Gewichtsmessung für Cocktails

[ranke]

Wegen der Temperaturkonstanz würde die Messbrücke immer mit Spannung versorgen. Spricht etwas gegen diese Vorgehensweise?

Ich würde die Speisespannung der Meßbrücke periodisch umpolen und die Differenz der Meßspannungen auswerten. Damit umschiffst Du den Einfluß von Offsetspannungen im Meßverstärker und die Auflösung verdoppelt sich.

[Bumbum]

Hallo,

es geht endlich weiter bei diesem Projekt. Nachdem die Bestellung der Wägezelle bei Amazon 2 mal jeweils nach 2 Wochen Wartezeit vom Verkäufer einfach ohne Angabe eines Grunds storniert wurde habe ich nach Alternativen gesucht. Leider gab es nur ähnliche (günstige) Wärezellen aus Fernost. Also nochmal ein paar Wochen Wartezeit. Aber jetzt ist endlich alles da. Die Schaltung steht mittlerweile und funktioniert. Es läuft ein ATmega8 und steuert ein LCD-Display an. Als Messwandler habe ich den HX711 verwendet. Die Wägezelle hat die Bezeichnung YZC-1B und kann 5 kg. Hier sind die Daten dazu:

Input resistance 402±6
Output resistance 350±3
Total error %F.S =±0.030
Insulation resistance 5000
Rated output MV/V 2.0±0.15
Excitation voltage V 10~15
Compensated temperature range -10~+40
Operating temperature range -35~+80
Temperature effect on zero %F.S/ 0.003
Creep %F.S/30min 0.03
Temperature effect on sensitivity %F.S/ 0.0016
Zero output %F.S ±1.0
Safe overload %F.S 150
Load cell material Aluminum

Hier noch ein Bild meines Versuchsaufbau bis jetzt. Im Hintergrund sieht man die Schaltung und das LCD-Display:



Jetzt muss ich mir für diese Zelle erst mal eine kleine Mechanik bauen, damit ich weitere Versuche machen kann. Ich halte euch auf dem laufenden.

Viele Grüße
Andreas

[Peter(TOO)]

Hallo Andreas,

Jetzt muss ich mir für diese Zelle erst mal eine kleine Mechanik bauen, damit ich weitere Versuche machen kann. Ich halte euch auf dem laufenden.

Da genügt eine Schraubzwinge

Wichtig ist, dass der Bereich mit der Ausfräsung frei liegt, also die Zelle etwas weiter nach links schieben.
Am linken Ende kannst du dann dein Glas drauf stellen oder an einer Schnur Gewichtssteine dran hängen.
Auch hier ist wichtig, dass der Bereich mit der Ausfräsung frei bleibt.

MfG Peter(TOO)

[malthy]

Hi,

Als Messwandler habe ich den HX711 verwendet.

Das ist vermutlich eine ganz gute Wahl, das verringert den Schaltungsaufwand deutlich. Ich baue auch gerade eine Waage auf Basis von diesem IC, bin im Moment dabei das System zu kalibrieren. Ansonsten ist es eigentlich fertig.

Wir hatten hier ja auch mal kurz die Diskussion um das Rauschen des Systems. Ich habe das mal auf naive Art gemessen: Zum einen habe ich den Messeingang vom HX711 über einen 1k Widerstand kurzgeschlossen, weil meine Wägezelle eine Ausgangsimpedanz von ca. 1k hat. Zum anderen habe ich die Wägezelle angeschlossen. Für beide Fälle habe ich die vom HX711 ausgegebenen Daten für ca 45 Minuten aufgezeichnet. Ich habe die Rohdaten mit tiefpassgefilterten und ausreißerbereinigten Daten verglichen. Dann kommt etwa folgendes heraus:



Gefiltert komme ich also auf 3.18 Bit Noise ohne Zelle und auf 4.11 Bit mit Zelle. In welches "Gewichtsrauschen" sich das übersetzt, hängt dann natürlich von der verwendeten Zelle ab. Insgesamt spielen auch noch zusätzliche Faktoren mit rein, die Genauigkeit und Präzision der Messung beeinflussen.

