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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Luft-Ionen messen


Autor: Matthias (Gast)
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professionelle Messgeräte zum Thema Luftionen sind sehr teuer.
Vom Messprinzip her klingt es nicht so schwer.
Es sind 2 Metallrohre ineinander und eine Spannung
von z.B. 60V dazwischen. Ein Lüfter bläst die Luft durch
und der kleinste Stromfluß wird gemessen.

Gibt es jemanden, der so etwas schon einmal
aufgebaut hat?

Autor: michi (Gast)
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wie willst du so einen kleinen Strom denn messen, Luft hat ne hohen
Widerstand!? Da brauchst du schon ein sehr präzisen Messverstärker.
Deswegen sind die fertigen Messgeräte auch so teuer ;-)

Autor: Matthias (Gast)
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@Michi:
Ich habe ein Elektrometer von der Fa. Keithley,
das sehr kleine Ströme messen kann.

Auch eine Feldmühle könnte ich aufbauen,
wenn es denn sein muss und ich etwas Zeit
dafür aufwende.

Selbst der Kauf einer fertigen Feldmühle
wäre immer noch günstiger als die 4500 EUR
für so ein Ionenmessgerät.

Autor: Wolfgang Horn (Gast)
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Hi, matthias,

müßte ein Rauchmelder ohne Ionisator die Aufgabe nicht auch erfüllen
können?

Ciao Wolfgang

Autor: Matthias (Gast)
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Hi Wolfgang,

wenn das ginge wäre es eine Super-Idee !
Das teure Gerät mißt wohl getrennt
positive und negative Ionen.

Wenn man bei dem Rauchmelder die
Polung umstellen kann müsste es
auch gehen.

Rauchmelder nach dem optischen Prinzip
eignen sich dazu wohl nicht.

Es müsste also ein alter Rauchmelder
sein mit den radioaktiven Stoffen.
Vermutlich werden diese bei uns nicht
leicht zu finden sein.

Autor: Benedikt (Gast)
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Ich habe noch so ein Teil hier rumliegen, zumindest die Elektronik ohne
das radioaktive Material.

Der Aufbau ist ganze einfach:
Zwei Metallplatten, dazwischen das radioaktive Material.
Eine Platte geht an einen FET, die andere liegt an einer festen
Spannung.
Ionen bewirken verursachen eine Ladung im Gate des FETs.

Wenn ich das Ding finde, kann ich auch mal ein Foto machen.

Autor: Oliver Rother (Gast)
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Wenn er Ionen messen will, braucht er kein Radionuklid. Das dient ja
gerade zum Ionisieren. VOn daher könnte das so funktionieren.

Autor: Matthias (Gast)
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@Benedikt: Super, daß Du so ein Teil hast.
Fotos sind immer gut.
Vielleicht kannst Du mal schauen wie groß
die Spannung bei dem Teil ist.

Wie kommt eigentlich der Rauch da hinein?

Gibt es einen kleinen Lüfter dazu oder
geht es von alleine?

Ich müsste zur Messung eine konstante Luftmenge
an den Messplatten vorbeiführen.
Vermutlich geht das nur mit einem Lüfter.

@Oliver: Ist ja gut, wenn ich die radioaktive
Quelle nicht dazu benötige.

Autor: Benedikt (Gast)
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Der Rauch kommt von alleine rein.
An dem Gate des FETs war eine Platte mit einer radioaktiven Quelle, die
Metallkappe im Plexiglasdeckel ist die andere Elektrode. Darüber war ein
weiteres radioaktives Metallplättchen.

Auf der Platine befindet sich noch ein 8 poliges IC, vermutlich
Operationsverstärker oder ähnliches. Der Rauchmelder erzeugt nämlich
ein digitales Ausgangssignal, wenn ich mich noch richtig erinnere.

Besorg dir mal einen FET (BF256 o.ä), Source an Masse, Drain über eine
LED + Vorwiderstand an 5-12V. Das Gate kommt an eine kleine
Metallplatte. Sobald man diese Platte jetzt mit negativen Ionen
beschießt, geht die LED aus.

