Mess-Schaltung - Kontrolle

Hallo Roboternetz-Gemeinde !

Ich habe die Frage schon im mikrocontroller.net gestellt, aber irgendwie ist die Resonanz dort nicht so hoch, weshalb ich es hier nochmal probieren möchte :

ich habe jetzt meine Mess-Schaltung für einen TGS8XX fertiggestellt.
Bevor ich mich jetzt jedoch ans routen mache, möchte ich mir sicher
sein, dass die Schaltung fehlerfrei ist.

Eventuell hat ja der ein oder andere kurz Zeit sich das ganze mal
Anzuschauen.

- Mitte links : Der L4941 LDO + Hühnerfutter um 5V zu bekommen.

- Unten links : 74HC14 bildet eien LAdungspumpe um ~13V zu erzeugen,
dann wird mit Hilfe des TL431 eine Referenzspannung von genau 10V
erzeugt.

- Mitte rechts : Das Signal des Sensors bewegt sich ja zwischen 0-10V,
mit den zwei OpAmps und dem Spannungsteielr wird das ganze auf 0-2.5V
gebracht.

- Oben links : Das Poti bildet den Spannungsteiler für dne Kontrast des
Displays, alle Anschlüsse für das Display werden an einer Stiftleiste
rausgeführt.

- Oben rechts : Der µC mit Grundschaltung, weitere TL431 um eine
Referenz von 2.5V zu erzeugen, (Schaltung stammt aus TL431 Datenblatt.)
AVCC über 100nF und Drossel entstört, Sensorwert kommt an den ADC, Piezo
zwischen PB0 und GND um Piepstöne erzeugen zu können. Dual-LED mit
Vorwiderstand.


>>> http://img3.imagebanana.com/img/iahmgs72/test.tiff.png <<<

Am meisten Sorgen macht mir eigendlich die µC-Beschaltung.
Erzeugt die TL431-Diode so eine 2.5V Referenzspannung am AREF-Pin ?

Die Schaltung haben ich aus dem Datenblatt Seite 5 , Schaltung 1

>>> http://www.datasheetcatalog.org/data...la/TL431ID.pdf <<<




Danke schonmal und ein schönes WE,

Christian

Die Beschaltung von TL431 IC4 ist so sicher nicht richtig.
Dem Oszillator einen eigenen KOndensator spendieren, ebenso auf AREF.

Hallo!

@ Easter

Da der TGS 822 sowieso mit 10k belastet ist und der Eingangwiderstand des ADCs im AVR um 100 M ist, kann man den Spannungsteiler R10, R11 direkt zwischen dem Sensor und ADC Eingang anschliessen, und den IC6 entfernen.

Für mich scheinen die 100 µF Elkos am Ausgang des CMOS Inverters zu groß zu sein. Ich konnte aber den weiteren Anschluß von +13V nicht finden und die Belastung der Spannung nicht abschätzen. Für grössere Stromabnahme wäre ein Leistungsfähiger Treiber in der Ladungspumpe sinnvoller. Nur für die Referenzspannung +10 V reichen sicher kleinere Elkos.

Übrigens, die 8000x6000 Pixel Grafik lässt sich mit meinem älterem Notebook nicht schnell durchschauen. :)

MfG

Im Datenblatt steht :

Zitat:

---

Reference Input Voltage Deviation Over
Temperature Range (Figure 1, Notes 1, 2)
VKA= Vref, IK = 10 mA

---

Meine Rechnung dazu :

10mA = 0,01A

U = R * I
5V = R * 0,01A
5V / 0,01A = 500 Ohm

Simuliert funktioniert die Schaltung so auch :

Bild hier  


Ist das richtig so ?

Natürlich! :)

MfG

Das die Schaltung simuliert funktioniert glaube ich dir schon, wenn du aber in deiner Schaltung von der Kathode wieder auf +5V gehst, wird es Probleme geben.

@PICture Die Impedanz einer zu messenden Spannungsquelle sollte für den ADC des AVR 10k laut Datenblatt nicht überschreiten um den Sample&Hold Kondensator vernünftig laden zu können.
Wenn man selten misst, könnte man auch einen C an den Eingang des ADC hängen.

Ansonsten würde ich wie im Mikrocontrollerforum bereits gesagt auch den OP weglassen.

