Genauer messen, - wie?

International Deutsch
#7

uwefed: Mehrere Meßbereiche mit Automatisher Umschaltung erhöht auch drastisch die Meßgenauigkeit von kleinen Strömen. Grüße Uwe.

Hi Uwe, ja, daran hatte ich auch schon gedacht, - und würde auch vollkommen genügen: bei 10A interessieren 50mA nicht mehr wirklich...

Ich habe gerade ein wenig nach Referenzspannungsquelle gesucht und bin darauf gestoßen, dass der ADS1115 eine eigene Referenzspannung enthält... Wäre also auch mal einen Versuch wert. Da fällt mir aber dann noch eine Frage ein: Wie präzise sind eigentich diese Stromsensoren? (Die üblichen Hall Sensoren die es in den Varianten +- 5, +-20 und +-30A gibt) Liefern die so feine Spannungsunterschiede das sich ein Auslesen mit einem 16 Bit AD Wandler lohnt?

#8

Da fällt mir aber dann noch eine Frage ein: Wie präzise sind eigentich diese Stromsensoren? (Die üblichen Hall Sensoren die es in den Varianten +- 5, +-20 und +-30A gibt) Liefern die so feine Spannungsunterschiede das sich ein Auslesen mit einem 16 Bit AD Wandler lohnt?

Das steht im Datenblatt des Wandlers.

Beim ADC712 steht zB: total output error 1.5% at TA= 25°C Wobei er einen Offset von 0,5* Vcc hat. Das Bedeutet daß Variationen der Versorgungsspannung auf das Meßergebnis einfließen, weil die Ausgangsspannung bei 0A nicht konstant ist.

Grüße Uwe

#9

(deleted)

#10

Guten Morgen, Danke, den Bericht hatte ich schon mal gelesen, aber nicht mehr in Erinnerung... Ja, der hilft schon weiter.

Wobei er einen Offset von 0,5* Vcc hat. Das Bedeutet daß Variationen der Versorgungsspannung auf das Meßergebnis einfließen, weil die Ausgangsspannung bei 0A nicht konstant ist.

Das bedeutet im Klartext: eine stabile VCC verbessert auch beim Stromsensor die Genauigkeit (eigentlich logisch)... Könnte man die Restwelligkeit eines DC DC Wandlers nicht mit einem Zusätzlichen Kondensator verbessern?

Dieses springen um den Nullpunkt, bzw die hohe Messabweichung im unteren mA Bereich sind das was mich am meisten stört. Ich werde mal probieren wie viel sich das verbessern lässt wenn man für diesen Bereich einen 5A Sensor nimmt. Oder: Was könnte ich da als alternative zum ACS712 verwenden? Wolle hat ja verschiedene Stromsensoren getestet und ist vom INA219 recht überzeugt. Da finde ich aber leider nur I2C Module bis max 3.2 A, was zu wenig ist.

#11

(deleted)

#12

Ich habe Wolles Bericht zum Ina219 Modul gerade noch mal überflogen, - verstehe ich das richtig, dass das Modul bereits digitale Werte an den Arduino schickt?

#13

(deleted)

#14

Hallo,

du musst erstmal wissen welche Messauflösung du benötigst. Wenn du den Shunt bzw. den Messaufbau auf max. 20A auslegst, bekommst du mit 10Bit eine Auflösung von 20'000mA / 1024 = 19,5mA pro Bit. mit 12Bit eine Auflösung von 20'000mA / 4096 = 4,88mA pro Bit. mit 16Bit eine Auflösung von 20'000mA / 65536 = 0,31mA pro Bit. Bei den INAs bleibt am Ende die halbe Auflösung übrig, sprich 15Bit, für jede Polarität. Das Layout erfordert entsprechende Sorgfalt, sonst misst du nur Rauschen. Desweiteren musst du wissen welche Messgenauigkeit es am Ende sein soll. Auflösung != Genauigkeit. Baust du einen umschaltbaren Messbereich, kommt zusätzlicher Schaltungsaufwand hinzu und zusätzliche Widerstände in die gesamte Berechnung. Stört das vielleicht deine Messgenauigkeit? Alles Dinge die man vorab für sich klären sollte. Nur mal so als Gedankenstütze.

#15

Hallo,

siehe #5

Auflösung ist aber nur ein Thema , Linearitätsfehler, Offsetfehler, Temperatur kommen noch dazu. Wobei vieles von dem kann man auch noch "wegrechnen" wenn es halbwegs konstant ist.

Du musst doch erst mal wissen was Du willst, Eckdaten , dann kann man den "optimalsten" Sensor aussuchen, Dabei hilft dann meisst das Datenblatt. Wobei optimal sich zum einen auf die Technik und zum anderen auf die Kosten bezieht. Spätestens an der Stelle ist dann ein Kompromiss gefragt.

Dann muß man mal was realisieren und sehen ob das den Ansprüchen genügt.

