Mehrere DMS messen mit 24bit ADC LTC2499

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Autor
Mehrere DMS messen mit 24bit ADC LTC2499

    







BID = 1094276

Raphael

Stammposter



Beiträge: 445
Wohnort: Schwabenland
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Guten Tag zusammen,

ich melde mich nach langer Abstinenz mal wieder und könnte euer Schwarmwissen brauchen

Es geht um folgendes Projekt:

Ich möchte 12 Dehnmessstreifen (120 Ohm) mit einem 24Bit-ADC (LTC2499) auswerten.

Die DMS werden mit 2K-Kleber auf einen Materialklotz aufgeklebt, welcher belastet wird. Es soll ein Messwert vor und ein Messwert nach der Belastung aufgenommen werden. Die Auswertung soll möglichst genau stattfinden, da die Längenänderung sehr gering sein wird.

Ich bin mir nun aber nicht sicher, welche Beschaltung des ADC's am meisten Sinn macht. Würdet ihr sagen, dass die Schaltung so zielführend ist? (siehe Anhang)

Mit dem LTC2499 habe ich schon rumexperimentiert(fliegender Aufbau) und weis, dass wenn COM und REF- auf GND liegen und Ref+ auf +1V liegt - so wie im angehängten Schaltplan - man einen Messbereich von -0,5V ... +0,5V erhält.

Die Spannung der Halbbrücke aus 1,2k und DMS (120 Ohm) liegt etwa bei 0,3V +/- paar mV, je nach Dehnung.

Da die Auflösung mit 24Bit ja sehr hoch ist, sollte sich die Spannungsdifferenz aufgrund der Dehnung ja recht gut messen lassen oder?

Oder macht es mehr Sinn, das Potential von COM per Spannungsteiler etwa auf fixe 0,3V zu legen (anstatt GND) und den Messbereich weiter zu verkleinern? (durch ändern der Spannungen an REF+ und REF-) ?

Weitere Fragen:

1) Wenn man R1 bis R12 auf 120 Ohm verringern würde, hätte man ja eine höhere Spannungsdifferenz pro "% Dehnung". Das ist aber wahrscheinlich nicht so schlau, weil die höhere Leistung die im DMS abfällt, ja ebenfalls den Messwert verfälscht oder?

2) Mit den Kondensatoren C1 bis C12 mit 220nF möchte ich das Rauschen etwas unterdrücken. Macht das Sinn?

3) Spannungsversorungsmäßig würde ich mich fürm einen 3,3V-Festspannungsregler (mit 2xElko 1uF und 2x 100nF Keramik)entscheiden, welcher die Halbbrücken und auch den ADC versorgt. Sollte die "Güte" der Spannung ausreichen um ein möglichst rauscharmes und gutes Signal auslesen zu können?

Sorry für die vielen Fragen. Ich hab noch nie einen Dehnmessstreifen ausgelesen in diesem Leben

Würde mich über Tipps und Anregungen freuen!






BID = 1094279

Murray

Inventar



Beiträge: 4745

 

  

Ich denke mal ohne Verstärker wird das nix.
Gibt doch auch einiges zu Lesen zu dem Thema im Netz.

BID = 1094283

winnman

Schreibmaschine



Beiträge: 1623
Wohnort: Salzburg

Widerstandsmessbrücke und einfach vor und nach der Belastung messen

Da braucht man doch keine zusätzliche Schaltung dafür

BID = 1094285

der mit den kurzen Armen

Urgestein



Beiträge: 17433

Normal sollten derartige Messstreifen mit einem Konstantstrom gespeist werden. Die Messspannung darf dabei nicht verfälscht werden,deshalb mit extrem hochohmigen Spannungsfolger entkoppeln. Die Auflösung kann durch nachfolgende Spannungverstärkung auch noch erhöht werden.

_________________
Tippfehler sind vom Umtausch ausgeschlossen.
Arbeiten an Verteilern gehören in fachkundige Hände!
Sei Dir immer bewusst, dass von Deiner Arbeit das Leben und die Gesundheit anderer abhängen!

BID = 1094299

perl

Ehrenmitglied



Beiträge: 11110,1
Wohnort: Rheinbach


Zitat :
Da die Auflösung mit 24Bit ja sehr hoch ist, sollte sich die Spannungsdifferenz aufgrund der Dehnung ja recht gut messen lassen oder?
Gute Frage.
Bei vielen dieser hochauflösenden Wandler bestehen die letzten Bits hauptsächlich aus Rauschen, dass man etwas reduzieren kann, indem man über viele Messwerte mittelt.
Ich habe mich mit dem LTC2499 noch nicht beschäftigt, aber fürs erste würde ich nicht mehr als 18 stabile Bits erwarten.
Und auch das nur, wenn beim Layout nicht geschlampt wurde.

