Hier legst du fest, was der Umsetzer bei Kraft null, bei Nennkraft und bei Überlast sieht, und was von der Störung übrig bleibt.

Schritt 2 von 3. Du dimensionierst den Messverstärker für beide Betriebsfälle und den Filter vor dem Umsetzer.

Danach: Rechenwege und Lösungen

Der wichtigste Satz auf dieser Seite: Nach der Wahl aus E24 immer zurückrechnen, und mit dem zurückgerechneten Wert weiterarbeiten.

Am Ende hast du: Auslegung der Signalaufbereitung

So gehst du vor

  • Formel zuerst umstellen. Stell die Datenblattformel nach RG um, bevor du Zahlen einsetzt.
  • Die Reserveprüfung gehört dazu. Ohne sie ist die Dimensionierung nicht fertig.
  • Erst die Frequenzen ordnen. Schreib Signalfrequenz, halbe Abtastrate und Störfrequenz nebeneinander, bevor du den Filter rechnest.
Gegebene Werte · aufklappen, wenn du rechnest

Gegebene Werte

Brückenspannung bei Nennkraft
Prüfstand UD = 5,0 mV, Anlage UD = 8,0 mV, beide bei US = 5 V; die Brückenmitte liegt bei 2,5 V
INA126
V = 5 + 80 kΩRG. Ausgangsspannung Ua = V · UD + UREF; der REF-Anschluss muss niederohmig getrieben werden. Eingangsoffsetspannung höchstens 250 µV.
Versorgung des INA126
einseitig 5 V gegen Masse, wie die Brücke. Der Ausgang ist nach Datenblatt im ungünstigsten Fall nur zwischen (V−) + 0,95 V und (V+) − 0,9 V linear.
Umsetzer
empfohlener Bereich 0,15 V bis 2,45 V, nie mehr als 3,3 V am Eingang, 1 Digit vereinfacht 0,806 mV
Überlast
Die Presse kann bis 125 % der Nennkraft erreichen. Auch dann soll der Messwert im empfohlenen Bereich des Umsetzers liegen.
Presse
Nennkraft 1600 kN, Dauerhub 45 min⁻¹, also 0,75 Hz
Abtastung und Filter
Abtastrate fa = 200 Hz. RC-Tiefpass erster Ordnung zwischen Verstärkerausgang und Umsetzer, C = 100 nF gewählt. Störquelle 4 kHz.
Reihe E24
10 · 11 · 12 · 13 · 15 · 16 · 18 · 20 · 22 · 24 · 27 · 30 · 33 · 36 · 39 · 43 · 47 · 51 · 56 · 62 · 68 · 75 · 82 · 91, jeweils mal Zehnerpotenz
Dein Lernprodukt im Einzelnen

Dein Lernprodukt

Auslegung der Signalaufbereitung

Darauf laufen die Aufgaben dieses Lernangebots zu. Die Aufgaben sind die Stufen dorthin, das Lernprodukt ist das Ergebnis.

Es besteht aus

  • Nullpunkt und Hub mit Begründung aus Aussteuergrenze und Überlast
  • die Verstärkung und RG für Prüfstand und Anlage, aus E24 gewählt und zurückgerechnet
  • den Nachweis, dass bei 125 % der Nennkraft noch Abstand bis 2,45 V bleibt
  • den Offsetfehler in Millivolt, in Prozent vom Hub und als scheinbare Kraft
  • den dimensionierten Anti-Aliasing-Filter mit den Dämpfungen bei 200 Hz und 4 kHz

Zur Dokumentation

Die Auslegung muss die beiden Einsatzorte getrennt ausweisen. Wer nur eine Spalte führt, baut später das falsche Gerät ein.

Abgenommen wird es im Kreuzreview durch das andere Team und danach von der Projektleitung abgezeichnet.

Aufgabe 3.1 · Verstärkung für zwei Betriebsfälle · Aufgabe 3.2 · Den Anti-Aliasing-Filter auslegen

Erst du, dann die anderen

Wo legst du den Nullpunkt hin? Der Umsetzer kann nur positive Spannungen, die Brücke liefert auch negative.

So gehen andere vor. Such dir einen Weg aus.
  • Nullpunkt nahe null. Größter Hub, beste Auflösung. Negative Signale und die Offsetdrift laufen aber sofort unter den Bereich.
  • Nullpunkt in der Mitte. Signale in beide Richtungen messbar. Die halbe Auflösung für die eigentliche Messgröße.
  • Nullpunkt knapp über null, aus einer Referenz. Kompromiss mit Reserve nach unten. Braucht eine stabile Referenz, sonst wandert der Nullpunkt mit der Versorgung.

Es gibt hier nicht den einen richtigen Weg. Entscheide dich für einen und schreibe dazu, weshalb. In deinem Betrieb hat sich vielleicht ein anderer durchgesetzt: dann schreib auch das dazu.

Aufgabe 3.1 a

Lege den Arbeitsbereich des Kraftkanals fest:

  • Lege fest, welche Spannung der Umsetzer bei Kraft null sehen soll.
  • Lege fest, um wie viel Volt sie bis zur Nennkraft steigen soll, den Hub.
  • Berücksichtige dabei den empfohlenen Bereich des Umsetzers, die Aussteuergrenzen des INA126 an einseitig 5 V und die Überlast.
  • Beschreibe, wie du den Nullpunkt in der Schaltung einstellst.