Gruß
Malte

[Bumbum]

Hallo,

@Peter: Der Aufbau mit der Schraubzwinge würde gehen, aber die Fläche für das Glas ist doch mehr als wackelig. Da möchte ich schon einen kleinen "Teller" anschrauben. Das Problem ist, dass ich im Urlaub zuhause nicht an die nötigen Mittel zur Verfügung habe. Es fehlt schon an den M6er Schrauben... Und stänig ist ein Feiertag, also Baumarktverwigerung!
Ich habe immer mit meiner Lötzinnrolle als Gewicht probiert, aber die ist mir so oft runtergefallen. Mit einem Glas mit Wasser drin würde ich schnell frust schieben. Das ganze sollte schon etwas Stabilität haben. Aber keine Eile. In der Theorie und Programmierung sind noch genug Bauistellen:

Ich habe meine Lötzinnrolle mit der Küchenwaage gewogen und damit schnell mal den Faktor von ADC-Wert und Gewicht berechnet (750 in meinem Fall). Heute habe ich versucht diesen per Rechnung zu bestätigen, komme aber auf einen ganz anderen Wert:

Berechnung von Avdd:

VBG (Bandgap-Spannung) aus dem Datenblatt des HX711: 1,25V
R1 (bestückt): 8,2k
R2 (bestückt): 20k
ergibt laut Formel im Datenblatt des HX711 eine analoge Versorgungsspannung (Avdd) von 4,3V.
Bezogen auf die 24 Bit des ADC also eine Auflösung von 260nV.

Wägezelle:

Laut Datenblatt eine Empfindlichkeit von 2mV/V ergibt bei 4,3V eine Spannung von 8,6mV bei Vollbelastung.
Die Zelle ist mit 5kg angegeben, also eine Ausgangsspannung von 1,7µV pro Gramm.
Diese Spannung wird im HX711 noch per Gain (64) auf 110µV verstärkt und dann gewandelt.
Damit komme ich auf einen ADC-Wert von 430 pro Gramm.

Dieser Wert liegt leider fast um die Hälft neben meinem durch Versuch ermittelten Wert. Findet jemand meinen Fehler?

Mir ist nicht ganz klar, warum der Sensor einen Messbereich von +/-20mV bzw. +/-40mV (je nach Gain) angibt, wenn dieser doch eh von Avdd abhängig sein soll.

Noch ein paar Gedanken zum Rauschen (danke malthy für deine Messungen):

Gehen wir von 5 Bit Rauschen aus, also einen "Verlust" von 32 ADC-steps rauscht es um 8,2µV bzw. 75mg. (Milligramm) Kommt das hin? Das kommt mir auch sehr wenig vor.

Viele Grüße
Andreas

[malthy]

Hi,

[...] R1 (bestückt): 8,2k [...] R2 (bestückt): 20k [...] ergibt laut Formel im Datenblatt des HX711 eine analoge Versorgungsspannung (Avdd) von 4,3V.

Strenggenommen hast Du glaube ich R1 und R2 vertauscht, im Datenblatt steht nämlich mMn die Rechenvorschrift falsch: VFB sieht die Spannung über R2, deswegen muss in der Rechenvorschrift R2 in den Nenner. Dein Ergebnis ist aber trotzdem richtig .

Bezogen auf die 24 Bit des ADC also eine Auflösung von 260nV.

Da weiß ich nicht was Du damit meinst. Ich sehe was Du gerechnet hast, der Sache nach macht das aber keinen Sinn. Die 4.3V sind einfach nur die Spannung, die der in den HX711 integrierte Linearregaler ausgibt, das hat nichts mit dem ADC zu tun.

1,7µV pro Gramm

Ich komme auf das gleiche Ergebnis für Deine Zelle.

Diese Spannung wird im HX711 noch per Gain (64) auf 110µV verstärkt [...]

Das habe ich eigentlich anders verstanden. Ein Gain von 128 bedeutet mMn dass ein Eingangsspannungsbereich von +/- 20 mV auf 24 Bit umgelegt werden, bei Gain 64 entsprechend +/- 40 mV. So gerechnet komme ich auf einen ADC Wert von 1426/g. Dazu wird aber Deine Zelle vermutlich einen Offset haben, der HX711 hat außerdem einen. Im übrigen glaube ich dass die Angaben zu den billigen Wägezellen schlicht und einfach irgendwo abgeschrieben sind und durchaus falsch sein können. Bei den Daten zu meiner Zelle stimmten die angegebenen Impedanzen zB überhaupt nicht.