Gruß Philipp

Hallo ba4_philipp!

Sorry, aber als PIC benutzer kenne ich die AVRs nur grob.

MfG

Hi PiCture,

die DC Eingangsimpedanz mag bei 100M liegen, aber ich denke beim PIC muss man genauso den Kondensator des SAR Wandlers laden oder ist der da gepuffert? Ich wiederrum hab überhaupt keine Erfahrung mit PICs :).

Hoffe das wird hier nicht zu sehr OT, aber ist ja im Prinzip schon interessant für solche Messschaltungen was man an den Eingängen verschiedener µC beachten muss.

Gruß Philipp

Bei PICs ist die Eingangsimpedanz des ADCs 10k, weil der Kondensator nicht gepuffert ist. :)

Ich finde, so wie du, dass jede Familie von µC eigene Eigenschaften hat, die man berücksichtigen muß, damit das ganze richtig funktioniert.

MfG

Die OPVs sind überflüssig, den 10k-Lastwiderstand des Sensors durch eine Reihenschaltung aus 7k5 und 2k49 ersetzen und dann noch 100n parallel zum unteren R. Die Ladungspumpe finde ich abenteuerlich, wenn Du da mal nicht über die Grenzen eines HC-Inverters gehst... womit wird das Ding überhaupt versorgt, dass Du die LP brauchst? Wenn Du schon so genau "schnüffeln" willst, dass Du eine Referenz brauchst, solltest Du Dich auf eine beschränken und die Spannungen von einander ableiten - heisst: ratiometrische Messung, und dann brauchst Du auch gar keine Referenz mehr, sondern nur eine halbwegs stabile und rauscharme Spannung, die aber nicht absolut genau sein muss. Etwas Rauschen wäre wiederum nicht schlecht, zumindest im Sensorsignal, damit könnte man die Auflösung erhöhen - aber ob man das braucht für einen Gassensor...?#
Ich habe es neulich mit einem NTC gemacht, im Laboraufbau habe ich so 13 nutzbare Bits aus dem AVR-ADC bekommen, zumindest an den Stellen, an denen ich nachgemessen habe ;)

So, TL431 korrigiert.
100nf an AREF und am Quarzoszi. hinzugefügt.
Opamp entfernt.

@shaun :

MPR 10k von Reichelt hat max. 0,1% Abweichung. Das sind 10Ohm.

Bei 7k5 + 2k49 habe ich 10000 - (2490 + 7500) = 10 Ohm plus noch 7,5 und 2,49 gleich 19,99 Ohm Abweichung max. Warum also diese Maßnahme ? Und was bewirken 100n parallel zum Widerstand ?

PICture :

Die Schaltung stammt von hier : http://www.holger-klabunde.de/dcdc/picdcdc.htm

Etwa 10mA könne dort wohl entnommen werden, wenn ich richtig rechne :

U = R * I
I = U / R
I = 11,45 / 1000
I = 0,01145 A

Der TGS822 zieht laut Datenblatt, wenn ich das richtig lese (http://www.netzmafia.de/buecher/linu...ren/TGS822.pdf) 15mW.

P = U * I

I = P / U
I = 0,015W / 10V
I = 0,0015 A

I = 1,5 mA.

Sollte also locker reichen.

Danke schonmal für die bisherigen Tipps,

Christian

Die Messschaltung ist etwas überrieben, denn der Sensor hat schon an sich eine Temperaturdirft von ein paar % pro K. Die extra präzisen Widerstände wird man also kaum brauchen. Ich sehe auch noch keinen Grund den Sensor unbedingt mit 10 V Auszulesen. Das müßte eigentlich auch mit 5 V gehen, eventuell auch sogar besser mit Wechselspannung, denn da kann man durch mehrfaches Auslesen des ADs mehr echte Auflösung bekommen.

Wenn man extra Aufwand Treiben will, dann eher für eine stabile Temperatur oder eine zusätzliche Temperaturmesung, um Softwaremäßig zu korrigieren.

Von Wechselspannung am SnO2-HGS würde ich die
Finger lassen. Das Sensorelement ist nur in aller
erster Näherung ein Widerstand. Wenn ma da Orts-
kurven misst kommen die tollsten Sachen raus.
Da können je nach Betriebspunkt kleinste Frequenz-
änderungen schon große Pseudo-Signale machen.