Heinz

#16

Auch ein simpler Widerstand hat einen Fehler. Außer Produktionsungenauigkeit auch noch Temperaturabhängigkeit und nicht zu vergessen die Alterung. Grüße Uwe

#17

Hallo Heinz, Deinen Post hatte ich gelesen aber vergessen zu antworten, - sorry.

Ziel ist den (Kurzschluß) Strom von Solarmodulen, Wind oder Wasserkraftanlagen, alles kleine Versuchsanlagen mit nur ein paar Watt möglicher Leistung über einen längeren Zeitraum messen und aufzeichnen zu können. D,H. Temperaturbereich = Draußen, kann also von -20 bis +40 Grad C gehen. Wenn das Messgerät von der Sonne beschienen wird auch höher. Wichtig ist mir, dass die Messgenauigkeit im kleinen mA Bereich prozentual nicht mehr abweicht als im Höheren und dass man mehrere Messeinrichtungen "gleich hinbekommt". Wie oben schon geschrieben: Wenn nur 100mA Strom fließen macht ein Springen um +- 2 Stellen (Diggits?) bei 10Bit Auflösung fast 80mA aus. - absolut inakzeptabel. Wenn 10.000mA fließen fallen die 80mA Differenz eigentlich schon nicht mehr in's Gewicht.

Strom aus Solar und Wasserkraft zu messen ist kein Problem, da ist der mögliche Bereich relativ eng und gut vorhersehbar. Sorgenkind sind die Windkraftanlagen... Hier geht der Bereich halt wirklich von 0 bis 20A, könnte sogar noch mehr werden. Ich bräuchte allerdings nicht die Möglickeit von - 20A bis + 20A zu messen, von 0 bis + 20A reicht vollkommen.

@ Doc Arduino. ja die Zahlen kenne ich, die Genauigkeit sollte halt so bei 1% (oder besser) vom zu messenden Strom liegen. Mit 1mA pro Bit (müsste das nicht "pro Diggit" heißen?) könnte ich sehr gut leben, "zur not auch noch mit den rund 5mA einer 12Bit Auflösung. Was bei 5mA aber ein Problem ist, ist das schwanken der Nulllage... Werte unter 2 bis 3mA kann ich schon ignorieren, mehr möchte ich aber nicht weglassen.

Also mit dem Ina219 könnte das schon klappen wenn ich den shunt entsprechend ändere. Stellt sich mir hier wieder die Frage: auf welchen Wert...

#18

Hallo,

das sind ja schon mal eine Ansage. Das Du Kurzschlussströme messen willst ( warum auch imer ) kommt eigendlich keine Lösung mit einem Shunt in Frage, weil sonst halt kein Kurzschluss mehr. Ich würde dann ehr zu sowas tendieren, ist auch völlig potentialfrei.

schau Dir mal den Wandler an, wandler

der liefert am Ausgang 10VDC bei 50A .

Dann einen 16Bit AD Wandler mit I2C Schnittstelle, sollte reichen

Dann brauchst Du noch eine gute Spannungsversorgung auch bei Temperatur

was die Temperaturbereiche betrifft musst Du halt mal die Datenblätter studieren. Der wandler oben gibt z.B -10 - 65 Grad an. Also mal Hersteller fragen ob das Ding auch noch bei -20 geht.

Heinz

#19

herbk: Also mit dem Ina219 könnte das schon klappen wenn ich den shunt entsprechend ändere. Stellt sich mir hier wieder die Frage: auf welchen Wert...

Maximal sollen 20 A gemessen werden.

Ohne Blick ins Datenblatt gehe ich von 0,3 V Spannung am ADC aus. 0,3 V / 20 A = 0,015 Ω Shunt. Wenn Du den verdoppelst oder den Meßbereich halbierst, kommst Du auf diese in Reihe geschalteten Werte:

Anz. Widerst.       1       2       4       8       16       32       64      128
            V     0,3
            A      20      10       5     2,5     1,25    0,625   0,3125  0,15625
          Ohm   0,015    0,03    0,06    0,12     0,24     0,48     0,96     1,92

Ob der Widerstand von 2 Ω genügend "Kurzschluß" ist und ob Du passende Widerstände mit genügend Leistung (0,3 V * 20 A = 6 W) findest, wäre zu klären.

Nur mal so als Anregung :)

#20

Hallo Herbert,

im Datenblatt zum ADS1115 findest Du unter dem Punkt 10.2 Typical Application eine mehr oder weniger komplette Lösung für Dein oben genanntes Problem, inclusive Formeln und Herleitung, um die kleine Schaltung an Deine Bedürfnisse anzupassen. Bei einer Möglichkeit zur Kalibration geht man dort von einer Genauigkeit von besser 0,2% aus. Ich würde allerdings gleich mit 0,1%igen Widerständen arbeiten, so daß sich die Ungenauigkeiten nur auf den Shunt zum Strom messen beschränken.

https://www.ti.com/lit/ds/symlink/ads1113.pdf?ts=1604209227823&ref_url=https%253A%252F%252Fwww.google.com%252F

Bei der Schaltung in Fig.44 geht man von einem max. Spannungsabfall von 50mV über dem Shunt aus. Da Du 20A genannt hast, die noch sicher zu messen sind, würde mit einem 2mOhm-Shunt bei 25A genau diese 50mV als Anschlag erreicht werden.

