Technical Note Nr. 101 - Michigan Scientific Corporation
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Technical Note Nr. 101 Seite 1 von 6 DMS und Schleifringübertrager-Schaltungstechnik Über Schleifringübertrager können DMS-Signale in exzellenter Qualität übertragen werden. Hierbei haben sowohl die physikalischen Eigenschaften der Schleifringe als auch die gewählte Schaltungstechnik einen erheblichen Einfluss auf die Signalqualität. DMS-basierte Wheatstone-Brückenschaltungen können in drei Kategorien eingeteilt werden: Vollbrücke (vier aktive Brückenzweige), Halbbrücke (zwei aktive Brückenzweige) und Viertelbrücke (ein aktiver Brückenzweig). Wenn zusätzlich Schleifringe ins Spiel kommen, können diese Kategorien weiter in Unterkategorien aufgeteilt werden, je nachdem, wie viele Brückenzweige sich auf dem Rotor (also vor dem Schleifringübertrager) befinden. Im Folgenden werden einige häufig verwendeten SchleifringübertragerSchaltkreise vorgestellt. Alle vier Brückenzweige auf dem Rotor vor dem Schleifringübertrager Diese Schaltung bringt dauerhaft Signale exzellenter Qualität hervor und ist mit der gängigen DMSInstrumentierung kompatibel. Die übliche Zusatzbeschaltung für Abgleich und Kalibrierung ist aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht im Schaltplan (Abb. 1 ) dargestellt. Schwankungen des Schleifringwiderstands führen zu Messungenauigkeiten (engl. Slip Ring Noise), wenn der Schleifring in einem der Messbrückenzweige liegt. Wenn sich alle vier Brückenzweige auf dem Rotor vor dem Schleifringübertrager befinden, beeinflussen Schwankungen des Schleifringwiderstands den Brückenabgleich nicht und die Messgenauigkeit ist weniger stark von diesen Schwankungen abhängig. Bei Verwendung von Michigan Scientific Schleifringübertragern beträgt die in dieser Konstellation durch Schleifringwiderstandsschwankungen verursachte Messungenauigkeit nur 0,1 %. Die Anzahl der Datenkanäle, die sich mit dieser Schaltung und verschiedenen Schleifringübertragern ergibt, ist in der folgenden Tabelle aufgeführt. Parallel geschaltete Schleifringe für die Brückenspeisung (damit die maximal zulässigen Schleifringströme nicht überschritten werden) sind ebenfalls dargestellt, es werden DMS mit 120 bzw. 350 Ohm angenommen. 8500 Ance Road Charlevoix, MI 49720 Tel: 231-547-5511 Fax: 231-547-7070 Rev: 4/18/13 Abbildung 1 MICHIGAN SCIENTIFIC corporation http://www.michsci.com Email: [email protected] 321 East Huron Street Milford, MI 48381 Tel: 248-685-3939 Fax: 248-684-5406 Technical Note Nr. 101 Seite 2 von 6 120 Ohm DMS Anzahl der Datenkanäle und Anzahl der Ringe für Brückenspeisung nach Schleifringübertragermodell BRÜCKENSPEISUNG 10 VOLT Schleifringübertragerm odell BRÜCKENSPEISUNG 5 VOLT S4 SR10M SR20M SR36M S4 SR10M SR20M SR36M Brücken mit 120 Ohm 1 4 9 16 1 4 9 16 Schleifringe für Brückenspeisung 2 2 2 4 2 2 2 4 Gesamtstrom in Schleifringen für Brückenspeisung 83 333 750 1333 42 166 375 666 350 Ohm DMS Anzahl der Datenkanäle und Anzahl der Ringe für Brückenspeisung nach Schleifringübertragermodell BRÜCKENSPEISUNG 10 VOLT Schleifringübertragerm odell BRÜCKENSPEISUNG 5 VOLT S4 SR10M SR20M SR36M S4 SR10M SR20M SR36M Brücken mit 350 Ohm 1 4 9 17 1 4 9 17 Schleifringe für Brückenspeisung 2 2 2 2 2 2 2 2 Gesamtstrom in Schleifringen für Brückenspeisung 29 114 286 486 14 57 129 971 8500 Ance Road Charlevoix, MI 