Capmeter – Kapazitätsmessgerät mit dem AVR

Kapazitätsmessgeräte („C-Meter“) kann man kaufen. Man kann sich aber auch eines mit einem Mikrocontroller selbst basteln.

Auf der Suche nach einem nachbaufähigem Projekt im Internet bin ich auf das Projekt von Lars Pontoppidan (http://pontoppidan.info/lars/index.php?proj=capmeter) gestoßen. Das Gerät ist mit einem AVR – Controller aufgebaut und misst Kapazitäten zwischen einigen Picofarad und einigen Tausend Microfarad. Ich beschloss nach diesem Bauvorschlag vorzugehen. Das Gerät baut allerdings auf dem ATmega8 auf und es ist kein Platinendesign mitveröffentlicht. Daher habe ich mir dort im wesentlichen nur das Grundprinzip geholt und ein ähnliches Gerät mit dem ATmega32 aufgebaut. Die Software habe ich komplett neu geschrieben.

Im folgenden zunächst Erläuterungen in deutsch, dahinter meinen englischer Text aus dem Source-Code, der auch detaillierter auf die Software eingeht.

Theorie zum Messverlauf

Die Zeit, die ein Kondensator braucht, um aufgeladen zu werden steht in einer Beziehung zur Kapazität des Kondensators. Während der Aufladung gibt es einen Bereich, indem die Ladespannung nach einer bekannten Funktion ansteigt. Aus der Steigung der Kurve kann man die Kapazität des Kondensators berechnen.

Die folgende Skizze stellt den Messvorgang genauer dar. Der Kondensator wird entladen, dann wird mit dem Laden begonnen. Die Y-Achse stellt die Spannung, die am Kondensator erreicht wurde, dar. Die X-Achse ist die Zeit.


Verlauf einer Messung. Entladung bis deutlich unter Schwellwert 1 (T1). Dann Start der Ladung des Kondensators. Messung der Zeitpunkte „Threshold 1 erreicht“ und „Threshold 2 erreicht“.
Aus den beiden Zeitwerten kann dann die Kapazität berechnet werden.

Der Ladevorgang startet in der Nähe von 0V, bei einem festen Spannungswert „Threshold 1“. Die Ladung wird durchgeführt bis ein bestimmter weiterer Spannungswert „Threshold 2“ erreicht ist. Die Zeit, die zwischen dem Durchgang durch die beiden Thresholds vergeht, wird gemessen.

Die beiden Threshold-Spannungen werden durch einen Spannungsteiler aus der Betriebsspannung +5V gewonnen. Der Spannungsteiler stellt drei Spannungen bereit.


Der Spannungsteiler für die Referenzspannungen.

Die Schaltung des Messgeräts ist in untigem Bild dargestellt.

Der zu messende Kondensator Cx wird über die Widerstände 1M8 bzw. 1K8 geladen. Die erreichte Spannung am Kondensator wird über den analogen Eingang AIN0 des AVRs gemessen. Die LED leuchtet im Original während des Messvorgangs.

Der oben erläuterte Referenzspannungsteiler wird an die analogen Eingänge ADC1..3 angeschlossen.

In blau ist der Anschluss eines Quarzes und an die Versorgungsspannung dargestellt. Wenn man ein vorhandenes Experimentierboard wie das Pollin-Board einsetzt. braucht man diese Anschlüsse nicht beschalten.

Am Port C wurde das LCD-Display (hier SEIKO 2432) angeschlossen.


Beschaltung des ATmega32

Das folgende Bild zeigt den fliegenden Aufbau des Spannungsteilers und der Lade/Messschaltung.


Erster Experimentalaufbau

Im folgenden ist beispielhaft der zeitliche Verlauf des Messzyklus dargestellt. Die Entladung erfolgt in etwa 25ms bis auf den Schwellwert 880mV des Spannungsteilers (weiße Linie). Dann beginnt die Aufladung. Ist diese (nach hier ca. 75ms) beendet, beginnt nach kurzer Zeit der Messzyklus von vorn. Bei der gewählten Kapazität wird mit einer Frequenz von ~3,8Hz die Messung wiederholt. Mit anderen Kapazitäten ergeben sich andere Zeitwerte, das Prinzip bleibt aber gleich.

Der Experimentalaufbau wurde bald auf Lochrasterplatine wiederholt. Im folgenden Bild ist die analoge Beschaltung des AVRs sowie das LCD-Display dargestellt. Der AVR selbst sitzt auf einem Pollin-Board (im Bild nicht dargestellt).


Der gemessene Kondensator hat einen aufgedruckten Wert von 6800µF. (Dieser Kondensator weicht relativ stark nach oben von seinem Sollwert ab)

Für das Capmeter wurde eine kleine Platine entworfen. Der auf der Lochraster-Platine aufgebaute Teil sollte aber weiter verwendet werden. Daher habe ich einen Entwurf gemacht, der bezüglich der verwendeten Pins zum Pollin-Board kompatibel ist, so dass die Lochraster-Platine ohne Änderung an das neue Board angeschlossen werden kann.


Entwurf der Platine mit Eagle. Übrigens meine erste Platine mit Eagle überhaupt.

Beim Belichten der Platine habe ich nur eine Transparentfolie (statt der empfohlenen übereinanderliegenden zwei oder drei) verwendet. Die Platine hat daher viele kleine Löcher im Kupfer, war nach Prüfung mit dem Ohmmeter aber dennoch verwendbar.

Einbau in ein Gehäuse: Das LCD-Display wird ins Gehäuse eingeklebt. Die Platine mit dem AVR wird mit Abstandsbolzen befestigt und die Lochrasterplatine aufrecht stehend angebracht.


Zwischenstand während des Einbaus ins Gehäuse

Erster Test im Gehäuse noch ohne Frontplatte

Im folgenden Erläuterungen zur Software. Diese sind den Sourcedateien entnommen und in Englisch.

Capacitance Meter with AVR

Introduction

This code implements a capacitance meter using an AVR and some external parts. The idea and the hardware is based on the capmeter described at: http://pontoppidan.info/lars/index.php?proj=capmeter

The capmeter is able to measure from small capacitors of some picofarads up to large ones of at least >7000microfarads. My largest Capacitor is 6800 Microfarads (which measures itself as a 7200uF value), so I cannot test it for larger values than this. I assume that even values of lets say 50000uF can be measured.

