ich arbeite gerade an einer Projektarbeit und hänge etwas in der Luft, da mir die Erfahrung hinsichtlich der Schnittstelle Hardware/Software fehlt.
Grundidee:
Ich möchte die Änderung des Widerstandswertes über eine bestimmte Dauer ständig überwachen, um den Beginn der Alterung des DUT zu identifizieren und so die Alterungskurve zu analysieren und charakterisieren.
Anbei habe ich mal einen ersten Entwurf für die Aufnahme der Messwerte gehängt. Der Spannungsabfall wird über einen Komparator und einen Buffer an einen ADC geleitet.
Folgende Punkte sind weiter offen:
die erste Reihe an Messwerten soll gespeichert werden --> hier würde ich einen uC an den ADC anschließen, der die Werte aufnimmt
der Spannungsabfall soll in den äquivalenten Widerstandswert konvertiert werden und auf Plausibilität geprüft werden (Software) --> Programmierung des uC über ein Skript
sobald der Plausibilitätscheck beendet ist, sollte die Speicherung aufhören, vermutlich fehlt dementsprechend eine Art Schalter, der zu dem Zeitpunkt dann aufgeht und die Speicherung von Messdaten unterbricht --> hier fehlt mir die Hardwarelösung, wie ich einerseits die Schaltung unterbreche und andererseits das Signal gebe, die Datenspeicherung zu unterbrechen
anschließend dauerhafte Messung, Konvertierung und Vergleich mit dem Anfangswert --> hier fehlt ebenfalls die Hardwarelösung, hier wäre vielleicht ein weiterer Komparator aus dem uC, der den Anfangswert mitgibt und mit den aktuellen Werten vergleicht
ein optisches Signal erzeugen bei Grenzwertüberschreitung --> evtl. Ergänzen einer LED-Schaltung hinter dem Komparator.
Edit #1: Da es mehrere Anmerkungen bezüglich der Bedingungen gab, möchte ich den Use case etwas genauer definieren.
Der DUT erfährt beschleunigte Alterungsbedingungen nahe der Spezifikationsgrenze und die Schaltung ist extern gelagert und wird unter "normalen" Bedingungen betrieben. Der Strom wird über eine programmierbare Spannungsquelle konstant gehalten, sodass über den Spannungsabfall der Widerstand rausgerechnet werden kann.
Ich möchte die Änderung des Widerstandswertes über eine undefinierte
Dauer ständig kontrollieren, um den Beginn der Alterung zu
identifizieren.
Welche Alterung? Die des DUT oder deines Aufbaus? Denn beide altern und
du weißt nicht, wer älter ist.
Vielleicht hätte ich ergänzen sollen, dass das DUT einen beschleunigten Alterungstest erfährt, also maximale Testbedingungen an der Spezifikationsgrenze. Der Aufbau ist extern gelagert und wird unter "normalen" Bedingungen betrieben.
Alle Bauteile altern von Anbeginn an, auch deine Auswerteschaltung.
Zudem kann man den Widerstandswert durch Spannungsabfallmessung nur ermitteln, wenn man den Strom durch den Widerstand extrem konstant hält, besser als die Widerstandsalterung, oder ihn misst durch den Spannungsabfall an einem zweiten Widerstand (shunt) in Reihe der nicht altert - so einen gibt es aber nicht.
Zudem schwankt der Ausgabewert deiner Schaltung mit der Toleranz des Differenzverstärkers, und der verwendet Widerstände deren Alterung ÜBERPROPORTIONAL in den Ausgabewert eingeht, dieselbe Alterung bei denen wirkt sich also stärker auf den Messwert aus als die gleiche Alterung deines Messwiderstandes.
Vergiss also das ganze Konzept. Du bist Programmierer, als solcher hast du von der realen Welt nicht die leiseste Ahnung, überlass das den Physikern, Metrologen.
Alle Bauteile altern von Anbeginn an, auch deine Auswerteschaltung.
Zudem kann man den Widerstandswert durch Spannungsabfallmessung nur
ermitteln, wenn man den Strom durch den Widerstand extrem konstant hält,
besser als die Widerstandsalterung, oder ihn misst durch den
Spannungsabfall an einem zweiten Widerstand (shunt) in Reihe der nicht
altert - so einen gibt es aber nicht.
