Stromschnittstelle (4-20mA) an AVR

[pongi]

Hallo!

Hab mir gerade Gedanken gemacht, wie ich am besten mehrere Sensoren mit 4-20mA Stromschnittstelle an den AD-Wandler eines AVRs anschliessen soll. Prinzipiell gibts da ja zwei Möglichkeiten:

1. Einfach einen 250Ohm Widerstand in die Stromschnittstelle legen, und Spannung messen (sollte dann zw. 1-5 V liegen). Dabei ist mein Problem, dass der AD-Wandler die Messung ja zu AGND bezieht, daher muss eine Seite des Widerstands mit AGND verbunden werden. Das würde aber die Stromschnittstelle stören (vor allem, wenn mehrere Sensoren an verschiedene Kanäle des AD-Wandlers angeschlossen sind), oder?

2. Entkopplung mit Optokoppler, wobei wenn die LED bis 20mA geht, diese ohne Probleme einfach in den Strompfad geschalten werden dürfte. Dann brauche ich aber einen Spannungsteiler an der Transistorseite, wo ich dann die Spannung abhängig vom LED-Strom messen kann. Die Frage hierbei ist nur, wie linear diese Abhängigkeit ist, bzw. wieweit eine Genauigkeit von 1% eingehalten werden kann.

Was meint ihr, was ist besser? Bzw. gibt es andere Möglichkeiten? (Den Stromschnittstellendekoder RCV420 kenne ich, aber sowas würde ich ungern verwenden).

Viele Grüße

pongi

[Lif79]

Zur not einen externen differentiellen A/D-Wandler an den 250 Ohm Widerstand anschliessen, denn der brauch nicht direkt auf GND liegen...

[pongi]

Ja, aber da ich wie gesagt mehrere solche Sensoren mit Stromschnittstelle habe, wäre das eine ziemlich unwirtschaftliche Lösung. Daher möchte ich den AD-Wandler des AVRs benutzen.

[Mandi Nice]

Warum kann der AGND nicht auch der GND der Stromschleifen sein ?

Eine Stromschleife besteht aus einer Spannungsquelle, dem Sensor und der Messglied. Wenn man den Minus der Spannungsquellen aller Stromschleifen verbindet und diesen auch mit AGND verbindet, dann wäre das Problem gelöst.

Der Plus der Spannunsquelle wäre mit den Sensor zu verbindern und der zweite Anschluss vom Sensor mit dem 250Ohm Widerstand und der Widerstand wäre mit AGND zu verbinden.

hmg
Mandi

[Besserwessi]

Über den Optokoppler wird man kaum auf 1% Genauigkeit kommen. Dafür müßte man schon die Temperatur des OK sehr stabil halten, und auch dann ist das mit der Linearität schon sehr knapp. Eher würde es da schon mit einer magnetischen Isolierung klappen: der Strom geht durch eine Spule und wird durch einen 2 ten Strom kompensiert. Das wäre dann aber nur für sehr langsame Signale.


Der wesentliche Nachteil den man durch die Verbindung an AGND hat, ist das die Stromkreise halt da galvanisch verbunden ist. Wenn die verschiedenen Sensoren aus der gleichen Quelle gespeißt werden können, macht das noch keine Probleme die auch zum messen zusammenzuschalten.

[Mandi Nice]

Mit einem Standartoptokoppler wird's wohl nichts. Die haben ja riesige Schankungen in den Daten.

Es gibt AnalogKoppler. Die Kosten aber ein Schweinegeld.

Wenn die Stromschleifen keine gemeinsame Masse vertragen, gebe es noch die Möglichkeiten einen Messverstärker zu setzen ( Messung des Spannungsabfalls am Widerstand ) hat auch den Vorteil, dass der Widerstand kleiner gewählt werden.

hmg
Mandi

[pongi]

Die Sensoren werden von der gleichen Quelle gespeist, die Leitungslängen sind aber ziemlich groß.

Bin mir aber trotzdem nicht sicher, dass ich AGND überhaupt in die Stromschnittstelle mit einbinden darf. Denn dann fliesst ja der Strom nicht mehr zurück zum Sensor, sondern wird nach AGND abgeleitet. Dadurch gehen aber die Sensoren in den Fehlerzustand, da Kabelbruch angenommen wird. Oder habe ich hier jetzt irgendwo einen Denkfehler?

Das mit dem Optokoppler hab ich mir schon gedacht... Aber irgendwie muss es ja gehen, in Industrieanlagen werden (oder wurden) diese Stromschnittstellen ja sehr gern benutzt.

[Mandi Nice]

In Industrieanlage kann ein Trennverstärker auch Euro 100.-- kosten.
Soviel willst Du wohl nicht ausgeben.

Die Sctromschleife muss auch einen Minus haben
Diese musst Du mit AGND verbinden udn schon fliesst der Strom auch wieder zurück.

hmg
Mandi

[BASTIUniversal]

Hi!
Viele AVR's haben einen differentiellen A/D-Wandler integriert...!