Usage

Automatic calibration

Switch the device on. The device does a self calibration at startup (displaying this state as „Calibration“ at the LCD display). During self-calibration, nothing should be attached to the probes (otherwise all subsequent measurements will display wrong results). After calibration, the device enters the measurement loop.

Doing Measurements

After calibration finished, the device will just repeat measurements. If nothing is attached to the probes, the device will display „0pF“. If something is attached to the probes, it will display the state of the measurement and the last result measured. Measurement time increases with cap size, a large cap will need some seconds to be measured.

These are all things to be known for doing measurements.

Hardware

See config.h for pin assignments. This software uses 4 Pins.

  • Discharge Pin and Analog Comparator Pin (both functions on one pin)
  • Charge Pin for „high current“ charging (via 1K8 resistor)
  • Charge Pin for low current charging (via 1M8 resistor)
  • LED Pin. Led lights during measurement. Not very important, because the LCD shows the same info.

There is a resistor network that creates three reference voltages for the comparator. The resistor network creates the following voltages: 0,88, 1,77, 2,65V.

For charging there are two resistors and for discharging there is one resistor.

Basic idea is to measure the time that is needed by the capacitor-in-measurement („CX“). to be loaded from one voltage level to a higher voltage level. The time is somewhat proportional/linear to the capacity.

Time measurement is done incrementing a timer start running if the load crosses the lower threshold (voltage level) and stop running if the higher threshold is crossed.

Because for small capacities the time for loading is very short, for these the low current charging is used. For high capacities the „high current“ charging is used. All measurement cycles are started assuming a small cap. The cap is loaded with low current. If a timeout is reached without having crossed the higher threshold, it is assumed that the cap is a large one. Then the cap is discharged and loaded with high current.

Theory of operation

The loading of a capacitor via a resistor is e.g. described here: http://en.wikipedia.org/wiki/RC_time_constant (German: RC-Glied, http://de.wikipedia.org/wiki/RC-Glied)

The time constant „tau“ can be calculated from

tau = R*C.

The voltage at the capacitor during loading is described by the formula:

        U(t) = Umax * (1 - e^(-t/tau))

This can be changed to

        t = -tau*ln(1-U(t)/Umax)

Using the voltages resulting from the resistor network, the following values for t can be calculated: (All these things are taken from http://pontoppidan.info/lars/index.php?proj=capmeter, all credits go to Lars Pontoppidan. I just repeated it to understand what he was doing.)

Ti=Threshold i
All Values "x" in the table should be used as "tau*x"


Ti  | t for 0..Ti | t for Ti-1..Ti | T for T0..Ti
----+---------------------------------------------
 0  |0.191891     |        -       |       -
 1  |0.43261      | 0,2401         | 0.2401
 2  |0.7461127    | 0.313502       | 0.554


Umax=5,04V (from a 7805 voltage regulator).

The timer creates a time value „tclocks“.

What we need is a formula capacitance = f(tclocks).

For the interested reader, to get that, please follow the next steps:

The time t actually spent in charging can be derived from tclocks using the xtal frequence of the AVR „F_CPU“:

 0. t=tclocks/F_CPU

For tau we know two things:

 1. tau*K = t , where K is 0,2401 or 0,554 from the table above
 2. tau=R*C

Using these three input formulas 0,1 and 2, we can proceed:

 C=tau/R (using 2.) = t/(K*R) (using 1.) = tclocks/(K*R*F_CPU) (using 0.)

For low current charging, R=1800 Ohms. For high current charges, R=1.800.000 Ohms. (You can measure and use the real values of your resistors with a good ohm-meter to get the best results).

So we have everything to calculate C from tclocks value.

Software

The software uses the UART lib for rs232 output and the LCD Lib for LCD access. These two libs are from Peter Fleury.

The software offers some basic functions to control the ports:

  • discharge()
  • charge()
  • led()

charge allows three different ways of charging:

  • charging via high pin (high current mode, via 1K8 resistor)
  • charging via low pin (low current mode, via 1M8 resistor)
  • supporting discharge using internal pullup resistors of AVR (not really a „charge“ mode)

There are several init_*() funtions for initializing different things

  • init_devices()
  • init_timer()
  • init_comparator()
  • init_vars()
  • init_uart()

There are two controlling functions

  • do_measure()
  • do_discharge()

These two functions start measuring/discharging. They do not wait until completion. Completion can be checked using state variables.

Finally there is main(), which does:

  • Initialisation
  • Calibration
  • Repeat measuring cycle
  • Print out on LCD and RS232

One measurement cycle includes the following steps:

  • Discharge cap below lower threshold
  • Charging using low current from LO to MID Threshold
  • If a result can be measured, it is print out and the cycle starts from beginning
  • If no result could be got (a timeout was reached), cap is discharged again
  • Charging using high current from MID to HI Threshold
  • If a result can be measured, it is print out and the cycle starts from beginning
  • Anyway, the cycle starts from beginning

The device does an automatic calibration at startup, i.e. starts after switching on device or after a reset. Precondition for a correct calibration: nothing is attached to the probes. A number (Default: 20) of measurements („samples“) are taken and the average value of these „measurements of nothing“ is calculated and stored. This stored value is then used for subtracting it from the value obtained from the later measurements.

In fact, calibration eliminates the capacity created by the board, the probe cables etc.

During the calibration, displays second line shows the text „Calibration…“.

Weiterführende Links

Zerlegung Motorsteuergerät eines Opel Astra G, Baujahr 2000

So sah das Motorsteuergerät (m)eines Opel Astra G, Baujahr 2000 aus. Kostenpunkt für ein Ersatzgerät: 800 Euro zuzüglich Mehrwertsteuer.


Das ausgebaute Gerät von der Seite.


Das ausgebaute Gerät mit Blick von oben auf die Buchsen.


Das ausgebaute Gerät mit Blick auf die Buchsen.


Von der Unterseite wurde die aufgeklebte Abdeckung entfernt. Sicht auf die Platine. Die Bauteile schwimmen in einer durchsichtigen, gallertartigen Masse.


dito.