Zudem schwankt der Ausgabewert deiner Schaltung mit der Toleranz des
Differenzverstärkers, und der verwendet Widerstände deren Alterung
ÜBERPROPORTIONAL in den Ausgabewert eingeht, dieselbe Alterung bei denen
wirkt sich also stärker auf den Messwert aus als die gleiche Alterung
deines Messwiderstandes.
Vergiss also das ganze Konzept. Du bist Programmierer, als solcher hast
du von der realen Welt nicht die leiseste Ahnung, überlass das den
Physikern, Metrologen.
Hallo Michael,
vielen Dank für den Hinweis.
Wie weiter oben beschrieben, ist die Platine im Betrieb recht stabil.
CSA, Komparator und ADC bewegen sich im uV-Bereich was die Error-Kalkulation angeht. Der Strom wird über eine programmierte Spannungsquelle konstant gehalten, sodass das DUT wie ein Shunt einen definierten Spannungsabfall hat und man den Widerstand rausrechnen kann. Der Testaufbau ist extern gelagert und das DUT unter beschleunigten Alterungsbedingungen betrieben.
Da es bereits mehrere Hinweise zum Test gab, würde ich die Beschreibung nochmal editieren und den eigentlichen Test detailliert ausführen.
Ich möchte die Änderung des Widerstandswertes über eine undefinierte
Dauer ständig kontrollieren, um den Beginn der Alterung zu
identifizieren.
Die typische Widerstandsalterung ist negativ exponentiell und beginnt mit der Fertigung, die setzt nicht erst irgendwann ein.
Um wie viele ppm geht es denn? Hat der Widerstand Milli- oder Megaohm? Welcher TK?
Am einfachsten wäre 4W Messung mittels DVM mit ausreichender Zeitspezifikation. Oberes Ende ist z.B ein HP3458A.
Sonst eine Brückenschaltung mit ausreichend stabilen Referenzwiderständen aufbauen, z.B. Vishay S102.
Es soll ein Widerstandswert gemessen werden.
Welcher Messbereich? (geht's um mOhm od. Megaohm?)
Mit welcher Genauigkeit soll gemessen werden? (10 % od. 10 ppm?)
Mit welcher Auflösung soll gemessen werden? (8 bit oder 24 bit?)
Mit welchem Strom soll/darf der Widerstand belastet werden?
Ein Komparator ist ungeeignet. Der liefert als Antwort nur 1 od. 0! (Auflösung = 1 bit)
Der Strom wird über eine programmierte Spannungsquelle konstant
gehalten, sodass das DUT wie ein Shunt einen definierten Spannungsabfall
hat
Uff, wenn der Widerstand an einer Spannungsquelle hängt, wird der Spannungsabfall immer derselbe sein, nur der Strom ändert sich mit der Alterung.
Da aus dieser Beschreibung aber folgt, dass dein Widerstand nicht 'in einer Schaltung in Verwendung' ist, sondern zur Messung zur Verfugung steht, besorge dir ein ausreichend genaues, per PC auslesbares Multimeter wie https://www.welectron.com/Keithley-DMM6500-Tisch-Multimeter mit Kelvin-Klemmen und benutze das einfach, statt selbst schlechteres aufzubauen.
Es soll ein Widerstandswert gemessen werden.
Welcher Messbereich? (geht's um mOhm od. Megaohm?)
Mit welcher Genauigkeit soll gemessen werden? (10 % od. 10 ppm?)
Mit welcher Auflösung soll gemessen werden? (8 bit oder 24 bit?)
Mit welchem Strom soll/darf der Widerstand belastet werden?
Ein Komparator ist ungeeignet. Der liefert als Antwort nur 1 od. 0!
(Auflösung = 1 bit)
Hallo Hans,
entschuldige das Auslassen der Infos.
Der Strom über das DUT befindet sich zwischen 100 und 150A und gibt einen Widerstandswert zwischen 400 und 600 mOhm wieder. Ergänzend ist zu sagen, dass ich den Aufbau mit einem INA241A, OPA320 & ADS8860 realisiert habe, sodass die Genauigkeit hinsichtlich des Error relativ gering ist. Der ADS8860 hat hierbei eine Auflösung von 16 Bit.
