, aber dann den ADS1210, weil mir die Programmierung einfacher 
schien – weiß nicht mehr genau.

> Referenzen mit geringer Drift sind z.B. MAX6126, ISL21007
> oder ADR44x oder VRE30x/40x von Thaler. Widerstände mit
> sehr geringer Drift gibt's eigentlich nur noch von Vishay.

Vielen dank für die Hinweise - Lesestoff für morgen.

Was ist denn von der Idee die Referenz weit entfernt bei konstant 21°C 
zu haben? Könnte das sinnvoll sein? Die ganze ADC Einheit über lange 
Kabel ans Poti zu hängen ist wohl keine gute Idee, der empfohlene 
Schleifenstrom liegt bei <1µA (wenn das kein Druckfehler ist).

Grüße
Flo

Autor: Ralph (Gast)
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Zum Temperaturbereich:
Verwende nur Bauteile mit Automotive Freigabe ==> -40 ==> +125°C.
Die Frage ist nur ob du die bei R oder C bekommst.

Zur Genauigkeit:
Um die 15 Bit echte Auflösung zu bekomen, wirst du eine sehr gut 
entworfene Leiterplatte brauchen. Diese Genauigkeit im Analogteil der 
Schaltung zu erreichen ist nicht mehr trivial.

Autor: Stefan Schütte (Gast)
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Moin,

=>Obelix

Der ADNS 6010 von Agilent Technologies hat eine Auflösung von
2000cpi bei einer Framerate von über 7000 Aufnahmen pro Sekunde.
Dieser Maussensor ist in der Lasermaus MX1000 von Logitech
verbaut, soweit ich weiss.

Viel Spass
Stefan

Autor: Olaf (Gast)
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> Um die 15 Bit echte Auflösung zu bekomen, wirst du eine sehr gut
> entworfene Leiterplatte brauchen.

Das wollte ich auch gerade sagen. :-)
Bin mal gespannt wieviele Platinerevisionen er braucht bis er das
sauber laufen hat.

Olaf

Autor: Arc Net (arc)
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> Vielen dank für die Hinweise - Lesestoff für morgen.

> Was ist denn von der Idee die Referenz weit entfernt bei konstant 21°C
> zu haben? Könnte das sinnvoll sein? Die ganze ADC Einheit über lange
> Kabel ans Poti zu hängen ist wohl keine gute Idee, der empfohlene
> Schleifenstrom liegt bei <1µA (wenn das kein Druckfehler ist).

Ist bei PT100 üblich (vierleiter Schaltung). Allerdings würde ich 
einfach mal durchrechnen, welcher Fehler mit einem lokalen 
Referenzwiderstand zu erwarten ist.

Autor: Florian Rist (Firma: TU Wien) (frist)
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Hallo

@ Ralph
> Zum Temperaturbereich:
> Verwende nur Bauteile mit Automotive Freigabe ==> -40 ==> +125°C.
> Die Frage ist nur ob du die bei R oder C bekommst.

Ja, die Bauteile halten das schon aus, nur wie bekommt man die Drift in 
den Griff. Mir fällt da im Moment nur ein alles auf >80°C zu heizen, 
oder bei verschiedenen Temperaturen zu kalibrieren und dann später die 
Messungen zu korrigieren.

> Zur Genauigkeit:
> Um die 15 Bit echte Auflösung zu bekomen, wirst du
> eine sehr gut entworfene Leiterplatte brauchen. Diese
> Genauigkeit im Analogteil der Schaltung zu erreichen
> ist nicht mehr trivial.

Das fürchte ich auch. Glücklicherweise gibt's im Analogteil nur 
Gleichstrom, aber das verhindern von Einstrahlung aus dem schnellen 
Digitalteil wird ein Problem.

@ Olaf:
> Bin mal gespannt wieviele Platinerevisionen er braucht
> bis er das sauber laufen hat.

Die größte Sorge macht mir, ich da schon in einem Bereich bin in dem es 
schon sehr schwierig wird die Qualität des Aufbaus messtechnisch zu 
erfassen und zu kontrollieren.

