1. Filterfunktion des Messverstärkers

Das Ausgangssignal eines Kraftsensors oder Dehnungsmessstreifens setzt sich aus statischen Anteilen (Gleichspannungsanteilen) und dynamischen Anteilen (Schwingungen oder schnellen, impulsartigen Signaländerungen) zusammen.

Der statische Anteil kann z.B. das Gewicht auf einer Wägezelle sein; dynamische Anteile resultieren z.B. aus stoßartigen Belastungen beim Auflegen eines Gewichts.

Weitere Ursachen für dynamische Belastungen sind z.B.Schwingungen des Systems mit der Eigenfrequenz aus Wägezelle und Masse ("mechanische Feder" und "Gewicht").

Unerwünschte dynamische Anteile sind z.B. Einstreuungen von z.B. 50Hz oder 100Hz durch andere elektrische Geräte, oder durch parallel zum Sensorkabel verlegte Kabel. Auch die Verstärkerelekronik selbst erzeugt dynamische Anteile (Rauschen mit sehr vielen Frequenzanteilen ("weißes Rauschen").

Die Aufgabe des Tiefpassfilters besteht darin, die dynamischen Anteile im Ausgangssignal zu entfernen, um nur die gewünschten Frequenzanteile passieren zu lassen. Durch Beschränkung der sogenannten "Bandbreite" wird die Auflösung verbessert, indem z.B. Schwingungen gefiltert werden und nur der "statische" Anteil einer Waage übertragen wird.

Je mehr dynamische Anteile in einem Signal enthalten sind, desto größer wird die Rauschamplitude. Als Faustregel gilt: 10-fache Bandbreite bedeutet 3 fache Rauschamplitude (genau genommen √10-fach bei weißem Rauschen).

Daher sollte die Bandbreite des Messverstärkers "so niedrig wie möglich" und "so hoch wie nötig" gewählt werden.

2 Grenzfrequenz des Tiefpassfilters

Bei der Grenzfrequenz fg werden die Signalamplituden um 3dB gedämpft (auf ca. 70% Amplitude gegenüber statischen Signalen).

Abb. 1: Frequenzgang eines Tiefpassfilters

3 Analoge Messverstärker

Bei den analogen Messverstärkern GSV-1 und GSV-11 wird das Filter als aktives Filter zweiter Ordnung mit Bessel Charakteristik realisiert.
Die Dämpfung beträgt ca. 40 dB pro Dekade, d.h. im Stopband wird die Amplitude eines Signalanteils mit zehnfacher Frequenz um den Faktor 100 verringert.

Aufbau analoger Messverstärker

Die Grenzfrequenz wird durch unterschiedliche Bestückung mit Widerständen und Kondensatoren eingestellt. Neben dem aktiven Tiefpass in der Ausgangsstufe des Messverstärkers gibt es weitere Einflussfaktoren, die eine Beschränkung der Bandbreite verursachen. Dazu gehören z.B. das Verstärkungs-Bandbreite Produkt des Differenzsverstärkers in der Eingangsstufe des Messverstärkers, aber auch Bauteile für die EMV in der Eingangsstufe, wie z.B. Drosseln und Schutzdioden.

Die Tabelle 1 gibt einen Überblick zu den verfügbaren Bandbreiten mit GSV-1 und GSV-11:

 

Typ Grenzfrequenz
GSV-11H 010/20/2 20 Hz
GSV-11H 010-5/20/2 20 Hz
GSV-11H 4-20/20/2 20 Hz
GSV-11H 4-20-12/20/2 20 Hz
GSV-1H 010/250/2 250 Hz
GSV-1H 010/2k5/2 2,5 kHz
GSV-1H 010/10k/2 10 kHz
GSV-1A8 2,5 kHz
GSV-1A4 250 Hz

 

4 Messverstärker mit digitaler Signalverarbeitung

4.1 Messverstärker mit (konfigurierbarem) Analogausgang

Die Messverstärker GSV-15L, GSV-6L, GSV-6K, GSV-13i verfügen (ausschließlich) über einen Analogausgang. Das Signal des Kraftsensors oder des Dehnungsmessstreifens wird mit einem Analog/Digital Umformer digitalisiert, in einem Mikroprozessor verarbeitet und mit einem Digital/Analog Umformer als digital skaliertes und digital gefiltertes Signal ausgegeben.