Autor: Matthias (Gast)
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@Benedikt:
Gute Idee mit dem FET.
Am liebsten ist mir ein Analogsignal,
das ich auf einen Zeiger geben kann
oder ein DVM-Modul.

Auch das wird sich irgendwie machen
lassen. Wenn ich 3 Platten nehme, eine
in der Mitte, eine positive darüber
und eine negative darunter, so müsste
es möglich sein positive und negative
Ionen gleichzeitig zu messen.

Autor: Benedikt (Gast)
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Bei den Ionen gibt es zwei Effekte die man messen könnte:
- Ionen sind bewegliche Ladungsträger. Über diese kann Strom fließen.
- Ionen besitzen eine Ladung.

Wenn man zwei Metallplatten nimmt, und an diese eine Spannung von
einigen 10 bis 100Volt anlegt, sollte man einen extremst geringen
Stromfluss messen können.
Ob dieser allerdings von den Ionen direkt kommt, oder ob der Strom
zwischen den beiden Platten fließt weiß ich nicht.

Einen netten Versuch den ich gerne mache:
Die zuvor erwähnt Schaltung mit dem FET irgendwo im Zimmer aufstellen
und dann aus einigen Metern Entfernung eine Nadel auf diese richten. An
die Nadel dann rund 100kV anlegen.
Die aus der Nadel herausgeschossenen Ionen können selbst in einigen
Metern eine Metallplatte auf einige Volt aufladen.

Autor: Martin (Gast)
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Luft leitet keinen Strom. Das ist der Grund, warum überhaupt Gewitter
entstehen können. Erst wenn ein Plasma (Blitz) entsteht, fließt Strom.

Autor: Martin (Gast)
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Ich meine natürlich Luft in Bodennähe, also etwa 1 bar.

Autor: Matthias (Gast)
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@Benedikt:
Gute Idee. Der Hersteller des teuren Gerätes
nimmt wohl 60V. Also muss da etwas messbar sein.
Ionen haben ja eine Ladung. Und so werden
sie im Feld zu den Platten hin abgelenkt.
Wenn die Ladung auftrifft, so muss dies
messbar sein, wenn es genügend viele pro
Zeiteinheit sind.

Angeblich erzeugt ein Wasserverwirbler auch
Ionen. Wenn man einen alten Burg-Luftbefeuchter
hätte . . .  vielleicht würde das auch was
bewirken.

Sinnvoll sei es wenn es positive und negative
Ionen gibt. Nicht nur eine Sorte also.

@Martin:
Es muss wohl doch eine Art Leitfähigkeit
da sein. Sonst könnten die Ionenmessgeräte
der Fa. Holbach ja nichts messen.

Autor: Martin (Gast)
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@Matthias
Stromleitung ist vielleicht eine Definitionsfrage.

Eine weitere Methode, Ionen zu messen, wäre es, wenn man in einem Rohr
ein Vakuum erzeugen könnte. Mit Hilfe einer Beschleunigungsspannung
könnte man die verbleibenen Luftionen an einem Detektor messen. Das
eigentliche Problem dabei ist nicht die Elektonik, sondern ob es
geeignete Vakuumpumpen gibt. Das Ganze wäre quasi ein
Massenspektrometer, nur ohne Heizung.
Vielleicht weiß einer hier im Forum, ob es geeignete Pumpen gibt, die
klein und günstig sind.

Autor: romanua (Gast)
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Hallo, vielleicht hilft dir das etwas.

http://www.uoguelph.ca/~antoon/circ/hv/niondet/niondet.html

Autor: Matthias (Gast)
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@Martin:
Das klingt leider sehr aufwendig.

@Romanua:
Vielen Dank für den Link.
Das ist ein leicht ausprobierbarer Ansatz.

Im Netz ist sicher noch mehr zu finden im
Lauf der Zeit. So macht das Freude :-)

Autor: Benedikt (Gast)
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Die Schaltung is komplett falsch:
Die LED ist falsch rum drin, einige Transistoren ebenfalls.
Die Angabe 100mA für das Messinstrument ist ebenso verkehrt. 100uA ist
der korrekte Wert.
Vermtlich ist noch mehr falsch, ich hatte nur keine Lust mehr, den Mist
weiterzulesen...