@ Arc Net:
>> Schleifenstrom liegt bei <1µA (wenn das kein Druckfehler ist).
>
> Ist bei PT100 üblich (vierleiter Schaltung).

Guter Hinweis, ich hab schon überlegt, wo denn sonst präzise 
Widerstandsmessungen gebraucht werden, aber irgendwie ist mir die 
Temperaturmessung mit PT100 nicht eingefallen. Der Vergleicht ist sogar 
sehr gut, da die Potis auch 1k Ohm gesamt Widerstand haben.

> Allerdings würde ich einfach mal durchrechnen, welcher Fehler
> mit einem lokalen Referenzwiderstand zu erwarten ist.

Hmm? Wie meinst Du das mit dem Referenzwiderstand?

Grüße
Flo

Autor: Arc Net (arc)
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> Hmm? Wie meinst Du das mit dem Referenzwiderstand?

Angenommen: Konstantstromquelle + Poti + Referenzwiderstand (wie beim 
PT100)

Vereinfacht gilt dann folgendes:

ADCCode = VIN / (VREF / 2^Bits)
VIN = RPOTI * IKonst
VREF = RREF * IKonst
Also
ADCCode = RPOTI * IKonst / (RREF * IKonst / 2^Bits)
ADCCode = RPOTI * 2^Bits / RREF

Die Rechnung die die Software mit dem nominellen Referenzwiderstandswert 
macht ist also: RPOTI = ADCCode / 2^BITS * RREF

Angenommen der Widerstand hat folgende Spezifikation: 1k +-0.01%, TK = 
3ppm/°C
-20 °C - 80 °C macht also insg. 1k +- (0.1 + 0.3).
RPOTI = 500

ADCCode = 500 * 2^Bits / 1000.4
ADCCode = 500 * 2^Bits / 999.6
Gerechnet würde somit:
RPOTI = (500 * 2^Bits / 1000.4) / 2^Bits * 1000
RPOTI = (500 * 2^Bits / 999.6) / 2^Bits * 1000
RPOTI = 500 * 1000 / 1000.4 bzw. 999.6
499.80 <= RPOTI <= 500.2
Fehler ~ 0.04 % (0.02 % bei einem TK von 2 ppm/°C oder 0.01 % wenn der 
Referenzwiderstand eine konstante Temperatur hat).
Alterungseffekte, ADC-Fehler etc. pp. mal aussen vor.

Autor: Florian Rist (Firma: TU Wien) (frist)
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Hallo Arc Net,
danke für Die Ausführliche Rechnung, ich hab, obwohl ja das Thema Pt1000 
im Raum stand, nicht an Konstantstrom gedacht und kommt drum nichts mit 
dem Referenzwiderstand anfangen. Jetzt ist's klar.

Welches Messprinzip wäre denn das vernünftigste? Ich hab da ja einiges 
zur Auswahl:

1. Konstantstrom
1.1. Konstantstrom durch den Gesamtwiderstand, Messung der Gesamts- und 
der beiden Teilspannungen
1.2. Konstantstrom durch jeden Teilwiderstand, Messung der 
Teilspannungen

2. Konstanntspannung
2.1 Konstanntspannung nacheinander an Gesamt- und Teilwiderstände, 
jeweils Messung des Stroms.
2.2 Konstantspannung an den Gesamtwiderstand, Messung der Teilspannungen

Hab ich noch was vergessen? Fragt sich ob's einfach ist eine kleine 
konstante Spannung 1mV - 1V oder einen konstanten Strom 1µA - 1mA zur 
Verfügung zustellen.

Grüße
Flo

Autor: Florian Rist (Firma: TU Wien) (frist)
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Hallo,
ich nochmal. Ich frage mich gerade, ob nicht vielleicht aller viel 
einfacher ist als ich bisher dachte.

