Brückenabgleich, Einstellgenauigkeit am Poti?

Technik Elektronik & Elektrotechnik
#1

Hallo zusammen,

könnt ihr mir bitte sagen wie ich die Einstellgenauigkeit am Poti erhöhen kann?
Bei einem 25 Gängepoti R=10 Ohm und 1/8 angenommene Schrittweite pro Umdrehung komme ich auf 0,05 Ohm das entspricht 0,05% Genauigkeit.

In der Simulation ergaben sich 2,5 mV Stufen bei 0,05% Einstellgenauigkeit am Poti und ich denke, das ist für einen Dehnungsmessstreifenschaltung mit dahintergeschaltetem OP-Verstärker mit einer Verstärkung von 100 eine zu große Abweichung von erwünschten 0,000V.

Ich könnte mir vorstellen, das ich das Poti R8 mit einem weiteren festen 10 Ohm Widerstand parallel schalten kann und somit feinere Einstellschritte erreiche.

Habt ihr eine Idee?

Vielen Dank im Vorraus und noch einen schönen Donnerstag

wünscht Matthias.

#2

nachfrage
nabend,

sacheinmal:

kann es sein das die poti-aussenbeinchen (schleiferbahnenden) eigentlich zwischen die widerstände r12 und r13 gehört?
(und nicht wie von dir an die versorgungsspannung)

gruss wgn

#3

hallo weissgarnix,

sehe ich genauso. Und witzigerweise gilt Dein Einwand selbst dann, wenn er nicht gilt. Also falls Poti (wozu auch immer, Heizung?) parallel zur Brücke, dann sollte ein weiteres R dazu nicht parallel sondern 2 (oben und unten) in Reihe.

gruß

#4

Hallo zusammen,

danke für Eure Hilfe.

Leider verstehe ich nicht was ihr meint.

Ich interpretiere meine Lösung aus Seite 5 von 7.
Vielleicht habe ich es nicht richtig umgesetzt.Wenn …

#5

Hallo Matthias,

setze mal zwischen dem Mittelabgriff des Potentiometer und dem Knoten R12/R13 einen Widerstand in der Größenordnung von 1k und schau was passiert.
Nebenbei, den R8 würde ich auch erhöhen, sonst verheizt du nämlich an dem 2,5W.

Gruß

Joschi

#6

einiges unplausibel
Hallo,

Ich könnte mir vorstellen, das ich das Poti R8 mit einem
weiteren festen 10 Ohm Widerstand parallel schalten kann

Das wäre völliger Unsinn, weil ein Parallelwiderstand
rein gar nix weiter bewirkt, außer zu heizen und
die Spannungsquelle zu belasten.

Auch ist es so, dass das niederohmige Poti die Brücke
auch stark beeinflusst. Der Knoten R12/R13 wird dadurch
quasi auf die Schleiferspannung des Poti festgeklemmt.
Die Brücke hat dann weniger Verstärkung (nicht viel mehr
als eine Halbbrücke).

In den Endpositionen würden R12 oder R13 sogar komplett
kurzgeschlossen, was auch schon anzeigt, dass der
gesamte Stellbereich des Potis überhaupt gar nicht nutzbar
ist, sondern nur ein kleiner Bereich in der Mitte.

und somit feinere Einstellschritte erreiche.

Es ist oft so, dass man nicht den gesamt möglichen
Stellbereich benötigt bzw. diesen nicht nutzen kann.
Dann gibt man Reihenwiderstände dazu.

Die Offsetkomp. soll ja hier nur 0,5 Ohm auf 350 Ohm
ausmachen, also ein 1/700 der Einzelwiderstände bzw.
1/1400 von R12 + R13.
Dementsprechend kann der Einstellbereich eingestellt
werden.

Fragt sich aber, ob es konzeptionell überhaupt so sein muß.

  1. OPV und Instumentverstärker haben auch meist separate
    Anschlüsse für Offsetkomp.

  2. Heute wird so was meist digital ausgewertet und dann
    kann man das auch gleich softwaremäßig machen.
    Nur wenn der Offsetbereich zu groß ist und damit
    Auflösung kostet, sollte man es zumindest grob kompensieren.

Frage: Was für Verstärker würdest du dafür nutzen?

Gruß Uwi

#7

Hallo Matthias,

Wenn ich Euch richtig verstehe soll ich das Poti mit in die
„Brücke“ einbauen.??
Die vier Widerstände sollen Dehnungsmessstreifen darstellen
und ich möchte diese nicht beeinflussen.

Entweder Du kommst dazwischen, dann reicht ein 10R Poti, oder nicht, dann nicht.

Laut meiner Multisim-Simulation funktioniert mein Aufbau ja
gut.

Schlechter Ansatz, zu simulieren statt zu verstehen.