Autor: Martin (Gast)
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Könnte man zur Messung nicht einen INA116 nehmen?
(Messprinzip 2 Rohre, wie schon oben erwähnt)
Statt 60V darf man zwar nur 36V Gleichspannung an die Rohre legen,
dafür hat der Verstärker nur einen Eingangsstrom von etwa 3 fA.
Im Datenblatt sind als Verwendungszweck ausdrücklich Ionenmessungen
erwähnt.
(Auf der Internetseite der Firma Holbach steht, dass Ströme um 100 fA
gemessen werden)

Autor: Matthias (Gast)
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@Benedikt:
Das ist dann natürlich nicht so schön.
Ich wunderte mich etwas, daß ein Bipolartransistor
für den Eingang benutzt wird. Und da noch ein 100M davor.
Seltsam. Was hat der Autor davon, wenn er so fehlerhafte
Sachen ins Netz stellt?

@Martin:
Die INA sind sicher gut. Meines Wissens hat Holbach
ja einen Arbeitswiderstand eingebaut über dem
der INA dann den Abfall messen kann. Ob der Abfall
so groß werden wird? Ich denke nicht.
Und so könnte der Bereich des INA schon reichen.
Bei den Feldmühlen werden ja auch bis 5000V/m
gemessen und der Differenzverstärker wird mit
+-7.5V versorgt.

Autor: Christoph Kessler (db1uq) (christoph_kessler)
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Im "Praxisheft 12" der AATis ist der Bau einer Feldmühle beschrieben.
Die Elektronik besteht aus einem klassischen Differenzverstärker aus
drei TL074-OPs aufgebaut, Ableitwiderstand an den Eingängen 10 MOhm.
Das ganze in einer Kaffeedose mit Mühlenflügeln aus Platinenmaterial
und einem Elektromotor, mit Montagezeichnungen auf 11 Seiten erklärt.

Autor: Martin (Gast)
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@Matthias
Während der Messung habe ich natürlich nur einen extrem geringen
Spannungsabfall, bei 100fA und 100GOhm sind das 10mV.
Das Problem mit der hohen Spannung habe ich beim Einschalten.
Die beiden Rohre wirken als Kondensator, d.h. wenn ich 60V anlege, habe
ich zuerst am Messwiderstand den vollen Spannungsabfall, was bei vielen
Verstärkern zur Zerstörung führen würde. Aber wahrscheinlich würden die
Eingänge des INA116 sogar 60V kurzzeitig verkraften, da im Datenblatt
die max. Spannung der Eingänge mit +-40V angegeben ist.
Ich weiß auch nicht, wie man die Eingänge durch bestimmte Bauteile
schützen kann, denn die Leckströme wären meistens zu groß.

Autor: Matthias (Gast)
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@Martin:
Ich kenne das Datenblatt im Moment nicht.
Aber es kann sein, daß das Bauteil interne
Klemmdioden hat, die ein paar mA verkraften
können. Mit einem Vorwiderstand, der die 60V
dann sicher auf den zulässigen Strom begrenzt
müsste das Problem aus der Welt sein.
Ansonsten hast Du recht. Schutzschaltungen
für so geringe Ströme sind nicht einfach.
Selbst die Leiterplatte muß in diesem Fall
sehr gut überlegt sein, da sonst Leckströme
hier Ärger verursachen können. Teflonleitungen
soll es geben. Es ist alles ein wenig Neuland
für mich. Vielleicht ist es besser erst einmal
mit dem Elektrometerverstärker zu starten, den
ich von Keithley ja habe.

Autor: romanua (Gast)
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@Benedikt

Die Led ist richtig herum. Q3 ist halt ein NPN BJT wie oberhalb  des
Bildes steht. Das kleine rote Plus-Zeichen is vielleicht verwirrend.

Wie kommst Du auf 100uA?