Ich muss ja nur das "Verhältnis" der zwei Widerstände zueinander messen, 
Absolutwerte interessieren mich nicht. Da müsste man sich doch ein 
Messverfahren ausdenken können, so dass die Drift von Referenzspannung 
und Wandlertakt gar keine Rolle mehr spielt und alles nur noch für die 
Dauer einer Messung stabil sein muss.

Grüße
Flo

Autor: karadur (Gast)
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Hallo

solange dein Poti an der gleichen Referenz hängt wie der AD-Wandler ist 
der Rest ziemlich egal. Bei einer ratiometrischen Messung werden die 
meisten Einflüsse kompensiert. Wenn die Referenz wackelt tut sie das 
fürs Poti und für den AD-Wandler. Solange das Poti und der Wandler 
linear bleiben klappt das. Das gleiche gilt für die Temperatur weil die 
Teilwiderstände der gleichen Temperatur ausgesetzt sind. Das System 
bildet eine Brücke bei der der obere und der untere Zweig jeweils 
gleichen Einflüssen unterliegt.

Autor: Florian Rist (Firma: TU Wien) (frist)
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Hallo karadur

> solange dein Poti an der gleichen Referenz hängt wie der AD-Wandler ist
der Rest ziemlich egal. Bei einer ratiometrischen Messung werden die
meisten Einflüsse kompensiert.

Ich hatte da bisher noch nicht rangedacht, dabei ist das ja total klar. 
Ich dachte ich muss die 12-15 bit Genauigkeit absolut und über den 
ganzen Temperaturbereich schaffen. Ich muss aber ja eigentlich nur die 
Auflösung und Linearität für 15 bit erreichen (Linearität sogar nur für 
12-13, mehr macht das Poti nicht). Das müsste doch einigermaßen machbar 
sein.

Das Problem einen guten Analogteil hinzubekommen bleibt aber. Hat jemand 
Vorschläge oder Literaturempfehlungen, zur Erzeugung der 
Referenzspannung, der Ableitung der Messspannung daraus und der 
Messsignalverstärkung? Und dann wär da noch das Problem der 
Messstellenumschaltung (1. Teil-, 2. Teil-, Gesamtwiderstand).

Die Messspannung müsste bei ~1mV liegen, das Poti hat ~1k Ohm, ergibt 
den geforderten Messstrom von 1µA - alles ziemlich wenig. Der Messstrom 
darf bis zu 10mA groß sein, aber empfohlen ist <1µA. Vielleicht sollte 
man aber doch eher Richtung 1mA gehen, da hätte man dann immerhin ~1V?

Wie würde man geschickter Weise die Messspannung erzeugen? 
Spannungsteiler und OpAmp als Impedanzwandler wird wirklich eine Lösung 
sein. Und dann bräuchte ich ja noch einen Instrumentenverstärker mit 
einem Gain von ~1000. Klingt alles schwierig, oder?

Grüße
Flo

Autor: Thorsten (Gast)
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Flo,
ich nehme stark an, dass der Messstrom von 1uA der Schleiferstrom ist. 
Das lässt sich einfach über einen entsprechend hochohmigen Eingang lösen 
(z.B. OPV als Spannungsfolger). Das Poti selber kannst Du wahrscheinlich 
problemlos mit 5V (entspricht 5mA) betreiben, siehe Datenblatt. 
Entsprechend ist dann auch Dein Messsignal 0-5V (wie bereits 
vorgeschlagen statt 5V hier Vref des ADC verwenden).
Gruss,
Thorsten

Autor: Florian Rist (Firma: TU Wien) (frist)
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Hallo Thorsten

> ich nehme stark an, dass der Messstrom von 1uA der Schleiferstrom ist.
> Das lässt sich einfach über einen entsprechend hochohmigen Eingang lösen
> (z.B. OPV als Spannungsfolger). Das Poti selber kannst Du wahrscheinlich
> problemlos mit 5V (entspricht 5mA) betreiben, siehe Datenblatt.

Ah natürlich, so wird's sein. Das Datenblatt ist eh etwas dürftig, ich 
hab die Zahlen schnell am Telefon mit geschrieben und da war von 
"Messstrom" die Rede und mal von besser unter 1µA mal von max. 10mA. 
Deine Interpretation kling plausibel. Den Eingang hochohmig genug zu 
bekommen ist ja kein Problem.