P.S.:
Zitat :
Die DMS werden mit 2K-Kleber auf einen Materialklotz aufgeklebt, welcher belastet wird.
Ich hoffe dass du einen geeigneten Kleber verwendest. DMS werden nämlich mit speziellen Klebern montiert, die nicht kriechen.


P.P.S.:
Zitat :
Die Auswertung soll möglichst genau stattfinden, da die Längenänderung sehr gering sein wird.
Wenn es sich um eine Längenänderung handelt, bietet es sich an nicht einzelne DMS zu verwenden, sondern fertige DMS-Brücken aus 4 Widerständen.
Zwei davon werden gedehnt und bringen die Brücke aus dem Gleichgewicht, die beiden anderen liegen quer zur Dehnung und dienen als Referenzen und zur Temperaturkompensation.
Wenn du die DMS wie oben gezeigt verschaltest, und x-beliebige Widerstände zum Vergleich mit einem DMS verwendest, wirst du wohl nur ein Thermometer bauen.



[ Diese Nachricht wurde geändert von: perl am 17 Feb 2022 22:01 ]

[ Diese Nachricht wurde geändert von: perl am 17 Feb 2022 22:37 ]

BID = 1094527

Raphael

Stammposter



Beiträge: 445
Wohnort: Schwabenland
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Hallo, danke für eure Antworten.

@Murray: Ich habe die Hoffnung, dass das ganze auch durch die hohe Auflösung und Mittwertbildung lösen lässt

@winnman: Das hoffe ich auch!

@der mit den kurzen Armen: Eine genaue Konstantstromquelle wäre natürlich besser. Aber bei meinem vereinfachten Aufbau, müsste man doch den Fehler durch den "schwankenden Strom" rausrechnen können oder?

@Perl: Ja, du hast Recht dass die letzten Bits des 24Bit-Wandlers eigentlich nur Rauschen ist. Habe eben mal rumexperimentiert. Ich komme bei meinem Testaufbau immerhin auf 17 bis 18 stabile Bits.
Das mit dem Mitteln hatte ich vor - habe es aber noch nicht getestet inwieweit man das Ergebnis verbessern kann.

Das ganze mit einer fertigen "DMS-Brücke aus 4 Widerständen" zu machen wäre sicherlich besser - allerdings bin ich gezwungen eine vorgegebene, sehr spezielle DMS-Baugruppe zu verwenden, in welcher 12 einzelne DMS verbaut sind, die auch einzeln gemessen werden.

Meine eigentliche Frage ist:

Wenn ich möglichste brauchbare Spannungswerte an CH0 bis CH11 messen möchte, wie sollte ich dann Ref-, Ref+ und COM beschalten?
Der zu messende Spannungswert liegt zwischen 0,25V und 0,35V. Soll ich Ref- und Ref+ einfach auf GND und Vcc lassen oder lieber Anpassen, damit der Messbereich verkleinert wird (z.B. auf 0V bis 0,5V oder halt noch enger an die zu messende Pegel)?

Führt das aber zu anderen Nachteilen/Ungenauigkeiten?

Und falls man die Spannungen von Ref+/Ref- auf bestimmte Pegel legen möchte: macht man das einfach mit einem Spannungsteiler über +3,3V und GND?


Würde mich über weitere Tipps freuen

BID = 1094534

winnman

Schreibmaschine



Beiträge: 1623
Wohnort: Salzburg

Ich habe eigentlich gemeint, ein "normales" Messgerät für Widerstandsmessung zu verwenden und einfach manuell die 12 Messungen vor und nach der Belastung zu machen und händisch zu dokumentieren.

BID = 1094548

Raphael

Stammposter



Beiträge: 445
Wohnort: Schwabenland
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@winnman: Würde theoretisch auch gehen ja Der Haken ist, dass dort wo das ganze hin soll, kein Platz ist für einen Mann und Multimeter

BID = 1094561

perl

Ehrenmitglied



Beiträge: 11110,1
Wohnort: Rheinbach


Zitat :
bin ich gezwungen eine vorgegebene, sehr spezielle DMS-Baugruppe zu verwenden, in welcher 12 einzelne DMS verbaut sind, die auch einzeln gemessen werden.
Hast du schonmal untersucht, ob die Geschwindigkeit deines ADC dafür ausreicht? Bei einem einzigen ADC mit gemultiplextem Einhang geht oft nach einer Quellenumschaltung erstaunlich viel Zeit ins Land, bevor wieder gültige Werte kommen.


