Unterschiede

Hier werden die Unterschiede zwischen zwei Versionen angezeigt.

--- waage:modifikationen [2015/11/11 17:08]
karl [Ergänzungen zur Dokumentation]
+++ waage:modifikationen [2016/02/16 17:10] (aktuell)
karl [Ergänzungen zur Dokumentation]
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-===== Ergänzungen zur Dokumentation =====
+====== Ergänzungen zur Dokumentation ======
-[[waage:main|Hauptartikel]]
+[[waage:main|zurück zum Hauptartikel]]
 Der Abgabetermin für das Projekt kam eindeutig zu früh, deshalb wurde die Gruppenarbeit gezwungenermaßen beendet, und die obige Dokumentation erstellt. Darüber hinaus habe ich noch ein weinig an dem Projekt weitergearbeitet.
-==== Lage der Biegegelenke ====
+===== Lage der Biegegelenke =====
 Die Maße der Wägezelle wurden mit einem Messschieber ermittelt, und sind mit einer Genauigkeit von ca. ±0,1mm.\\
 {{:waage:3d_parallellenker.png?direct&200|}} {{:waage:top_lagermasze.png?direct&200|}} {{:waage:right_lagermasze.png?direct&400|}}\\
 Die mittlere Ebene der Aktorspule befindet sich auf der Höhe des orangenen Hauptlagers.
-=== Hebelverhältnisse ===
+==== Hebelverhältnisse ====
 Hauptlager bis Mitte Spule zu Hauptlager bis Koppelstück = 70,1:18,4 = 3,81\\
 Mitte Schlitzblende bis Hauptlager zu Hauptlager bis Koppelstück = (70,1+27,3):18,4 = 5,29
-==== Temperatursensoren ====
+===== Temperatursensoren =====
 Die Temperatursensoren waren bei den Messungen bis zur Projektabgabe noch immer stark mit "Rauschen" behaftet.
 {{:waage:temperaturschwankung.png?direct&300|}}
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 ^ R<sub>N</sub> in kΩ |  12.7228 |  12.4814 |  12.5267 |  12.5723 |
 ^ B in K |  3955.4 |  3948.7 |  3942.2 |  3954.3 |
-==== Systemidentifikation ====
+===== Systemidentifikation =====
 März 2013
 Die Aktorspule ist elektrisch gesehen eine Kombination aus elektrischen und mechanischen Eigenschaften.
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 Zum Messen wurde der Regelkreis geöffnet, ein 10kOhm-Widerstand in Serie zur Spule geschaltet, und die Spannung am Widerstand und an der Spule gemessen. Dabei ist der 91g-Aluminium-Zylinder auf der "Waagschale" gelegen, damit sich der Waagbalken in der Ruhelage befindet.
-==== Simulationen zur Rauschoptimierung ====
+===== Simulationen zur Rauschoptimierung =====
 Ziel wäre es, eine Auflösung von 10ug zu erreichen. Bei einer Shuntspannung von ±2.25V kann die Waage ca. ±100g wägen. D.h. um 10ug auflösen zu können, muss die Shuntspannung auf 225nV Aufgelöst werden können.
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 [[http://zeilhofer.co.at/documents/waage/regulator_noise_simulation.zip|LTspice Rausch Simulationen]]
-==== Messungen zum Rauschen ====
-=== Gewünschte und machbare Grenzen ===
+----
+===== Messungen zum Rauschen =====
+==== Gewünschte und machbare Grenzen ====
 Welche maximale Rauschspannung wünschen wir uns? Es wird eine Auflösung von 10ug angestrebt. Die Aktorkonstante ist ca. 12g/mA = 83.3uA/g mit R_shunt = 270 ergeben sich 22.5mV/g = 225nV/10ug.
 Es gibt einen Faktor, der das Verhältnis zwischen Rauschen-Spitze-Spitze und Rauschen-Effektivwert wiedergibt. Momentan finde ich dazu nicht die entsprechende Quelle, wo ich das einmal gelesen hab. Ich glaube, der liegt so bei ca. 6. Wir erhalten als maximale Rauschspannung 225nV/6 = 37.5nVeff - das ist schon sehr wenig, und vermutlich utopisch. Für mich ist und bleibt es noch ein Rätsel, wie Sartorius eine Auflösung von 10ug schafft.
