Messverstärker Kraftmessdose

Hallo,

Um die Brückenschaltung einer Kraftmessdose "auszulesen" brauch ich einen Messverstärker.

Die Schaltung sollte recht präzise sein. Sollte man lieber ein fertiges IC nehmen oder den Differenzverstärker selber aufbauen?

Die Verstärkung sollte fest auf einen bestimmen Wert dimensionierbar und eine Offset Korrektur möglich sein.



Die Brücke hat 4,211mV/V bei 22,241kN. Wenn ich nun bei 10kN 10V haben will, brauche ich eine Verstärkung von 352 bei 15V Brückenspannung. Stimmt das?

Spricht was gegen die recht hohen 15V als Brückenspannung (Datenblatt erlaubt bis 20V)? Sollte man kleinere Spannungen wählen?


Danke für Eure Hilfe,
hacker

Für genügend Signal sind 15 V Brücken schon gut, allerdings hat man damit auch relativ viel Wärmeentwicklung. Ob das schon stört hängt vom Messverstärker, dem Brückenwiderstand und dem Aufbau der Dose ab. Je besser der Verstärker, desto eher wird die Erwärmung kritisch.

Feritige ICs (Instrumentenverstärker) machen die Schaltung schon etwas einfacher. Einzel OPs sind oft etwas günstiger und man hat mehr Auswahl.

Für eine sehr genaue Messung sollte man die Anregung mit Wechselspannung (Größenordnung 300 Hz) machen, da hat man keine Problem mit Offsetspannungen und 1/f rauschen . Es hängt aber davon ab, wie schnell gemessen weden soll.

Die noch offenen Informationen sind:
Bandbreite
Geforderte Genauigkeit
Widerstand der Brücke
Welcher Aufwand ist vertretbar ?

Hallo,

danke für die Antwort. Ich hab mich nun für ein fertiges Instrumentenverstärker IC entschieden. (AD8221). In Kombination mit einer Spannungsreferenz (ADR441) hab ich mal folgenden Schaltplan erstellt.

Was sagt ihr dazu?

Bild hier  


Brückenwiderstand ist übrigens 350 Ohm.



/edit

Den Bereich des Nullabgleichs wird evtl. noch größer gemacht. Worst case Offset bei der Verstärkung liegt wohl bei mehr als 20mV.

Ich bin jetzt mit diesen Meßdosen nicht so firm, aber wäre da nicht gleich ein A/D Wandler mit integriertem Differenzverstärker einsetzbar ?

Ich hab mal ein wenig mit dem AD 7795 von Analog Devices gearbeitet und Gute Erfahrungen damit gesammelt.
Das Teil hat auch gleich einen BIAS Generator, sowie eine interne Referenz eingebaut.

Den Chip gibts auch als 24 Bit Variante.

Bei 15 V an 350 Ohm sind das ja schon fast 50 mA oder 750 mW. Das ist ziehmlich sicher nicht gut für die Genauigkeit. Da würde ich vom gefühl her eher mit unter 5 V Brückenspannung arbeiten. Das sind dann unter 75 mW an Verlustleistung.

Der AD8821 scheint mir auch nicht so optimal. Wenn es sein muß gibt es welche mit weniger Drift. Der Poti direkt am Einagnsgverstärker ist auch nicht so optimal. Da ist der TK oft nicht so gut definiert, und man kann ggf. auch Thermospannungen einfangen. Wenn es geht den Abgleich der Verstärkung hinter dem Verstärker.

Beim einstellen der Offsetspannung wird es vermutlich besser sein die Spannung auch der Brückenspannung abzuleiten, also keine extra Spannungsreferenz. Die Brückenspannugn sollte ggf. auch für einen nachgeschateten AD-wandler benutzt werden. Der Einstellbereich der Ofseteinstellung sollte auch noch zu klein sein. Die Spannung sollte sich auf den Ausgang beziehen, nicht auf den Eingang des Verstärker. Man wird also eher einen Bereich von +- 5 V als Offset brauche.

