Isolerad resistansmätning m.h.a pulstransformator

[Schnegelwerfer]

Jag håller på att skissa på en isolerad lösning för att mäta resistans (konduktivitet) i en vätska. Mätningen ska inte vara absolut, utan bara detektera om det finns vätska eller inte.

Den intressanta resistansen mellan elektroderna kommer att variera mellan 500 - 5000 ohm, och denna resistans motsvarar RL i bilden.

Pulstransformatorer är relativt billiga, och jag har därför börjat titta på lite sådana lösningar.

Planen är att skicka ut en fyrkantsvåg på ca 100kHz (5V, 50% duty cycle) genom R1 och mäta resultande spänningen över trafon. Idealt ska denna spänning vara maximalt 2,5V in till N1, så att DC-spänningen in till AD-omvandlaren varierar mellan 0 och 2,5V.

Jag har labbat lite med en pulstrafo som jag hittade på jobbet, men inte riktigt kunnat identifiera vilka parametrar som är viktiga...

Denna trafo har en Et-produkt på på 250Vus (i min applikation kommer jag att få en Et-produkt på 25Vus) och induktansen Lp 2,5mH. Lindningsförhållande 1:1.

Ideallt skulle jag ju vilja sätta R1 till RLmax, men detta fungerar ju inte i praktiken eftersom det då går alldeles för lite ström till trafon, vilket resulterar i oandvändbara kurvformer. Om jag tittar på pulstransformatorer med liten induktans har de ju istället en för låg Et-produkt och jag vill inte gärna gå upp högre i frekvens...

Någon som har några tips om hur man kan lösa detta? Eller ska jag ge mig på en helt ny approach?

Skiss på lösning:



EDIT: Eftersom det handlar om en befintlig konstruktion är jag låst till att mäta resistans mellan 2 elektroder, jag kan inte detektera vätskan på något annat sätt.

[Schnegelwerfer]

Hmm... jag har kommit på att jag nog behöver HÖGRE induktans för att kompensera för den ökande resistansen enligt tau = L/R.

Sedan kommer jag nog att slänga på motstånd på bägge sidorna av primärlindningen och mäta spänningen över denna m.h.a en differentialförstärkare...

Det blir till attt beställa ett gäng olika transformatorer och testa lite.

[Henrik]

Räcker det att DC-isolera utgången, är det korrosionen du vill åt med isoleringen? Då hade jag testat med en konding i serie med "injektor-elektroden", typ 100nF, och provat utan trafo. Jag gissar att switchfrekvensen då också kan sänkas betydligt, kanske en faktor 100.

[Schnegelwerfer]

Av "politiska" skäl är det önskvärt att kunna hävda att produkten är galvaniskt isolerad med transformator...

I den gamla konstruktionen är elektroderna DC-isolerade med kondingar som tyvärr är lite feldimensionerade och i vissa fall släpper igenom 50Hz-störingar.

Jag tror att jag är lösningen på spåren, postar mer i denna tråd när jag labbat lite mer.

[macgyver]

Istället för att lägga ut en konstant frekvens, ta och skicka ut en kort puls på några us, mät strömmen som går genom primären på trafon under pulsen, om du då räknar bort magnetiseringsströmmen så får du svar på om du har vätska eller inte

[kimmen]

Som det ser ut nu kommer det gå DC genom transformatorn så den troligtvis mättas... Du behöver en kondensator mellan clamp-dioderna och transformatorn och troligtvis en peak-likriktare för att läsa av värdet då snittspänningen övert transformatorn kommer vara 0V alltid.

[Schnegelwerfer]

Nja, om man väljer en pulstrafo med tillräckligt hög ET-produkt kommer den väl inte att mättas?

Spänningen på pulserna över trafon varierar med RL, det är bara det att den inte varierar tillräckligt mycket just nu för att få bra upplösning på mätningarna. Med rätt vald trafo och en differentialförstärkare (AD623) över trafon istället för N1 tror jag att det kommer att fungera.

EDIT: Det är alltså höjden på den positiva spänningspulsen som jag vill mäta genom att ladda upp kondensatorn efter N1... med 50% DC blir ju då spänningen över kondensatorn halva pulsens spänning.

[Johan.o]

Du kommer alltid att ha lite osymmetri i din fyrkantpuls så för eller senare kommer transformatorn att gå i mättning, SÅ du behöver kondensatorn i serie.

Det har jag själv fått lära mig den hårda vägen..

[kimmen]

Nej det behövs inte ens osymmetri för att den skall mättas. Om fyrkanten går mellan 0 och 5V så ligger det ju en likspänning där. Med 2.5V snitt så kommer trafon mättas då efter 100uS. Beroende på resistanserna iofs - trafon har en magnetiseringsström på 10mA när den mättas så den kanske belastar ner drivningen utan att mättas.

Om den går mellan -2.5 och 2.5 däremot så skulle det funka. Men det behövs någon sorts topplikriktning.

[xxargs]

Verkar vara ritat i en simulator - försök hitta en riktig model av din pulstrafo och inte bara en ideal version av det - allting fungerar med ideala modeller - det är verkligheten som bråkar med en när man försöker implemetera sina teorier...

konceptet som sådan borde i teorin fungera, men ofta är det en massa praktiska saker som parasitinduktans/kapacitans samt trafons inre resistans som gör att det inte fungerar som det tänkt - med reservation av polariseringsrisk om pulsen matas på ena sidan mha transistordriver och strömmen får klinga ut med ström på andra sidan trafon. - för att förhindra det så måste pulsen på driversidan gå igenom en konding och på så sätt dra tillbaka lika många elektroner som den tryckte ut vid pulsen - vilket innebär totempåle-utgång (puch/pull). givetvis måste det var tillräkligt avstånd mellan varge puls så att det hela hinner fullbordas.