Die abgerissene Abdeckung.


Bessere Aufnahme von der Platine. Aus meiner Laiensicht ist da keine komplexe Elektronik drin. Der komplexeste Chip ist der in der Mitte und der kann nicht viele Beinchen haben 🙂


dito.

Ladeelektronik für Solarmodule (1x12V)

Basiert wesentlich auf http://dc7gb.darc.de/projekte/Solarlader.html . Das zugehörige Akkumodul für einen kleineren Bleiakku wurde unverändert nachgebaut.

Meine Änderungen an der Hardware:

  • Kein LCD
  • ATmega644 als Basis
  • Angepasstes Platinen-Layout

Die Software wurde auf Basis C selbst implementiert.


Lademodul Schaltung

 


RS232 Erweiterung für Lademodul

 

 


RS232 Erweiterung für Lademodul. Dient dem vorübergehenden Anschluss eines RS232-Geräts zum Debuggen

Nachtrag

In der Praxis von rund 18 Monaten Jahren Nutzung waren Nachbesserungen nötig.

Schwingungsneigung LM2936: In der Praxis stellte sich heraus, dass der Spannungsregler LM2936, wenn wie in der Originalschaltung verwendet, Neigung zum Selbstschwingen hat. Dann erzeugt er um die 5V Ausgangsspannung einen Sägezahn von 2,4V Amplitude. Dies führt zu Übertragungsfehlern im I2C Protokoll. Das Selbstschwingen ist nur beim Einschalten des Lademoduls und dann auch nur für die ersten 15..30 Sekunden vorhanden.
Abhilfe: Parallel zu C8 (1u) noch einen Elko 10u direkt an die Lötstellen des C8 anlöten. Dann ist die Schwingung nicht mehr mehr vorhanden.

Probleme mit USI TWI Hardware des ATtiny *61: Über einen Zeitraum von etwa einem Jahr habe ich an der Ansteuerung der USI Hardware des ATtiny immer wieder nachgebessert. Die Kommunikation lief nie ohne Probleme über einen längeren Zeitraum. Das USI Modul verhielt sich merkwürdig, so dass auch die TWI Hardwareimplementierung des ATmega aus dem Tritt kam. Z.B. wurde SDA durch USI aus unbekannten Gründen immer mal auf LOW gehalten, so dass der Master nicht mehr kommunizieren konnte. Schließlich habe ich einen selbtgeschriebene TWI Softwareimplementierung verwendet, mit der die Übertragung dann endlich stabil und dauerhaft ohne Aufsicht lief.

ATtiny 461 für TWI Software Implementierung zu klein: Ich musste auf einen ATtiny861 gehen, da die 4K Grenze überschritten wurde.

Weiterführendes

Ladeelektronik für Solarmodule (4x5V)

Die folgende Ladestation dient der Ladung von Geräten mit USB-Anschluss aus einer 12V Batterie. Konkret ist dies bei mir eine Batterie, die per Solarzelle geladen wird.

Designziele:

  • Geringe Verlustleistung in Reglung
  • Mehrere 5V Geräte anschließbar
  • Entnahmestrom ca. 4x500mA
  • Entnahmeanschlüsse 4x USB
  • Absicherung der angeschlossenen Geräte gegen Überspannung
  • Absicherung der Station gegen Kurzschluss

Theory of Operation

Kern des Moduls ist ein Schaltregler-IC. Der LM2576 ist schon lange am Markt, ist preisgünstig und hat im Vergleich zu einem Längsregler nur eine geringe Verlustleistung. Neue und teurere Typen sind effizienter als der LM2576, der Unterschied ist aber aus meiner Sicht hier nicht bedeutsam. Verwendet wurde die variable Version LM2576-ADJ, es geht vom Platinendesign aber auch der LM2576-5 Festspannungsregler. Die Platine hält sich an die Vorgaben des Datenblatts. Es sind zwei unabhängige ICs verbaut, die jeweils zwei USB-Buchsen bedienen. Das bedeutet, dass im Normalbetrieb jedes IC mit 1A belastet ist, ein geringer Wert für diesen Regler.

Der Ausgang ist mit einer Sicherung gegen Überlastung/Kurzschluss gesichert.
Eine Zenerdiode nach der Sicherung erzeugt bei deutlicher Überspannung einen Strom der die Sicherung zum Durchbrennen bringt. Damit sollten Geräte am Ausgang ein bisschen gegen IC-Defekte gesichert sein.


Schaltplan

Platinendesign

 


Bestückung

 

Einführende und weiterführende Informationsquellen zum Thema“Elektronik“

Hier meine ganz persönliche Auswahl zu Informationsquellen zum Thema Elektronik.  Es geht mir nicht um „möglichst viele Links“ sondern um wirklich fundamentale und herausragende Informationsquellen.

Bücher

The Art of Electronics. Paul Horowitz, Winfield Hill. Cambridge University Press, 2015.
Dies ist das Standardwerk zum Thema Elektronik im englischsprachigen Bereich. Wenn man nur ein Buch zum Thema Elektronik kaufen will, dann dieses. Aktuell ist die dritte Auflage, aber ein gebrauchtes der 2. Auflage (bis 2014 aktuell) ist kaum weniger wertvoll.
Von diesem Buch existiert meines Wissens auch eine kostenlose PDF-Version der 2. Auflage, bei dem nur Kapitel 1 fehlt.
Zum Buch gibt es auch ein Student Manual mit vielen Aufgaben zu den einzelnen Kapiteln, ideal zum Selbststudium.

Operationsverstärker: Lehr- und Arbeitsbuch zu angewandten Grundschaltungen. Joachim Federau. Springer Verlag 2013.
Ein hervorragendes Buch zum Thema Operationsverstärker, didaktisch kaum zu übertreffen. Wegen der klaren Darstellung ohne Formelbalast auch wunderbar fürs Selbststudium. Voll mit Beispielen die man leicht an eigene Projekte anpassen kann. Enthält pro Kapitel auch Aufgaben mit Lösungen.
Auch hier gilt: die sechste Auflage (!) ist aktuell aber mit der 5. oder 4. wird man sicher auch glücklich.