Zielgenauigkeit sollte unter 2% sein, was die Komponenten auch hergeben sollten. Der Komparator sollte als Buffer dienen und den ADC "treiben".
Der Strom wird über eine programmierte Spannungsquelle konstant
gehalten, sodass das DUT wie ein Shunt einen definierten Spannungsabfall
hat
Uff, wenn der Widerstand an einer Spannungsquelle hängt, wird der
Spannungsabfall immer derselbe sein, nur der Strom ändert sich mit der
Alterung.
Da aus dieser Beschreibung aber folgt, dass dein Widerstand nicht 'in
einer Schaltung in Verwendung' ist, sondern zur Messung zur Verfugung
steht, besorge dir ein ausreichend genaues, per PC auslesbares
Multimeter wie
https://www.welectron.com/Keithley-DMM6500-Tisch-Multimeter mit
Kelvin-Klemmen und benutze das einfach, statt selbst schlechteres
aufzubauen.
Vielen Dank Michael für dein Engagement und deine Hinweise.
Vielleicht hätte ich noch ergänzen sollen, dass die obere Darstellung nur die Signalkette zeigt. Eine Last ist noch dazugeschaltet, sodass die Spannungsquelle angepasst wird, um einen konstanten Strom zu geben. Hierbei werden Rechteckpulse ausgegeben, um durch die elektro-thermische Kausalität eine beschleunigte Alterung zu provozieren.
Der Spannungsabfall wird mit fortschreitender Alterung, so wie Wolf17 geschrieben, aufgrund des exponentiellen, alterungsbedingten Anstiegs des Widerstandes sich analog dazu erhöhen.
4w Messung ist, wie du bereits ausgeführt hast, die beste Methode, jedoch ist das Ziel, die Schaltung als Applikation zu verwenden, sodass ein manueller Betrieb nicht notwendig ist.
Ich möchte die Änderung des Widerstandswertes über eine undefinierte
Dauer ständig kontrollieren, um den Beginn der Alterung zu
identifizieren.
Die typische Widerstandsalterung ist negativ exponentiell und beginnt
mit der Fertigung, die setzt nicht erst irgendwann ein.
Um wie viele ppm geht es denn? Hat der Widerstand Milli- oder Megaohm?
Welcher TK?
Am einfachsten wäre 4W Messung mittels DVM mit ausreichender
Zeitspezifikation. Oberes Ende ist z.B ein HP3458A.
Sonst eine Brückenschaltung mit ausreichend stabilen
Referenzwiderständen aufbauen, z.B. Vishay S102.
Hallo Wolf17,
ja genau. Erstmal vielen Dank für deine Antwort.
Bei vorherigen Messversuchen mit anderen DUTs konnte ich diese Exponentialität wunderbar darstellen.
Wie gesagt, 4w Messung wäre bei manuellem Betrieb die Wunschlösung.
Ziel wäre hierbei jedoch, eine Applikation (Platine) in bestimmte Systemumgebungen einzubauen, ohne (mit geringem) manuellen Betrieb.
Der Widerstandswert bei vorherigen Messungen war im Bereich zwischen 400 und 600 mOhm
Der Widerstandswert bei vorherigen Messungen
war im Bereich zwischen 400 und 600 mOhm.
Bei Milliohmwiderständen ist eine Vierdrahtmessung sozusagen Pflicht.
Allerdings glaube ich, das sämtliche anderen Bauelemente Deiner
Zielschaltung schneller altern werden, wie Dein Widerstand. Das gilt
im Besonderen, wenn Dein Widerstand ein Drahtwiderstand ist.
Der Widerstandswert bei vorherigen Messungen
war im Bereich zwischen 400 und 600 mOhm.
Bei Milliohmwiderständen ist eine Vierdrahtmessung sozusagen Pflicht.
Allerdings glaube ich, das sämtliche anderen Bauelemente Deiner
Zielschaltung schneller altern werden, wie Dein Widerstand. Das gilt
im Besonderen, wenn Dein Widerstand ein Drahtwiderstand ist.
Hallo Harald,
vielen Dank für deine Antwort.
4w Messung würde ich auch bevorzugen. CSA ist jedoch ebenfalls extrem genau.
Ziel ist jedoch eine Applikation, die später in eine Systemumgebung implementiert wird.