Zitat :
Soll ich Ref- und Ref+ einfach auf GND und Vcc lassen
Würde ich nicht machen. Erstens verschenkst du damit 4 Bit deines Messbereichs, und ausserdem taugt die Betriebspannung als Referenz nicht viel. Etliche der gebräuchlichen Spannungsregler rauschen kräftig und dazu kommen evtl. noch Störungen aus der Digitalelektronik.


Zitat :
Wenn man R1 bis R12 auf 120 Ohm verringern würde, hätte man ja eine höhere Spannungsdifferenz pro "% Dehnung". Das ist aber wahrscheinlich nicht so schlau, weil die höhere Leistung die im DMS abfällt, ja ebenfalls den Messwert verfälscht oder
Ich kenne deine Messaufgabe und das Material nicht, aber Fehler durch Eigenerwärmung kann man reduzieren, indem man die jeweilige Messbrücke nur für die Dauer der Messung bestromt.
Evtl. ist ja schon der Fehler, der durch die temperaturabhängige Ausdehnung des Messobjekts entsteht, grösser.
Ein grösseres Problem sehe ich beim Tk deiner Festwiderstände.
https://www.hbm.com/de/10083/temper.....ngen/
https://www.me-systeme.de/de/techni.....ltung


Zitat :
Mit dem LTC2499 habe ich schon rumexperimentiert(fliegender Aufbau) und weis, dass wenn COM und REF- auf GND liegen und Ref+ auf +1V liegt - so wie im angehängten Schaltplan - man einen Messbereich von -0,5V ... +0,5V erhält.
Wenn der Hersteller das nicht ausdrücklich erlaubt, sollte man generell keine negativen Spannungen an Eingänge legen. Meist fangen dann Schutzdioden an zu leiten, und der Stromfluss verfälscht das Eingangssignal. Es können aber auch subtilere Fehler auftreten, wie Fehlfunktionen durch die Injektion von Ladungsträgern in andere Schaltungsteile, bis hin zum Latch up, der gewöhnlich die Zerstörung des IC nach sich zieht.


Zitat :
Der zu messende Spannungswert liegt zwischen 0,25V und 0,35V. Soll ich Ref- und Ref+ einfach auf GND und Vcc lassen oder lieber Anpassen, damit der Messbereich verkleinert wird (z.B. auf 0V bis 0,5V oder halt noch enger an die zu messende Pegel)?
Wie ich schon schrieb, taugt Vcc als Referenz nicht. Du solltest eine ordentliche Referenzspannungsquelle verwenden.
Ausserdem solltest du nicht auf die Vorteile der Brückenschaltung verzichten. Notfalls eben einen DMS dafür opfern, der nichts anderes tut als eine Referenz für das Eingangssignal zu bilden.
Dadurch wird die Differenzspannung am Eingang (nicht die Änderung durch den Messwert) zwar noch kleiner, aber das kann man mit einem Vorverstärker oder dem in manchen ADC enthaltenen PGA reparieren.











BID = 1094566

winnman

Schreibmaschine



Beiträge: 1623
Wohnort: Salzburg

Dann die DMS elektrisch verlängern bis zu einem Platz wo man hinkommt und zB auf Reihenklemmen auflegen.

BID = 1094575

Murray

Inventar



Beiträge: 4745


Zitat :
perl hat am 23 Feb 2022 16:10 geschrieben :

...Bei einem einzigen ADC mit gemultiplextem Einhang geht oft nach einer Quellenumschaltung erstaunlich viel Zeit ins Land, bevor wieder gültige Werte kommen.


Ach deshalb sieht man wohl in entsprechenden Schaltungen oft eine Sample-and-Hold-Schaltung vorm ADC?

BID = 1094578

perl

Ehrenmitglied



Beiträge: 11110,1
Wohnort: Rheinbach


Zitat :
Ach deshalb sieht man wohl in entsprechenden Schaltungen oft eine Sample-and-Hold-Schaltung vorm ADC?
Kommt drauf an, was damit bezweckt wird. Manchmal ist das ein wesentlicher Bestandteil des Wandlers selbst, manchmal stellt man damit sicher, dass verschiedene Messpunkte wirklich gleichzeitig getestet werden, und manchmal braucht man ihn, damit der ADC ordentlich arbeitet.

Nimm z.B. einen 10-Bit ADC, der nach den SAR-Prinzip arbeitet.
Der braucht ungefähr 10 Takte pro Messwert. Lass einen Takt 1µs dauern, dann kommst du auf eine Samplefrequenz von 100kHz und könntest damit problemlos einen Sinus von z.B. 30kHz digitalisieren.

Könntest.