Das InterNetzteil- und Konverter-Handbuch (auch „Das neue InterNetzteil- und Konverter-Handbuch“). Jörg Rehmann 2003 (Online-Version: 2009).
Dieses Buch bringt sehr gut strukturiert Theorie und viele praktische Beispiele zu Schaltnetzteilen und DC-to-DC-Konvertern aller Art. Das Buch ist nicht bei Amazon erhältlich, kann aber bei Trifolium direkt erworben werden (http://www.trifolium.de/fachbuecher.html). Schließlich gibt es eine Online-Version des Buchs: http://www.joretronik.de/Web_NT_Buch/Vorwort/Vorwort.html(Video-)Blogs

eevblog (http://www.eevblog.com/) von Dave Jones. Legendärer Videoblog aus Australien („not Austria“). In über 700 Videobeiträgen (Frühjahr 2015) beackert Dave Jones seit einigen Jahren alle Themen um Elektronik herum. Es gibt manchmal mehrere Beiträge pro Woche. Es wird alles besprochen: Oszilloskope, Multimeter, Elektroautos, Retrocomputing, Solar Roadways, Teardowns von fast allem was man mit Strom betreiben kann, Solar power, Konzepte und Grundlagen, eigene und fremde Projekte und vieles mehr. Bob’s your uncle!

mikeselectricstuff (https://www.youtube.com/user/mikeselectricstuff). Mike Harrison ist für mich neben Dave Jones das zweite Schwergewicht zum Thema Videoblog. Er zerlegt teilweise extrem ausgefallene Geräte, die in der Anschaffung (auch gebraucht und defekt) zum Teil sicher noch horrende Summen gekostet haben müssen. Zu nennen sind hier: Röntgenstraßen vom Flughafen-Checkin, Herzschrittmacher, Fibrilatoren, Kameras aller Art, nautische Signalbojen und vieles mehr. Während Dave Jones quasi alles zerlegt, was er in die Finger bekommt, ist Mikes Schwerpunkt eher ausgefallener elektronischer Kram :-). Neben dem Videoblog findet man Unmengen weiterer Informationen von Mike Harrison unter http://www.electricstuff.co.uk/.

… That’s all she wrote.

Umbau des Labornetzgeräts PS-302 auf Digitalanzeigen

Das Labornetzgerät PS-302 war jahrelang bei Conrad im Angebot. Es bietet 0-30V bei 0-2A. Das Gerät ist kurzschlußfest und äusserst robust gebaut. Das Netzteil ist ein Längsregler mit dickem Trafo und damit geringer Restwelligkeit (kein Schaltnetzteil). Leider hat es nur ein analoges Anzeigeinstrument. Dieses zeigt entweder Spannung oder Strom ab, man kann nie beides gleichzeitig sehen. LCD Panelmeter sind für unter 10 Euro im Handel erhältlich. Ich habe daher meine beiden Labornetzteile auf Digitalanzeige umgebaut. Jedes Gerät bekam eine Anzeige für Strom und eine für Spannung.

Die digitalen Panelmeter benötigen normalerweise eine eigene, galvanisch getrennte Versorgungspannung, bei mir 9V. Daher habe ich noch ein Mini-Netzteil mit 2x9V gebaut und die Panelmeter werden damit betrieben.

Eines der beiden Geräte nach Öffnung und Entfernung des analogen Instruments. Die Blende kann mit sanfter Gewalt entfernt werden, sie ist angeklebt. Der mittig angebrachte Schalter schaltet das Anzeigeinstrument zwischen Strom und Spoannung um und wird überflüssig.

 

Das übrigbleibende analoge Panelmeter

Ich habe zwei Geräte, die äußerlich sehr ähnlich sind, innen aber ziemlich unterschiedlich. Trotzdem konnte ich beide Geräte weitgehend identisch bearbeiten.

Das Gerät (das ältere Baujahr) von innen. Das neuere Gerät hat hinter dem Anzeigeinstrument noch eine weitere Platine und einen noch dickeren Trafo.

Aussägen eine Ausschnitts, in den beide digitale Panelmeter hineinpassen. Schutz des Geräts vor Sägespänen durch einwickeln in Zeitungspapier o.ä. Der Ausschnitt kann auch mit einem Knabber gemacht und dann sauber nachgefeilt werden (habe ich so gemacht).

Der fertige Ausschnitt.

Das kleine zusätzliche Netzteil kann an dem Befestigungswinkel, an dem das analoge Panelmeter befestigt war, angebracht werden. Diesen dazu passend abwinkeln.

So hängt das Mini-Netzgerät (ich halte den Trafo zwischen meinen Fingern!) am Befestigungswinkel.

Befestigter Winkel

Und hier das Netzteil am Befestigungswinkel.

Die Panelmeter brauchen ca. 60mA Strom bei 9V (sie haben Hintergrundbeleuchtung). Als Trafo ist ein Typ 2x9V bei 100mA vollkommen ausreichend. Die Regelung der 9V kann z.B. durch einen 78L09 oder einen TA78L009 erfolgen.

Meine Panelmeter sind 3,5-stellig, haben Hintergrundanzeige und können 200,0 mV darstellen. Nachmessen an den alten Anzeigeinstrumenten ergab, dass dort a) 100mV-Instrumente mit 250Ohm Innenwiderstand 200mV-Instrumente mit 450Ohm Innenwiderstand im Einsatz waren. Die passende Anzeige an den neuen Instrumenten erhält man durch Spannungsteiler. Da man das genau einstellen muss, sind Timmer zu verwenden.

Schaltbild a) Netzteil für die Panelmeter und b) Anschluß der Panelmeter.

Der Spannungsregler TA78L009, der 9V bei 150mA bereitstellen kann. Es kann genauso gut der besser erhältliche 78L09 verwendet werden, der 100mA bereitstellt.

Erster Funktionstest, mit losen Anzeigeinstrumenten. Angezeigt werden 5,0 Volt. Das Strommessgerät ist noch nicht in Betrieb.

Erster Test mit Spannung (4,7V) und Strom (1,01Ampere).

Und so sieht’s von innen aus. Sichtbar das kleine Zusatznetzteil (auf dem Kopf stehend montiert)

Die Panelmeter von ihrer Rückseite

Die Panelmeter werden mit einer Heissklebepistole genau fixiert

Danach werden die Panelmeter mittels der Trimmer so eingestellt, dass sie korrekte Spannungs- und Stromwerte anzeigen.

