Messung SG 1/2-Bridge (Halbbrücke) 3/5-Leiter-Anschluss

Einige Hinweise zur ELM350x Halbbrückenmessung:

Der Messbereich nominell/technisch wird hier in „mV/V“ angegeben, wobei eine maximale Versorgungsspannung von 5 V zulässig ist. Maximal ist also für die Brückenspannung ein nomineller Messbereich von ±16 mV/V ⋅ 5 V = ±80 mV nutzbar; die internen Schaltungen sind auf die 160 mV der Vollbrückenmessung ausgelegt.

Die interne Messung erfolgt ratiometrisch, d.h. die Speise- und die Brückenspannung werden nicht absolut gemessen, sondern als Verhältnis erfasst.

Zur Speisung kann die integrierte Versorgung genutzt werden. Eine externe Versorgung ist zulässig wenn 5 V nicht überstiegen werden.

Die Klemme verfügt über „echte“ und „compensated“ Messbereiche:

Ein „echter“ Messbereich misst elektrisch wie angegeben z.B. im Bereich 4 mV/V.
Ein „compensated“ Messbereich hilft bei Anwendungen mit kleinem Signal (Amplitude) und gleichzeitig hohem Offsetanteil. Er misst in einem festen elektrischen Bereich (unterliegt also dessen elektrischer Spezifikation) und führt einen „digitalen Zoom“ durch, erhöht also die Auflösung. Der Offset muss durch die integrierte ZeroOffset-Funktion der Klemme eliminiert werden.

Im Folgenden ist die Spezifikation im 5-Leiter-Anschluss gegeben, externe Leitungswiderstände werden durch den 5-Leiter-Anschluss kompensiert und die Halbbrücke wird direkt vom Messkanal erfasst.
Im 3-Leiter-Anschluss leistet die Klemme grundsätzlich die gleiche Spezifikation, allerdings wird Ihre Sicht auf die angeschlossene Halbbrücke durch die unklaren und temperaturabhängigen Zuleitungswiderstände in Kabeln und Steckern getrübt. Insofern wird das Gesamtsystem „Halbbrücke + Zuleitungen + Messkanal“ praktisch nicht die u.a. Spezifikationswerte erreichen können.

Die Zuleitungswiderstände (Kabel, Steckverbinder, ...) wirken sich insbesondere auf den Gain-Fehler aus, auch in Abhängigkeit von der Temperatur. Der Gain-Fehler kann abgeschätzt werden durch:

(R_+uv (1 + ∆T ⋅ Tk_Cu) + R_-uv(1 + ∆T ⋅ Tk_Cu) )/R_nom mit Tk_Cu~3930 ppm/K, R_nom

z.B. 350 Ω und R_+uv bzw. R_-uv Zuleitungswiderstände.

Die Verwendung des Messkanals im 5-Leiter-Anschluss wird empfohlen.

Durch einen anwenderseitigen Abgleich mit angeschlossenem Brückensensor kann die Messunsicherheit in Bezug auf Verstärkungs(Gain)- und Offset-Fehler deutlich reduziert werden.

Mit dem integrierten schaltbaren Shunt-Widerstand kann eine vorausberechenbare Verstimmung erzeugt werden bzw. daraus bei Abweichung ein Korrekturfaktor.

Hinweis: Angaben gelten für 3,5 V DMS Erregung und symmetrische 350R DMS.

Zur Berechnung der R_1/2-Halbbrücke:

Messung SG 1/2-Bridge (Halbbrücke) 3/5-Leiter-Anschluss 1:

R_3/4 sind die internen schaltbaren Ergänzungswiderstände der Klemme. Sie sind mit einigen kΩ hochohmig im Vergleich zu R_1/2 und belasten die interne Speisung somit nicht wesentlich.

Andere Halbbrückenkonfigurationen (z.B. R_1/4 oder R_1/3 veränderlich) sind nicht anschließbar.

Der Zusammenhang zur Dehnung (µStrain, µε) ist wie folgt:

Messung SG 1/2-Bridge (Halbbrücke) 3/5-Leiter-Anschluss 2:

Die Wahl von N ist nach der mechanischen Anordnung der variablen Widerstände zu wählen (Poisson, 2 aktive uniaxial, …). Die Interpretation des Kanalwerts (PDO) ist direkt [mV/V].

