Kraftmeßtechnik

DMS (Dehnungsmeßstreifen) sind resistive Elemente, die in praktisch allen Wägezellen die (reversible) Verformung eines Dehnkörpers in eine elektrische Größe umsetzen. Meist werden DMS in einer elektrischen Brückenanordnung verwendet. Hier beispielhaft gezeigt eine solche Wägezelle (hergestellt von einem früheren Kunden):

Das Ausgangssignal einer DMS-Brücke ist proportional der Brückenspeisung und liegt meist bei etwa 2 mV/V. Das Meßproblem besteht darin, die etwa 20 mV (bei 10 V Speisung) rausch- und driftarm mit bis zu 20 Bit (ergo 20 nV/count) aufzulösen und gesetzeskonform (nach Eichgesetz) zu be- und verarbeiten.

Für viele Standardanwendungen stehen fertige, hochauflösende ΣΔ-Wandler verschiedener Hersteller zur Verfügung. Kosten- und/oder leistungsoptimierte Lösungen, vor Allem bei mehrkanaligen Anwendungen, basieren hingegen auf der Infrastruktur moderner Mikroprozessoren.

Für Ihre Entwicklungen biete ich an:

variantenreiche A/D-Wandlertechnik (linear integrierend und ΣΔ)
μPower Analog Frontends
diverse Mikroprozessor-Typen (ARM, Motorola, TI)
dedizierte Signalverarbeitung (Filter, "noise windowing" etc.)
eichfähige Lösungen für die Wägetechnik

Einige Beispiele und Referenzen:

Die folgenden beiden Bilder zeigen eine Waagenelektronik, die Basis für den sehr robusten "Checkweigher CW80" der Firma Rice Lake Weighing Systems (Wisconsin) ist. Links ist die Frontseite mit den Piezo-Bedienelementen (oben rechts eine zu Testzwecken angeschlossene S-Beam-Wägezelle der AST GmbH in Dresden) dargestellt und rechts ist die Elektronik an der Frontplattenrückseite zu sehen.

Abbildung: Front- und Rückansicht einer eichfähigen Waagenelektronik (vergrößerte Bilder bei Anklicken)

Die aus 6 bis 16 Volt zu versorgende Elektronik ist eigensicher im Sinne Explosionsschutzbestimmungen (intrinsic safety) ausgelegt.

Was notwendig ist, um die Anforderungen für eine Zulassung eines Wägesystem nach OIML oder NTEP zu erfüllen, zeigt das nebenstehende Blockschaltbild (vergrößerte Abbildung nach Anklicken) von Hardware und Ablaufsteuerung zu der vorstehend abgebildeten Elektronik.

Der obere Teil zeigt die Funktionen der (Anfang der 90er Jahre noch diskret aufzubauenden) ADC-Hardware (prozessorgestützte 2fach integrierende ADCs). Hinsichtlich der Zulassung nach NTEP/OIML von Bedeutung sind in diesem Teil die Nachweise zu den erforderlichen Driftdaten und einer hinreichenden Störeinstrahlungssicherheit.

Möglicherweise besonders interessant an der Signalaufbereitung ist das direkt auf die letzte ADC-Filterstufe folgende Gauss-Fenster, mit dessen Hilfe die stationäre Auflösung bis nahe an den Rauscheffektivwert getrieben werden kann. Im hier vorliegenden Gerät sind das weniger als 200 nV am Eingang, die im Wesentlichen von den eingangsseitigen Chopper-Verstärkern stammen.
Alle folgenden Stufen resultieren aus Forderungen des Eichgesetzes und speziellen Ausführungen in den OIML/NTEP-Bestimmungen.

In Assembler für einen kleinen 8bit-Prozessor geschrieben, hat die gesamte Software einschließlich LED- und Keyboard-Ansteuerung (übrigens ein 'Piezo-Keyboard') sowie Leitungstreiber (RS232 und RS485) einen Gesamtumfang von nicht einmal 16 kByte.

Etwas weniger aufwendig wurden die Kranhaken-Waagen TKA der Firma Yale Industrial Poducts GmbH (ehemals Tigrip) realisiert, die dafür aber auch einen erheblich geringeren Leistungsbedarf haben.

Heutige Lösungen verwenden aus vielerlei Gründen (Kosten, Leistung, Performance) zum Teil auch diskret aufgebaute Sigma-Delta-ADCs.

