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Messverstärker bifunktioner Sauerstoff Partialdruck Sensor

FuE-Projekt Sauerstoff Partialdruck Sensor
Übersicht Messprinzip Ergebnisse
 Forschungsergebnisse des Vakuumsensor Messsystems

Ergebnisdiagramm Eine Erweiterung des Messbereichs bis in den Sub-nA Bereich und eine deutliche Verbesserung des Dynamikverhaltens ist neben der Implementierung aller gängigen Schnittstellenstandards ist primäres Ziel beim von synertronixx neuentwickelten Sauerstoff Partialdruck Messsystem. Hierbei ist in erster Linie das Gesamtsystemrauschen und der Drift praxisrelevant. Um dieses Verhalten qualifizieren zu können, wurden an mehreren Aufbauten umfangreiche Erprobungsmessreihen aufgenommen und sukzessive eine Optimierung des Messsystems durchgeführt, bei dem interne und externe Störquellen identifiziert und eliminiert, bzw. in ihrem Wirkungsbereich durch Schaltungsmodifikation bzw. Filterungsmaßnahmen minimiert wurden. Bei einer kleinsten Abtastrate von 6,25Hz beträgt das Gesamtsystemrauschen im 2µA Messbereich nur 0,57pA RMS, entsprechend einer Rauschzahl von 2,5 des Gesamtsystems. Der deutlich von einer Geraden abweichende Verlauf der Datenblattangaben des eingesetzten A/D Wandlers zeigt, dass Störeinflüsse bei der Messaufnahme seitens des Herstellers die Messergebnisse verfälscht haben, da sich aufgrund theoretischer Betrachtungen bei jeder Verdopplung der Abtastrate und somit der Bandbreite die Rauschleistung ebenfalls verdoppeln muss, was anhand unserer eigenen Untersuchungen zum Gesamtsystemrauschen qualifiziert wurde.

Folgende Störgrößen treten in Erscheinung:

  • Eingangsspannungsrauschen der Operationsverstärker
  • Stromverteilungsrauschen der Operationsverstärker
  • Schrot-Rauschen (Schottky-Noise)
  • 1/f Rauschen (Funkelrauschen)
  • Johnson-Nyquist-Rauschen (thermisches Widerstandsrauschen)
  • Spannungsrauschen der internen Referenzspannungsquellen
  • Quantisierungsrauschen des A/D-Wandlers
  • galvanische Kopplungspfade der Leiterplatte
  • Versorgungsspannungsstörungen
  • externe Störsignaleinprägungen
  • Überkoppelung von Leitungssignalen

Physikalisch bedingt ist das thermisches Widerstandsrauschen der Bürde des Strom-/Spannungsumsetzers beim Messverstärker die limitierende Grenze, während das Quantisierungsrauschen des A/D-Wandlers auf technischer Seite den begrenzenden Faktor darstellt. Eine aufwandsoptimale Realisierung wird erzielt, wenn sowohl thermisches Widerstandsrauschen als auch Quantisierungsrauschen annähernd eine identische Größenordnung aufweisen. Die bisherigen Forschungsergebnisse belegen eindrucksvoll, dass das neuentwickelte Sauerstoff Partialdruck Sensor Messsystem in der Lage ist, Signalströme bis in die Nähe der physikalisch bedingten thermischen Rauschgrenze zu erfassen. Es trägt somit wesentlich dazu bei, die Messtechnik von Yttrium dotierten Zirkoniumdioxid Festkörperelektrolytsensoren für Hochvakuumanwendungen zu erweitern.

 
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