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 Dieses wird nämlich die Auflösungsgrenze beschränken. Der Positionsregler kann ohne 1/f-Rauschen aufgebaut werden, der ADC-Vorverstärker auch. Über den ADC weiß ich nichts über 1/f-Rauschen. Die hauptsächliche Quelle für 1/f-Rauschen wird vermutlich die Referenzspannung sein.
-=== Messungen ===
+==== Messungen ====
 Die analoge Reglerschaltung wurde mit 9 verschiedenen Modifikationen betrieben, und es wurden jeweils ca. 100s lang Daten mit dem ADC aufgezeichnet und anschließend ausgewertet.
 [[http://zeilhofer.co.at/documents/waage/20130409_Rauschmessungen.rar|Hier die Messdaten zum Downloaden]]
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 Beim Übergang von offenem auf geschlossenen Regelkreis geht die Rauschspannung von 8.55uV zurück auf 2.80uV.\\
 Nicht in die Reihe passt Platz 3, kurzgeschlossener Eingang des ADC-Moduls mit 1.44uV.
-==== Temperaturabhängigkeit ====
+===== Temperaturabhängigkeit =====
 Einer der größten Störfaktoren ist noch die Temperaturabhängigkeit.
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 Nicht zu unterschätzen ist auch, dass der Positionssensor aus FR4 (Platinenmaterial) und nicht aus Aluminium aufgebaut ist. Durch die unterschiedlichen Temperaturausdehnungskoeffizienten von Aluminium (Wägezelle) und Positionssensor kommt es zu einem geschätzten Fehler von fast 2mg/K aufgrund der Federkraft der Biegegelenke! Diese Abweichung ist Konstant über den Wägebereich, also nicht proportional zum Spulenstrom. Er führt also im besten Fall zu einem relativen Fehler von 2mg/K durch 200g = 10ppm/K. Wiegt man jedoch nur ein Gewicht von z.B. 1g, dann führt das zu einem relativen Fehler von 2000ppm/K!
-===== Noch Anstehende Punkte =====
+====== Noch Anstehende Punkte ======
   * Optimierung der Temperaturmessung: Netzsynchrones Sampling
   * Dynamische Temperaturkompensation
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   * Überlegungen zu einem möglichst optimalen Messraum für Langzeitmessungen (dazu gibt es bereits ein [[thermisches_gedankenexperiment|Gedankenexperiment]])
-===== Modifikationen =====
+====== Modifikationen ======
-==== Positionsregler und Zugluftschutz ====
+===== Positionsregler und Zugluftschutz =====
 {{ :waage:2014_01_29_windschutz.jpg?direct&200|}}
 {{ :waage:2014_01_29_windschutz_offen.jpg?direct&200|}}
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 Man muss erwähnen, dass obige Messungen noch mit den mit 1/f-Rauschen behafteten OPVs gemacht wurden (MAX4236 als Photo-/Regelverstärker und OPA1632 auf dem ADC-Board als Eingangsverstärker). D.h. in den Bauteilen steckt noch Verbesserungspotential.
-==== Lastabhängiges Rauschen ====
+===== Lastabhängiges Rauschen =====
 **4.2.2014**
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 Hier der aktualisierte Schaltplan: [[http://zeilhofer.co.at/documents/waage/Schematic_V1.2.0_20140214.pdf]]
-==== Justiergewicht ====
+===== Justiergewicht =====
 **13.2.2014** Justiergewicht montiert, um den Waagbalken in die stabile Lage zu bringen. \\
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 Der Schwerpunkt des Waagbalkens ist konstruktionsbedingt oberhalb des Hauptlagers. Das führt dazu, dass der Regler ständig ein bisschen schwingt. Man sieht das in Form von Schwingungspaketen mit einer Frequenz von 6.9Hz. Durch das Einstellen des Schwerpunktes erreicht man, dass diese Schwingungspakete verschwinden.
