Messverstärker Kraftmessdose

[hacker]

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

[Besserwessi]

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 ?

[hacker]

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.

[wkrug]

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.

[Besserwessi]

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.

[PICture]

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

[hacker]

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

[PICture]

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

[hacker]

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.

[PICture]

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