Grüße
Flo

Autor: karadur (Gast)
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Hallo

auch die Referenz ist kein Problem solange dein Poti an der Referenz 
hängt. Das Poti und der AD-Wandler sehen die gleiche!! Referenz.

Autor: Arc Net (arc)
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> Das Problem einen guten Analogteil hinzubekommen bleibt aber. Hat jemand
> Vorschläge oder Literaturempfehlungen, zur Erzeugung der
> Referenzspannung, der Ableitung der Messspannung daraus und der
> Messsignalverstärkung?

Der Analogteil reduziert sich auf ein Minimum, wenn ein ADC wie der 
AD7793/94 verwendet wird (u.U. nur noch RC-Filter + TVS/ESD vor die 
Eingänge). Der Rest (Buffer, In-Amp, Verstärkung, Konstantstromquelle, 
Multiplexer etc.) ist integriert. Eingangsstrom liegt bei max. 1 nA. 
"Aufwendiger" ist eigentlich nur die Abstimmung von Referenzwiderstand, 
Konstantstrom und Verstärkung, um die Grenzen des ADCs nicht zu 
überschreiten und den Wandler auszunutzen.

Autor: Florian Rist (Firma: TU Wien) (frist)
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Hallo Arc Net

> Der Analogteil reduziert sich auf ein Minimum, wenn ein ADC wie der
> AD7793/94 verwendet wird (u.U. nur noch RC-Filter + TVS/ESD vor die
> Eingänge). Der Rest (Buffer, In-Amp, Verstärkung, Konstantstromquelle,
> Multiplexer etc.) ist integriert. Eingangsstrom liegt bei max. 1 nA.

Stimmt. Das ist aber ein Sigma Delta Wandler. Schadet aber ja nicht, 
oder?

> "Aufwendiger" ist eigentlich nur die Abstimmung von Referenzwiderstand,
> Konstantstrom und Verstärkung, um die Grenzen des ADCs nicht zu
> überschreiten und den Wandler auszunutzen.

Ist es denn nicht geschneiter mit Konstantspannung zu arbeiten? Da 
könnte ich doch einfach eine belastbare Referenz wie ADR430 benutzen und 
Poti und ADC direkt dranhängen.

Grüße
Flo

Autor: Arc Net (arc)
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> Ist es denn nicht geschneiter mit Konstantspannung zu arbeiten? Da
> könnte ich doch einfach eine belastbare Referenz wie ADR430 benutzen und
> Poti und ADC direkt dranhängen.

Nein, zum einen weil die Schaltung dadurch nicht einfacher wird, zum 
anderen erzeugt man dadurch zusätzliche Fehler.
http://www.national.com/nationaledge/dec04/article.html
Schaltung z.B. wie im Datenblatt des AD7792/93 oder Fig. 21 im 
Datenblatt des
AD7711
http://www.analog.com/UploadedFiles/Data_Sheets/AD...
http://www.analog.com/UploadedFiles/Data_Sheets/AD7711.pdf

Autor: Florian Rist (Firma: TU Wien) (frist)
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Hallo Arc Net

>> Ist es denn nicht geschneiter mit Konstantspannung zu arbeiten? Da
>> könnte ich doch einfach eine belastbare Referenz wie ADR430 benutzen und
>> Poti und ADC direkt dranhängen.
>
> Nein, zum einen weil die Schaltung dadurch nicht einfacher wird, zum
> anderen erzeugt man dadurch zusätzliche Fehler.

Ja? Welchen denn?

> http://www.national.com/nationaledge/dec04/article.html

Hmm. Wo kommt denn die erwähnte Nichtlinearität her? Oder ist nur die 
Tatsache gemeint, dass in der in Fig. 2 gezeigten Schaltung natürlich 
RTD nicht proportional zur an ihm abfallenden Spannung ist. Das könnte 
man aber leicht rechnerisch korrigieren, das ist ja ein systematischer 
Fehler.