Messung Modus		Messbrücke/DMS/StrainGauge/SG 1/2-Bridge 5/3-Leiter
		16 mV/V	8 mV/V ¹⁾	4 mV/V ¹⁾	2 mV/V ¹⁾	4 mV/V (comp.) ^{1) 5)}	2 mV/V (comp.) ^{1) 5)}
Integrierte Speisung		1…5V einstellbar, max. Versorgung/Excitation 21 mA (interne elektronische Überlastsicherung) somit 120R DMS: bis 2,5 V; 350R DMS: bis 5,0 V
Messbereich, nominell		-16 … 16 mV/V	-8 … 8 mV/V	-4 … 4 mV/V	-2 … 2 mV/V	-4 … 4 mV/V	-2 … 2 mV/V
Messbereich, Endwert (MBE)		16 mV/V	8 mV/V	4 mV/V	2 mV/V	4 mV/V	2 mV/V
Messbereich, technisch nutzbar		-17,179 … 17,179 mV/V	-8,589 … 8,589 mV/V	-4,294 … 4,294 mV/V	-2,147 … 2,147 mV/V	-4,294 … 4,294 mV/V	-2,147 … 2,147 mV/V
PDO Auflösung		24 Bit (inkl. Vorzeichen)
PDO LSB (Extended Range)		0,128 ppm
PDO LSB (Legacy Range)		0,119… ppm
Grundgenauigkeit: Messabweichung bei 23°C, mit Mittelwertbildung, typ. ²⁾	ohne Offset	< ±0,011 %_MBE < ±110 ppm_MBE < ±1,76 µV/V	< ±0,022 %_MBE < ±220 ppm_MBE < ±1,76 µV/V	< ±0,044 %_MBE < ±440 ppm_MBE < ±1,76 µV/V	< ±0,0925 %_MBE < ±925 ppm_MBE < ±1,85 µV/V	< ±0,044 %_MBE < ±440 ppm_MBE < ±1,76 µV/V	< ±0,088 %_MBE < ±880 ppm_MBE < ±1,76 µV/V
	inkl. Offset	< ±0,04 %_MBE < ±400 ppm_MBE < ±6,40 µV/V	< ±0,075 %_MBE < ±750 ppm_MBE < ±6 µV/V	< ±0,14 %_MBE < ±1400 ppm_MBE < ±5,60 µV/V	< ±0,27 %_MBE < ±2700 ppm_MBE < ±5,40 µV/V	< ±0,15 %_MBE < ±1500 ppm_MBE < ±6 µV/V	< ±0,3 %_MBE < ±3000 ppm_MBE < ±6 µV/V
Erweiterte Grundgenauigkeit: Messabweichung bei 0…55°C, mit Mittelwertbildung, typ. ^{2) 6)}	ohne Offset	< ±0,052 %_MBE < ±520 ppm_MBE < ±8,32 µV/V	< ±0,087 %_MBE < ±870 ppm_MBE < ±6,96 µV/V	< ±0,1585 %_MBE < ±1585 ppm_MBE < ±6,34 µV/V	< ±0,313 %_MBE < ±3130 ppm_MBE < ±6,26 µV/V	< ±0,174 %_MBE < ±1740 ppm_MBE < ±6,96 µV/V	< ±0,3475 %_MBE < ±3475 ppm_MBE < ±6,95 µV/V
	inkl. Offset	< ±0,0645 %_MBE < ±645 ppm_MBE < ±10,32 µV/V	< ±0,113 %_MBE < ±1130 ppm_MBE < ±9,04 µV/V	< ±0,2065 %_MBE < ±2065 ppm_MBE < ±8,26 µV/V	< ±0,403 %_MBE < ±4030 ppm_MBE < ±8,06 µV/V	< ±0,2255 %_MBE < ±2255 ppm_MBE < ±9,02 µV/V	< ±0,4505 %_MBE < ±4505 ppm_MBE < ±9,01 µV/V
Offset/Nullpunkt-Abweichung (bei 23°C)	F_Offset	< 385 ppm_MBE	< 715 ppm_MBE	< 1325 ppm_MBE	< 2530 ppm_MBE	< 1430 ppm_MBE	< 2860 ppm_MBE
Gain/Scale/Verstärkungs-Abweichung (bei 23°C)	F_Gain	< 70 ppm	< 130 ppm	< 260 ppm	< 510 ppm	< 260 ppm	< 520 ppm
Nichtlinearität über den gesamten Messbereich	F_Lin	< 85 ppm_MBE	< 175 ppm_MBE	< 350 ppm_MBE	< 760 ppm_MBE	< 350 ppm_MBE	< 700 ppm_MBE
Wiederholgenauigkeit, über 24 h, mit Mittelwertbildung	F_Rep	< 12 ppm_MBE	< 25 ppm_MBE	< 50 ppm_MBE	< 120 ppm_MBE	< 50 ppm_MBE	< 100 ppm_MBE
Temperaturkoeffizient, typ.	Tk_Gain	< 5 ppm/K	< 8 ppm/K	< 15 ppm/K	< 25 ppm/K	< 16 ppm/K	< 32 ppm/K
Temperaturkoeffizient, typ.	Tk_Offset	< 15 ppm_MBE/K < 0,24 µV/V/K	< 25 ppm_MBE/K < 0,20 µV/V/K	< 45 ppm_MBE/K < 0,18 µV/V/K	< 90 ppm_MBE/K < 0,18 µV/V/K	< 50 ppm_MBE/K < 0,20 µV/V/K	< 100 ppm_MBE/K < 0,20 µV/V/K
Gleichtaktunterdrückung (ohne Filter) ³⁾	DC	tbd.	tbd.	tbd.	tbd.	tbd.	tbd.
	50 Hz	tbd.	tbd.	tbd.	tbd.	tbd.	tbd.
	1 kHz	tbd.	tbd.	tbd.	tbd.	tbd.	tbd.
Gleichtaktunterdrückung (mit 50 Hz FIR Filter) ³⁾	DC	DC: tbd.	DC: tbd.	DC: tbd.	DC: tbd.	DC: tbd.	DC: tbd.
	50 Hz	tbd.	tbd.	tbd.	tbd.	tbd.	tbd.
	1 kHz	tbd.	tbd.	tbd.	tbd.	tbd.	tbd.
Größte kurzzeitige Abweichung während einer festgelegten elektrischen Störprüfung		tbd.	tbd.	tbd.	tbd.	tbd.	tbd.
Eingangsimpedanz ±Input 1 (Innenwiderstand)	Differentiell	tbd.	tbd.	tbd.	tbd.	tbd.	tbd.
Eingangsimpedanz ±Input 1 (Innenwiderstand)	CommonMode	tbd.	tbd.	tbd.	tbd.	tbd.	tbd.
Eingangsimpedanz ±Input 2 (Innenwiderstand)	3-Leiter	Eingang wird in diesem Modus nicht benutzt
	Differentiell	tbd.	tbd.	tbd.	tbd.	tbd.	tbd.
	CommonMode	tbd.	tbd.	tbd.	tbd.	tbd.	tbd.