Hallo!

@ hacker

Ich stimme dem wkrug völlig zu, dass für eine Messbrücke Differenzverstärker üblich sind. Bei einem einzelnem OpAmp, der nicht als Differenzverstärker konfiguriert ist, verliert man die Hälfte von Ausgangssignal der Brücke und alle Vorteile der Symmetrie. Meine Meinung nach einen "besseren" OpAmp in falscher Konfiguration anzuwenden ist sinnlos.

Ich würde sagen, dass bei Ausgangssignal in mV Bereich reicht es die Messbrücke mit Referenzspannung zu benutzen, wenn diese Spannung schon mit einem OpAmp realisiert und somit belastbar ist.

Für detailierte Analise der Schaltung fehlen noch einige, vorher von Besserwessi aufgelistete Messparameter.

Bevor du nächsten Schaltplan erstellst, würde ich dir https://www.roboternetz.de/phpBB2/download.php?id=6963 als "Lektüre" empfehlen.

MfG

Hallo,

ich möchte meine Anforderungen klar stellen:

Kraftmessdose mit Brückenwiderstand von 350 Ohm. Verstärkung sollte bei dann sagen wir mal 2,5V Brückenspannung ca. 2113 sein, aber minimal darum einstellbar mit einem Präzesionspoti.
Bandbreite ist rel. gering. Ich gehe davon aus, dass eine Nichtbeachtung dieser vollkommen ausreicht ;-)
Das Ausgangsignal sollte von -10V bis +10V reichen.
Ich brauche eine "Auflösung" am Eingang von ca. 0,1 - 1µV bei 2,5V Brückenspannung (oder was ist mit Genauigkeit gemeint?). Das würde dann am Ausgang eine Genauigkeit von 1-10mV sein.
Man sollte den Offset abgleichen können.
Als Spannungsversorgung stehen +-15V und 5V zur Verfügung.
Aufwand kann schon ein bisschen mehr als ein OP sein. Jedoch muss man es schaltungstechnisch auch nicht übertreiben und es perfekt machen wollen.

@wkrug

Danke für die Anregung. Jedoch brauche ich das verstärkte Signal nachher analog und nicht digital.

@besserwessi

An die hohe Verlustleistung hab ich gestern Abend in aller Eile gar nicht dran gedacht. Danke für den Hinweis. Ich bin nun (siehe oben) auf 2,5V Brückenspannung umgestiegen.

Leider finde ich keinen anderen Instrumentenverstärker als IC mit deutlich weniger Drift, der aber auch direkt mit +-15V arbeiten und +-10V Ausgangspannung liefern kann.

Das mit dem Poti hab ich noch nicht verstanden. Was ändert es, wenn ich dem Instrumentenverstärker mit einer festen, aber nicht ganz passenden Verstärkung betreibe und dann danach die Verstärkung mit einem z.B Spannungsteiler anpasse?

Den Offset also nachher mittels Addiere auf mein Ausgangssignal geben?

@PICture

Über den Thread des geposteten Links bin ich schon bei meinen Recherchen gestolpert. Trotzdem Danke.

Ich kann jedoch nicht abschätzen, ob dieser "recht einfache" (anhand der Anzahl der Bauelemente gemessen) Differenzverstärker meinen Anforderungen entspricht.


Grüße,
hacker

Hallo!

Ich befürchte, dass bei einer Auflösung von 0,1 µV wegen Rauschen und variablen thermischen Offset/Drift, direkte DC Verstärkung nicht möglich sein wird, wie der Besserwessi schon am 17.04.2010 um 20:33 Uhr erwähnt hat.

Deswegen darfst du leider nicht erwarten, dass es sich mit simpler Schaltung realisieren lässt.

MfG

Deswegen hatte ich zu Anfang auch an die hohe Brückenspannung von 15V gedacht. Weil damit das Ausgangssignal deutlich größer und die benötigte Auflösung niedriger werden würde.