Die Digitalisierung des Eingangssignals erfolgt mit der Samplingrate. Die Aktualisierung des Ausgangssignals über den D/A Umformer erfolgt mit der Datenfrequenz.

Messverstärker Samplingrate

Datenfrequenz am Analogausgang

GSV-15L 315 S/s 315 Hz
GSV-6L, GSV-6K 25 kS/s 10 Hz ... 25 kHz kundenseitig konfigurierbar (mit ClickRClackR)
GSV-13i 25 kS/s 10 Hz ...25 kHz werkseitig konfigurierbar
GSV-8 bis 8x 48 kS/s simultan (Summenabtastrate 384 kS/s) 1 Hz ... 16 kHz kundenseitig konfigurierbar (mit GSVmulti);

4.2 Digitale Messverstärker mit nicht konfigurierbarem Analogausgang

Eine Sonderstellung nehmen die Messverstärker GSV-2LS, GSV-2AS, GSV-2FSD-DI, GSV-2TSD-DI ein. Diese Messverstärker verfügen neben einer Schnittstelle (USB oder RS232 oder CANbus) über einen Analogausgang, der vor dem A/D Umsetzer auf eine analoge, nicht skalierbare Ausgangsstufe geführt wird. Lediglich ein automatischer Nullabgleich ist möglich.

Der Analogausgang des GSV-2 entspricht dem Analogausgang des GSV-1. Für überwiegend analoge Anwendungen eignet sich der Typ GSV-1; Für überwiegend digitale Anwendungen eignet sich der Typ GSV-2.

4.3 Digitale Messverstärker mit (konfigurierbarem) Analogausgang und konfigurierbaren Digitalfiltern

Der Messverstärker GSV-8 verfügt über digitale Filter FIR bis 14. Ordnung und IIR bis 4. Ordnung. Die Konfiguration ist mit der Software GSVmulti möglich. Mit dem IIR Filter lassen sich am Analogausgang die Charakteristiken "Tiefpass", "Hochpass", "Bandpass", "Bandstop" realisieren, mit dem FIR Filter werden Tiefpassfilter bis 14. Ordnung realisiert.

4.3.1 Konfiguration der Datenfrequenz

Auch für die Einstellung der Datenfrequenz gilt: so niedrig wie möglich, so hoch wie nötig. Mit der Einstellung der Datenfrequenz wird automatisch eine durchlaufende Mittelwertwertfilterung aktiviert. Hochfrequente Störanteile werden dadurch gefiltert.

Die Datenfrequenz muss ausreichend hoch gewählt werden, wenn z.B. sprunghafte Signaländerungen und Spitzenwerte erfasst werden sollen. In der Theorie (Nyquist-Shannon-Abtasttheorem) muss die Datenfrequenz mindestens das doppelte der Signalfrequenz betragen. In der Praxis hat sich die Einstellung einer Datenfrequenz bewährt, die das 5- bis 10-fache der Signalfrequenz beträgt.

Mit der Konfiguration der Datenfrequenz wird im GSV-8  automatisch ein analoges Tiefpassfilter aktiviert, das dem A/D Umsetzer als Anti-Aliasing Filter vorgeschaltet wird.

4.3.2 Konfiguration zusätzlicher IIR und FIR Filter

Die Messverstärker der Serie GSV-8 erlauben die Konfiguration digitaler Filter. Die Einstellung digitaler Filter erfordert Expertenwissen in digitaler Filtertechnik. Die Einstellung digitaler Filter kann sinnvoll sein, um z.B. eine Bandsperre oder ein Bandfilter zu realisieren. Für die Auslegung digitaler Filter, insbesondere digitaler IIR Filter vierter Ordnung, werden in der Regel kostenpflichtige Softwaretools oder Simulationssoftware, wie z.B. Matlab, eingesetzt. Experten in Filtertechnik finden in der Software GSVmulti ein nützliches Werkzeug zur Auslegung eines IIR Filters vierter Ordnung.

 

5 Konfiguration des Digitalfilters

Für Experten:

Mit dem GSV-8 lassen sich für die 8 Messkanäle individuelle Filtercharakteristiken konfigurieren.

https://www.me-systeme.de/forum/post653.html?hilit=filter#p641

https://www.me-systeme.de/forum/post653.html?hilit=filter#p653