Hallo zusammen, ich bin neu hier im Forum und möchte mich kurz vorstellen. Mein Name ist Max, ich bin Chemiker und dementsprechend relativ fachfremd, ich hoffe daher auf etwas Nachsicht. Ich habe ein grundlegendes Verständnisproblem bei dem ich euch um Hilfe bitten möchte. Es geht um folgendes: Wir haben an der Uni einen Sensor entwickelt dessen Widerstand abhängig von der Konzentration eines Stoffes ist. Zur zeitabhängigen Erfassung dieses Widerstandes soll eine Wheatstone Brücke (Ausschlagverfahren) eingesetzt werden. Bedingt durch das vorhandene Netzteil, soll die Brückenschaltung zudem mit einem konstanten Strom gespeist werden. Im Anhang findet ihr den schematischen Schaltplan, dabei gilt: - R1 = Potentiometer zum Brückenabgleich - R2 = Sensorwiderstand (Größenordnung: 100 kOhm) - R3 = Konstanter Widerstand - R4 = Konstanter Widerstand Das allgemeine Prinzip des Brückenabgleichs und die zugrunde liegende Theorie kann ich soweit nachvollziehen. Auch verstehe ich, wie die Widerstände dimensioniert werden sollten, um bei einer Wheatstone Brücke mit konstanter Spannung die maximale Empfindlichkeit zu erreichen. Doch wie verhält sich das ganze wenn nicht die Spannung, sondern der Strom konstant gehalten wird? Ich habe mir diesbezüglich schon viele Gedanken gemacht und zur Beschreibung der Empfindlichkeit (E) die allgemeine Gleichung zur Berechnung der Brückenspannung (UBr) nach R2 abgeleitet (siehe Formeln). Dabei konnte ich folgende Erkenntnisse gewinnen: - Die Empfindlichkeit ist direkt proportional zum Strom I0 - Die Empfindlichkeit zeigt eine Abhängigkeit von allen Widerständen Hat jemand eine Idee wie die Widerstände dimensioniert werden sollten um die maximale Empfindlichkeit der Brücke zu erhalten? Vielen Dank im Voraus! Viele Grüße Max
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Die Empfindlichkeit einer Brücke wird bei spannungsgespeisten Brücken in mV/V angegeben, bei stromgespeisten in mV/mA. Die Empfindlichkeit ist unabhängig von der Speisung, das Ausgangssignal selbstverständlich nicht. Es ist um so größer, je größer die Speisung ist. Wie groß im vorliegenden Fall der Strom werden darf, ohne die Brücke zu beeinträchtigen, kann man mit den gegebenen Angaben nicht abschätzen.
Erstmal vielen Dank für die schnelle Antwort. Mein Ziel ist es im generellen eine möglichst große Änderung der Brückenspannung bei einer kleinen Änderung des Widerstandes R2 zu erzielen (ich denke ich habe Empfindlichkeit dahingehend falsch definiert). Das soll dann wie folgt ablaufen: 1) Mit dem Potentiometer R1 die Brücke abgleichen (Brückenspannung = 0 V) 2) Brückenspannung zeitabhängig erfassen (Ändert sich die Konzentration des Stoffes schlägt die Brücke aus --> die zeitliche Integration des Ausschlags (Peak) gibt dann das Messsignal) 3) Über Standardreihe Peakflächen bestimmen und gegen die Konzentration auftragen --> Kalibrierfunktion
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Liest sich ähnlich wie ein Wärmeleitungsdetektor im Gaschromatograph. Wie groß ist die zu erwartende Widerstandsänderung? Könnte R3 ebenfalls als Sensor ausgelegt werden? Der Abgleich mit einem Poti ist auf Grund dessen Temperaturkoeffizienten oft sehr unglücklich.
Ganz genau so ist es, es soll ein Detektor für einen Gaschromatographen werden, allerdings nach einem etwas anderen Prinzip. Da wir aktuell noch voll in der Entwicklung sind, kann ich bezüglich der zu erwartenden Widerstandsänderung keine Aussage treffen. Ich vermute das diese relativ klein (im Bereich von 0,1 kV) ausfallen wird. R2 und R3 als Sensor auszulegen (Halbbrücke) hatte ich mir auch schon überlegt, wir haben allerdings momentan nur ein Sensorelement, deswegen die Konfiguration als Viertelbrücke. Die geplante Schaltung soll im Prinzip das generelle Konzept erstmals bestätigen.
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0,1 kV sind 100 V. Meinst du das wirklich? Als nochmal: Wieviel Strom fließt durch den Sensor und wie groß ist die Widerstandsänderung oder meinetwegen die Änderung des Spannungsabfalls am Sensor?
Sorry! Mein Fehler, ich meinte 0,1 kOhm (Änderung von R2 um ca. 0,1 %). Über die gesamte Brücke sollen 2 mA fließen. Unter Einbezug der Widerstände sollte am Ende eine Spannung von einigen 100 V an der Brücke anliegen.
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OK. Wenn ihr ganz am Anfang steht, sehe ich nicht unbedingt die Notwendigkeit, sich mit einer Stromspeisung das Leben unnötig schwer zu machen. Der Plan oben zeigt den Prinzipaufbau. Ich habe die Widerstände so gewählt, dass die Brückenspeisespannung ca. 100 V beträgt. Bei einer Verstimmung des Sensors um 100 Ohm beträgt die Brückenausgangsspannung ca. 50 mV, damit ist die Empfindlichkeit c = 0,5 mV/V. Damit und noch mit viel weniger kommt ein üblicher Messverstärker für Dehnmessstreifen-Brücken klar, das sind keine besonderen Anforderungen. Ich möchte daher anregen, dass du prüfst, ob ein handelsüblicher Brückenverstärker für Dehnmessstreifen-Vollbrücken deine Anforderungen zumindest für Erprobungszwecke erfüllen kann. Wenn du unbedingt einige 100 V brauchst, wird es natürlich sehr viel schwieriger.
Vielen Dank für deine Bemühungen. Ich werde mich dahingehen mal umschauen.
Schau mal nach burster 9243 oder besser 9250.
Nochwas: Versuche mal abzuschätzen, welche Qualität bezüglich thermischer und zeitlicher Drift die Brückenergänzungswiderstände haben müssen. Der Abgleich mit einem Poti macht wenig Sinn, besser vor der Messung tarieren.
Aus Stabilitätsgründen nimmt/nahm man bei GC-WLD ausschließlich 4 gleiche gewendelte dünne Platindrähte mit höchstens 2 cm Länge (gegen Mikrofonie). Die haben dann aber nur ein paar Ohm, niemals 50 k. Speisespannung nur ein paar Volt, sonst brennen die Drähte durch. Eine Empfindlichkeitsmaximierung ist dadurch möglich, daß man das Meßgas durch den oberen Widerstand des linken Zweigs und gleich danach durch den unteren des rechten Zweigs leitet. Die anderen Widerstände dienen der Temperaturkompensation, evtl. mit Spülung durch reines Trägergas. Der ganze Edelstahlklotz mit den Sensoren muß trotzdem thermostatisiert werden. Eine Verringerung der Empfindlichkeit ist mit geringerer Brückenspannung möglich. Auf die Brücke folgt ein rauscharmer Differenzverstärker. Versuche mit hochohmigen NTC-Pillen hat man wegen Unreproduzierbarkeit schnell aufgegeben (außer für den Detektor eines Dampfdruckosmometers, bei den nötigen Meßzeiten von 30 Minuten kann man einen mächtigen Tiefpaß gegen das Rauschen verkraften). Irgendwo auf dem Speicher habe ich noch WLD-Ersatzteile verpackt.
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