Und so sieht’s fertig aus.

Für etwa 2×8 Euro und etwa 2 Stunden Arbeit erhält man wesentlich aufgewertete Geräte.

Bastelecke: Wägezellen

Wägezellen sind Kraftsensoren, mit denen z.B. elektrische Waagen aufgebaut werden.

Mit dem Typ „Doppelbiegebalkenfederkörper“ habe ich experimentiert.

Wägezellen eines Typs werden für unterschiedliche Nennlasten (z.B. 5, 10, 50, 90 KG) gefertigt.

Einsatzgebiete sind Messsysteme wie Dosierwaagen, Plattformwaagen, Abfüllwaagen.

Meine Wägezellen

Modell 1015

Hersteller unbekannt. Dieses Zellenmodell ist eines der ersten industriell gefertigten Modelle überhaupt. Laut http://www.soemer.de/waegezellen/waegezelle-1015.html sind bisher mehr als 10 Millionen dieser Zellen gefertigt worden. Nennlasten im Bereich von 3-90 KG werden angeboten. Mein Modell hat eine Nennlast von 5 KG.


Wägezelle von außen

 


Links Befestigungsbohrungen für eine Wiegeplattform

 


Im Innern: Hier ist der Dehnungsmeßstreifen zusammen mit den drei Präzisionswiderständen angebracht, alles in roter Paste geschützt

 

 

 

 


Und von ganz nah. Widerstand Vermutlich 200 Ohm 1%.

 

Anschlüsse, ungetestet, aus Vergleich mit anderen Zellen abgeleitet:

Blau +SENSE
Grün +V IN
Rot +Signal OUT
Schwarz -V IN
Gelb -SENSE
Weiß -Signal OUT
Masse

Modell TEDEA Huntleigh 1040

Das Modell 1041 ist ein ebenfalls sehr verbreitetes Modell, erhältlich für Nennlasten 5-100KG. Mein Modell hat eine Nennlast von 5 KG.

 

 

 

Messprinzip

To be done. Wheatstonsche Brücke, x mv/V, R, Spannung.

Messverstärker Penko FMD-2PC

Penko ist u.a. der Produzent zahlreicher Messverstärker. Mein älteres Modell „FMD-2PC“ ist von der Bedienung her ganz ähnlich zum Modell „FMD-g“, zu
dem man das Handbuch im Internet findet.

Der FMD-2PC bietet einen Eingang speziell für Wiegezellen, RS232 Schnittstelle, analoge Ausgänge und Schaltausgänge. Mittels Display
und Eingabetasten kann er eingestellt und bedient werden, dies ist ebenso auch via RS232 möglich.

Die analogen Ausgänge können eine Spannung proportional zum aufliegenden Gewicht abgeben. Sie werden vom intern vorhandenen digitalen
Gewichtswert via DAC versorgt.

Die Schaltausgänge können zwei bestimmte Gewichtswerte zugeordnet werden. (z.B. Minimal- und Maximalgewicht).

Über die Eingabetaster kann das Gerät eingestellt werden.

Auf dem Ausgabedisplay kann der momentane Messwert sowie während der Einstellung, der Einstellungsdialog dargestellt werden.

Via RS232 kann mittels eines einfachen Protokolls das Gerät ebenfalls bedient werden.


PMD-2PC Frontseite. 5 stellige LED-Anzeige, 8 LEDs zum Anzeigen von Zuständen, 4 Taster zur Dateneingabe/Steuerung.

 


Teil der Rückseite des PMD-2PC. Unten Leiste zum Anschluss der Wägezelle, oben Steuerausgänge, links RS232 Buchse. Buchse unten rechts ist zum Anschluss an 230V vorgesehen.

Kalibrierung

Kalibrierung bedeutet einstellen des Messverstärkers auf die verwendete Wägezelle. Man kann bis zu 4 Kalibrierpunkte festlegen.
Konkret legt man ein Gewicht auf die Zelle, z.B. 100g und stellt dann ein, welchen Wert der Verstärker dann anzeigen soll (also
100). Durch das Kalibrieren werden kleine Nichtlinearitäten der Wägezelle korrigiert. Der Messverstärker macht dies, indem er auf den
gelieferten Wert der Wägezelle eine Approximationsfunktion anwendet.

Versuchsaufbau

Die Wägezelle wurde in einen Schraubstock eingespannt, eine kleine Aluplatte als Plattform für zu messende Objekte angeschraubt und die Zelle mit ihren 6 Anschlüssen zuzüglich Schirmung mit dem Messverstärker verbunden.

Nach einer Kalibrierung konnten erfolgreich diverse Gewichte zwischen 1 Gramm und 1 Kilogramm gemessen werden.


Kein Gewicht

 


100 Gramm

 


200 Gramm

 


1000 Gramm

 


50 Gramm

 


20 Gramm

Einbau der Wägezelle in ein Gehäuse

Nach der dritten chinesischen Küchenwaage, die bei uns das zeitliche gesegnet hat wollte ich so eine Schrottflunder nicht mehr haben. Warum also nicht die Wägezelle einfach in ein Gehäuse einbauen, schon ist die Waage da!


Gehäuse aus HDF Platte 10mmm gesägt und geklebt

 


Oben kommt die Zelle hin, unten der Meßverstärker

 


Und so siehts fertig aus.

 

GPIB COMMPACK Reparatur für den Logik Analysator Tektronix 1241

Für meinen Logik Analysator Tektronix 1241 habe ich mir über ebay aus Israel das GPIB-Interface gekauft. Nach einiger Zeit stellte sich aber leider heraus, dass das Interface eine Macke hat. Manchmal werden Zeichen nicht korrekt übertragen, es kommt nur Schrott an. Empfangen wird scheinbar korrekt. Beispielsweise sollte das Kommando „id?“ in etwa folgenden String zurückliefern: „ID TEK/1241,V…“. Im Fehlerfall kam aber:

 > id?
command: id?
Query. Will check for answer.
{IEaUEKoqsuqmWyqoqmSYS{WqoqmCOMM{WqoqmACQ{q{q{s{s{

Hier sind einige Zeichen korrekt und andere nicht. Eine Analyse zeigte, dass auf dem Datenbus die Bits 0 und 7 (D1 und D6 von GPIB) immer als 0 gelesen wurden. Da auf dem Bus inverse Logik anliegt und alle gelesenen Bits vor der Weiterverarbeitung invertiert werden müssen, werden die Nullen zu Einsen, d.h. Bit 7 und Bit 0 ist immer Eins. Aus einem Space 0x20 wird so 0x61 und aus ‚A‘ wird ‚B‘ etc.

