Die gewählte Aufgabenstellung im Fachbereich elektronischer Bauelemente ist die Konstruktion und praktischer Aufbau einer Gasmesszelle mit abschließender Dokumentation. Die physikalische Grundlage des Messgeräts ist die Absorptionsspektroskopie. Bei diesem Verfahren absorbiert das detektierende Gas in einer Messkapsel zwischen Lichtquelle und Fotodiode einen Teil des Lichts und führt damit zu einer Änderung der Intensität an der Fotodiode. Dies Änderung ist ein Maß zur Ermittlung der Gaskonzentration in der Messkapsel. Ziel der Arbeit ist es, auch nur geringe Mengen möglicher Gaskonzentrationen nachzuweisen. Denkbare Einsatzgebiete sind dabei alle Bereiche, in welchen ein Entstehen von Gasen denkbar ist. Typische Einsatzgebiete einer Gasdetektion mit Früherkennung wären z. B. industrielle Bereiche wie Erdöl- oder synthetisch verarbeitende Betriebe von flüssigen Brennstoffen. Erwähnenswert sind auch Bereiche für die Gasförderung, Holzbearbeitung sowie Biogasanlagen.
Die Auswertung der Messungen und die grafische Darstellung der Gaskonzentration erfolgen durch einen Einplatinencomputer. Ziel ist eine konstante Überwachung der Umgebungsluft durch permanente Messungen von Gaskonzentrationen, um bereits geringe Mengen von Gas, in Verbindung eines Mess- Warnsystems mitzuteilen.
Inhaltsverzeichnis
Beschreibung
Absorbtionsspektroskopie
Grundaufbau des Messgerätes
Grundaufbau der Gasmesszelle
Gasmesszelle mit Luftzyklussystem
Analog Digital Wandler
Kalibrierung des Messgerätes
Fotodiodenverstärker
Spannungsversorgung
2 Dimensionierung
2.1 Dimensionierung des Ladekondensators
2.2 Dimensionierung des Siebgliedes
3 Symmetrische Spannungsversorgung
I²C-Bus
Bauteile
Programmablaufplan
Hardware und Programm
Zielsetzung & Themen
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der theoretischen Konzeption, der hardwareseitigen Konstruktion und der softwaregestützten Implementierung einer Gasmesseinheit zur Detektion geringer Gaskonzentrationen, exemplarisch demonstriert am Beispiel von Erdgas.
- Wissenschaftliche Grundlagen der Absorptionsspektroskopie
- Konstruktion und messtechnischer Aufbau des Gasmesssystems
- Dimensionierung elektronischer Schaltungen zur Spannungsversorgung
- Implementierung der Messwerterfassung und Programmierung mittels Python
Auszug aus dem Buch
Analog Digital Wandler
Da die Messwerte von den Fotodioden bzw. einem Diodenverstärker als Analogsignal zum Einplatinenrechner geliefert werden, müssen diese mit Hilfe eines Analog-Digitalwandlers gewandelt werden. Ein AD-Wandler wandelt eine am Eingang anliegende Spannung, die zwischen 0 Volt und der Versorgungsspannung (meist 3.3 V) liegt, als digitale Zahl zurück. Je nachdem, wie viel Bit Auflösung ein AD-Wandler hat, sind dies Zahlen zwischen 0 und 255 (8 Bit), 0 und 1023 (10 Bit), 0 und 4095 (12 Bit) und 0 und 65535 (16 Bit). Dementsprechend ist die Feinheit der Messung unterschiedlich. Während z. B. bei 3.3 V 8 Bit Wandler nur mit 12,89 mV Genauigkeit messen, sind dies bei 16 Bit 0,05 mV Genauigkeit, also 258-mal genauer.
Die digitale Zahl des AD-Wandlers muss irgendwie übermittelt werden. Dies geschieht als Byte(s) über einen Bus. Die Wahl fällt hier auf einen ADS1015 12-Bit-Analog/Digital-Umsetzer. Der Wandler verfügt über eine Onboard-Referenz und Oszillator. Die Daten werden über eine I²C-kompatible serielle Schnittstelle übertragen; vier I²C-Slave(Geräte)-Adressen können gewählt werden. Der ADS arbeitet mit einer Versorgungsspannung von 2 V bis 5,5 V. Der ADS1015 kann mit Abtastraten von bis zu 3300 Abtastungen pro Sekunde (S/s) arbeiten. Auf der ADS befindet sich ein Onboard-PGA mit Eingangsbereichen vom Versorgungsniveau bis ±256 mV, sodass große und kleine Signale mit hoher Auflösung messbar sind, zudem verfügt er außerdem über einen Eingangs-Multiplexer (MUX) mit zwei differentiellen oder vier asymmetrischen Eingängen.
