Ingenieurbüro für Leistungselektronik und Antriebe
L-E-A | Dr. Volker Bosch
Beratender Ingenieur / Consultant

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Digitale und analoge Elektronik

Entwicklung elektronischer Messgeräte und Zubehör

In den letzten Jahren entwickelte ich verschiedene elektronische Messgeräte. Das Gaußmeter wurde bereits in einem eigenen Abschnitt vorgestellt. Diese Projekte können sehr schnell und günstig an Kundenwünsche angepasst werden oder dienen als Basis für spezifische Entwicklungen.

Schutzdeckel und Nahlinsen-Halterung für die Thermocamera UTi260B

Da Auflösung und Bildwiederholrate meiner Eigenbau-Thermocamera, die im folgenden Absatz beschrieben wird, für Fehleranalysen in der Elektronik nicht ausreichten, wurde eine günstige Thermocamera vom Typ UTi260B beschafft. Für ca. 400 € bietet sie eine Auflösung von 256 x 192 Pixel bei einer Bildfrequenz von 25 Hz. Leider kann sie nicht auf den Nahbereich, kleiner als 25 cm fokussieren. Deshalb ist für Messungen an Elektronikschaltungen eine sog. Nahlinse erforderlich. Linsen aus Zink-Selenid (ZnSe), die für Infrarot-Licht geeignet sind, werden im Online-Handel günstig angeboten. Gut geeignet sind hier Linsen mit einer Brennweite im Bereich von 25 … 100 mm, wobei der Abstand zwischen Objekt und Camera dann ungefähr der Brennweite entspricht.
Eine passende Halterung für ZnSe-Linsen mit einem Durchmesser von 20 mm wurde mit FreeCAD (Version 0.20.0) konstruiert, wie am rechten Rand dieser Seite dargestellt und mit dem 3D-Drucker im Schmelzschichtverfahren aus PLA-Filament gedruckt. Das Bild kann für eine vergrößerte Darstellung angeklickt werden. Die erforderliche Flexibilität der beiden Klemmarme wird durch eine Parallelogramm-Kinematik aus dünnen Stegen gewährleistet, wie aus dem rechts dargestellten CAD-Modell ersichtlich ist.
Zum Download stehen die STL-Dateien des Nahlinsenhalters mit dem zugehörigen Ring, welcher die Linse fixiert sowie des Schutzdeckels für den Ausdruck auf Ihrem 3d-Drucker bereit. Bitte beachten Sie, dass Linsenhalter und Deckel beim Schmelzschichtverfahren, also unter Verwendung von Filament, aufrecht stehend gedruckt werden müssen damit die dünnen Stege den Belastungen standhalten können. Die Bauteile wurden für einen Düsendurchmesser von 0,4 mm konstruiert. Die dünnen Stege weisen eine Breite von 0,8 mm auf. Da die Auflagefläche der Druckteile sehr gering ist, empfiehlt es sich, die Haftung auf dem Druckbett mittels Haarspray oder Klebestift zu vergrößern. Alternativ kann das Bauteil, nachdem es eine Höhe von ca. 15 mm erreicht hat, mit mehreren Heißkleber-Punkten am Druckbett fixiert werden. Der Heißkleber kann später mit Hilfe von Isopropanol leicht entfernt werden, welches mit einer Pipette vorsichtig auf die Klebepunkte aufgetragen wird. Bei abschälender Belastung löst sich der benetzte Heißkleber schnell von Druckbett und Bauteil.
Das Ergebnis ist im unteren Bild am rechten Rand dargestellt: die Thermografie der Leiterplatte eines USB SD-Karten-Lesers mit eingesteckter SD-Karte während des Betriebs. Die Leiterplatte war ca. 4 cm von der Frontseite der Thermocamera entfernt. Für die Aufnahme wurde eine ZnSe-Linse mit einem Durchmesser von 20 mm und einer Brennweite von zwei Zoll (50,8 mm) verwendet. Beachten Sie, dass die metallischen Bauteile, wie IC-Pins, SMD-Pads und Lötpunkte die Umgebungstemperatur reflektieren. Sie werden deshalb mit einer falschen Temperatur dargestellt. Sollen diese Teile korrekt dargestellt werden, müssen sie vor der Messung lackiert werden.

