Leitwertmessung - Konzept richtig?

[ThSteier]

Hallo,

das Thema hat zwar weniger mit Robotik als mit Automatisierung zu tun, aber ich hoffe mal, mir kann trotzdem jemand die Richtung geben ;)
Hintergrund ist eine Wasseraufbereitung bzw konkret der automatische "Verschnitt" von Leitungs- mit vollentsalztem Wasser, um einen bestimmten Leitwert zu erreichen. Das Ganze soll später mal mit RNCONTROL und Magnetventilen laufen, aber ich will mir da jetzt noch nicht den Kopf zerbrechen, solange ich die Sensorik nicht im Griff habe...

Zur Schaltung habe ich mir folgendes überlegt: um Probleme durch Polarisation der Elektroden bzw elektrochemische Prozesse zu vermeiden, wird mittels Wien-Generator (IC1A) eine Wechselspannung von rund 1,5 kHz erzeugt. Die Meßelektroden sind dabei in einer Brückenschaltung angeordnet, das Brückensignal wird mittels IC1B verstärkt. Daraufhin wird das Signal mit IC1C in den positiven Bereich angehoben und zuletzt erzeugt IC1D als Integrator daraus eine Gleichspannung für einen A/D-Wandler.

Gibt es bis hierhin schon einen Denkfehler meinerseits? Bzw kann man die Geschichte noch vereinfachen? Falls nicht, könnte ich mich über die Dimensionierung und an einen Versuchsaufbau machen.

Viele Grüße,
Thomas

[shaun]

Kurz überlegt: Du verstärkst ein sinusförmiges Signal variierender Amplitude und addierst dann einen fixen DC-Offset drauf. Anschliessend integrierst Du das Ganze. Was bleibt über? Der DC-Offset, das Signal ist weg. Anstatt das Signal anzuheben solltest Du es besser mit einem Messgleichrichter gleichrichten.

[ThSteier]

Hoppla... Ich war davon ausgegangen, daß die Summe aus Gleichspannung und überlagerter Wechselspannung integriert und so ein Durchschnittswert gebildet wird. An einen Meßverstärker hatte ich in dem Zusammenhang gar nicht gedacht, der macht die Sache wirklich einfacher. Glaube ich zumindest in meinem jugendlichen Wahn... ;)

<mode="While E. Coyote">Also zurück an's Zeichenbrett...</mode>

Viele Grüße,
Thomas

[Manf]

Mit einer Synchrongleichrichtung könnte man noch die Richtung der Abweichung erkennen.
Die Amplitude des AC Signals wird ins Messergebnis eingehen und die wäre bei einem Rechteckgenerator mit kapazitiver Ankopplung recht konstant.
Manfred

[shaun]

Es wird ja auch ein Durchschnittswert gebildet, nur ist der Durchschnitt einer Wechselspannung leider 0.
@Manf: was genau möchtest Du uns sagen ;) Ich arbeite zwar gerne mit Synchrongleichrichtern (aktuell mit einem Mischer bei 100MHz), aber aus Deinem Vorschlag werde ich gerade nicht wirklich schlau. Klär mich auf!

[ThSteier]

'nen Synchrongleichrichter werde ich mir (jedenfalls, wenn wir das Gleiche meinen) wohl eher nicht antun - da kann ich dann auch gleich noch auf's Vierleiter-Prinzip umsteigen ;)

@shaun:
Ok, nun hab ich's verstanden.

@Manf:
Wieso wäre die Amplitude nur bei kapazitiver Ankopplung konstant? Sind bei direkter Kopplung (vorausgesetzt, der Brückenwiderstand ist groß genug) Rückwirkungen auf den Ozillator zu befürchten? Die einfachste Variante wäre ja IMHO die unten angefügte - könnte das klappen?

Viele Grüße,
Thomas

[shaun]

So schwingt der Oszillator sicher nicht. Fehlt da vielleicht was..?

[Manf]

In der Mitte der Schaltung ist eine Messbrücke.
Die 3 konstanten Widerstände sind z.B. 1kOhm.
Ist der Widerstand des Sensors auch 1KOhm dann ist Brücke abgeglichen.

Bei einer Veränderung des Sensorwiderstands erhält man eine Messspannung.
Die Messspannung ist bei Synchrongleichrichtung der Änderung des Sensorwiderstands proportional.
Bei Gleichrichtung ist sie nur dem Betrag der Änderung proportional.
(Mit einem Analogschalter CD4016 ist eine Synchrongleichrichtung bei der tiefen Frquenz auch einfach zu realisieren. Ansteuerung des Schalters mit dem Oszillatorsignal.)