Kapitelzusammenfassungen
Beschreibung: Einführung in die Aufgabenstellung der Konstruktion einer Gasmesszelle und deren Einsatzgebiete.
Absorbtionsspektroskopie: Erläuterung der physikalischen Grundlagen, bei denen Gase durch spezifische Lichtabsorption in einem Spektrum detektiert werden.
Grundaufbau des Messgerätes: Übersicht über die verwendeten Komponenten wie Fotodioden, AD-Wandler und Raspberry Pi zur Auswertung.
Grundaufbau der Gasmesszelle: Darstellung der physikalischen Berechnung der Gaskonzentration basierend auf dem Lambert-Beer’schen Gesetz.
Gasmesszelle mit Luftzyklussystem: Beschreibung der mechanischen Modifikation des Messaufbaus durch den Einsatz einer Pumpe zur Gasförderung.
Analog Digital Wandler: Detaillierte Erläuterung der Signalwandlung vom Sensor zum digitalen System mittels ADS1015.
Kalibrierung des Messgerätes: Mathematisches Verfahren zur Fehlerreduktion und Bestimmung der Sensorkonstanten.
Fotodiodenverstärker: Erklärung der Transimpedanzwandler-Schaltung zur präzisen Signalerfassung.
Spannungsversorgung: Umfassende Analyse der Dimensionierung von Netzteilen zur Versorgung der unterschiedlichen Baugruppen.
I²C-Bus: Erläuterung der seriellen Kommunikationsschnittstelle für die Datenübertragung zwischen den Modulen und dem Einplatinencomputer.
Bauteile: Tabellarische Auflistung aller verwendeten Komponenten und Betriebsmittel der Gasmesseinheit.
Programmablaufplan: Visualisierung der logischen Struktur der Steuerungssoftware.
Hardware und Programm: Information zur gewählten Programmiersprache Python und dem Startprozess der Software.
Schlüsselwörter
Gasmesseinheit, Absorptionsspektroskopie, Erdgas, Raspberry Pi, ADS1015, I2C-Bus, Fotodiodenverstärker, Spannungsversorgung, Lambert-Beer, Python, Signalwandlung, Sensortechnik, Messtechnik, Datenerfassung, Automatisierung.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit?
Die Arbeit beschreibt den gesamten Entstehungsprozess einer Gasmesseinheit, von der theoretischen physikalischen Grundlage bis zur praktischen hardwareseitigen Konstruktion und elektrischen Realisierung.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Die Arbeit integriert Erkenntnisse aus der Optoelektronik (Absorptionsspektroskopie), der Analogelektronik (Netzteilbau, Verstärkung) sowie der Systemprogrammierung auf Einplatinencomputern.
Welches Ziel verfolgt die Arbeit?
Ziel ist der Aufbau eines funktionsfähigen Messgeräts, das in der Lage ist, geringe Gaskonzentrationen, wie sie beispielsweise bei Erdgas vorkommen, präzise zu detektieren.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Die primäre Messmethode basiert auf der Absorptionsspektroskopie unter Anwendung des Lambert-Beer’schen Gesetzes zur Berechnung der Gaskonzentration aus Intensitätsänderungen des Lichts.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil umfasst neben der physikalischen Theorie die detaillierte Dimensionierung von Spannungsversorgungen, die Auswahl und Anbindung von Bauteilen sowie die Softwareimplementierung via Python.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Wesentliche Begriffe sind Gasmesszelle, Absorptionsspektroskopie, Raspberry Pi, Analog-Digital-Wandlung, Fotodiodenverstärker und I2C-Kommunikation.
Wie erfolgt die Signalverarbeitung im Gerät?
Die analogen Signale der IR-Fotodioden werden durch einen Transimpedanzwandler aufbereitet, mittels eines 12-Bit-ADC (ADS1015) digitalisiert und über den I2C-Bus an einen Raspberry Pi übermittelt.
Warum wurde ein I2C-Bus gewählt?
Der I2C-Bus ermöglicht eine effiziente serielle Anbindung mehrerer Sensoren und Wandler an den Raspberry Pi bei gleichzeitig geringem Verkabelungsaufwand.
Wie wird die Messgenauigkeit sichergestellt?
Die Genauigkeit wird durch eine systematische Kalibrierung unter Berücksichtigung von Offsets der Fotodioden und einer präzisen mathematischen Modellierung der physikalischen Absorption erreicht.
Was geschieht bei einer Überschreitung der Gaskonzentration?
Das System ist darauf ausgelegt, im Rahmen eines kontinuierlichen Monitorings Messwerte zu erfassen, diese in Logdateien zu speichern und potenzielle Grenzwerte zu überwachen.
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- Anonym (Author), 2019, Konstruktion und Bau einer Gasmesseinheit. Am Beispiel von Erdgas, Munich, GRIN Verlag, https://www.hausarbeiten.de/document/1466229