-==== Emulation der Wägezelle ====
+===== Emulation der Wägezelle =====
 **14.2.2014** Messungen mit dem Wägezellen-Emulator\\
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 Diese Messungen sollten nochmals wiederholt werden und unter eingeschwungenen Zuständen dann statistisch ausgewertet werden. Die obigen Messwerte wurden durch ablesen des Rauschwertes aus der GUI ermittelt.
-==== Rauschen einer NiMH-Zelle ====
+===== Rauschen einer NiMH-Zelle =====
 **16.2.2014** \\
 Heute hab ich kurz probiert, was der ADC an Rauschen misst, wenn man statt dem Shunt eine Akku-Zelle anschließt. Ich hätte vermutet, dass das Rauschen eher bei 10ug liegt. Doch tatsächlich ist die Spannung eines Akkus alles andere als konstant und rauschfrei. Bei selbigen Bedingungen wie bei den obigen Messungen mit dem Emulator hab ich ein Rauschen von 700-1200ug gemessen. Der Wert ist unabhängig davon, ob die Akkuzelle im Leerlauf ist, oder mit dem 270Ω-Shunt belastet wird. Der PI-Regelkreis war mit dem Emulator geschlossen, der "Spulenstrom" floss jedoch nicht durch die Zelle. D.h. es war nur der Plus-Kontakt der "Spule" des Emulators angeschlossen. \\
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 Außerdem hab ich heute probiert den Shunt durch einen Jumper zu ersetzen, wobei hier wieder kein "Spulenstrom" durch den Jumper floss. Es wurde also der Eingang des Anti-Aliasing-Filters kurzgeschlossen. Dabei misst man ein Rauschen von ca. 17ug. Interessant ist, dass das gemessene Rauschen noch kleiner wird, wenn man den Regler mit dem Emulator mit 0g Last hinzunimmt. Man misst dann nur ca. 10ug. Das soll mal einer verstehen...
-==== Texas Instruments ADS1281EVM - Enttäuschung Nr. 2 ====
+===== Texas Instruments ADS1281EVM - Enttäuschung Nr. 2 =====
 **17.2.2014**\\
 Es hat sich nun herausgestellt, dass das 31-Bit-ADC-Eval-Board die Quelle des lastabhängigen Rauschens ist!\\
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 Allen Anschein nach ist der ADC selber die Quelle des lastabhängigen (=spannungsabhängigen) Rauschens.
-==== Rauscht der digitale Filter für die Abtastratenreduktion? ====
+===== Rauscht der digitale Filter für die Abtastratenreduktion? =====
 **18.2.2014**
 Am Ende der Signalkette liegt der digitale Filter. Durch Rundungsfehler kommt es beim Filtern zum Rauschen. Wie groß das ist, kann man fast nur durch ausprobieren herausfinden. Eine Vermutung war jetzt nocht, dass das digitale Filter selbst bei einem DC-Offset stärker rauscht als um die Nulllage herum. Das konnte jedoch wiederlegt werden. Zum digitalen Sample-Wert wurde vor dem Filtern ein Offset testweise addiert. Doch das Rauschen blieb klein wie ohne Offset.
-==== Neuen ADC gefunden: AD7190 ====
+===== Neuer ADC gefunden: AD7190 =====
  {{ :waage:eval-ad7190ebz.jpg?direct&300|}}
 **24.2.2014: ** Laut [[http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/AD7190.pdf|Datenblatt]] schafft dieser bei einer Abtastrate von z.B. 150S/s 22.5 Bit (Rauschen RMS) bzw. 20 Bit rauschfrei. Reduziert man die Abtastrate auf z.B. 1 Abtastwert pro 30s, kommt man auf 26 Bit rauschfrei bzw. 70 Mio. LSBs. Das entspricht dann in etwa der Auflösung, die Sartorius beim Massekomparator CCE6 schafft: 0.1ug bei 6.1g Wägebereich (jedoch haben die dort eine Einschwingzeit von nur 10s). \\
 Ich hab bei Farnell nun das Eval-Board und einen Chip bestellt. Ich bin schon gespannt auf die ersten Messungen. Bis dahin ist erst einmal Pause.