Zweitens stellt sich die Frage was überhaupt ge-
messen werden soll und wie genau?

Je nach Anforderung muss die Heizspannung geregelt
werden und der Sensor sehr lange geheitzt, bis über-
haupt mal ein hinreichend stabiler Nullpunkt steht.

Eine "Einbrennphase" von mehr als 7 Tagen wird
empfohlen.

siehe: http://www.figarosensor.com/
-> General technical information

Ich hab aber auch schon HGS gesehen die brauchten
vier Wochen.

Zudem kann es nötig sein den Meßbereich umschaltbar
auszulegen. Die Leitwertänderung des Sensors kann
durchaus über mehrere Potenzen gegen.

Grüße GeoBot

Das soll ein Atemalkoholtester werden.

Na dann fangen wir mal an.

Nehmen wir das folgende Datenblatt her.
http://www.figarosensor.com/products/822pdf.pdf

Was als erstes auffällt ist, das sich die beiden Diagramme auf
Widerstandsverhältnisse beziehen. Rs/Ro
Weiterhin fällt auf das Ro sich auf einen Sensor bezieht der
mit 300ppm Ethanol und einer Luftfeuchtigkeit von 65±5%R.H.
und einer Temperatur von 20°±2°C betrieben wird.

Weiterhin ist angegeben daß der Grundwiderstand Rs (=Ro)
bei 300ppm Ethanaol (das heißt für Rs/Ro=1) zwischen 1kΩ
und 10kΩ liegen kann.

An Luft (Rs/Ro=10,9) liegt die Exemplarstreung des Sensor-
widerstands dann zwischen Rs 10,9k und 109k.

Das heißt du mußt zumindestens den Spannungsteiler
Sensor, R6 einstellbar gestalten.

Wie hoch ist eigentlich die Konzentration von Ethanol in der
Athemluft bei 0, 1, 2 oder 3 Promille ???

Und wie sieht denn der mechanische Aufbau aus? Sprich wie
kommt der Athem zum Sensor?

Pfft, und dafür machst Du hier einen Aufstand mit Präzisionswiderständen? Dein Sensor liegt um Größenordnungen daneben. Meine Reihenschaltung war ein Spannungsteiler, habe ich auch so geschrieben. Damit Du von Deinen max. 10V auf die gewünschten 2,5V kommst und gleichzeitig den Lastwiderstand des Sensors hast. Der Kondensator soll die Impedanz des Konstrukts für den ADC senken, damit das Schätzeisen von Sensor auch superpräzise vermessen werden kann ;)
Wie schon geschrieben wurde, sollten aber auch 5V für den Sensor reichen, dann bekommt der ADC dieselben 5V als Referenz und schon sind die TL431 überflüssig. Der Spannungsteiler übrigens auch.

Text

Jo, aber wie schon geschrieben wurde können's bei 100mg% auch 12k statt 1,2k sein, bei solcher Streuung ist ein 0,1%-Widerstand müßig.

Oje! Was fang ich jetzt mit dieser Grafik an?

Wo kommt sie her, was sagt sie aus?

Sollte dass die Antwort auf die Fage "Wie hoch
ist eigentlich die Konzentration von Ethanol in
der Athemluft bei 0, 1, 2 oder 3 Promille ???"
sein?.

Nun gut. Im folgenden Dokument Seite 11
http://www.sysdyn.ch/Blutalkoholgehalt.pdf
findet sich folgende Definition:

"0,5 Promille BAK (=mg/g ) = 0,25mg/l AAK"
Ich nehme an BAK = Blutalkoholkonzentration;
AAK = Atemalkoholkonzentration.

Sind mg/l dann ppm?

Ich möchte erst einmal das Sensorelement be-
leuchten. Welche Einflüsse ändern meinen Wider-
stand und in welchem Ausmaß.
Sprich welche Querempfindlichkeiten gibt es.
Und dann was tue ich dagegen!

Wenn das nicht klar wird, brauch ich auch keinen
ADC und keinen µC.