Tabellenbuch Schlag im Sachwortverzeichnis nach: Instrumentenverstärker · Aussteuergrenze · Offset

Mit Lernpartner Diese Aufgabe bearbeitest du mit deinem Lernpartner. Vergleicht am Ende eure Ergebnisse.

Aufgabe 3.1 b

Dimensioniere den Messverstärker für den Prüfstand. Nimm deinen Hub aus 3.1 a:

  • Berechne die erforderliche Verstärkung.
  • Bestimme daraus den Widerstand RG des INA126.
  • Wähle RG aus E24.
  • Rechne Verstärkung, Hub und Spannung am Umsetzer bei Nennlast zurück.

Tabellenbuch Schlag im Sachwortverzeichnis nach: INA126 · Verstärkung · Normreihe E24

Allein Diese Aufgabe bearbeitest du allein.

Aufgabe 3.1 c

Dimensioniere denselben Verstärker für die Anlage und prüfe beide Einstellungen:

  • Wiederhole die Rechnung aus 3.1 b für die Anlage.
  • Berechne für beide Einstellungen die Spannung bei 125 % der Nennkraft.
  • Gib je Einstellung an, wie viel Abstand bis 2,45 V bleibt.

Tabellenbuch Schlag im Sachwortverzeichnis nach: Übersteuerung · Aussteuergrenze

Allein Diese Aufgabe bearbeitest du allein.

Aufgabe 3.1 d

Berechne den Fehler durch die Eingangsoffsetspannung, für beide Einstellungen:

  • Berechne den Fehler in Millivolt am Ausgang.
  • Berechne ihn in Prozent vom Hub.
  • Rechne ihn in eine scheinbare Kraft um.
  • Nenne, was daraus für das Gerät folgt.

Tabellenbuch Schlag im Sachwortverzeichnis nach: Offsetspannung · Messabweichung

Mit Lernpartner Diese Aufgabe bearbeitest du mit deinem Lernpartner. Vergleicht am Ende eure Ergebnisse.

Aufgabe 3.2 a

Den Anti-Aliasing-Filter auslegen.

Bestimme die Grenzfrequenz deines Filters:

  • Bestimme aus der Abtastrate die höchste Signalfrequenz, die noch eindeutig abgetastet wird.
  • Lege fest, wo die Grenzfrequenz deines Filters liegen soll.
  • Begründe den Abstand zwischen beiden.

Tabellenbuch Schlag im Sachwortverzeichnis nach: Abtasttheorem · Aliasing · Grenzfrequenz

Allein Diese Aufgabe bearbeitest du allein.

Aufgabe 3.2 b

Dimensioniere den RC-Tiefpass erster Ordnung. Nimm deine Grenzfrequenz aus 3.2 a:

  • Berechne R aus Grenzfrequenz und gewähltem Kondensator.
  • Wähle R aus E24 und rechne fg zurück.
  • Berechne die Dämpfung bei 200 Hz, in dB und als Faktor.
  • Berechne die Dämpfung bei 4 kHz, in dB und als Faktor.

Tabellenbuch Schlag im Sachwortverzeichnis nach: RC-Tiefpass · Grenzfrequenz · Dämpfung

Allein Diese Aufgabe bearbeitest du allein.

Aufgabe 3.2 c

Vom Umrichter kommt am Eingang des Verstärkers eine Gegentaktstörung mit 1 mV Spitze bei 4 kHz an.

Rechne die Störung bis zum Umsetzer durch:

  • Berechne ihre Größe am Umsetzer mit deiner Prüfstandsverstärkung aus Aufgabe 3.1, in Millivolt und in Digit.
  • Berechne, wie groß sie ohne Filter wäre.
  • Prüfe, ob der Verstärker dabei im linearen Bereich bleibt.

Tabellenbuch Schlag im Sachwortverzeichnis nach: Gegentaktstörung · Dämpfung · Aussteuergrenze

Mit Lernpartner Diese Aufgabe bearbeitest du mit deinem Lernpartner. Vergleicht am Ende eure Ergebnisse.

Aufgabe 3.2 d

Erkläre, weshalb ein digitaler Filter im Programm, nach dem Umsetzer, dieses Problem nicht lösen kann:

  • Erkläre, was beim Abtasten mit einer Störung oberhalb der halben Abtastrate geschieht.
  • Leite daraus ab, weshalb der Filter vor dem Umsetzer sitzen muss.

Tabellenbuch Schlag im Sachwortverzeichnis nach: Aliasing · Abtasttheorem

Mit Lernpartner Diese Aufgabe bearbeitest du mit deinem Lernpartner. Vergleicht am Ende eure Ergebnisse.

Die Lage ändert sich

Der Umrichter wird gegen ein leistungsstärkeres Gerät getauscht. Die Gegentaktstörung am Verstärkereingang steigt von 1 mV auf 8 mV Spitze bei 4 kHz.

Überprüfe dein Lernprodukt an diesem Fall:

  • Berechne, was am Umsetzer ankommt.
  • Prüfe, ob dein Filter das noch auffängt.
  • Nenne zwei Maßnahmen, eine im Filter und eine außerhalb der Schaltung.

Mit Lernpartner Diese Überprüfung macht ihr zu zweit. Wer beide Fälle erklären kann, hat die Sache verstanden.

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