Autor: A.K. (Gast)
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@romanua:

Ohmsches Gesetz: für Vollausschlag an einem 100mA Instrument mit
mindestens 10K Ohm Vorwiderstand braucht's eine Spannung von 1000V.
Mit so einer Spannung misst du nicht die Ionen, du erzeugst sie.

Welche Rolle hat denn die LED in dieser Schaltung? Licht erzeugen kanns
ja wohl nicht sein, denn bei 600µA leuchten handelsübliche 20mA-LEDs
nicht sonderlich hell. Und um Licht zu erzeugen müsste sie ausserdem in
Durchlassrichtung gepolt sein. Dient die hier also als eine Art Z-Diode?

Autor: Benedikt (Gast)
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Die Schaltung scheint sich über viele Veröffentlichungen hinweg immer
weiter zerstückelt zu haben. Hier eine etwas richtigere Version:

http://www.naturalsolutions1.com/iondetect.htm

In der Schaltung ist nur Q3 falsch (müsste ein NPN sein, so wie es in
der Stückliste auch richtig steht) und das Amperemeter sollte 100uA
haben.
Dann leuchtet nämlich auch die LED.

Alleine an dieser Schaltung sieht man, dass es echt viele Leute im
Internet gibt, die Webseiten mit elektronischem Inhalt machen, aber
kein bisschen von Elektronik verstehen...

Autor: romanua (Gast)
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@A.K.

Ich weiss nicht, ob es an deinem Englisch liegt, es steht aber im
Text:

With Q3 turned on, meter M1 indicates (in a non-linear manner) the
relative level of ion flux, while LED1 (which is connected in series
with Q3's emitter) lights to give a visual indication of strong ion
fields. It should be noted that in order for the unit to operate
properly, some sort of ground is usually required.

Ob es sinnvoll ist oder nicht, kann ich nicht beurteilen aber die vom
Autor gedachte Funktion der Led steht fest: Licht erzeugen. Die Led ist
sehr wohl in Durchlassrichtung gepolt.

Es steht im Text, dass Q3 ein NPN BJT ist.
Figure 1 shows a schematic diagram of the Ion Detector--a rather simple
circuit consisting of three transistors (two PN2907 PNP, and a single
PN2222 NPN type), three resistors, one capacitor, an antenna, a mA
meter, and an Led.




@Benedikt
Die Schaltungen auf beiden Webseiten sind gleich bis auf das
Plus-Zeichen. Das mit Q3 auf dem Bild ist bloede, aber es steht im Text
richtig beschrieben.

Ich vermute mal, dass es auch mit dem Ampermeter richtig ist, denn zum
einen ist 100uA zu wenig(9/15k=600uA) und zum zweiten koennte es sich
um einen Ampermeter mit der nicht-linearen Skala handeln, wo, sagen wir
mal, die Haelfte der Anzeige dem Bereich 100uA-1mA zusteht.

Autor: Martin (Gast)
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Die Schaltung ist in meinen Augen Kinderspielzeug, und kann für normale
Ionen-Messungen in der Raumluft nicht funktionieren.
Der zu messende Strom liegt im fA-Bereich. Mit solchen Strömen kann ich
noch nicht einmal einen Fet ansteuern, weil die Leckströme viel zu hoch
sind. Einen Transistor einzusetzen ist sowieso Schwachsinn.
Hinzu kommt noch der Eingangskondensator. Auch der hat einen
signifikanten Leckstrom.
Ich glaube, wenn ich den Text richtig interpretiert habe, ist diese
Schaltung nur für Messungen in der Nähe eines Luft-Ionisierers gedacht.

Autor: A.K. (Gast)
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@romuana: Mein Englisch ist ganz ok, aber der Text war mir angesichts
der Schaltung egal gewesen.

In der Version, die weiter unten von Benedikt verlinkt wurde, stimmt
jetzt wenigstens die Batteriespannung, Pluspol unten. In der zuerst
verlinkten Version ist der Pluspol oben, jedefalls so beschriftet, auch
wenn Text und Batteriesymbol das anders sehen.

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