@ shaun
Die Exemplarstreuung lässt sich beim Kalibrieren
durch Justieren in den Griff bekommen.

mg/L sind nicht ppm. Zumindestens nicht bei Luft. Ein Lieter luft wiegt rund 1,2 kg, bei Wasser würde das so etwas hinkomen.
Wie viel ppm dann tatsächlich rauskommen ist nicht so einfach zu sagen, jenachdem ob da nach gewicht oder Volumen gerechnet wird. Von der Größenordnung entspricht 1 mg/L eher 1000 ppm.

Die Querempfindlichkeiten sollten im Datenblatt stehen. Das werden im Wesentlichen Luftfeuchte und Temperatur sein. Beim Atem kann man fast von konstant 100% rel. Luftfeuchte ausgehen. Bei der Temperatur kann man messen oder sogar nachregeln wenn man genug Leistung und Platz zur Verfügung hat.

Besserwessi : "Die Querempfindlichkeiten sollten im Datenblatt stehen.
Das werden im Wesentlichen Luftfeuchte und Temperatur sein."

Ja die Querempfindlichkeiten sind in den Datenblättern angegeben. Und
Temperatur und Feuchte sind die wichtigsten.

Und wenn wir jetzt unser Messignal ausrechnen könnten, können wir
vielleicht auch abschätzen ob es nötig ist die Temperatur nachzuregeln
und die Feuchte in die Berechnung mit einfließen zu lassen.

Ich gehe nämlich stark davon aus, dass die Temperatur zu regeln ist.

Und wenn dem so ist, dann müsste Easter den Schaltplan modifizieren,
wenn er eine vernünftige Messung haben will.

Besserwessi : "mg/L sind nicht ppm"

Ich meine ppm sollten µmol/mol sein, es muß ja irgendwie immensionslos
werden. Ich denke auch die Datenblätter von Figaro verwenden ppm als
Teilchen pro Millionen Teichen.

Allerdings verwendet ppm wohl jeder wie er will.
Unter anderen kennen die Chemiker 1ppm = 1mg/L für Konzentrationen
gelöster Stoffe in wassriger Lösung.
siehe http://de.wikipedia.org/wiki/Parts_per_million

Ich vermute das sie das L mit kg gleichsetzen.

Gehen wir jetzt von 0.5 Promille aus und kommen damit zu circa
0,25mg Ethanol pro Liter Atemluft. s.o.
Die molare Masse von Ethanol ist 46.07 g/mol
http://de.wikipedia.org/wiki/Ethanol

Dann haben wir in einem Liter Atemluft
0,25mg/(46,07g/mol) = 5,427 µmol Ethanol.

Und vereinfacht hat der Liter Luft 1/22,4mol = 0,045mol Gasteilchen.

Das wären dann circa 5,424µmol/0,045mol = 120,556 µmol/mol (ppm?)
Ethanol pro 0,5 Promille.

Hoffentlich hab ich mich da jetzt nicht verrannt. :-k :-b

Kein Chemiker da, der Abschätzen kann ob die ca. 120ppm
pro 0,5 Promille ungefähr richtig sind?

@ Easter
Kannst du nicht doch noch etwas zu dem Diagramm
oben sagen?

Um ehrlich zu sein habt ihr mich ein wenig verschreckt... Ziel war es eigendlich einen kleinen Atemalkoholtester als Partygag zu bauen, der vielleicht sogar etwas genauer ist, also beispielwiese solch ein Schätzeisen.

Aber wenn das alles so schwer zu kalibrieren etc. ist...

@Geobot :

Das ist eigendlich nicht schwer :

y = 18403*x^-0.5999

y ist der Sensorwiderstand in Ohm, und x die Atemalkoholkonzentration in mg%.

Wenn man mal bei Wikipedia nachschaut sind mg%, mg/100ml.

So, in der deutschen Wikipedia steht folgendes :

Zitat:

---

Als Maßeinheit dient die Alkoholmenge in Milligramm pro Liter Atemluft (mg/l). Dabei entsprechen z. B. 1,0 mg/l Atemalkoholkonzentration 2,1 mg/g Blutalkoholkonzentration (= 2,1 Promille).

---

Man muss also den Wert mit 10 multiplizieren, um auf mg/l zu kommen und dann mit 2.1 multilizieren um auf die BAK zu kommen.

So sehe ich das zumindest.