MfG
Basti

[Mandi Nice]

- Spanungsquelle + ----- Sensor----- Widerstand ----- zurück zum Spannungsquelle -


Wie lange sind die Leitungen ? Gehen die Leitungen in andere Räume oder Gebäude ? Dann würde ich sowieso Trennverstärker empfehlen. Es könnte ansonsten wegen Potentialunterschiede zu Ausgleichsströmen kommen. Dadurh gibt es sehr interessante Effekt -vom Messfehler bis zumTod der Schaltung.

[Mandi Nice]

Welche AVR's haben differentielle A/D-Wandler ??

[pongi]

Der Sensor wird nicht über die Stromschnittstelle versorgt, sonder extra mit 12VDC. Es gibt einen Analogausgang, der als eine Stromschnittschleife mit 4-20mA ausgeführt ist. Deshalb meine Zweifel. Die Leitungslängen sind um die 20m, geschirmte, verdrillte Leitungen.

[Mandi Nice]

Dann kannst Du es nur mal ausprobieren oder messen ob der Minus der Stromschleife auch der Minus der Sensorversorgung ist.

Oder Du musst eine Messverstärker setzen ( Differenzmessung )

[pongi]

Und wie wärs mit einem Strom-Spannungswandler? http://de.wikipedia.org/wiki/Bild:Current_Voltage_Converter.svg

Geht das? Mit OpAmps kenne ich mich nicht besonders gut aus...
Obwohl, ich brauch dann sowieso ein IC mit 6-8 OpAmps, eigentlich ist es dann egal, ich kann auch nen Differenzverstärker bauen.

@Basti: es würde mich auch interessieren welche AVRs einen diff. AD-Wandler haben.

[Mandi Nice]

Der Strom-Spannungswandler ist ja auch auf Masse bezogen. Also das gleiche Problem.

[pongi]

Ja, stimmt, bin inzwischen draufgekommen. Ist ja blöd mit dieser verdammten Stromschnittstelle. Am besten wäre wirklich, wenn - der Stromschleife mit GND verbunden wäre...

[Besserwessi]

Einen Differentiellen AD Eingang haben z.B. Mega16, Mega32 oder Tiny26.
Ein Stromschleife als Signal, aber eine extra Versorgung ist ungewöhnlich.

Wenn man die Masseleitunge ordentlich legt sollte es gehen alle Kanäle an einem Punkt zusammen zu haben. Man muß aber eventuell etwas shutz gegen Überspannungspulse oder ähnliches vorsehen. Wegen der eher geringen Auflösung des AD Wandlers ist Stromsignal relativ unempfindlich, da gehört schon einiges zu um da Störungen einzukoppeln. Das Hängt allerdings noch etwas davon ab wie schnell gemessen werden muß.

[pongi]

Danke, habs mir angesehen, aber da ich sowieso ein Problem habe, weil ich mehr Kanäle als AD-Pins habe, wird das mit den differentiellen AD-Eingängen des Mega16s auch nichts. Ich glaub ich bleib beim Differenzverstärker, bis jetzt scheint mir das als die beste Lösung.

Apropos Mangel an AD-Eingängen: wie könnte Man die Spannungssignale vom Differenzverstärker irgendwie multiplexen? Da das ganze nicht zeitkritisch ist, könnte ich sowas gebrauchen, solange der Aufwand und die Kosten nicht mehr sind, als noch ein AVR.

[Besserwessi]

Die Eingänge kann man zusätzlich extern multiplexten. Das kann man z.B. mit 4051 oder 4052 CMOS multiplextern machen oder man schaltet wirklich den 4-20 mA Strom um, dann kann man eventuell auch normale Transistoren nehmen.

Ein differentieller Eingang beim AD wird aber nicht viel bringen, denn die Sensoren sind immernoch miteinander verbunden, nur nicht mehr unbedingt so niederohmig. Richtig trennen kann man die noch nicht, denn der Differenzeingang verträgt nur einen relativ kleinen Eignagsbereich.

Wenn zwischen der Kanälen keine Verbindung sein darf, dann hilft nur eine Galvanische trennung. Wie man die am besten macht hängt von der Signalfrequenz ab. Ein Möglichkeit wäre z.B. je Kanal einen Controller (aus den 4-20mA gespeißt) und dann ein Optokoppler der das Signal digital überträgt.

[pongi]

Den differentiellen AD Eingang will ich jetzt gar nicht mehr nutzen. Ich habs mir jetzt -Dank euch- so vorgestellt, dass ich an den Widerstand in der Stromschleife einen Differenzverstärker anschliesse, und dessen Spannungsausgang geht dann (u.U gemultiplext) an den single-ended AD-Eingang. Damit sollte es dann keine Probleme mit der Verbindung der Kanäle sein, oder?

PS. die Signalfrequenz ist ziemlich klein, da das ganze ein träges System ist (Zeitkonstante mehrere Sekunden).

[Besserwessi]

Der differenzverstärker bringt nur sehr wenig Verbesserungen gegenüber dem einfachen zusammenschalten. Wenn das ein träges System ist, kann man eventuelle Störungen durch Mitteln über vielfache von 20 ms eingekoppelte Störungen sehr gut unterdrücken. Bei weniger als Netzfrequenz sollte man kaum noch Störungen bekommen. Vermutlich wird man auf den Verstärker verzichten können und mit nur Multiplexer und Schutzwiderständen auskommen.