Es handelt sich um eine Kraftmessdose mit 4,211 mV/V bei 5000lbf (22,241112kN). Benötigt wird nur ein Arbeitsbereich von -10kN bis +10kN. Beim Ausgangssignal soll 1kN 1V entsprechen.

Um das Ausgangssignal zu erhöhen, könte man auch Impulsmessungen mit höcherer Spannung (hoffentlich sogar über die erlaubte 20 V z.B. mit +/- 15 V)) überlegen, wo die Messbrücke, wegen Wärmeentwicklung, nur kurz mit Spannung versorgt wird. Das kompliziert aber das Analogteil um "sample & hold", weil du es brauchst. Entscheidend hier ist, mit welchen, bisher unbekannten, Zeitabständen die Messungen wiederholt werden müssen.

MfG

Das klingt nach recht viel Aufwand. Zumal ich das Ausgangssignal kontinuierlich brauche.

Wirklich kontinuerlich scheint es für mich als (fast) unmöglich, habe aber keine große Erfahrung mit DC Spannungen im µV Bereich.

MfG

Könnte man auch erst mit einem z.B AD8230 (50nV/°C) auf einen nur etwas höheren Pegel verstärken (+-2,5V). Danach einen OpAmp das Signal nochmals verstärken lassen? Hat das Nachteile?

/edit

Ich sehe grad, dass der Typ eine interne Sample Hold Funktion mit nur 6kHz hat. Das langt nicht für mich.

Auf die schnelle, ohne Berechnungen, kann ich es nicht beantworten, weil der Arbeitstemperaturbereich fehlt. Theoretisch hat es für mich keine Vor- und Nachteile. Wichtig ist immer die Eingangsstufe des ersten Verstärkers, da sein Drift und Rauschen am Eigangssignal immer genauso wie Nutzsignal durch Folgestufen verstärkt werden. Ausserdem kennt man aus dem Parameter 50 nV / °C das Rauschen bei bestimmter Temperatur nicht, oder ist es z.B. für 20 °C 1 mV ? An das glaube ich nicht, weil dann für negative Temperaturen z.B. - 20 °C sollte es negativen Rausch geben, was mir sinnlos erscheint... ;)

MfG

Die Aussagen 6 kHz reicht nicht, und Bandbreite sehr niedrig passen irgendwie nicht zusammen. Wie schnell muß es denn nun sein ?

Für ein paar kHz könnte man noch mit einer Modulationstechnik arbeiten, ggf. auch mit höherer Frequenz. Dazu gibt es auch fertige Verstärker für Messbrücken zu kaufen.

Die Aufteilung der Verstärkung auf 2 Teile ist auch sinnvoll. Ein Verstärker mit +-5 V oder wenger hat weniger Eigenerwärmung und damit oft weniger Drift. Eine zusätzliche Verstärkung dahinter um einen Faktor 5 oder so ist dann schon nicht mehr kristisch und der Verstärker kann dann auch mehr Strom liefern. Den Großteil der Verstärkung sollte schon die erste Stufe machen - dann spricht eigenlich nichts mehr dagegen in 2 Stufen zu verstärken.

Die interne Sampling Freuquenz bei zero Drift Verstärkern ist in der Regel keine Obergrenze für das Signal, es kann nur in dem Bereich etwas mehr Störungen geben.

Auch mit einen Chopper OP sind DC Spannung im µV Bereich nicht einfach. Da kriegt man leicht Thermospannungen in der gelichen Größenordnung. Wenn es geht also gleich die Anregung der Brücke modulieren und dann nach der Verstärkung demodulieren.