Ich dachte auch, ich habe das Bild auf Seite 5, siehe
Link, richtig umgesetzt, aber ihr seid wohl anderer Meinung

Das Bild enthält keine Größenangaben und einen weiteren Widerstand.

oder der Hinweis mit dem DEhnungsmessstreifen hat Euch
gefehlt.

Nein. Das war jedem klar und zudem unrelevant.

Wenn Du sonst nicht viel mit Widerständen und Größenordnungen zu tun hast, dann rechne einfach aus,
-A) wieviel Strom zur Verstimmung der Brücke notwendig ist,
-B) wie groß damit der fehlende Widerstand werden sollt
und dann wähle eine sinnvolle Größe für Dein Poti.

wenn Du Dein 10R Poti verwenden willst, dann kannst Du statt dem einen Widerstand B) auch je einen drüber und drunter in Reihe schalten um die kompletten 25 Gänge zu nutzen. Du hast Dann Quasi ein Poti von z.B. 1.01k, dessen Mittelabgriff zwischen 495R und 505R liegt.

Viel Erfolg

wilbert

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#8

Hallo zusammen,

vielen Dank, das Ihr Euch meiner annehmt.

Hier ist mein Schaltplan.

****************************************************…

#9

Nochmals Hallo zusammen,

ich habe die Schaltung nach Euren Vorschlägen hin abgebessert.

http://s14.directupload.net/file/d/3065/gqyzo76e_jpg…

Soweit scheint mir das jetzt auch plausibel.

Ich möchte jetzt auch gern nicht nur über die Simulation den Einstellbereich berechnen können.

Wenn Du sonst nicht viel mit Widerständen und Größenordnungen zu tun hast, dann rechne einfach aus,
-A) wieviel Strom zur Verstimmung der Brücke notwendig ist,

pro Pfad fließen I=5V/700Ohm = 7,14mA

1mV Verstimmung der Brücke würde ein Strom von ??? bedeuten
Wie rechne ich das denn? 5V liegen immer an,
R muss sich ändern, da variabel, R=700 +x
ich weiß nicht wie ich ansetzen soll. WElche Größe darf ich verändern in der REchnung R=U/I
I bleibt doch immer gleich oder = 7,14mA
R=1mV/7,14mA=0,14 Ohm bringen eine Verstimmung von 1mV

Überprüfung mit Multisim besagt: einen Widerstand auf 350,3 Ohm ändern bringt eine Verstimmung von 1mV.
0,3 Ohm --> 1mV
10 Ohm -->33mV
Überprüfung mit Multisim bestätigt die REchnung ±35mV sind damit einstellbar

ich persönlich halte das für sehr fein einstellbar, was meint ihr dazu?

70mV–>25 Gänge
1 Gang --> 2,8mV
1/4 Gang -->0,7mV Einstellgenauigkeit!!!

************************************************

Wenn das so alles ok ist, können wir uns gern der Berechnung der Offsetkompensationsschaltung, siehe anderer Artikel in diesem Thread, hinter dem OP INA114 widmen.

Ich würde mich sehr freuen, wenn wir daran zusammen weiter arbeiten würden.

Viele Grüße,

Matthias.

#10

Hallo Matthias,

der Strom zur Verstimmung der Brücke war für die Variante mit Externem Poti und Vorwiderstand. Hier genügt:

an 10R fallen 1/71 (10R/710R) der Versorgungsspannung ab, also 70mV also ±35mV

Ggf. solltest Du nochmal nachrechnen, ob und welchen Einfluss die „konstanten“ 10R auf Deine Vollbrücke haben.

Zudem kann hier (im Gegensatz zur Ausgangsfrage) ein Parallelwiderstand die Einstellung noch verfeinern. z.B. 10R parallel zum Poti verdoppelt die Einstellgenauigkeit, wirkt sich aber dafür auf den Einfluss des Messtroms aus.

Viel Erfolg

wilbert

#11

Gain und Offsetq
Hallo Matthias,

meist wird ein Sensorsignal verstärkt (gain) und verschoben (offset).
meist werden die einzelnen Stufen als linear über ihren ganzen Bereich ausgelegt.
meist ist es egal, wo man Gain und Offset einstellt, z.B. je für Gain und Offset:

  • Potis an der Brücke (Offset wie in deinen 2 Varianten, Verstärkung als Spannungsteiler des Messsignals)
  • Potis am OP (Verstärker)
  • nummerische Kalibrierung in der Auswerteschaltung („im µC“)
  • nummerische Kalibrierung in der Messwertverarbeitung („im PC“)

Hat alles Vor- und Nachteile, kommt alles in beliebiger Kombination vor.

Wichtig ist, für alle Extremfälle nachzurechnen (oder zu simulieren) ob irgendeine Stufe in die Begrenzung (Nichtlinearität) läuft.

Viel Erfolg.

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#12

Hallo Matthias,

Warum überhaupt eine Kompensation in der DMS-Brücke?