En puls är dessutom bredbandig med olika beteende över tiden medans pulsen pågår (ringar.spikar etc.) när det är kopplad till komplex impedans vilket gör att det blir väldigt stora krav på när samplet tas och du vet inte alltid på vad du mäter - dvs om effekten är dominerad av trafons egenskap eller lasten - vad händer om lasten är kapacitiv i kombination med tranfos induktans etc. vid T+2 us etc..

en annan metod kan helt enkelt vara en kontinuerlig sinussignal (via konding för att få bort ev DC-komponeneter), mottagen signal förstärks och går igenom antingen fysisk likriktare eller dito DSP-lösning i din mjukvara - ev. koppla lin/log-omvandlaren om man vill få mera rörelse på A/D-ingången äve vid svaga insgnaler. Beror också på vad du skall mäta.

då väljer man en frekvens där trafon jobbar som bäst och dess induktans inte är så synlig längre - du kan kalibrera med öppen/kortsluten och referensresistans för att hitta max/min läge samt i en punkt också vet vad ett faktiskt resistans ger för resulterande värde - systemet kan inte mäta någon fasläge men du får absolutvärdet på inkopplade impedansen vid just den frekvensen.

om du skall mäta vattenresistans i kOhm-område så har du inte bara resistans/konduktans att mäta - du har också en kapacitans mellan plattorna och använder man tillräkligt hög frekvens så kan den delen vara dominerande - och skillnaden är stor för ett luftgap mellan plattorna och när den innehåller vatten - ca er=70, - kapacitansen går 70 ggr högre vid vatten mellan plattorna än vid bara luft mellan plattorna.

[Schnegelwerfer]

Totempåleutgång kommer det att bli... antigen kopplat direkt på en Uc-utgång eller troligare genom någon engrindslogikkrets.

Kondingen ska jag fundera på... jag måste som sagt laborera lite mer när jag får mina pulstransformatorer från Farnell.

Jag kommer inte heller att skicka på en kontinuerlig fyrkantsvåg, bara tillräckligt många pulser för att ladda upp C1 till halva toppspänningen på pulserna. Det räcker nämligen att mäta förekomst av vätska 100ggr/sek.

Topplikriktning räknar jag att få genom clampdioderna och N1s buffrande förmåga.

xxargs: gällande kapacitans mellan elektroderna så tror jag inte att det blir ett problem. Arean på elektroderna är bara ca 1mm2 och de sitter på ca 1mm avstånd från varandra.

Kimmen: Hur räknade du fram att trafon har en magnetiseringsresistans på 10mA?

[xxargs]

konding måste du ha för att få bort ev. DC-bias - borsett från ev. mättningsrisk så kan minsta obalans i antalet elektroner som går in och ur systemet vid till och ifrånslag göra att dina mätelektroder börja korridera och polariseras och sakta förvinna samt dess korrisionsprodukter förorenar vätskan.

när det gäller korrision så räknas bokstavligen varje elektron som kan fullfölja varvet i den elektriska slingan...

du kan behöva konding på båda sidan av trafon eller åtm. på sensorsidan just pga. korrisionsrisken.

[kimmen]

"Kimmen: Hur räknade du fram att trafon har en magnetiseringsresistans på 10mA?"

Magnetiseringsresistans? Jag tänkte på Et-produkten som var 250uVs och induktansen 2,5mH. Däremot verkar jag hamnat en tiopotens fel. Förutsatt att 250uVs gäller från omagnetiserat läge så blir magnetiseringsströmmen precis före mättning 100mA. ( strömmen efter tiden t = u * t / L ) 50mA om 250uVs är från mättning åt ena hållet till andra.

Det innebär ju i alla fall att transformatorn troligtvis inte mättas i din krets, men det går fortfarande inte att använda då det enda som kommer att hända är att magnetiseringsinduktansen laddas upp till den ström som krävs för att snittspänningen över transformatorn ska bli 0. Någon kondensator kommer att behövas.

[Schnegelwerfer]

Magnetiseringsström skulle det naturligtvis vara....

[Schnegelwerfer]

Kondensatorn gjorde stor skillnad!

Med ovanstående krets fick jag peakvärden på 4,55-3,28V när RL varierades mellan 5000 - 500Ω. Nu har jag användbara spänningar att jobba med! Vid kortslutning av elektroderna fick jag en likspänning på 2,4V ut... detta är ju helt logiskt eftersom det är resultatet av att ladda upp C med en ren 5V fyrkantsvåg.

Jag passade även på att byta ut trafon mot en intressantare kandidat.

Hur stor måste C vara egentligen? Räcker det att den är tillräckligt stor för att innehålla energin som krävs för upprampningen av magnetiseringsströmmen? Detta ger enligt mina beräkningar ett värde på 2,5nF.

Sedan vill man ju naturligtvis minimera reaktansen också, jag tror att jag kommer att sikta på kanske 1uF i den slutgiltiga lösningen.

Peakdetektor och clamp/ESD-skydd tillkommer naturligtvis också...

Hur kan jag förresten enklast kontrollera om jag får en obalans på sekundärsidan som riskerar att orsaka korrosion?