-==== Positionsregler für Single-Supply ====
+===== Positionsregler für Single-Supply =====
 **27.2.2014** Der neue ADC wird auf der Analogseite mit 0-5V versorgt. Und die Eingangssignale dürfen im Bereich von 0.25V bis 4.75V sein. Daher muss eine neue Schaltung für den Positionsregler her, die eine passende Shuntspannung liefert.
 {{:waage:positionsregler2.png?direct&300 |}}
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 Die Spule wird nun bipolar durch zwei gegengleich arbeitende OPs angesteuert, um die Spannung von ±3.4V für Spule plus Shunt bereitstellen zu können. Durch den 2. OP verdoppelt sich die Schleifenverstärkung des Regelkreises. Daher wurden die RC-Werte des PI-Reglers angepasst. R wurde von 150k auf 82k ca. halbiert, und C wurde von 1uF auf 2uF verdoppelt.
-==== Erste Messungen mit dem AD7190 ====
+===== Erste Messungen mit dem AD7190 =====
 **12.3.2014**\\
 Samplerate: ca. 30S/s \\
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 Eine theoretische Ableitung der zu erwartenden Rauschspannung, basierend auf der Rauschmessung des LT1004 vom 17.2.2014 ergibt bei 100g Nennwert 2.9uVeff ((bei der damaligen Messung war jedoch noch der OPA1632 als Vorverstärker in der Signalkette)) ((die Abtastfrequenz bzw. die Anzahl der Samples über die das Rauschen berechnet wurde, ist nicht dokumentiert worden. Hier wurde nun von 30S/s ausgegangen))
-==== Die Spannungsreferenz des ADCs ====
+===== Die Spannungsreferenz des ADCs =====
 **2015-11-11** \\
 Das Rauschen der Spannungsreferenz wurde bisher außer Acht gelassen. Das Evalboard des AD7190 verwendet den **ADR421** als Referenz (2.5V). Laut Datenblatt hat diese ein Spannungsrauschen von typisch 1.75uVpp (0.1-10Hz), was **ca. 290nVeff** entspricht. Diese Spannungsangabe ist einigermaßen mit den Rauschspannungen vom 12.3.2015 vergleichbar, da es sich dort um einen ähnlichen Frequenzbereich handelt (30S/s, 20s lang).
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 Das Rauschen der Spannungsreferenz müsste sich auch proportional zur Eingangsspannung im Ausgabewert des ADCs bemerkbar machen. Da es sich um einen Delta-Sigma-Wandler handelt, wird die Spannungsreferenz zeitlich gesehen im Schnitt proportional zum Eingangssignal "verwendet".
+{{ :waage:ltz1000_to-5.jpg?direct&300|}}
 Die beste Spannungsreferenz, die man heutzutage als integrierte Schaltung zu kaufen bekommt, ist der **LTZ1000**. Diese hat bei einer Nennspannung von 7.2V eine typische Rauschspannung von 1.2uVpp (0.1-10Hz), also ca. 200nVeff. Umgerechnet auf 2.5V, sodass dieser Wert mit dem ADR421 vergleichbar ist, sind das **70nVeff**. Sie ist also gut um den Faktor 4 besser. Durch das mitteln mehrerer LTZ1000 könnte diese Rauschspannung noch reduziert werden, ist aber bei einem Preis von ca. 50€/Stk eher kostspielig!
+{{ :waage:ltc6655_8-clcc.jpg?direct&200|}}
+Eine etwas günstigere und leichter handhabbare Spannungsreferenz ist der **LTC6655**. Dieser ist in einem dampfdichten CLCC-8 Gehäuse, und daher auch vergleichsweise stabil. Sein Rauschen wird mit typ. 0.25ppm peak-peak = 630nVpp = **100nVrms** angegeben. \\
+Stk wären um gesamt 224€ zu haben. Damit würde sich ein Rauschen von 20nVrms erreichen lassen.
+Der größte Nachteil ist hier das SMD-Gehäuse. Dieses ist wie oben schon beschrieben auf thermomechanische Spannungen der Leiterplatte sehr empfindlich. Eine Abhilfe dazu wäre die "tote Käfer Montage". \\
+In einen Thermostaten müsste man die Platine jedoch auf jeden Fall geben. Diesen könnte man analog zur LTZ1000-Beschaltung mit einem Transistor als Sensor ausstatten.

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