Darf ich mich mit meinem Problem hier anhängen? Ich habe zur Zeit eine Schaltung geerbt, die ich verbessern/ ätzbar machen sollte. Es geht darum auf einem Board 4 Kraftmessdosen, die Brückenschaltungen nutzen, zu verstärken. Es stehen nur 5V zur Verfügung und der, der es vorher bearbeitet hat, benutzte INA122 Operationsverstärker, die Singlesupply tauglich sind. Ich habe die Schaltung nun auf eine Platine gebracht und noch ein paar Komponenten erweitert. Das ganze wird per Stiftleiste an ne Controllerplatine geklemmt, von der die Spannung kommt und wo auch die Ausgangsspannungen von bis zu 3,3V hin sollen. Der rechte Teil der Schaltung mit dem NE555 und dem TSOP1738 ist momentan nicht bestückt bzw. hat durchtrennte Leiterbahnen um das Problem auszuschließen.

Ich habe also den Schaltplan übernommen, es ging vorher hat aber etwas gerauscht. Nun hab ich folgendes Problem, und ich fürchte es liegt am Layout und mein ungenügendes Wissen in Richtung Analog-Layoutregeln:
Die 4 Opamps liegen übereinander. Die Mittleren klappen wie gewollt, der unterste liefert aber ein riesiges, peakartiges Rauschen, und bei Belastung bricht die Spannung immer ein, bleibt einen moment bei 0 und steigt wieder auf den Belastungswert. Und noch lustiger.. wenn ich die obere Dose belaste, dann steigt sowohl der Wert dieser an, nimmt aber den Problemfall der untersten mit, d.h. es überspricht der eine Kanal auf den gestörten. Da der Lochrasterprototyp lief, fürchte ich, es ist das Layout, besonders meine Sternkonstruktion, wo Schirmung und alle möglichen anderen Grounds zusammelaufen. Ich hoffe ihr wisst rat, danke.

Hallo!

@ the_Ghost666

Ich vermute Montage- und Layoutfehler bzw. defekte Bauteile, weil das grobe Fehlverhalten, kann ausser HF nicht durch Layout selbst verursacht werden. Das einzige, was mir einfällt, ist die fehlerhafte Fragmente der Schaltung zu untersuchen (Vergleichsmessungen) und alle gefundene Fehler beseitigen bzw. entsprechende Fragmente sogar zerlegen und genauso wie die gut funktionierende neu aufbauen.

MfG

Was defekte Bauteile angeht: die Widerstände und Kondensatoren in SMD Technik werd ich mal prüfen, aber glaube nicht an nen Defekt. Die Ops sind gesockelt, deswegen hab ich sie auch mal durchgewechselt, das Verhalten ist immer gleich, sodass ich die Opamps als defekt ausschließe. Ich hätte gerne mal nen Kurs oder nen Wissenden, der einem mal so richtig erklärt, was die Dos und Don'ts sind, im Leiterplattendesign, das wurde in meinen Vorlesungen nie so richtig angesprochen. Hat wer da vielleicht Literatur? Ich hab das hier gefunden: http://www.selectcircuits.com/images...n_tutorial.pdf

Sorry, aber ich habe selbst bisher keine Leiterplatte entwickelt und hergestellt, deswegen kann ich dir leider nicht weiterhelfen. :(

MfG

Hallo,

ich werde heute Nachmittag nochmal ausführlich posten. Hab jetzt nur kurz Zeit und eine Frage :)

Das mit dem Input Drift / Input Offset eines IA hängt das auch von der Verstärkung ab? also sagen wir mal 1µV Offset.

Wird dieser Offset dann in der ersten Stufe im IA selber auch schon mitverstärkt oder nicht?

Ist das also der Offset bei Gain = 1 oder ist der unabhängig davon?

