Eckdaten

Chemische Größen wie Gase lassen sich mithilfe verschiedener Verfahren messen. Ob durch Widerstands- oder Kapazitätsmessung – ein über das Messergebnis ermittelter und erzeugter Alarm kann Leben retten.

Unfälle durch Gaseinwirkung lassen sich durch Aufzeichnen und Kontrollieren der Gaskonzentrationen in der unmittelbaren Umgebung verhindern. Wenn die Konzentration die Sicherheitsgrenzwerte übersteigt, spielen Gassensoren eine entscheidende Rolle, indem sie einen Alarm auslösen. Waren entsprechende Lösungen in der Vergangenheit oft recht teuer, so ermöglichen die Fortschritte der modernen Halbleitertechnologie die Entwicklung kostengünstiger und energiesparender Sensorlösungen, die unser Wohnumfeld, unseren Arbeitsplatz und unser Leben sicherer machen.

Jedes Sensorsystem enthält ein einfaches Sensorelement, das einen oder mehrere elektrische Parameter misst, sowie einen Schaltkreis, der die Änderungen dieser Parameter überwacht. Damit die Sensoren jahrelang ohne Unterbrechung betriebsbereit bleiben, arbeiten sie im Batteriebetrieb und dürfen daher nur wenig Strom verbrauchen. Zur Übermittlung der gemessenen Informationen an den Controller dienen Analog-Frontends (AFE), die die Analogsignale in digitale, für den Mikrocontroller verständliche Signale umwandeln und sich dort nachbearbeiten lassen. Die von den Sensoren gemessenen Parameter sind Widerstand oder Kapazität, für die es jeweils verschiedene Messverfahren gibt.

Verfahren zur Messung einer Widerstandsänderung.

Um eine Widerstandsänderung zu messen, kann man eine Spannungsteilerschaltung verwenden oder von einem bekannten Strom ausgehen.

Die Spannungsteilerschaltung misst die Änderung des Sensorwiderstands.

Die Spannungsteilerschaltung misst die Änderung des Sensorwiderstands. Cypress

Die Spannungsteilerschaltung verwendet einen Sensor, dessen Widerstand sich in Abhängigkeit von physikalischen Parametern wie Temperatur, Druck oder anderen ändert, und vergleicht den sich ändernden Sensorwert mit einem Festwertwiderstand. In einer derartigen Schaltung hängt die Spannung am A/D-Wandler-Knoten zwischen Festwertwiderstand und Sensor vom Sensorwiderstand und damit von dem gemessenen physikalischen Parameter ab.

Diese Spannung erfasst ein A/D-Wandler am A/D-Wandler-Knoten und gibt einen digitalen Ausgabewert an den Mikrocontroller. Dieser ist mit einem Algorithmus programmiert, der die bekannte Beziehung zwischen der Variation des Sensorwiderstands und dem gemessenen physikalischen Parameter benutzt, um den physikalischen Parameter zu berechnen.

Die Spannung über dem IDAC variiert abhängig vom gemessenen Parameter.

Die Spannung über dem IDAC variiert abhängig vom gemessenen Parameter. Cypress

Beim Verfahren mit bekanntem Strom fließt eine bekannte Strommenge durch einen Strom-D/A-Wandler (IDAC), dessen Widerstand mit der Änderung des gemessenen Parameters variiert. Nach dem Ohm‘schen Gesetz gilt V=I⋅R. Die Spannung über dem IDAC variiert somit abhängig vom gemessenen Parameter und lässt sich mit einem A/D-Wandler erfassen. Der A/D-Wandler-Messwert dient anschließend dazu, diesen Parameter zu berechnen.

Verfahren zur Messung der Kapazität

Es gibt sogenannte kapazitive Sensoren, bei denen man die wirksame Kapazität des Sensors misst, um den Wert des betreffenden Parameters zu bestimmen. Zu den verschiedenen Verfahren zum Messen eines Kondensators zählt das Laden des Kondensators mit einer bekannten Stromstärke, das Verwenden eines bekanntes Wechselstromsignals und die Ladungsteilung zwischen Kondensatoren.

Ein Zählregister erfasst jeden Ladevorgang mit bekannter Stromstärke eines variablen Kondensators.

Ein Zählregister erfasst jeden Ladevorgang mit bekannter Stromstärke eines variablen Kondensators. Cypress

Beim Laden mit bekannter Stromstärke lädt ein Strom-D/A-Wandler den variablen Kondensator, und wenn die Spannung des Kondensators die Spannung am Wandleranschluss übersteigt, wird der Umschalter eingeschaltet. Dadurch entlädt sich der Kondensator und der Zyklus wiederholt sich. Während jedes Lade- und Entladezyklus erfasst man den Wert des Zählerregisters und verarbeitet ihn in der Firmware, um den Kapazitätswert mithilfe relevanter mathematischer Gleichungen zu berechnen.