Da ich wenig Sinn sah, das Teil nach Israel zurückzusenden, stand als nächstes das Öffnen des Commpacks an.

Dort werkelt der TMS9914, ein GPIB Controller. Ausgabeseitig sind ein 75160/161 verbaut, zwei GPIB-Bus-Transceiver. Ich habe an den Eingängen des 75160AN gemessen. Dort liegen für alle Leitungen noch gleiche Pegel von etwa 3,2 Volt an. Die Abbildung unten zeigt zwei Signale auf dem Bus (D2 oben, D1 unten), dabei D1 mit nur 1,2 Volt Amplitude.

Der 75160 ist also defekt. Für einen Austausch ist das Entlöten erforderlich, dass man mit einem heißen Lötkolben (ich habe 380 Grad genommen) und Entlötpumpe vorsichtig machen kann. Die Lötstellen immer mindestens 5 Sekunden (ich habe bis 10 gezählt) erhitzen, so dass das Zinn schön flüssig ist.

Nach dem Entlöten kann das IC vorsichtig mit kleinen Schraubenziehern ausgehebelt werden. Keinesfalls Gewalt anwenden, es muss LEICHT gehen!

Danach habe ich eine Fassung eingelötet.

Schließlich habe ich, da ich das Ersatz-IC noch nicht habe, das alte IC wieder eingesetzt. Funktionsprobe zeigt, dass es genauso gut (bzw. schlecht) wie vorher funktioniert.

Ersatz-IC ist bestellt.

Experimente mit Geiger-Müller Zählrohren (SI-39G und SBM20)

Aus russischen Altbeständen sind günstig fabrikneue Zählrohre erhältlich. Ich habe meines für rund 15 Euro bei Pollin gekauft. Ein neues Zählrohr kostet typischerweise um die 100 Euro.

Mein SI-39G stammt laut Packungsaufdruck von 1990.
Später kam noch ein SBM20 sowie ein 70014NR (V-AZ-114NR) aus Ex-DDR-Beständen hinzu.


Das SI-39G

 


handschriftliche Nummer …

 


Verpackung im 40ger Jahre Look…

 

 


Das SBM20, russische Produktion

 


Das 70014NR, vermutlich DDR Produktion

Theory of operation

Siehe hierzu http://de.wikipedia.org/wiki/Z%C3%A4hlrohr#Geiger-M.C3.BCller-Z.C3.A4hlrohr. In Kürze:

Das Zählrohr ist mit einem Gas gefüllt und besitzt eine Anode und eine Kathode, die beiden Enden des Zählrohrs. An das Zählrohr muss eine ziemlich hohe Gleichspannung angelegt werden.
Trifft ein Strahlungsteilchen nun in die Gasfüllung, wird ein Elektron freigesetzt, das wegen der angelegten hohen Spannung Richtung Anode wandert. Effekt: Ein Strom fließt. Diesen Vorgang nennt man „Ionisation“.

Bei hohen Spannungen, die bei Geiger Müller Zählrohren verwendet werden (~400Volt), werden viele Elektronen gleichzeitig ausgelöst. Das Geiger Müller Zählrohr ist also sehr empfindlich. Der Stromfluss ist stark und kann mit einfachsten Mitteln weiterverarbeitet werden (z.B. hörbar gemacht werden).

Beschaltung

Die Beschaltung eines Zählrohrs ist erstaunlich simpel. An das Zählrohr werden einige Hundert Volt angelegt (+ An Anode, – an Kathode). Um zu hohe Ströme im Zählrohr zu vermeiden, wird ein Widerstand von rund 100KOhm in Serie geschaltet. Am Zählrohr wird über einen Spannungsteiler mit sehr hohen Widerständen von einigen Megaohm das Signal abgegriffen.

Experimentelle Beschaltungen finden sich zahlreich im Web. Alle Schaltungen teilen sich in zwei Bereiche auf:

  • Hochspannungserzeugung
  • Impulsauswertung

Impulsauswertung: Hier habe ich auf die Schnelle keine Schaltungen gefunden, die ein schönes  lautes Knacken in einem Lautsprecher zustande brachten. Daher habe ich eine minimale Schaltung mit einem Operationsverstärker in Komparatorschaltung aufgebaut.  Als OpAmp kann ein Standardtyp genommen werden, ich habe den NE5534 verwendet.
(Quelle & weitere Infos Komparatorschaltung: z.B. das hervorragende Buch: Jochen Federau, Operationsverstärker, Vieweg).


Dies ist eine Standardbeschaltung eines OpAmps als Komparator („ohne Hysterese“). Hinzugenommen wurde nur der Eingangsspannungsteiler (2x10M), das Zählrohr und der kleine Lautsprecher.
Funktionsweise: Die grüne LED leuchtet, solange kein Impuls erkannt wird, die rote LED blitzt bei einem erkannten Impuls kurz auf.

Das Zählrohr ist mit der Kathode (-) an einen Spannungsteiler mit zwei 10M-Widerständen angeschlossen. Die Anode (+) liegt an 400V (genaueres dazu weiter unten). Messungen am Spannungsteiler zeigt ein Störsignal von -40mV..+500mV (Netzbrumm). Eine Ionisierung erzeugt einen steilen Impuls von etwa 3,4ms Länge und einer Amplitude von 1200mV.

So sieht ein Impuls des Zählrohrs am Oszilloskop aus. Der Netzbrumm hat eine Amplitude von etwa 500mV, aus dem sich der Impuls mit einem Maximum von 1200mV heraushebt.