49720 Tel: 231-547-5511 Fax: 231-547-7070 Rev: 4/18/13 MICHIGAN SCIENTIFIC corporation http://www.michsci.com Email: [email protected] 321 East Huron Street Milford, MI 48381 Tel: 248-685-3939 Fax: 248-684-5406 Technical Note Nr. 101 Seite 3 von 6 Ein Brückenzweig auf Rotor vor Schleifringübertrager Das einzig Positive dieser Schaltung ist, dass viele Datensignale mit wenigen Schleifringen übertragen werden können. Wie in Abbildung 2 gezeigt, sind die Schleifringe in Reihe mit dem DMS geschaltet, so dass eine Widerstandsschwankung im Schleifring dieselbe Auswirkung haben muss wie eine DMS-Dehnung. Wenn mehrere Datensignale wie gezeigt gemessen werden, sollte nicht ein gemeinsamer Schleifring, sondern mehrere parallel geschaltete verwendet werden, um die darüber eingebrachten Schwankungen zu minimieren. Dies ist nur dann möglich, wenn genügend Schleifringe zur Verfügung stehen. Eine Parallelschaltung kann auch aufgrund der Stromstärke erforderlich sein, wenn viele DMS verwendet werden. Das Signal-Rausch-Verhältnis ist nicht von der Brückenspeisespannung abhängig, je höher jedoch der DMS-Widerstand und der K-Faktor, desto besser. Diese Schaltung sollte nur dann eingesetzt werden, wenn große Dehnungswerte erwartet werden, so dass die Messgenauigkeit im akzeptablen Rahmen bleibt. Es gibt noch andere Schaltungen mit nur einem DMS, die bessere Signalqualität versprechen, jedoch steht die erzielte Verbesserung selten in einem vernünftigen Verhältnis zum zusätzlichen Aufwand. ird gw n tu . hal hlen c S o pf ese Di ht em nic Abbildung 2 Zwei Brückenzweige auf Rotor vor Schleifringübertrager Diese Schaltung wird nur eingesetzt, weil sie relativ einfach mit den meisten gängigen DMS-Messverstärkern kombinierbar ist. Wie in Abbildung 3 gezeigt, liegen die Schleifringe der Brückenspeisung innerhalb der Brücke, somit führen Schwankungen des Schleifringwiderstands zu deren Verstimmung. Die Schleifringe für die Datensignale sind unkritisch, da die Eingangsimpedanz der Messgeräte als unendlich angenommen werden kann (d. h. es fließt ein vernachlässigbarer Strom über diese Schleifringe). Nicht verwendete Ringe sollten – sofern die Ströme in den anderen Ringen noch nicht unzulässig hoch sind – mit den Ringen der Brückenspeisung parallel geschaltet werden, um Messungenauigkeiten aufgrund der Widerstandsschwankung im Schleifring zu minimieren. Diese Schaltung erzielt eine etwas höhere Messgenauigkeit als die Schaltung mit einem Brückenzweig auf dem Rotor, ist aber deutlich empfindlicher für Widerstandsschwankungen des Schleifrings als die Schaltung, bei der sich alle vier Brückenzweige auf dem Rotor befinden. Auch reagiert diese Schaltung empfindlicher auf Widerstandsschwankungen des Schleifrings als die im Folgenden dargestellte parallele Messbrückenschaltung mit gemeinsamer Zuleitung. ird gw un . t l ha n Sc fohle e es p Di ht em nic Abbildung 3 8500 Ance Road Charlevoix, MI 49720 Tel: 231-547-5511 Fax: 231-547-7070 Rev: 4/18/13 MICHIGAN SCIENTIFIC corporation http://www.michsci.com Email: [email protected] 321 East Huron Street Milford, MI 48381 Tel: 248-685-3939 Fax: 248-684-5406 Technical Note Nr. 101 Seite 4 von 6 Parallele Messbrückenschaltung mit gemeinsamer Zuleitung Diese Schaltung benötigt weniger Schleifringe als die Schaltung, bei der sich alle vier Brückenzweige auf dem Rotor befinden. Gleichzeitig wird