Und in meinem Fall, Linearpoti, gibt es diese Problem gar nicht, mein 
Gesamtwiderstand ist ja konstant. Mir scheint immer noch 
Spannungserregung sinnvoller. Wäre nett, wenn Du Deine Bedenken näher 
erläutern könntest.

> Schaltung z.B. wie im Datenblatt des AD7792/93 oder Fig. 21 im
> Datenblatt des AD7711

Gut, wenn der ADC schon eine Stromquelle hat hat kann man sie benutzen, 
aber ich kann den Vorteil noch nicht sehen.

Grüße
Flo

Autor: Arc Net (arc)
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Der Fehler bei Konstantspannung ist nichtlinear.

Autor: Florian Rist (Firma: TU Wien) (frist)
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Hallo  Arc Net,
danke für Deine Mühe. Ich glaube ich verstehe, was Du meinst. Ich werde 
das mal nachrechnen, bzw. auch mal simulieren.

Das Problem ist also, dass die unbekannten Übergangswiderstände R1, R4, 
R9, R12 gegenüber den 1k Ohm des Potis nicht vernachlässigbar sind. Ist 
eigentlich logisch.

Wie sind denn die möglichen zusätzlichen Fehler, durch 
Konstantstromquelle einzuschätzen. Aus der Spannungsreferenz einen 
Konstantstrom zu machen, wird doch sicher auch einen Fehler hervorrufen.

Grüße
Flo

Autor: Arc Net (arc)
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> Aus der Spannungsreferenz einen Konstantstrom zu machen, wird doch sicher
> auch einen Fehler hervorrufen.

Mein Fehler, die rechte Schaltung sollte eigentlich nicht der Version 
von National entsprechen, sondern keine Strombegrenzung enthalten.
Macht letzendlich aber nichts, da dann der Fehler noch größer gegenüber 
der Konstantstromvariante wäre.

Autor: Florian Rist (Firma: TU Wien) (frist)
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Hallo Arc Net,
du hast die Simulation doch mit LTspie bzw. SwitcherCAD gemacht, oder? 
Der Screenshot sieht so aus. Das ist jetzt zwar eher OT, aber wie macht 
man denn so was richtig?

Ich da doch am besten einen über die Zeit veränderlichen Widerstand 
(für's Poti). Wie erstellt man so was?

Grüße
Flo

Autor: Reinhard R. (reinhardr)
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Hallo Florian,

man muss für eine 16bit Datenerfassungslösung normalerweise keine 
500-1000€ pro Kanal ausgeben. In Anbetracht des Aufwands zahlt es sich 
da oft nicht aus das Rad selber neu zu erfinden.

Unsere Arbeitsgruppe auf der Uni *) verwendet für Experimente u.a. HW 
von National Instruments. Das NI-USB 6218 mit 32 16bit Kanälen kostet 
beispielsweise 1000€, also weniger als deine Potis. Es gibt daneben noch 
eine Menge anderer Hersteller (Meilhaus, Spectrum,...) die sich mit 
Datenerfassung beschäftigen.

Gruß
Reinhard

*) TU Wien; Stand das nicht auch vor kurzem in deinem Profil?

Autor: Florian Rist (Firma: TU Wien) (frist)
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Hallo Reinhard

> man muss für eine 16bit Datenerfassungslösung normalerweise
> keine 500-1000€ pro Kanal ausgeben.

Will ich auch nicht, drum der Thread hier. :-)

> In Anbetracht des Aufwands zahlt es sich da oft nicht aus das
> Rad selber neu zu erfinden.

Möglich ja, aber ich wollte mal drüber nachdenken. Wenn man mal anfängt 
was zu bauen wird das schon auch immer schnell teuer, und bei 20 Kanälen 
kann man sich dann auch nicht mehr mit Mustern durchmogel und Stecker, 
Kabel und Gehäuse gehen auch immer ganz schnell ins Geld, und die Zeit 
wär da ja auch noch. Lohnt sich nur wenn man eben so eine Lösung mit 
spezifischen Vorteilen bekommt.