Low-cost Thermocamera mit USB-Interface

Basierend auf dem bildgebenden Infrarotsensor MLX90640 wurde eine sehr einfache, aber extrem preisgünstige Thermocamera mit einer Auflösung von 32x24 Pixeln realisiert (Bild am rechten Rand, anklicken für eine vergrößerte Darstellung). Das Messgerät basiert auf einer ATxmega32a4u-MCU, besagtem Thermosensor, einem preiswerten grafischen LC-Display mit IL9341-Controller und einer Auflösung von 320x240-Pixeln sowie einem MCP9844 Temperatursensor.
Der Betrieb erfolgt entweder über eine AA NiMH-Akkuzelle oder über USB. Die Bedienung erfolgt über Touchscreen-Schaltflächen auf dem Display. Folgende Funktionen stehen zur Verfügung:

Neben dem Thermobild werden die aktuellen Werte von Reflexionsfaktor und Umgebungstemperatur angezeigt sowie die gemittelte Temperatur der vier Pixel in der Mitte des Bildes, die durch ein grünes Quadrat markiert sind. Die aktuelle Batteriespannung wird durch ein Symbol in der linken oberen Ecke des Display angezeigt. Neben dem symbolisierten Füllstand wechselt die Farbe des Symbols von grün über gelb zu rot.
Das USB-Interface stellt ein CDC-ACM-Device dar, so dass auf dem Host-PC kein Treiber für Fernsteuerung und zum Download von Screen-Dumps erforderlich ist. Das untere Bild am rechten Rand zeigte einen entsprechenden Screen-Dump (anklicken für eine vergrößerte Darstellung).
Dieser kostengünstige Sensor eignet sich auch sehr gut um unbeaufsichtigt arbeitende Anlagen auf Überhitzung bzw. Brand zu überwachen, da bereits kleine lokale Hotspots erkannt werden können.

Thermometer für verschiedene Thermoelemente

Um zwei Exemplare des „Precision Thermocouple to Digital Converter with Linearization ” MAX31856 herum wurde ein kleines, einfaches, handgehaltenes, zweikanaliges, elektronisches Thermometer entwickelt. Dieses kann die gängigen Thermoelemente der Typen B, E, J, K, N, R, S und T auswerten.
Die beiden Wandler-ICs werden durch eine ATxmega32c4-MCU ausgewertet. Als Benutzerinterface stehen ein 2-zeiliges alphanumerisches LCD sowie vier Tasten zur Verfügung. Die Benutzerführung erfolgt menue-basiert.
Die für die korrekte Ermittlung der Sensortemperatur erforderliche sog. „Cold-Junction-Temperatur” wird ebenfalls durch die beiden ICs bereitgestellt, die dafür über ein Aluminiumbauteil thermisch gut mit den Steckverbindern gekoppelt wurden.
Die elektrische Versorgung erfolgt entweder durch eine AA-NiMH-Akkuzelle oder über einen USB-Anschluss. Mit diesem ist das Gerät auch mittels CDC-ACM-Device ohne Treiber fernsteuerbar, es genügt ein einfaches Terminalprogramm für die (virtuelle) serielle Schnittstelle. Optional arbeitet das Messgerät auch zusätzlich als USB-HID-Device. Es emuliert dann eine PC-Tastatur. Auf Knopfdruck kann somit der aktuelle Messwert als Tastatureingabe an den angeschlossenen PC gesendet werden, wobei Dezimaltrennzeichen (Komma oder Punkt) und Abschlusszeichen bzw. -taste (Enter, Tabulator oder keines) konfigurierbar sind. So wird das spalten- bzw. zeilenweise Ausfüllen von Tabellen unterstützt.
Das Gerät kann ein oder zwei Temperaturkanäle auswerten. Optional können Minimal- und Maximalwert(e) gespeichert und angezeigt werden. Auch die Darstellung der Differenztemperatur beider Kanäle ist möglich.
Anmerkung: Selbstverständlich beträgt die Differenz von 21,9° und 21,8° nicht 0,2°. Dieser scheinbare Fehler ist dem Umstand geschuldet, dass die binäre Temperaturdarstellung des MAX31856 eine Auflösung von zwei Nachkommastellen aufweist. Das Messgerät kann wahlweise zwei, eine oder keine Nachkommastelle anzeigen und rundet die Werte entsprechend kaufmännisch ab bzw. auf. Für das Foto wurde die Anzeige einer Nachkommastelle gewählt. Anstatt die Differenz aus den gerundeten Messwerten zu berechnen, werden die Werte mit der vollen Auflösung für die Berechnung verwendet und das Ergebnis entsprechend gerundet. In vorliegenden Fall wurde für die Anzeige offensichtlich Kanal A abgerundet und Kanal B aufgerundet, so dass die Differenz größer oder gleich 0,15° ist.