eine exzellente Messgenauigkeit erzielt. (Dabei ist zu beachten, dass sich auch hier alle vier Brückenzweige auf dem sich drehenden Rotor befinden.) Bei Verwendung von Michigan Scientific Schleifringübertragern beträgt die bei dieser Konstellation durch Schleifringwiderstandsschwankungen verursachte Messungenauigkeit weniger als 0,1 %, jedoch ist die Interaktion der Brückensignale zu beachten. Schaltungen, die sich Brückenzweige teilen müssen (Zweige A und B in Abb. 4), leiden an Übersprechen. Das Übersprechen ergibt sich aus einem Signalstrom im gemeinsamen Zweig, der zu einem Spannungsanstieg am gemeinsamen Knoten C führt. Jeder Ausgang wird somit von den Signalströmen aller anderen Ausgänge beeinflusst. Das Übersprechen der anderen Signale wirkt kumulativ auf jeden einzelnen Ausgang. Die gegenseitige Beeinflussung wird mit steigender Eingangsimpedanz des nachgeschalteten Messverstärkers kleiner. Das Übersprechen von einem Signal in einer Brücke auf jeden anderen Brückenausgang beträgt: Abbildung 4 N 10 100 1000 10000 Übersprechen (%) 4,6 0,5 0,05 0,005 Wobei N gleich dem Verhältnis von Eingangsimpedanz des Messverstärkers zu DMS-Widerstand ist Beispiel: Bei 120 Ohm DMS und einem Messverstärker mit 12.000 Ohm Eingangsimpedanz, der an den Ausgang DATA 5 angeschlossen ist, führt dies zu einer durch Übersprechen verursachten Spannung von 0,5 % der Spannung an DATA 5 an jedem anderen Ausgang, die dem eigentlichen DMS-Brückensignal überlagert werden muss. Zudem muss das Übersprechen anderer Brücken addiert werden. Oft kommt es vor, dass die Ausgänge von Schaltungen mit mehreren Brücken sequentiell abgetastet werden. In diesem Fall gibt es keine gegenseitige Beeinflussung, da die Signalströme nur in der gerade an den Messverstärker angeschlossenen Brücke fließen. Daraus kann ein einfaches Testverfahren für Übersprechen bei Schaltungen mit mehreren Kanälen abgeleitet werden. Wenn einfach einer der Kanäle temporär vom Messverstärker getrennt wird, sollte dies in den anderen Kanälen keine signifikanten Änderungen hervorrufen. Anzahl der Datenkanäle und Anzahl der Ringe bei paralleler Messbrückenschaltung mit gemeinsamer Zuleitung BRÜCKENSPEISUNG 10 VOLT Schleifringübertragermodell BRÜCKENSPEISUNG 5 VOLT S4 SR10M SR20M SR36M S4 SR10M SR20M SR36M Brücken mit 120 Ohm 1 5 13 25 1 7 15 29 Schleifringe für Brückenspeisung 2 4 6 10 2 2 4 6 8500 Ance Road Charlevoix, MI 49720 Tel: 231-547-5511 Fax: 231-547-7070 Rev: 4/18/13 MICHIGAN SCIENTIFIC corporation http://www.michsci.com Email: [email protected] 321 East Huron Street Milford, MI 48381 Tel: 248-685-3939 Fax: 248-684-5406 Technical Note Nr. 101 Seite 5 von 6 Beispiel einer Viertelbrücke mit geringer Beeinträchtigung der Messgenauigkeit durch Schleifringwiderstandsschwankungen und geringem Temperaturdrift 8500 Ance Road Charlevoix, MI 49720 Tel: 231-547-5511 Fax: 231-547-7070 Rev: 4/18/13 MICHIGAN SCIENTIFIC corporation http://www.michsci.com Email: [email protected] 321 East Huron Street Milford, MI 48381 Tel: 248-685-3939 Fax: 248-684-5406 Technical Note Nr. 101 Seite 6 von 6 Diese Seite wurde absichtlich frei gelassen. 8500 Ance Road Charlevoix, MI 49720 Tel: 231-547-5511 Fax: 231-547-7070 Rev: 4/18/13 MICHIGAN SCIENTIFIC corporation http://www.michsci.com Email: [email protected] 321 East Huron Street Milford, MI 48381 Tel: 248-685-3939 Fax: 248-684-5406