> TU Wien; Stand das nicht auch vor kurzem in deinem Profil?

Ja, hab hier eine Prädoc-Stelle. Hab das aber grad wieder aus dem Profil 
genommen, weil's gar so prominent überall stand. Ich schreib's wieder 
rein.

> Unsere Arbeitsgruppe auf der Uni *) verwendet für Experimente
> u.a. HW von National Instruments. Das NI-USB 6218 mit 32 16bit
> Kanälen kostet beispielsweise 1000€, also weniger als deine Potis.

Hmm, das klingt schon viel viertäglicher. Ich fürchte nur mit einer 
zentralen Lösung Probleme wegen der dann nötigen langen Leitung zu 
bekommen. Ich hätte rund sagen wir mal 10m Kabel zu jedem Poti. Ist das 
ein Problem oder nicht?

Mit einer dezentralen Lösung sind immer nur ein paar cm, der Rest ist 
dann irgendein digitaler Bus.

> Es gibt daneben noch eine Menge anderer Hersteller (Meilhaus,
> Spectrum,...) die sich mit Datenerfassung beschäftigen.

Danke für die Namen, ich fange da grad erst an mich umzuschauen.

Grüße
Flo

Autor: Reinhard R. (reinhardr)
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Florian Rist wrote:
> Hmm, das klingt schon viel viertäglicher. Ich fürchte nur mit einer
> zentralen Lösung Probleme wegen der dann nötigen langen Leitung zu
> bekommen. Ich hätte rund sagen wir mal 10m Kabel zu jedem Poti. Ist das
> ein Problem oder nicht?

Das hängt von verschiedenen Details ab, aber ich denke das sollte kein 
großes Problem sein. Vermutlich reichen ein überlegter Aufbau (keine 
Erdschleifen etc.), geschirmte Kabel und ev. ein wenig Filtern in der 
Software aus. Sonst muss man halt ein wenig tiefer in die Trickkiste 
greifen.

Gruß
Reinhard

Autor: Florian Rist (Firma: TU Wien) (frist)
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Hallo Reinhard

>> Ich hätte rund sagen wir mal 10m Kabel zu jedem Poti. Ist
>> das ein Problem oder nicht?

Das hängt von verschiedenen Details ab, aber ich denke das sollte kein
großes Problem sein.

Hmm, OK. dann hab ich mir da vielleicht unnötige Sorgen gemacht.

> Vermutlich reichen ein überlegter Aufbau (keine Erdschleifen
> etc.), geschirmte Kabel und ev. ein wenig Filtern in der
> Software aus. Sonst muss man halt ein wenig tiefer in die
> Trickkiste greifen.

Keine Erdschleifen und überhaupt auch keine anderen Leiterschleifen, ist 
klar. Immerhin ist ja die Versorgung der Potis mit cagen wir mal 1mA 
verhältnismäßig stark belastet drum recht unempfindlich gegen 
Einstrahlungen, oder? Die Messleitungen zum ADC sind kaum belastet, die 
muss man dann schön schirmen, vielleicht verdrillen. Am ADC Eingang 
könnte man dann noch einen Tiefpass anbringen, oder?. Ich probier das 
mal aus. Ein paar Meter kabel und ein Poti sollten ja reichen.

Grüße
Flo

Autor: Uwe (Gast)
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Hi!
Ich will ja jetzt nicht unken, beim elektrischen Teil sehe ich keine 
allzugrossen Probleme(würde es vorort umsetzen), aber beim mechanischen 
schon. Du musst ja das Poti irgendwo festmachen, wenn du da nicht 
hargenau das gleiche Material hast, aus dem das Poti ist, kommt es doch 
unweigerlich zu Dehnungsunterschieden und dein "µ" ist falsch.
Also -24-80°C halte ich für nicht (na sagen wir mal fast nicht) machbar.
Also wenn du das sauber löst, Hut ab!