Die Messspannung ist auch Proportional zur Versorgungsspannung der Brücke. Die AC Versorgungsspannung sollte deshalb möglichst konstant sein. Mit einem Rechteckgenerator ist dies leichter zu erreichen als mit der zunächst gezeigten Schaltung mit der Wienbrücke.
Manfred

[ThSteier]

@shaun:
Das kommt davon, wenn's schnell gehen soll. ;) Da war eigentlich alles - nur leider nicht dort, wo's hingehört...

@Manf:
Ich stehe jetzt ehrlich gesagt auf'm Schlauch. Wieso würde eine Synchrongleichrichtung im Gegensatz zur "normalen" hier andere Ergebnisse liefern? Wenn ich das Prinzip richtig verstehe, fällt bei der synchronen Ausführung doch nur der Spannungsabfall an den Brückendioden weg?

Viele Grüße,
Thomas

[Manf]

Bei einer Gleichrichtung mit Dioden kommt ja immer nur eine positive (oder bei anderer Polung der Dioden nur eine negative) Spannung heraus.
Bei der Synchrongleichrichtung kommt die Spannung je nach Verstimmung der Brücke auch positiv oder negativ heraus.

Soll die Brücke denn nur nach einer Seite verstimmt werden? Dann geht es auch mit Dioden.
Manfred

[ThSteier]

Ok, jetzt verstehe ich, was Du oben mit dem Unterschied zwischen beiden Gleichrichtern meintest.

Ein positives Signal reicht mir aus (das soll irgendwann auf 'nem A/D-Pin eines AVR landen) - würde es funktionieren, "Brückennull" auf ein Ende des (praktisch möglichen) Meßbereiches zu trimmen und dann mit bekannter Verschiebungsrichtung zu arbeiten? Die Verstärkung des Brückenverstärkers muß ich ja auch nach dem zu erwartenden Maximalwert festlegen, um keinen Überlauf zu fabrizieren.

Der Aufwand für eine Synchrongleichrichtung schreckt mich hier ehrlich gesagt etwas ab: einerseits müßte ich aus dem AC-Oszillatorsignal die beiden Signale für die Schalter ableiten und andererseits müßte ich dem gleichgerichteten Signal dann wieder einen Offset verpassen, um gültige Werte für den A/D-Wandler zu erzielen.

Viele Grüße,
Thomas

[Manf]

Mit verstimmter Brücke geht es auch, und die Genauigkeit wird sicher bei der Anwendung nicht das Kriterium sein.

Falls es mal gebraucht wird:
Die einfachste Lösung wäre, ein Rechteckoszillator der die Brückenspannung erzeugt und gleichzeitig das Signal für die Analogschalter (4016), die das Brückensignal phasensynchron an den Verstärker schalten.
Manfred

[ThSteier]

Ja, Präzissionsinstrument soll das keins werden.

Zum Synchrongleichrichter: ich hab mal auf die Schnelle was zusammengeklickt - stimmt das Prinzip? Bei AC am Oszillator müßte dann noch eine Diode in die Taktleitung, um die negative Halbwelle zu sperren? Zumindest bei einem Rechtecksignal und genügend Flankensteilheit sollte doch der Spannungsabfall an der Diode nicht stören?

Viele Grüße,
Thomas

edit:
Ist zwar OT - aber wieso blendet das Forum eigentlich PNG-Dateien mal als Bild und mal als Downloadlink ein? Merkwürdig...

[shaun]

Wenn Dein Takt jetzt synchron zur Anregung der Brücke ist, sollte das so passen. Man kann auch Umschalter (4053) benutzen oder einen OPV so schalten, dass er durch einen CMOS-Schalter mal positive, mal negative Verstärkung hat.
@Manf: also meintest Du das wirklich ernst ;)

[Manf]

So wird dann aus dem vorgeschlagenen einfachen Synchrongleichrichter der ein bisschen phasentreu abtasten soll (b) gleich ein Vollweggleichrichter der die verfügbare Signalenergie auschöpft.

Dann sollte man auch den Arbeitspunkt des Verstärkers ruhig halten und die Brücke bipolar ansteuern (d), um auch ohne kompletten Differenzverstärker (c) das Signal gegen einen konstanten Bezugspunkt aufnehmen zu können.