Stroboskop

Ein Stroboskop ist ein nützliches Werkzeug zur Messung der Drehzahl eines Antriebs. Insbesondere Schwankungen der Drehzahl können mit diesem Hilfsmittel schnell erkannt und bewertet werden. Die hier vorgestellten Geräte wurden mit einer RGB-Power-LED realisiert, so dass sich annähernd weißes Licht ergibt, ohne störendes Nachleuchten eines Leuchtstoffs.
Die Blitzfrequenz wird mittels direkter digitaler Synthese (DDS) aus einem temperatur-kompensierten Quarz-Oszillator (TCXO) mit 16,368 MHz erzeugt. Der TCXO weist eine Stabilität von 0,5 ppm auf. Der Arbeitsbereich der Stroboskope reicht von 50 mHz — 10 kHz und kann in Schritten von 10 mHz eingestellt werden.

Es wurden zwei Ausführungen realisiert. Die erste wurde in das Gehäuse einer Handleuchte eingebaut. Frequenz und relative Pulsweite können mit sog. Daumenschaltern schnell und einfach eingestellt werden. Das Ein- und Ausschalten des Geräts erfolgt über den ursprünglichen Schalter der Handleuchte. Ein kurzer Druck auf den Schalter wechselt zwischen hoher und geringer Lichtstärke, ein langer Druck schaltet das Gerät aus. Gespeist wird das Stroboskop von 6 AA- bzw. Mignon-Zellen.

Die zweite Ausführung nutzt ein kompaktes Handgehäuse mit einem zweizeiligen, beleuchteten LCD, das 16 alphanumerische Zeichen pro Zeile darstellen kann. Die Bedienung erfolgt über einen Drehgeber und einen zusätzlichen Drucktaster als Ein- und Ausschalter. Für die Einstellung der Parameter ermöglicht eine Menue-Struktur die schnelle Auswahl der gewünschten Werte. Das Geräte bietet vielfältige Funktionen. Neben der Einstellung von Frequenz bzw. Drehzahl, kann beispielsweise auch die Phasenlage der Pulse verändert werden. Des weiteren kann eine Folge von mehreren Pulsen pro Periode erzeugt werden. Das Gerät verfügt über eine USB-Schnittstelle und einen Ein- und Ausgang für die Synchronisation mit weiteren Messgeräten. Gespeist wird das Stroboskop von zwei AA- bzw. Mignon-Zellen.

Handtachometer bzw. Drehzahlmesser

Ein kompakter batteriebetriebener Handtachometer bzw. Drehzahlmesser erleichtert die Arbeit mit Antriebssystemen erheblich. Dieses Gerät arbeitet mit zwei reziproken Zählern und kann dank des 16,367667 MHz TCXOs über einen weiten Arbeitsbereich mit konstanter Torzeit auf sechs Stellen genau messen.
Die Messsonden sind austauschbar. Neben der optischen Sonde, die mittels Laserdiode Messungen über eine Entfernung von mehr als 30 cm ermöglicht, sind auch verschiedene Hallsonden oder Körperschallmikrophone verfügbar. Das Gerät zeigt die gemessene Frequenz und die zugehörige Drehzahl an. Es besitzt eine RS232-Schnittstelle und wird von einer einzelnen AA- bzw. Mignonzelle gespeist.

USB-Ladungsverstärker für Schwingungssensoren

Dieses Messgerät ermöglicht die Schwingungsmessung mit einem einfachen passiven Piezosensor über die USB-Schnittstelle. Die Schaltung wird potentialfrei über einen DC/DC-Wandler aus der USB-Schnittstelle versorgt. Die USB-Signale werden ebenfalls potentialfrei übertragen, so dass der Sensor vom Massepotential des PCs, an welchen er angeschlossen ist, getrennt ist und somit keine Ausgleichsströme über den Sensor fließen können.

Analoger Ladungsverstärker für Schwingungssensoren

Für den Betrieb eines passiven Piezo-Schwingungssensors an einem Oszilloskop oder analogen Datenlogger wurde dieses einfache Gerät entworfen. Es besteht aus einem analogen Ladungsverstärker und einem nachgeschalteten Operationsverstärker, dessen Verstärkungsfaktor sich in den Stufen 1, 10, 100 oder 1000 durch die entsprechende Anzahl von Betätigungen des Tasters einstellen lässt. Die ausgewählte Verstärkung wird durch das Blinken der LED angezeigt. Eine Übersteuerung des Verstärkers wird ebenfalls durch die LED signalisiert. Das Messgerät wird mit einer einzelnen AA- bzw. Mignonzelle betrieben.

 

Gerne unterstütze ich Sie auf dem Gebiet der (elektronischen) Messtechnik.

 

Aktualisiert: 2023-02-27