Das Verfahren mit bekanntem Wechselstromsignal schickt ein solches durch den variablen Kondensator und misst die vom Kondensator erzeugte Phasendifferenz. Die Phasendifferenz eines derartigen Schaltkreises lässt sich dabei ausdrücken durch
Φ = tan-1 ⋅ (XC/R),
wobei XC der kapazitive Blindwiderstand des Kondensators für die gegebene Frequenz ist.

Das Verfahren mit bekanntem Wechselstromsignal misst die vom Kondensator erzeugte Phasendifferenz.

Das Verfahren mit bekanntem Wechselstromsignal misst die vom Kondensator erzeugte Phasendifferenz. Cypress

Beim Verfahren der Ladungsteilung zwischen Kondensatoren lädt man einen bekannten Referenzkondensator mit einer bekannten Spannung und schließt den unbekannten Kondensator an diesen Kondensator an. Es erfolgt eine Ladungsteilung und die Spannung über dem Kondensator fällt ab. Durch Messen des Spannungsabfalls lässt sich der Wert für den unbekannten Kondensator bestimmen als
Cunbekannt = Cbekannt ⋅ (V’–Vbek.Kond.) / (Vunbek. Kond.–V’).
Dabei ist V’ das Potenzial nach dem Anschließen des unbekannten Kondensators an den bekannten Kondensator. Vbek. Kond. ist die Spannung über den bekannten Kondensator vor dem Anschließen des unbekannten Kondensators, und Vunbek. Kond. ist die Spannung über den unbekannten Kondensator vor dem Anschließen des bekannten Kondensators.

Durch Messen des Spannungsabfalls der Ladungsteilung lässt sich der Wert des unbekannten Kondensators bestimmen.

Durch Messen des Spannungsabfalls der Ladungsteilung lässt sich der Wert des unbekannten Kondensators bestimmen. Cypress

Grundlagen von Gassensoren

Ein einfacher Gassensor der Serie MQ besteht aus einem Heizgerät, das von einer AC- oder DC-Spannungsquelle von ungefähr 5 V gespeist wird. Nach dem Aufheizen bietet es die erforderlichen Bedingungen für den eingebauten chemischen Sensor. Der Widerstand dieses Sensors variiert in Abhängigkeit von der Konzentration des gemessenen Gases. Mithilfe eines zusätzlichen Widerstands erzeugt man einen ohmschen Spannungsteiler und speist den Ausgang dieses Spannungsteilers in das Analog-Frontend (AFE), das normalerweise aus einem A/D-Wandler besteht.

Ein integriertes Heizgerät schafft die erforderlichen Messbedingungen.

Ein integriertes Heizgerät schafft die erforderlichen Messbedingungen. Cypress

 Als Beispiel für die Implementierung eines Gassensor-AFE dient hier ein PSoC4 von Cypress Semiconductor. Die Flexibilität der PSoC-Serie ermöglicht ihren Einsatz in einer großen Vielfalt von Anwendungen, darunter Industrieanlagen, das Internet der Dinge, Konsumgüter, Haushaltsgeräte und Medizingeräte.

Diese Gassensorlösung verwendet zwei verschiedene Gassensoren: einen LPG-Sensor und einen Rauchmelder. Die Ausgänge dieser Sensoren speist man in einen A/D-Wandler ein, und in der Firmware erfolgt die Verarbeitung von dessen Ausgängen.

Diese Gassensorlösung verwendet einen LPG-Sensor und einen Rauchmelder.

Diese Gassensorlösung verwendet einen LPG-Sensor und einen Rauchmelder. Cypress

Der A/D-Wandler in einem PSoC4 ermöglicht ein 12-Bit-Ergebnis, das mithilfe des dedizierten Hardware-Mittelwertrechners des A/D-Wandlers weiter gemittelt wird. Diese gemittelte Ausgabe des A/D-Wandlers verarbeitet ein IIR-Filter in der Firmware. Es erfolgt ein Vergleich der A/D-Wandler-Werte mit unabhängigen Grenzwerten für jeden Sensor. Jedes Mal, wenn die A/D-Wandler-Ausgabe eines Kanals diesen Grenzwert überschreitet, beginnt die LED zu blinken, um die Anwender optisch zu warnen. Gleichzeitig steigt die Spannung im Summer-Pin, was den Transistor Q1 aktiviert, um anschließend den Summer anzusteuern, der ein hörbares Warnsignal an die Anwender abgibt.