Der Komparator muss also auf eine Spannung zwischen 500 und 1200 mV ansprechen. Die Schaltung soll mit +5V versorgt werden. Die Referenzspannung wird durch zwei Widerstände am –Eingang des OpAmps festgelegt. Mit den Werten 47K und 10K ergibt sich rechnerisch eine
Referenzspannung von 10K/(10K+47K)*5V = 877mV. Die Widerstände haben eine Bauteilstreuung, nach Aufbau messe ich am –Eingang 873mV, dies ist ok.

Das Zählrohr erzeugt ohne Strahlungsquelle in der Nähe 5-10 Impulse (SI-39G) bzw. 16-31 Impulse (SBM20).

Hochspannungserzeugung

Hierzu finden sich zahlreiche Schaltungen im Internet. Man muss nicht immer alles selbst erfinden, und so habe ich nur eine fertige Schaltung gesucht, die simple Standardbauteile verwendet und mit einer einfachen Induktivität (statt eines Transformators) auskommt. Außerdem sollte der Stromverbrauch gering sein, um einen Batteriebetrieb des Gesamtgeräts möglich zu machen.

Bei http://www.loetstelle.net/projekte2/lphv/lphv.php wurde ich fündig. Die dort beschriebene Schaltung ist simpel, nutzt eine kleine 10mH-Induktivität aus und verbraucht im Leerlauf weniger als 1mA. Aktive Bauteile sind ein 7555 (CMOS-Variante des 555), ein MOSFET BS170 und ein Hochvolt-Transistor MPSA42. Der 7555 erzeugt eine Ausgangsfrequenz von etwas über 10Khz, die über den MPSA42 die Induktivität ansteuert. Dabei entstehen an der Spule Spannungsspitzen von über 100 Volt, die über eine Diodenkaskade vervierfacht wird, so dass am Ausgang ziemlich genau 400 Volt bereitstehen

Die Ausgangsspannung kann nur mit einigen Mikroampere belastet werden. Ein Messversuch mit einem Multimeter mit 10 Megaohm schlug bei mir fehl, erst bei Messung mit einem 75Megaohm-HV-Tastkopf konnte ich die Ausgangsspannung messen: mit Fluke 27 und Hochspannungstastkopf: 398 Volt.

Also noch mal zur Klarstellungen: Die verwendete Schaltung zur Hochspannungserzeugung ist von loetstelle.de und dort unter http://www.loetstelle.net/projekte2/lphv/lphv.php detailliert beschrieben. Der ganze Ruhm für diese nette Schaltung geht also an loetstelle.de.


Schaltplan mit Hochspannungserzeugung (oben) und Impulsauswertung (unten). (Für das Zählrohr wurde in Eagle kein Symbol gefunden).

Irgendwo im Internet habe ich auch gelesen, dass für das SBM20 die Stromspitze während einer Ionisation (bei 400V) bei 60µA liegt. Die Spannungsquelle sollte diesen Wert für die Dauer einer Ionisation also ohne Zusammenbruch abgeben können.

Bestückung der Platine. Für das Zählrohr wurden ursprünglich vorgesehen, seine Kontakte in Sicherungshaltern zu fixieren. Im umgesetzten Exemplar wurden keine Sicherungshalter verwendet, diese sind aber im Platinenentwurf noch enthalten und können ignoriert werden.
Wichtiger Hinweis zur Bestückung: Der BS170 ist in der Eagle Bauteilebibliothek (bis mindestens Version 6.2.0) nicht korrekt enthalten, Drain und Source Anschlüsse sind vertauscht. Daher muss der Transistor BS170 nicht wie hier dargestellt, sondern um 180 Grad gedreht eingelötet werden!

In obiger Platine sind die folgenden Anschlüsse vorhanden:

Connector X1 – Power

Hier werden + und – der Stromversorgung/Batterie angeschlossen.

Pin Bedeutung
1 + 5 Volt
2 GND

Connector X4 – Ausgang für Microcontroller

GND und Signalausgang. Zu verbinden mit GND des Mikrocontrollers und einem als Eingang beschalteten Pin des Mikrocontrollers.

Pin Bedeutung
1 Signal Ausgang
2 GND

Connectors F1/F2: Zählrohranschlüße

Hier wird das Zählrohr angeschlossen.

Pin Bedeutung
F1 Anode/+ des Zählrohrs
F2 Kathode/- des Zählrohrs

Das bestückte Board mit Hochspannungsversorgung (oben) und Signalauswertung (unten links). Ein kleiner Lautsprecher ist an den Signalausgang angeschlossen.

Auswertung der Zählimpulse mittels AVR Mikrocontroller

Ein Mikrocontroller wird eingesetzt, um die Impulse zu zählen und in einer nutzbaren Form darzustellen, zum Beispiel Impulse/Minute oder gar Milli-Sievert oder Mikro-Sievert.
Die ganze Schaltung soll in einen vorhandenen Environmental Datalogger integriert werden, so dass auch die Strahlenbelastung durch dem Datalogger mitaufgezeichnet wird.

Der Mikrocontroller hat also die folgenden Aufgaben:

  • Uhrenfunktion, um Sekunden und Minuten al s Zeitintervalle präzise bestimmen zu können  (Verwendung eines Quarzes, Timerfunktion des AVR)
  • Zählen der Impule (Nutzung der externen Triggermöglichkeit eines AVR-Timers) und Umrechnung in einen Sieverts-Wert.
  • Berechung Impulse/Minute, Berechnung Strahlendosis in Sievert nach Formel
  • Option: Um Strom zu sparen, wird die ganze Zählschaltung (HV-Versorgung, Impulsauswertung) nur eingeschaltet, wenn auch gezählt werden soll, also zum Beispiel für 1 Minute alle 10 Minuten)

Die Umrechnung der Impulse pro Zeiteinheit in Sievert (Nano-Sievert) kann anhand der Kenndaten des Zählrohrs vorgenommen werden. Für alle von mir betrachteten Zählrohre können diese Werte, wenn auch mühsam, aus diversen Foren gewonnen werden.