Die Alternative ist, das Brückensignal nur in einer Phase hochohmig abzutasten (b).

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Ich bin mir sicher dass shaun es versteht, aber es könnte sein dass die gesamte Abwägung etwas komplex ist.

a) Wie vorher schon besprochen, einfache Lösung kaum in Lehrbüchern zu finden, der Messwert wird von vielen Parametern bestimmt: Unsymmetrische Brücke mit aktivem Gleichrichter.

Oder man wählt beste Empfindlichkeit einer symmetrischen Brücke mit:

b) eigentlich eine recht einfache überschaubare Lösung,
Abtastung nur einer Phase mit Synchrongleichricher mit anschließendem DC Verstärker,

c) Synchrone Vollweg-Gleichrichtung des Brückensignals, für die Auswertung ist ein Differenzverstärker nötig, grundsätzlich auch kein Problem.

d) Komplementäre Ansteuerung der Brücke, synchrone Vollweg-Gleichrichtung des Brückensignals, Auswertung auch mit Differenzverstärker. Systematisch saubere Lösung.
Manfred

[shaun]

Auch wenn ich heute anscheinend echte Verständnisprobleme habe (mein ATtiny hier versteht mich einfach nicht ;) ), ist es mir dennoch gelungen, Deine vier Ansätze nachzuvollziehen. Ich hatte mich nachdem ich die 4 Schalter gesehen habe auch auf Lösung d) eingeschossen, ist wie Du schon schreibst die Sauberste. Nur vermutlich unnötig sauber, d.h. eine Phase gleichrichten sollte in der Tat reichen, die Schönhheit des Gleichrichters ohne Dioden bleibt erhalten. Allerdings müsste man den im Ursprungsposting gezeigten Wien-Brücken-Oszillator dann entweder gegen etwas rechteckiges austauschen oder einen der OPVs als Komparator opfern.

[ThSteier]

Ihr könntet mir wirklich Mut machen - langsam aber sicher bekomme ich hier Gehirnverknotung ;)

Ich werde wohl erstmal die Variante mit Rechteckgenerator und Meßgleichrichter auf 'nem Steckbrett zusammenbauen und schauen, wie sich die Meßwerte (auch im Hinblick auf Langzeitstabilität) verhalten. Standardlösungen zum Kalibrieren gibt es in der Apotheke.
Wenn's wirklich nicht klappt oder zu sehr schwankende Resultate bringt, werde ich mich mal an der Synchron-Geschichte versuchen - aber übertreiben will ich das dann auch nicht.

Viele Grüße,
Thomas

[Thoralf]

Die Lösung mit Rechteckgenerator und Synchrongleichrichter ist wirklich günstiger als die einfache Diodengleichrichterschaltung, selbst wenn die Genauigkeitsforderungen nicht so streng sind. Das aus weiteren Gründen:

- der Diodengleichrichter ist stark nichtlinear!!!

- eine Gleichrichterschaltung kann man zwar mit OVs linearisieren aber der Aufwand steigt.

- wie Manfred schrieb, ist der Rechteckgenerator amplirudenkonstanter als andere wie z.B. Wiengenerator.

- außerdem läßt sich der Rechteckgenerator leicht frequenzkonstant halten. Frequenzdriften gehen über Kabel- und andere Kapazitäten als Widerstandsänderungen ins Meßsignal ein und verursachen Fehler (weiß ja nicht, wie der Meßaufbau aussehen soll)

- ein Rechtecksignal, das phasensynchron "gleichgerichtet" wird, hat kaum Restwelligkeiten. Ein unaufwändiges RC-Glied als Integrator genügt dann zur Signalglättung.
Würde man einen Sinus als Speisespannung verwenden, müßte man das gleichgerichtete Signal wesentlich stärker glätten um dem ADC ein sauberes Signal anzubieten.

Man sieht also, daß selbst bei geringen Genauigkeitsanforderungen der Rechteckgenerator und die Phasensynchrongleichrichtung der einfachste Weg ist.

Übrigens Thomas, vergiß nicht die Temperatur mit zu messen. Die bestimmt den Leitwert auch wesentlich mit.

[ThSteier]

Erstmal vielen Dank für die Infos - die Sache wird wohl doch nicht nur 'n 08/15-Wochenendprojekt... Mal schauen, was die Freizeit hergibt und wann ich erste Resultate (oder Rauchzeichen ;)) vorweisen kann.

Viele Grüße,
Thomas