Mir ist nicht ganz klar, warum der Sensor einen Messbereich von +/-20mV bzw. +/-40mV (je nach Gain) angibt, wenn dieser doch eh von Avdd abhängig sein soll.

siehe oben, AVDD ist die Sapnnung die der Linearregler des HX711 ausgibt und hat nichts mit dem Messbereich des ADC zu tun.

Gehen wir von 5 Bit Rauschen aus, also einen "Verlust" von 32 ADC-steps rauscht es um 8,2µV bzw. 75mg. (Milligramm) Kommt das hin? Das kommt mir auch sehr wenig vor.

Die von mir gemessenen knapp 6 Bit Rauschen für den kurzgeschlossenen Verstärker passend überraschend gut zu den 90 nV RMS aus dem Datenblatt. Der gleitende Mittelwert auf den Daten drückt das Rauschen dann nochmal erheblich. Ich lese den Sensor mit 80 Hz aus und mittel über 100 Samples (tatsächlich mach ich auch eine rudimentäre Ausreißerkorrektur). So komme ich auf die gut 4 Bit Rauschen mit meiner Zelle. Das beschreibt ja aber erstmal nur die Streuung der Werte über 45 Minuten. Tatsächlich beobachte ich einen erheblichen Drift über längere Zeiträume (sorry, noch kein Diagramm gemacht), deren Ursache ich nicht kenne. Ich werde das parallel nochmal mit der Raumtemperatur messen, um eine Idee von dem Einfluss zu bekommen. Darüber hinaus weisen die Wägezellen auch ein "Kriechen" (Creep) auf, das die Brückenspannung driften lässt. Damit kenne ich mich aber noch nicht näher aus. Das alles ist aber für meine Anwendung nicht so wild, weil man für eine kurze Messung vorher eh mal Tara drücken wird .

Gruß
Malte

[Bumbum]

Hallo Malte,

Strenggenommen hast Du glaube ich R1 und R2 vertauscht, im Datenblatt steht nämlich mMn die Rechenvorschrift falsch: VFB sieht die Spannung über R2, deswegen muss in der Rechenvorschrift R2 in den Nenner. Dein Ergebnis ist aber trotzdem richtig .

Stimmt, den Vertauscher habe ich bemerkt und hier gleich richtig geschrieben. Die 4,3V habe ich aber auch nachgemessen.

Das habe ich eigentlich anders verstanden. Ein Gain von 128 bedeutet mMn dass ein Eingangsspannungsbereich von +/- 20 mV auf 24 Bit umgelegt werden, bei Gain 64 entsprechend +/- 40 mV.

Das habe ich aus dem Block-Schaltbild im Datenblatt anders verstanden:



Nach dem Eingangs-Muxer kommt direkt ein Gain, der das Signal verstärkt. Kannst du mir die Stelle nennen, an der es steht wie von dir beschrieben?

So gerechnet komme ich auf einen ADC Wert von 1426/g.

Auch für diesen Wert wäre ich für eine nähere Erklärung dankbar. Nehmen wir mal an deine Funktionsweise vom ADC stimmt und bleiben wir beim Gain von 64, also einem Messbereich von +/-40mV. Das bedeutet eine Spannung von 80mV aufgeteilt auf 24 Bit, also 4,8nV pro Bit. Die 1,7µV pro Gramm für meine Zelle hast du bestätigt. Somit komme ich auf einen Wert von 360 pro Gramm. Das doppelte davon kommt aber schon verdächtig Nahe an meinen Wert von 720. Wo ist denn hier schon wieder mein Denkfehler?

Dazu wird aber Deine Zelle vermutlich einen Offset haben, der HX711 hat außerdem einen.

Das habe ich berücksichtigt. Ich mache am Anfang ein Tara über ein paar Sekunden und addiere die Werte vom ADC, auch die negativen, und teile dann durch die Anzahl der Messungen. Von diesem Tara zeige ich dann mein Gewicht an. Ist bei dieser Vorgehensweise vielleicht schon wieder ein Denkfehler?

Im übrigen glaube ich dass die Angaben zu den billigen Wägezellen schlicht und einfach irgendwo abgeschrieben sind und durchaus falsch sein können.