Eine Kompensation in der Brücke macht Sinn, wenn die Brücke austauschbar sein soll.

Gut, da ich ja auch eine zusätzliche Kompensation hinter dem
OP habe, könnte ich mit dieser wieder eine Ausgangsspannung
von 100mV einstellen!

Wenn Brücke und Verstärker ohne Abgleich kombinierbar sein sollen, musst du beide Teile einzeln abgleichen.

Eine Kompensationsschaltung hinter dem OP INA114 ist ja wohl
stabiler und kostengünstiger als eine weitere in der
Brückenschaltung.

Trimmer haben einen schlechten Tk, zudem verstellen sich die Dinger z.B. durch Vibration oder auch nur durch Temperaturzyklen.

Bei einem Numerischen Abgleich, wenn ein µC vorhanden ist, kann man sich diede Probleme ersparen.

Ein anderes Problem ist aber der OpAmp selbst. die Offsetspannung und der -Strom hat auch einen Tk :frowning:
Wird dieser direkt am OpAmp abgeglichen, wird es besser.

Dennoch würde ich gern zuerst verstehen wie ich den
Brückenabgleich in der DMS-Brücke hätte richtige gestalten
müssen, um die Grundlagen von Widerstandschaltungen zu
verstehen.

Theoretisch gibt es zwei Möglichkeiten den (mechanischen) Einstellbereich zu begrenzen:

  1. Man schaltet in Widerstände in serie zum Poti-Widerstand.
    Dies hat aber den grossen Nachteil, dass Poti und Festwiderstände unterschiedliche Tk haben, wodurch sich das Spannungsverhältnis am Schleifer mit der Temperatur ändert.

  2. Man schaltet das Poti, wie du es gemacht hast, dierekt an die Versorgungsspannung und schaltet in serie zum Schleifer einen zusätzlichen Widerstand.
    Hier spielt dann das Verhältnis von Querstrom durch Poti und der Strom durch den Widerstand eine Rolle bei der thermischen Stabilität.
    (Da darfst du selber mal rechnen)

Das ganze ist halt einfach ein Kompromiss zwischen Funktion, Kosten und erhältlichkeit der Bauteile.
Wenn du jetzt z.B. den INA114 mit einem LM324 ersetzen kannst, kannst du noch 3 weitere Potis einbauen und bist bei den Bauteilkosten immer noch günstiger :smile:
Dafür steigen die Kosten für den Abgleich an!

Die Kosten sind auch ein Vorteil beim digitalen Abgleich, er lässt sich dann, mit etwas zusätzlicher Software, automatisch durchführen.
Das geht u.U. auch mit einem Poti und motorischer Verstellung, bedingt aber zusätzlichen Entwicklungsaufwand …

MfG Peter(TOO)

#13

Hallo Matthias,

ich habe deine Frage erst heute gelesen. Da ich beruflich sowohl Sensoren mit DMS entwickle als auch die dazugehörige Elektronik, möchte ich das Thema etwas genauer beleuchten.

In den bisher gezeigten Schaltungen fehlt ein bisschen was.

  1. Die thermische Kompensation für den Endwert ist nicht gegeben. Der k-Faktor der DMS ist ebenso wie der E-Modul des Federwerkstoffs temperaturabhängig. Dazu werden in die Speisespannungsleitungen Widerstände mit positivem TK eingebaut, um das zu kompensieren. In einigen Fällen kann man E-Modul-kompensierte DMS kaufen, wenn denn die Geometrie des erhältlichen Gitters zufällig zur Anwendung passt, also eher selten.

  2. Die thermische Kompensation des Brückennullpunktes fehlt ebenso. Leider ist die Ausgangsspannung der Brücke bei unbelastetem Federkörper temperaturabhängig, und zwar erheblich. Das liegt an der unterschiedlichen Erwärmung der DMS, an der Serienstreung und was noch alles. Das muss mit einem temperaturabhängigen Widerstand (z. B. Folienwiderstand oder dünner Draht) kompensiert werden.

3 A) Die Kompensation des absoluten Nullpunktes kann man in der Brücke vornehmen, aber nicht mit einem Poti, das ist ziemlich temperaturabhängig und empfindlich auf Erschütterungen, also relativ schrecklich. Nimm einen Draht aus Manganin oder einen entsprechenden abschleifbaren Folienwiderstand.

3 B) Die Kompensation des absoluten Nullpunktes kann man auch außerhalb der Brücke vornehmen, wenn es sich um einen improvisiertzen Aufbau handelt. Das ist eher eine Frage der Konstellation. Das gezeigte Multimeter könnte man abnullen und fertig.

Besser ist es aber in den meisten Fällen, einen Instrumentenverstärker zu benutzen. Hier kann man dann noch feintunen, in dem man den REF Anschluss auf ein justierbares Potential legt

Gruß Thomas