https://cdn-reichelt.de/documents/datenblatt/B300/PBV_GER-ENG_TDS.pdf

Deine Auflösung mit dem ADS1115 wäre also 25A / 32768 (16 Bit abzüglich Vorzeichen = 15 Bit) = 0,0008A und einer Genauigkeit von besser 0,2% - aber nur dann, wenn Du auch die Möglichkeit zum kalibrieren hast. Und nicht die Leistung aus den Augen verlieren, die so ein Shunt haben muss. P=U*I

Ich habe vor ein paar Monden eine ganz ähnliche Schaltung zusammengelötet, allerdings mit Imax=200mA bei 20mV Vollausschlag und mit einem 18 Bit ADC, und einem anderen OPV (Auto-Zero) um das Offset-Problem besser in den Griff zu bekommen. Damit messe ich dann alles zwischen 200mA und 200µA mit einer sehr geringen Shuntspannung.

Gruß André

#21

Hallo, ich habe den verregneten Vormittag mal ein wenig zum Datenblätter lesen hergenommen, - dass ich jetzt wesentlich schlauer bin möchte ich allerdings nicht behaupten...

Im Moment tendiere ich zum Ina219... Deshalb erst mal hierzu ein paar Fragen: Kann ich den Ina219 auch so schalten dass er nur unidirektional misst? Das würde das Problem der Nulllage eliminieren... Wenn ich den R100 auf dem Modul durch einen R010 ersetze, sind 32 A messbar - ? Muss ich in diesem Fall noch andere Bauteile auf dem Modul ersetzen?

Und nicht die Leistung aus den Augen verlieren, die so ein Shunt haben muss. P=U*I

Was setze ich hier bei U ein? ( die Busspannung?)

#22

Hi,

Du kannst für den Shunt auch die Formel P = I² * R verwenden, und ist die Leistung die der Shunt in Wärme umsetzt, wobei I (hier zum Quadrat) dein zu messender Strom ist, und R die eingesetzte Größe Deines Widerstandes ist. Wenn Du also also wie oben erwähnt 32A über einen 10mOhm Widerstand messen willst, muss dieser eine Leistung von 10,24 Watt wegstecken können, ohne zu verglühen! Und das wäre nur der Mindestwert für den Shunt, macht man aber bei Messgeräten nicht, da der dann [u]sehr heiß[/u] wird bei Dauerlast.

Gruß André

#23

Hi André, Danke. Die 323 A will ich nicht messen. Ich wollte nur wissen ob mein Gedankenspiel "mit dem dem R100 auf dem Ina219 Board kann ich bis 3,2A messen, also kann ich mit einem R010 bis 32A messen" grundsätzlich erst mal richtig ist. Und darum ob ich den einfach so ersetzen darf oder ob ich da auf noch etwas anderes achten muss.

In der Praxis werden nur ganz selten hohe Ströme anfallen, wie weiter oben geschrieben 20A hatte ich schon mal, aber auch nur kurz..

#24

herbk: Und darum ob ich den einfach so ersetzen darf oder ob ich da auf noch etwas anderes achten muss.

"Einfach so" nein, denn wenn Du über Leitungen und Leiterbahnen den zehnfachen Strom schicken willst, wird sich da möglicherweise was in Rauch auflösen. Wenn Du mit solchen Sachen hantierst, solltest Du die notwendigen Kabelquerschnitte kennen, die dürfen sich auf dem Board nicht verringern.

Tipp: Bei zwei Widerständen parallel verteilt sich der Strom und damit auch die abzugebende Wärme.

#25

Hi,

der INA219 misst ja nur die Spannung die über dem Shunt abfällt. Also ja, Du kannst mit 1/10tel Widerstand den 10fachen Strom messen, also mit 10mOhm bis theoretisch 32A. Bei 20A sind es dann halt noch 4 Watt ...

Und um agmues Einwurf gerecht zu werden: Wenn Du den Messwiderstand extern verdrahtest, und die Messspannung an die Punkte des vorher entfernten, bisherigen Messwiderstandes führst, so kannst Du damit problemlos messen. Damit besteht bei adäquatem Kabelquerschnitt auch keine Gefahr, daß Dir Leiterbahnen auf dem kleinen INA219-Board wegbrennen.

Gruß André

#26

herbk: die Genauigkeit sollte halt so bei 1% (oder besser) vom zu messenden Strom liegen. Mit 1mA pro Bit (müsste das nicht "pro Diggit" heißen?) könnte ich sehr gut leben, "zur not auch noch mit den rund 5mA einer 12Bit Auflösung

Wie schon gesagt sind Auflösung und Genauigkeit zwei verschiedene Dinge. Du kannst ruhig mit 24 Bit Auflösung wandeln. Ob das aber ein genaues Ergebnis ist ist eine ganz andere Frage

1% Genauigkeit bedeutet dass dein Messwert nicht mehr als 1% vom realen Wert abweicht.