Die Schaltung ist extern verbaut und der DUT widerfährt eine beschleunigte Alterung.
....zwischen 100 und 150A und gibt
einen Widerstandswert zwischen 400 und 600 mOhm wieder.
400mOhm mit 100A führt zu 40 V und 4000 W Wärmeleistung. Sind die Angaben richtig und so gemeint? (Betrieb und Messung bei 100 A ? Wirklich 400 mOhm ?)
Zur Spannungsmessung per µC-ADC würde dann auch ein einfacher Spannungsteiler genügen. (Ohne fehlerbehafteten "Komparator" und "Buffer")
Fraglich ist aber auch, ob die Konstantstromquelle vielleicht auch einen Shunt zur Regelung hat, der genauso altert - dann ist das (falsche) Ergebnis möglicherweise "Null Alterung".
....zwischen 100 und 150A und gibt
einen Widerstandswert zwischen 400 und 600 mOhm wieder.
400mOhm mit 100A führt zu 40 V und 4000 W Wärmeleistung. Sind die
Angaben richtig und so gemeint? (Betrieb und Messung bei 100 A ?
Wirklich 400 mOhm ?)
Zur Spannungsmessung per µC-ADC würde dann auch ein einfacher
Spannungsteiler genügen. (Ohne fehlerbehafteten "Komparator" und
"Buffer")
Fraglich ist aber auch, ob die Konstantstromquelle vielleicht auch einen
Shunt zur Regelung hat, der genauso altert - dann ist das (falsche)
Ergebnis möglicherweise "Null Alterung".
Entschuldige bitte Hans, hatte einen kleine Verwechsler.
Spannungsabfall 400 bis 600mV, dementsprechend sind wir im uOhm-Bereich. Bitte um Berücksichtigung oben, da hatte ich es ebenfalls irrtümlich so angegeben.
Der OPA320 hätte einen sehr geringen Drift mit +-150uV, wäre das noch zu verschmerzen im Vergleich zum oben genannten Spannungsabfall.
Nochmals Entschuldigung für die Verwirrung.
OK.
Wenn ein Messbereich von 1000mV genügt muss die Verstärkung auch nur klein sein. (z.B. bei Referenzspannung 4,00 V: 4-fach)
Oder man verzichtet völlig auf die Verstärkung (und die volle 16 bit Auflösung) weil die Genauigkeitsanforderung (besser 2% für's Gesamtsystem) auch bei nur 14 bit Auflösung kein Problem darstellt.
(Anmerkung: Verstärkung mit normalen 1% Widerständen am OP bringt zusätzliche Fehler.....)
5V Referenz klingt doch sehr nach der Betriebsspannung, also um +/-5% schwankend, das wird sowieso nichts.
Selbst ein billiger Arduino hat eine 1000 x stabilere Referenz mit 1.0-1.2V on board die direkt 0.4-0.6V messen könnte mit 0.2% Genauigkeit. Wenn die Auswerteschaltung von der 150A Stromquelle galvanisch getrennt ist, kann man Masse der Auswerteschaltung direkt an den Kelvinanschluss des zu messenden Widerstands legen und braucht den ganzen Fehler reinbringenden Unsinn nicht.
5V Referenz klingt doch sehr nach der Betriebsspannung, also um +/-5%
schwankend, das wird sowieso nichts.
Allerdings hab ich von z.B. 4,00 V Referenzspannung geschrieben und nicht von Betriebsspannung. (Austauschen von Worten verändern den Sinn.)
Die zwei Nullen nach dem Komma weisen auch darauf hin, dass eine Schwankung von +/-5% da nicht vorliegen sollte.
600mV 150A sind 90W. Die Alterung hängt entscheidend von der Temperatur, also der Kühlung ab. Für Präzision an den TK denken. Ein heiß werdender TK200 Widerstand kann schon mal 2% brauchen.
Widerstandstemperatur messen. Dann den Widerstand solo im Ofen temperieren und gleichzeitig 4W messen sollte einfacher und genauer als der geplante Aufbau sein.
Widerstände altern nicht exponentiell, sondern negativ exponentiell, die Änderung wird typischerweise immer kleiner.
Ob der Widerstandswert größer oder kleiner wird hängt vom Material ab, meistens steigt er.