Das wäre natürlich doof.

Viele Grüße
Andreas

- - - Aktualisiert - - -

Nachtrag:

Ich nehme alles zurück. Gestern Abend war es wohl zu spät. Ich habe noch mal in meine Software geschaut. Irgendwann habe ich wohl "zum spielen" den Gain auf 128 geändert. Somit passt der Wert von 720 pro Gramm, und er ist ziemlich nahe an dem von mir ermittelten Wert von 750.

Viele Grüße
Andreas

[Peter(TOO)]

Hallo Malte,

Irgendwo habe ich mal überschlagsmässig berechnet, dass Absolut und über Alles nur etwa 12-14 gültige Bits übrig bleiben.

Verbessern kann man dann, wie du es machst über einen Mittelwert und das Rauswerfen von Ausreissern.
evtl. kannst du die Drift noch durch eine Temperaturmessung etwas verbessern.

MfG Peter(TOO)

[malthy]

Hi,

Nach dem Eingangs-Muxer kommt direkt ein Gain, der das Signal verstärkt. Kannst du mir die Stelle nennen, an der es steht wie von dir beschrieben?

Die Struktur des ICs ist natürlich so wie im Blockschaltbild beschrieben. Die Frage ist ja nur wie die ±20mV bzw ±40mV zu lesen sind. Ich beziehe das direkt auf die Eingangsempfindlicheit zB auch wegen des Satzes aus dem DB (Steite 1):

Channel A can be programmed with a gain of 128 or 64, corresponding to a full-scale differential input voltage of ±20mV or ±40mV respectively

Auch für diesen Wert wäre ich für eine nähere Erklärung dankbar.

Ja, entschuldige, da habe ich in meiner Rechnung Unsinn mit dem Vorzeichenbit gemacht. Ich rechne (hoffentlich richtig) so: (1.7e-6 V/40e-3V)*2^24 = 713, das wäre der Fall für ±20mV d.h.128x Gain. Ich glaube damit sind wir uns dann einig, oder?

Irgendwo habe ich mal überschlagsmässig berechnet, dass Absolut und über Alles nur etwa 12-14 gültige Bits übrig bleiben.

Du meinst evnt hier? Ich hatte dann folgendermaßen geantwortet, weil ich Deine Rechnung nicht ganz nachvollziehbar fand. Dass das, was ich in dem Diagramm oben darstelle nicht die endgültige Genauigkeit des Gesamtsystems darstellt, ist klar - insbesondere wenn man dann noch berücksichtigt, dass die Kalibrierung selbst auch wieder fehlerbehaftet ist.

evtl. kannst du die Drift noch durch eine Temperaturmessung etwas verbessern.

Ja, da wollte ich nochmal abklären, welchen Einfluss die Temperatur auf die Drift hat, und was davon das Kriechen der Zelle ist. Leider habe ich in der ersten Version des PCBs für meine Waage eine Temperaturmessung nicht vorgesehen, das wäre vllt für Rev. 2 nochmal eine sinnvolle Ergänzung . So weit ich es im Moment sehe, ist die Drift aber deutlich langsamer als für mich relevant, typischerweise drückt man vor einer Wägung ja eh einmal auf Tara. Ansonsten hatte ich auch schon überlegt ob man noch einen ganz leichten Hochpass mit integriert, keine Ahnung ob der die Drift sinnvoll eleminieren kann.

Gruß
Malte

[Peter(TOO)]

Hallo,

Hier mal das Datenblatt:
http://www.dfrobot.com/image/data/SE...11_english.pdf

Die ±20mV/±40mV gelten für AVdd = 5V

Unter "Full scale differential input range" wird angegeben: ±0.5(AVDD/GAIN)

Ergibt bei Gain = 128 und AVdd = 5V --> ±19.53mV

AVdd wird die Versorgungsspannung des Verstärkers sein, bei höheren Pegeln wird der dann übersteuert.

Andreas betreibt die Zelle jetzt aber mit 4.3V = AVdd
dann sind es aber nur noch

±16.79mV ( Gain = 128 ) bzw. ±22.59mV ( Gain = 64 )

Allerdings sollte man diese Werte nicht ganz ausreizten, ein bisschen Luft für Drift (Alterung, Offset usw.) sollte man schon noch lassen.

MfG Peter(TOO)