Trotzden viel Erfolg, Uwe

Autor: Florian Rist (Firma: TU Wien) (frist)
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Hallo Uwe

> Ich will ja jetzt nicht unken, beim elektrischen Teil
> sehe ich keine allzugrossen Probleme(würde es vorort umsetzen),
> aber beim mechanischen schon. Du musst ja das Poti irgendwo
> festmachen, wenn du da nicht hargenau das gleiche Material hast,
> aus dem das Poti ist, kommt es doch unweigerlich zu
> Dehnungsunterschieden und dein "µ" ist falsch.

In diesem Fall nicht, die Probe wird abgekühlt, belastet, dann wird erst 
mal gewartet, dann wird das Poti akklimatisiert und montiert, jetzt wird 
gemessen, für ein paar Monate. Die Temperatur ist immer konstant. Ich 
brauch nur die relative Änderung die sich dann noch ergibt. 
Ausdehnungskoeffizienten des Materials oder des Potis spielen daher 
keine Rolle.

> Also -24-80°C halte ich für nicht (na sagen wir mal fast
> nicht) machbar. Also wenn du das sauber löst, Hut ab!

Für absolut genaue Messungen ist dass sicher sehr sportlich, brauch ich 
aber auch nicht, relativ wird's schon gehen denk ich.

Wie die Mechanik genau aussehen wird kann ich aber leider erst 
überlegen, wenn ich mich für ein Poti entschieden habe. Und das ist 
nicht so einfach, die meisten sind entweder zu groß oder nicht linear 
genug. Im Moment versuch ich einen Hersteller dazuzubekommen mir die 
Protokolle vom Lasertrimmern des Potis zu geben. Vermutlich ließe sich 
damit nachträglich eine Linearisierung durchführen. Das wäre sehr 
praktisch, sonst muss ich womöglich selbst eine Vorrichtung zum 
kalibrieren bauen und da wird die Mechanik dann schon ein Problem. Bzw. 
sie wird Teuer, da müsste ich eben einen präzisen Linearantrieb aus der 
Optik oder so besorgen.

Grüße
Flo

Autor: Uwe (Gast)
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Hi!
>dann wird das Poti akklimatisiert und montiert, jetzt wird
>gemessen, für ein paar Monate. Die Temperatur ist immer konstant
Das klingt aber jetzt deutlich anders als:
>Das wohl größte Problem dürfte der große Temperaturbereich werden. Die
>Schaltung muss von -24 bis 80°C funktionieren
und sollte so auch problemlos machbar sein.

Viel Erfolg, Uwe

Autor: Florian Rist (Firma: TU Wien) (frist)
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Hallo Uwe

>>dann wird das Poti akklimatisiert und montiert, jetzt wird
>>gemessen, für ein paar Monate. Die Temperatur ist immer konstant
>
>Das klingt aber jetzt deutlich anders als:
>
>>Das wohl größte Problem dürfte der große Temperaturbereich werden. Die
>>Schaltung muss von -24 bis 80°C funktionieren

Wieso? Wegaufnehmer und ADC (wenn der in de Nähe des Aufnehmer ist) von 
-24 bis +80 °C funktionieren. Die über die Messung konstante Temperatur 
erleichtert einiges, aber es ist dennoch ein großer Temperaturbereich. 
Die meisten Wegaufnehmer machen den schon mal nicht mit. Ob sie nur 
nicht dafür Spezifiziert sind und dann doch funktionieren würden oder 
wirklich nicht gehen weiß ich allerdings nicht. Mir sind da jetzt schon 
komische Sachen erzählt worden, so hab ich z.B. schon von verschiedenen 
Herstellern gehört ihre Aufnehmer, die ein Magnetband abtasten, würden 
<0°C nicht funktionieren, weil da der Magnetismus verschwindet. Das 
kommt mir sehr komisch vor.

Grüße
Flo

Autor: Obelix (Gast)
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Da das Poti auch einen gewissen Ausdehnungskoofizienten hat, denke ich 
mit 15 Bit Auflösung für eine Längenmessung is nich bei dem 
Temperaturbereich.

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