Klappt aber nicht, weil die Eingangsspannung des SAR während der Wandlung konstant sein muss, bzw. sich nur um weniger als 1 LSB ändern darf.
Da du ja die Grundzüge der Differentialrechnung beherrscht, darfst du nun
mal ausrechnen, wie schnarchlangsam das Eingangssignal wirklich nur sein darf.

Mit einem S&H vor solch einem Wandler kann man die Spannung während der Wandlung konstant halten, und der SAR darf zeigen, was er kann.


BID = 1094581

Ltof

Inventar



Beiträge: 9306
Wohnort: Hommingberg


Zitat :
perl hat am 23 Feb 2022 16:10 geschrieben :

... taugt die Betriebspannung als Referenz nicht viel. ...

Wenn sich eine rein ohmsche Messbrücke und der ADC auf die selbe Referenz beziehen, kürzt sich die Ungenauigkeit der Referenz raus.

_________________
„Schreibe nichts der Böswilligkeit zu, was durch Dummheit hinreichend erklärbar ist.“
(Hanlon’s Razor)

BID = 1094589

perl

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Beiträge: 11110,1
Wohnort: Rheinbach


Zitat :
Ltof hat am 24 Feb 2022 05:46 geschrieben :


Wenn sich eine rein ohmsche Messbrücke und der ADC auf die selbe Referenz beziehen, kürzt sich die Ungenauigkeit der Referenz raus.
Dazu müsste die Referenz aber während der Messung stabil sein.
Meist geschieht die Bestimmung von Signal und Referenz aber zu unterschiedlichen Zeitpunkten.
Bei einem 18-Bit-ADC mit 3,3V Referenzspannung entspricht 1 LSB gerade mal 12µV.
Störspannungen dieser Größenordnung auf einer Versorgung interessieren normalerweise niemanden, und auf einem Scope sieht man sie auch nicht.
Wenn aber das Meßsignal nur 1mV entsprechend 83 Digits beträgt, wird man ungerne 8 Digits davon opfern, nur weil 0,1mV Störspannung auf der Versorgung sind.


BID = 1094599

Raphael

Stammposter



Beiträge: 445
Wohnort: Schwabenland
ICQ Status  

Danke für die Antworten und die hilfreiche Diskussion!

@winmann: Der Versuch läuft halt über mehrere Stunden und es sollen ziemlich viele Werte geloggt werden, die dann später als Kurve dargestellt werden sollen.

@perl und Ltof: Genau über diese Fragestellung, die ihr gerade diskutiert habt habe ich mir vorhin auch den Kopf zerbrochen:

Kürzt sich der Fehler/Schwankung der Versorgungsspannung(der Halbbrücken) raus wenn man diese Spannung auf Ref+ legt?

Ich habe vorhin mal eine Testschaltung aufgebaut (siehe Schaltplan) - allerdings ohne die eingezeichnete 3,3V-Referenzspannungsquelle (Vcc1), sondern mit "normalem Netzteil".

Wenn ich Vcc1 nach oben und unten variiere (z.B. +-1V), ändern sich der Messwert im Versuchsaufbau überhaupt garnicht. Wird also perfekt kompensiert.

Zur Schaltung: Wenn Ref- auf 0V liegt und Ref+ auf +3,3V, dann habe ich einen Messbereich von 0V+/- 1,65V. Da ich keine Lust auf negative Spannungen habe, musste ich COM auf 1,65V legen --> jetzt ist der Messbereich 0V bis 3,3V. Und wie gesagt, wenn Ref- auf GND liegt und Ref+ auf +3,3V, dann werden Spannungsänderungen an Vcc1 perfekt weggekürzt.

@perl: Ich dachte immer, dass die Pegel an Ref+, Ref- und COM hardwaremäßig das Messergebnis beeinflussen. Wenn das nicht so ist, dann könnten sich solche höherfrequenten Schwankungen, dann also auch bei dieser Schaltungsvariante negativ auf das Egebnis auswirken. Das ist glaube ich dein Einwand oder?

--> Meine Idee daher: Als Spannungsversorgung eine Referenzspannungsquelle verwenden, welche relativ viel Strom liefern kann (ca. 25...30mA) und zusätzlich eventuelle Schwankungen über den Ref+-Eingang kompsensieren.

Zusätzlich noch Präzisionswiderstände verwenden mit geringem [ppm/°C]. Viel besser kann man das dann nicht mehr machen oder?

Die Kondensatoren, die parallel zu den DMS liegen würd ich dann weglassen, weil diese sich im Falle einer Spannungsschwankung an Vcc1, ja dann eher negativ auf den Messwert auswirken (Vcc1 ist messwertmäßig kompensiert, Vdms aber nicht, weil der ja nen C hat)







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