Ich habe früher sehr viele Analogschaltungen für MSR entwickelt und Layoutet, allerdings war das alles in THT.
Bei SMT sollte es aber nicht anders sein. Wichtig ist halt das eine Signalführende Leiterbahn, auf der nur µV unterwegs sind, ringsum von einer Massebahn "begleitet" wird. Weiterhin wichtig sind Kerko´s im pF-Bereich direkt an der OPAMP-Spannungsversorgung, bei gesockelten IC´s am besten innerhalb des Sockels.
Bei einem ph-Regler habe ich mir mal einen Wolf gesucht, Grund: in einem Kerko war ein Anschluß nicht sauber kontaktiert.
Die Phänomene waren ähnlich wie die von the_Ghost666 beschriebenen.

Hallo!

@ hacker

Der angegebene Offset 1 µV am Eingang beim Gain=1 wird natürlich beim Gain > 1 verstärkt und wird am Ausgang des ersten Verstärkers entsprechend größer.

MfG

Die angaben zum Offset und der Drift beziehen sich normalerweise auf den Eingang. Der Fehler wird also noch verstärkt. Der Offset (bezogen auf den Eingang) ist relativ unabhängig von der Verstärkung

Gelegentlich wird auch ein zusätzlicher Beitrag, bezogen auf den Ausgang angegeben, der sollte bei der relativ hohen Verstärkung hier aber nicht weiter stören.

Hallo,

ich war fleißig und habe eine neue Schaltung entworfen:

Bild hier  

Wenn die folgende Rechnung richtig ist, dann müsste die Schaltung für meine Ansprüche genügen. Eine Offset Einstellung fehlt noch. Das könnte man doch durch eine variable Spannung statt der Masse beim Spannungsteiler des Verstärkers machen, oder?

So nun meine Rechnung:

4,211 mV/V bei 22241,112N ergibt (bei einer Brückenspannung von 5V) 9,467mV für 10kN. Messbereich soll +-10V für +-10kN sein. D.h ich brauche eine Gesamtverstärkung von ca. 1056. Die erste Verstärkung wird gleich im IA erledigt mit v=207. Der angesprochene Drift sollte egal sein mit 0,3µV/°C, da über einen geschätzten Temperaturunterschied von 10°C max 3µV entstehen. Diese verstärkt ergeben max. 3mV. Jedoch hab ich für den Bereich +-10V nur 12Bit zur Verfügung. Sprich ich sollte das gar nicht so arg mitbekommen.

Hab ich richtig überlegt?

Wenn ich eine Auflösung von 5N (5mV) hinbekomme, bin ich zufrieden.


Ist noch größeres Verbesserungspotential in der Schaltung?

Die Erzeugung der +-5 V ist noch nicht so gut. Die meisten OPs mögen keine große kapazitive Last am Ausgang, das wird mit dem extra FET dazwischen auch nicht unbedingt besser werden. Die Schaltung für die +5V wird so vermutlich schwingen. Wenn es mit dem extra FET sein soll, dann eine direkte Rückkopplung per Kondensator vom OP Ausgang und ein Widerstand in die Leitung vom Ausgang.

Wenn die 15 V schon einigermaßen Stabil sind, und bei nur 12 Bit Auflösung könnte man auch schon bald normale Spannungsregler nehmen. Zumindestens für die Versorgung des 1.ten Verstärkers wäre das einfacher.


Bei der Verstärkungseinstellung mit dem Poti könnte man noch was verbessern. Satt dem 500 Ohm Poti, einen Widerstand von z.B. 560 Ohm und eine Poti von ca. 5 K Parallel. Damit wirkt der oft schelchte TK des Poties nicht mehr so stark. Für 12 Bit wird das noch nicht unbedingt nötig sein.

Hallo!

Ich verstehe deine Überlegungen nicht ganz und sehe kaum Unterschied zu der vorheriger Schaltung, weil an der Messbrücke immer noch kein Differenzverstärker hängt. Wenn der OpAmp nicht als Differenzverstärker konfiguriert werden kann, könnte man doch zwei einzelne so wie bisher nehmen und an Augängen die unbenutzte Hälfte von IC4 als Differenzverstärker ausnutzen (wie im Wiki).

Was haben 12 Bit mit von dir benötigter analoger Spannung zu tun ?