¹) Abgleich der Halbbrückenmessung und damit Gültigkeit der Daten ab Produktionswoche 2018/50 und für ELM3502: HW03/ ELM3504: HW04

²) Bei der realen Brückenmessung wird meist ein Offset-Abgleich nach Installation durchgeführt. Die gegebene Offset-Spezifikation der Klemme spielt damit praktisch keine Rolle mehr. Deshalb sind hier Spezifikationswerte mit und ohne Offset-Anteil angegeben. Praktisch kann der Offset-Anteil durch die Funktionen Tara als auch ZeroOffset der Klemme oder eine übergeordnete Tara-Funktion in der Steuerung eliminiert werden. Die Offset-Abweichung einer Brückenmessung über die Zeit kann sich ändern, deshalb empfiehlt Beckhoff einen regelmäßigen Offset-Abgleich oder eine aufmerksame Beobachtung der Veränderung.

³) Werte beziehen sich auf eine Gleichtaktstörung zwischen SGND und internem GND.

⁵) Der Kanal misst elektrisch auf 8 mV/V, stellt aber seinen Messwert skaliert auf 2 bzw. 4 mV/V dar. Die Compensated-Funktion ermöglicht die Messung kleiner Pegel auch bei hohem Offset-Anteil.

⁶) Berechneter Wert nach Formel in Kapitel „Allgemeines zur Messgenauigkeit/Messunsicherheit“ zur schnellen Abschätzung der Einsetzbarkeit über den angegebenen Umgebungstemperaturbereich im Betrieb (T_ambient). Im realen Einsatz z.B. bei relativ konstanter Umgebungstemperatur T_ambient wird eine geringere (bessere) erzielbare Unsicherheit erreicht, eine spezifische Berechnung nach Kapitel „Allgemeines zur Messgenauigkeit/Messunsicherheit“ wird empfohlen, insbesondere wenn das Gerät einen weiteren Umgebungstemperaturbereich im Betrieb als 0…55°C zulässt.