Beim Anschluss des Zählrohrs (genommen habe ich das SBM20) an den Datenlogger wurden noch ein paar Kleinigkeiten angepasst, die hier nicht zu sehen sind

  • Der Datenlogger läuft mit 3,3Volt aus einer Solarzelle gespeist. Dies ist für die Zählrohransteuerung zu wenig. Daher wurde auf der Platine noch eine 5V Spannungsreglung mit 78L05 „manuell integriert“
  • Spannungsteiler am Ausgang um den 3,3V Pegel des Datenloggers zu treffen
  • Entfernen der LEDs und des Speakers zum Stromsparen
  • Ablöten der oben noch sichtbaren Sicherungshalter und Bau eines Zählrohrhalters mit Isolation

Der Komparator erzeugt aus dem Zählrohr Impuls keinen einzelnen Rechteck Impuls.

Ausgangssignals des Komparators für einen Zählrohrimpuls. Es finden sich direkt nach dem eigentlichen Signal noch mehrere sehr kurze Signale

Um den Impuls nur 1x zu zählen, wurde daher eine Totzeit von 2ms eingebaut. Alle Impulse innerhalb dieses Zeitraums nach einer positiven Signalflanke werden als ein Impuls gezählt. Damit kann ich zwar nicht mehr als 1000/4=250 Impulse/s zählen, aber dieser Wert wird in meiner Umgebung hoffentlich nie erreicht.​​​​

Strahlungsquellen zum Testen

Um das Zählrohr auszuprobieren, gibt es verschiedene Möglichkeiten:

  • Armband- oder Taschenuhren mit Leuchtziffern aus radioaktiven Leuchtfarben siehe dazu http://de.wikipedia.org/wiki/Leuchtfarbe:
    • Alte Armband- oder Taschenuhren mit Leuchtziffern. Die Leuchtziffern wurden früher mit radioaktiven Farben gezeichnet (Radium).
    • Neue Uhren mit Leuchtziffern mit Leuchtfarbe auf Tritium-/Promethiumbasis
  • Alte Glühstrümpfe für Gaslampen (Thorium) (http://de.wikipedia.org/wiki/Gl%C3%BChstrumpf)
  • Tritium-Lämpchen („Glowrings“) erhältlich z.B. via ebay
  • Angeblich auch: Sensoren von elektrischen Rauchmeldern (?)

Weiterführende Informationen

Allgemeine Infos zu Zählrohren und Schaltungen:

Elektronik Tutorial: Messen diverser Größen (Spulen)

nach http://www.sprut.de/electronic/switch/lc/lc.html#lmess

Dort ist auch der Bau eines LC-Meßgeräts (mit PIC Microcontroller) beschrieben: http://www.sprut.de/electronic/pic/projekte/lcmeter/lcmeter.htm.

Man kann die Induktivität einer Spule  ganz einfach bestimmen, indem ein  LC-Schwingkreis aufgebaut wird und diesem eine Sinusspannung variabler Frequenz zugeführt wird. Der Schwingkreis dämpft alle Frequenzen ausserhalb seiner eigenen Resonanzfrequenz, d.h. die Amplitude der Sinusspannung wird unterschiedlich stark gedämpft. Wenn die angelegte Frequenz gleich der Resonanzfrequenz des Schwingkreises ist, wird die angelegte Sinusspannung auch gedämpft, aber nur minimal.


Diverse Spulen

Die anzulegende Sinusspannung muß in etwa zwischen 1 und 100 Khz regelbar sein.  Die eigentliche Schaltung ist in folgendem Bild zu sehen.


Testschaltung. Links die Signalquelle (Signalgenerator),
in der Mitte der Schwingkreis mit der zu testenden Spule LUT,
rechts das Oszilloskop.

C2 sollte einen nicht zu kleinen Wert haben, z.B. 1µF oder größer. C2 darf kein Elko sein, sondern ein ungepolter Kondensator. Ich habe 1µF genommen. Durch Messen habe ich aus einer ganzen Reihe von 1µF-Kondensatoren einen Kondensator herausgesucht, der 1,009µF hat, also möglichst nah am Sollwert liegt. Der angelegte Signalgenerator sollte niederohmig sein (z.B. 50 Ohm). Statt eines Oszilloskops kann auch ein Voltmeter und ein Frequenzmesser genommen werden. Mein Oszi zeigt aber bequem Frequenz und Amplitude direkt an.

Gemäß der Gleichung L = 1 / (39,5 * C2 * f2 )
kann nun aus C und f der Wert L in Henry berechnet werden.

Bei gegebenem Kondensator C2 mit dem Wert von 1µF lassen sich übrigens aus der umgestellten Tabelle folgende Sollwerte für die Frequenz in Abhängigkeit von L berechnen:

Frequenz [Hz] L [µH]
159111 1
50315 10
22501 50
15911 100
7339 470
5031 1 mH
1591 10 mH

Beispiele

Die folgenden Bilder zeigen den Amplitudenverlauf am Oszilloskop beim Durchstimmen in der Nähe der Resonanzfrequenz. Diese liegt -ermittelt bei der maximalen Amplitude- bei 15,38 Khz.


14,29Khz, Amplitude nur 140mV

 


15,38Khz, Amplitude ist an diesem Punkt maximal, bei 280mV. Dies ist also die Resonanzfrequenz des entstandenen RL-Kreises.

 

17,86Khz, Amplitude ist wieder gefallen auf 152mV

Aus dem abgelesenen Wert f=~15,4Khz lässt sich nun L berechnen:
L= 1 / (39,5 * 0,000001 * 154002 ) = 1,067 * 10-4 = 106µH. Aufgedruckt auf der Spule ist der Wert 100µH.

Weitere Beispiele:

  • Spule 2 (aufgedruckter Wert 15µH (Farbringe)):
    max. Amplitude bei 40Khz. L = … = 1,58*10-5 = 15,8µH.
  • Spule 3 (aufgedruckter Wert 5600µH (Zahl „562“ = 5600)):
    max. Amplitude bei 2,19Khz. L = … = 5,278 * 10-3 = 5278µH .
  • Spule 4 (aufgedruckter Wert  680 µH (Text  „681K“ = 680)):
    max. Amplitude bei 6,0Khz. L = … = 7,03*10-4 = 703µH.

Fazit: Alle Testmessung führten mit dieser einfachen Methode zu ziemlich guten Ergebnissen, so dass auch eine unbekannte Spule recht gut gemessen werden kann.