Ich weiß nicht woher sollte man die genaue tatsächliche Rauschspannung, die zu erwarten ist, nehmen ? Wenn das Rauschen nicht berücksichtig ist, dann sollten deine Überlegungen passen und man wird das Rauschen erst in der Praxis sehen. ;)

MfG

Hallo,

@PICture

Das Symbol von IC3 ist vielleicht ein bisschen unglücklich gewählt (die Bibliothek hab ich schnell in Eagle geschaffen). Es soll ein schon fertig integrierter Instrumentenverstärker, bei dem man die Verstärkung über den einen Widerstand Rg einstellen kann. Mit den "Messfühlern" kann man direkt in die Eingänge.

Das Ausgangsignal des Messverstärkers, welches ein Bereich von +-10V abdecken soll, wird zu einem späteren Zeitpunkt wieder digitalisiert und zwar mit 12 Bit. D.h ich hab eh nur knapp 5mV Auflösung am Ende.

@Besserwessi

Deine Vorschläge werde ich gleich mal einbauen. Den Offsetabgleich werd ich auch noch machen.


Dann dürft ihr nochmal zur Kontrolle drüberschauen :)

Wenn das Signal später digitalisiert wird, sollte man die Ref. Spannung des ADs aus der brückenspannung ableiten, oder ggf umgekehrt.

Wenn die Auswertung nicht zu schnell werden muß, und hinter dem AD-Wandler noch etwas Recehnzeit übrig ist, könnte man überlegen die Brücke mit Wechselspannung zu beteiben, und die Demodulation dann digital hinter dem AD zu machen. Mit Wechselspannung hat man kaum Offsetprobleme und 1/f Rauschen ist auch nicht das Problem. Bei hoher Abtastrate des ADs kann man dann auch mit einerm 12 Bit AD deutlich mehr als 12 Bit auflösunge bekommen, bei niedriger Bandbreite. Bei Wechselspannung kann man Oversampling gut ausnutzen.

@ hacker

Ich werde mit dem IC in deiner Schaltung sicher keine Probleme haben, obwohl Instrumentenverstärker und Differenzvrstärker für mich nicht gleich sind... ;)

Ich finde das Dattenblatt ohne eigene Messungen für Entwicklung ungenügend.

Für mich wäre es wachrscheinlich bequemer Digitalmessen und danach DA Wandeln, aber...

MfG

Ich habe nun die Schaltung fertig gemacht und die Platine gelayoutet. Ende nächster Woche müsste sie fertig sein. Dann wird aufgebaut und euch berichtet.

Hallo zusammen,

der Messverstärker ist nun fertig aufgebaut. Leider gibt es folgendes Problem:

Der Verstärkungsfaktor des Instrumentenverstärker IC variiert nach Größe der Differenzspannung, die er verstärken soll.

Ungefähr so:

U_dif = 1mV dann Gain = 350
U_dif = 2mv dann Gain = 260
U_dif = 3mV dann Gain = 240
U_dif = 4mV dann Gain = 215
U_dif = 5mV dann Gain = 215


Eingestellt ist aber eine Verstärkung von 207.

Woran kann das liegen, dass sich der Verstärkungsfaktor ändert?

Ich hab es schon probiert und die Schaltung eine Stunde laufen gelassen zwecks der Erwärmung. Es wird nicht besser.


Habt ihr Ideen?

Grüße,
hacker

Der Verstärkungsfaktor wird sich nicht ändern. Da gibt es aber einige mögliche Fehlerquellen, die so ähnlich aussehen können:
1) HF Einstrahlungen z.B. vom Handy
2) der Verstärker schwingt
3) die Brückenspeisung schwingt
4) eine Offsetspanung

Das sieht nach einem Fehler in der Masseverbindung aus.
Versuchs mal mit einer Masseleitung zwischen dem Gehäuse des Messwertaufnehmers und dem GND Deiner Schaltung.