ELM3502 (20 kSps)

Messung Modus		Messbrücke/DMS/StrainGauge/SG 1/2-Bridge 5/3-Leiter
		16 mV/V	8 mV/V	4 mV/V	2 mV/V
Rauschen (ohne Filterung, bei 23°C)	F_{Noise, PtP}	< 600 ppm_MBE < 4688 digits < 9,60 µV/V	< 1200 ppm_MBE < 9375 digits < 9,60 µV/V	< 2400 ppm_MBE < 18750 digits < 9,60 µV/V	< 4800 ppm_MBE < 37500 digits < 9,60 µV/V
	F_{Noise, RMS}	< 100 ppm_MBE < 781 digits < 1,60 µV/V	< 200 ppm_MBE < 1563 digits < 1,60 µV/V	< 400 ppm_MBE < 3125 digits < 1,60 µV/V	< 800 ppm_MBE < 6250 digits < 1,60 µV/V
	Max. SNR	> 80,0 dB	> 74,0 dB	> 68,0 dB	> 61,9 dB
	Rauschdichte@1kHz	< 22,63	< 22,63	< 22,63	< 22,63
Rauschen (mit 50 Hz FIR Filter, bei 23°C)	F_{Noise, PtP}	< 35 ppm_MBE < 273 digits < 0,56 µV/V	< 70 ppm_MBE < 547 digits < 0,56 µV/V	< 140 ppm_MBE < 1094 digits < 0,56 µV/V	< 280 ppm_MBE < 2188 digits < 0,56 µV/V
	F_{Noise, RMS}	< 6,0 ppm_MBE < 47 digits < 0,10 µV/V	< 12,0 ppm_MBE < 94 digits < 0,10 µV/V	< 22,0 ppm_MBE < 172 digits < 0,09 µV/V	< 45,0 ppm_MBE < 352 digits < 0,09 µV/V
	Max. SNR	> 104,4 dB	> 98,4 dB	> 93,2 dB	> 86,9 dB

ELM3504 (10 kSps)

Messung Modus		Messbrücke/DMS/StrainGauge/SG 1/2-Bridge 5/3-Leiter
		16 mV/V	8 mV/V	4 mV/V	2 mV/V
Rauschen (ohne Filterung, bei 23°C)	F_{Noise, PtP}	< 600 ppm_MBE < 4688 digits < 9,60 µV/V	< 1200 ppm_MBE < 9375 digits < 9,60 µV/V	< 2400 ppm_MBE < 18750 digits < 9,60 µV/V	< 4800 ppm_MBE < 37500 digits < 9,60 µV/V
	F_{Noise, RMS}	< 100 ppm_MBE < 781 digits < 1,60 µV/V	< 200 ppm_MBE < 1563 digits < 1,60 µV/V	< 400 ppm_MBE < 3125 digits < 1,60 µV/V	< 800 ppm_MBE < 6250 digits < 1,60 µV/V
	Max. SNR	> 80,0 dB	> 74,0 dB	> 68,0 dB	> 61,9 dB
	Rauschdichte@1kHz	< 22,63	< 22,63	< 22,63	< 22,63
Rauschen (mit 50 Hz FIR Filter, bei 23°C)	F_{Noise, PtP}	< 35 ppm_MBE < 273 digits < 0,56 µV/V	< 70 ppm_MBE < 547 digits < 0,56 µV/V	< 140 ppm_MBE < 1094 digits < 0,56 µV/V	< 280 ppm_MBE < 2188 digits < 0,56 µV/V
	F_{Noise, RMS}	< 6,0 ppm_MBE < 47 digits < 0,10 µV/V	< 12,0 ppm_MBE < 94 digits < 0,10 µV/V	< 22,0 ppm_MBE < 172 digits < 0,09 µV/V	< 45,0 ppm_MBE < 352 digits < 0,09 µV/V
	Max. SNR	> 104,4 dB	> 98,4 dB	> 93,2 dB	> 86,9 dB

Hinweis

Übergangswiderstände der Anschlusskontakte

Die Übergangswiderstände der Anschlusskontakte beeinflussen den Messvorgang. Durch einen anwenderseitigen Abgleich bei gesteckter Signalverbindung kann die Messgenauigkeit weiter erhöht werden.

	Gültigkeit der Eigenschaftswerte Der Brückenwiderstand liegt parallel zum o.a. Innenwiderstand der Klemme und führt zu entsprechender Offset-Verschiebung. Der Beckhoff-Werksabgleich erfolgt mit Halbbrücke 350 Ω, die o.a. Werte sind deshalb direkt nur für eine 350 Ω-Halbbrücke gültig. Bei Anschluss einer anders dimensionierten Halbbrücke ist: anwenderseitig ein Abgleich (Offsetkorrektur) in der Klemme oder Steuerung/PLC durchzuführen oder der theoretische Offsetfehler im Abgleichparameter S0 der Klemme einzutragen. Beispiel: Bei einer 350 Ω-Brücke entspricht der beim Werksabgleich kompensierte Einfluss des Eingangswiderstandes (2 MΩ) 0,26545 %MBE (16 mV/V), das entspricht 20738 Digits.