Das ist der Nachteil oder eher der Reiz eines solchen Forums.
Es treffen die unterschiedlichsten "Spezialisten" auf den unter-
schiedlichsten "Arbeitsebenen" aufeinander.

Zudem kann man nach den ersten Posts nur Raten was der
Gegenüber eigentlich machen kann und machen will.
Sensor nur mal so betreiben. Etwas reproduzierbar messen.
Oder das letzte an Information aus dem Sensor heraus holen.

Und da man nicht weiß wie "Fit" der andere ist, kann es für
einen auch schon mal heftiger werden. Aber man ist ja nicht
verplichtet jeden Rat auch umzusetzen.

So ein Teil wie das hinter deinem Link "Schätzeisen" oben
muß ich mir nächstes Jahr mal organisieren. Ob da ein HGS
Sensor drinnen ist?

Bist du dir sicher das die Konzentrationsangabe im Diagram
der Atemalkoholkonzentration entspricht?
Wenn ich "Alkoholkonzentration entsprechend einer Standard-
lösung" lese bin ich mir da nicht so sicher.

Ich würde ratender Weise folgendes vermuten. Man hat eine
Lösung von x mg Alkohol in 100ml Wasser hergestellt und sie
in ein geschlossens Gefäß gefüllt.
Das Gefäß ist nur teilwese gefüllt und im Luftraum über der
Lösung stellt sich eine konstante Ethanolkonzentration ein,
die von der Konzentration in der Lösung abhängt. Natürlich
nur bei einer definierten Temperatur.
In diese Luft wurde der Sensor dann gehängt.

Du kannst dir die PDF ja selbst mal durchlesen.
Link

Da mit dem Alkohol/Wasser-Gemisch klingt interessant, so könnte man das Gerät ja dann eichen...

Eichfähig wird das Gerät kaum weren, aber kalibrieren und Testen könnte man das Gerät damit schon. Der Temperatureffekt sollte sich auch in Grenzen halten, denn so verschieden sind die Siedepunkte von Wasser und Alkohol nicht.

Ja Eichen ist ein hoheitlicher Akt. Das macht nur eine von staatlicher Seite
beauftragte Stelle. Z.B. Eichamt.

Tolles Paper! :-# Kann sich das noch mal jemand anders anschauen.
Auch die anderen Papers in dem gleichen Verzeichniss sind Toll.

http://www.scisoc.or.th/stt/30/sec_h/paper/
Die beiden haben beziehen sich auf Alkoholmessungen.
stt30_H0039.pdf
stt30_H0040.pdf

Noch mal zu den Artikeln.

In "stt30_H0040.pdf" findet sich erstmal kein Hinweis zum
mechanischen Aufbau des Systems. Des weiteren kann ich
nur herauslesen, dass der Sensor mit Standardlösungen
kalibiert wurde. Wie das abgelaufen ist, ist mit keiner Silbe
erwähnt.

Auch zum eigentlichen Meßablauf schweigt der Text.
Wird nur über den Sensor gepustet? Oder gibt es eine Meß-
kammer in der das Gas verbleibt?

Anschließend wurden 5 Personen mit unterschiedlichen
Alkoholpegeln sowohl mit dem System als auch mit einem
Referenzsystem gemessen und die Vergeichbarkeit der
Ergebnisse untersucht.

Ich meine die mg/ml in der Grafik sind direkt die ange-
nommene Blutalkoholkonzentration und die Bestimmung
der Atemalkoholkonzentration wurde elegant umgangen.

Nimmt man den zweiten Artikel "stt30_H0039.pdf" hinzu
und der Autor "Suwit Wongsila" war an beiden beteiligt,
lassen sich Vermutungen anstellen, wie die Kalibrierung
in "stt30_H0040.pdf" ausgesehen haben könnte.

In "stt30_H0039.pdf" wird ein "Alcohol Simulator Model
34C of GUTH LABORATORIES" verwendet.
http://www.guthlabs.com/product.asp?item_id=182

"The principle of alcohol simulator is to pass air through
a standard alcohol solution and convert into vapor. The
alcohol simulator was set to have a stabled temperature
at 34C0 which is an average temperature of human
exhalation breath."

Da die Temperatur der Lösung im Simulator konstant ist,
muß die Konzentration der Lösung variiert werden.