High speed weighing

Wie vor dargestellte direktanzeigende Waagen sind Anwendungen, die heutzutage auch relativ einfach mit fertigen (und guten) Sigma-Delta-ADCs von z. B. Crystal oder Analog Devices realisiert werden können. Kniffliger wird es, wenn an die physikalischen Grenzen der Aufnehmer gegangen werden soll, um spezielle Meßaufgaben wahrzunehmen.

"Truck weighing" heißt, die Achslasten eines relativ schnell auf einem "highway" vorbeifahrenden LKW zu bestimmen. Die Grenzfrequenzen der Kraftaufnehmer liegen zwischen 200 und 500 Hz, so daß hier mit realen Abtastfrequenzen im unteren kHz-Bereich gearbeitet werden muß. Audio-ADCs, die mit den nötigen Auflösungen zur Verfügung stehen, scheiden wegen ihrer zu hohen DC-Driften aus.

Ein ziemlich weit gediehenes Sigma-Delta-Konzept arbeitet mit 2facher Signalrückführung bei 16 kHz (DC-Pfad) und 512 kHz (AC-Pfad) über einen gemeinsamen Eingangsintegrator mit nachfolgend gesplitteten Filterketten. Mittels ausgeklügelter Algorithmen auf einem 68k-Prozessor wird aus den beiden Bitstreams auf das Eingangssignal zurückgerechnet.

Das Projekt liegt derzeit auf Eis, weil die einst federführende US-Firma zwischenzeitlich ihr Marktsegment (von der Wägetechnik zur Waffentechnik) gewechselt hat(te).

Low power weighing

Links abgebildet ist der Analogteil eines 4kanaligen Sigma/Delta-ADC mit 14bit Auflösung bei einem "FSR" von 6 mV -- und das bei einer Leistungsaufnahme von nicht einmal 5 mW. Die Rückführungsfilter sind lediglich 2polig, so daß, anders als im vorgenannten schnellen ADC, der 5 bzw. 6polige Filter verwendet, keine Tricks mit gezielten Nichtlinearitäten zur Wiedergewinnung der Regelstabilität notwendig sind.

Der hier nicht dargestellte Digitalteil besteht aus einem mit 7 MHz (wegen der Baudraten-Realisierung beim Auslesen) im Burst-Mode (zur Minimierung der mittleren Leistungsaufnahme) betriebenen 8bit-Prozessor mit 32kByte Programmspeicher und 4MByte statischem RAM für die Datenspeicherung (das Gesamtgerät ist ein Datenlogger für die medizinische Forschung). Auch hier beträgt die mittlere Leistungsaufnahme für die Sigma-Delta-Rückfaltung, die Kodierung (nichtlineare Delta-Aufzeichnung) und die Speicherverwaltung knapp 5 mW.

Interessant ist vielleicht die Tatsache, daß die auf 24bit Wortlängen beruhenden diskreten Faltungen völlig ohne direkt ausgeführte Multiplikationen auskommen. Nur so ist die genannte geringe Leistungsaufnahme erreichbar.

Eines muß noch erwähnt werden:
Höherpolige Sigma-Delta-Wandler geschlossen zu rechnen, ist mit bekannten mathematischen Mitteln nicht möglich. Es gibt einige Denkansätze zur Abschätzung von Größenordnungen, genauere Daten im Vorfeld der Realisierung lassen sich aber (ausnahmsweise) nur mittels Simulationen gewinnen.
Für die Simulation eignet sich hervorragend das "open source"-Programmpaket "scilab", das in der Funktionalität mit "mathlab" vergleichbar sein soll. Was mich daran, zumindest in den früheren Versionen, besonders begeistert hat, war der immerwährende Rückgriff auf mir aus meiner Jugendzeit bekannte Fortran-Libraries.

Übrigens:
Die Sigma-Delta-Wandler sind die mir einzig bekannten Anwendungen, in denen eine Simulation sinnvoll ist. Die meisten anderen Dinge in der Elektronik sind, mit dann weitaus geringerem Aufwand, direkt berechenbar!

Noch etwas:
Datenlogger können eine Menge Daten generieren. Die hier komprimiert aufgezeichneten 4 MByte resultieren, für einen WC (Windows Computer) dekomprimiert, in 50 MByte realen Daten. Mit 50 MByte Daten auf einem WC umgehen zu wollen, ist ein Abenteuer für sich. Unter Unix (Linux) funktioniert es einfach nur, -- aber das wäre dann ein anderes Kapitel für ganz, ganz lange Winterabende.