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Messverstärker bifunktioner Sauerstoff Partialdruck Sensor

FuE-Projekt Sauerstoff Partialdruck Sensor
Übersicht Messprinzip Ergebnisse
 Messverstärker Sauerstoff Partialdruck Sensor

Messelektronik Zur Messung kleinster Ströme wird ein neuartiger, innovativer Messverstärker eingesetzt. Elektrodengeometrie- und exemplarabhängig korreliert der Sauerstoff Partialdruckbereich 1·10-9 mbar ... 2·10+2 mbar von Vakuumsensoren mit Ausgangsströmen von <1nA bis 500µA, was enorme Anforderungen an den Drift und die Störfreiheit der Messaufnahme stellt. Während chopperstabilisierte OPs in der Regel zwar ein ausgezeichnetes Spannungsdiftverhalten aufweisen, prägt die Nullung erhebliche Störungen rückwärts in den Messeingang ein, welche die Messungen von Signalströmen im Sub-nA Bereich erheblich beeinflussen. Der innovative Messverstärker von synertronixx basiert auf einem Composite-Transimpedanzverstärker zur Strom-/Spannungswandlung mit passivem und aktivem Eingangsstromausgleich. In Verbindung mit einem µController und rechnergestützter Nullspannungskompensation lassen sich Eingangsdriftströme im Bereich von nur wenigen pA bei minimalem Eingangsrauschen, welches nur wenig über dem physikalisch bedingten Johnson-Nyquist-Rauschen der thermischen Ladungsträgerbewegung liegt, erzielen. Voraussetzung hierzu ist eine sorgfältige Selektion aller aktiven und passiven Bauteile sowie eine bis ins Detail optimierte, analoge Schaltungstechnik zur Vermeidung von Leckströmen, die durch Potenzialunterschiede entstehen.

Basierend auf einer ultra-rauscharmen A/D Wandlertechnologie mit 24-bit Auflösung, die auch unter dem Einfluss externer Störungen wie Rauschen und injizierter Strom verlässliche Messergebnisse liefert, wird das Sensorsignal abgetastet und quantisiert. Dazu wird das Sensorsignal nach der Strom-/Spannungswandlung analog aufbereitet, gefiltert und digitalisiert. Anschließend erfolgt eine leistungsfähige, digitale Signalverarbeitung mittels eines hoch performanten 32-bit ARM µControllers mit Embedded LINUX als Betriebssystem. Die Sensorelektronik unterstützt sowohl den Betrieb von Sensoren in 2-Elektroden als auch 3-Elektroden Konfiguration. Die Erkennung des Sensortyps erfolgt hierbei automatisch. Sensoren in 2-Elektroden Konfiguration werden von der Sensorelektronik mit konstanter Anodenspannung, Sensoren in 3-Elektroden Konfiguration mit konstanter Referenzelektrodenspannung betrieben. Um individuelle Vor-Ort Anpassungen an spezifische Anlagengegebenheiten vornehmen zu können, ist sowohl die Abtastrate im Bereich von 1,6Hz bis 1600Hz in 11 Stufen als auch der Messbereichsendwert in 4 Dekaden zwischen 2µA und 2mA einstellbar, so dass bei der Installation ein optimaler Kompromiss zwischen Ansprechverhalten und Störungsunterdrückung vorgenommen werden kann. Ein zukünftig erhältliches, digitales Filterkit ermöglicht zudem das gezielte Ausblenden von Störquellen. Durch einen zusätzlich verfügbaren Signalgenerator kann zudem der Anode eine Wechselspannung überlagert werden, die den Langzeitdrift des Sensors verringert.

Eine überlegene Flexibilität wird durch den abgesetzten Sensormesskopf gewährleistet. Dieser beinhaltet neben dem Vakuumsensor und der Hausung auch ein Parameter-EEPROM, in dem alle wichtigen Kalibrierdaten des Sensors hinterlegt sind. Bei einem Austausch des Sensors ist somit keine Neukalibrierung erforderlich, wie das bei klassischen Sensorsystemen notwendig ist. Zudem erlaubt die Kabelverbindung zwischen Sensormesskopf und Messelektronik, letztere an anlagenunkritischer Stelle zu installieren, während der klein bauende Sensormesskopf auch an kritischen Stellen, z.B. im Hochvakuum positioniert werden kann. Eine 0/4 ... 20mA Stromschnittstelle erlaubt den direkten Ersatz bestehender Installationen. Als Bussysteme zur Anbindung an die Feldebene sind verschiedene Konfigurationen für Ethernet, CAN-Bus und RS485 verfügbar.

 
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