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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Gas-Sensor


Autor: Manuel (Gast)
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Hallo,

Ich habe vor mit einem 
Gassensor(http://www.figarosensor.com/products/813pdf.pdf) die 
Gaskonzentration zu messen.

Die Schaltung im Datenblatt dazu sieht ja recht simpel aus, aber die 
Umrechnung, wie hoch nun wirklich die Konzentration ist, ist mir nicht 
ganz klar.

Hat jemand Erfahrung damit gemacht?


Autor: Null (Gast)
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Naja, der Widerstand nimmt mit zunehmender Konzentration ab. Genauer 
gesagt mit dem Log der Konzentration. Die Darstellung ist normiert auf 
eine Standardkonzentration Methan.

Autor: Manuel (Gast)
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Das Ro ist die reference Gaskonzentration bei 1000ppm. Im Daten  steht 
nirgendwo, wie hoch der Widerstand ist. Leider habe ich auch keine 
Gaskammer wo ich die Ro bestimmen kann ;-)

Hast du vielleicht eine Idee?

Ist des denn so bei einem Gassensor, dass man nur die Gaskonzentration 
insgesamt messen kann,also (Methan, Propan, Kohlendioxid, usw.) und 
nicht einzeln?
Denn wenn man nur die gesamte Gesamtkonzentration messen kann, dann 
werde ich nicht ganz schlau aus den Kennlinien, Sensitivity 
Characteristics. Denn zu jedem Gas gibt es eine Kennlinie. Muss man dann 
die Kennlinien aufsummieren, um an den eigentlichen Widerstand Rs/Ro 
kommen.

P.S.: Sry was heißt denn Log?

Autor: Läubi .. (laeubi) Benutzerseite
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Log = Logarithmisch denk ich mal ;)

Autor: Visitor (Gast)
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Der Gassensor ist nicht selektiv, kann zwischen den einzelnen Gasen also 
nicht unterscheiden.
Die Kennlinien beziehen sich auf die reinen Gase in der entsprechenden 
Konzentration. D.h. wenn Deine Umgebung nur definiert eines der Gase 
enthält, kann man die Konzentration genau angeben. Bei Gasgemischen 
erhält man daher nur einen Summenwert.



Autor: Manuel (Gast)
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@Visitor
Hat du schon Erfahrung mit Gas-Sensoren gemacht?

Im Datenblatt(s.o. Link) kann aus der  Kennlinie der Gaskonzentration 
nur das Verhältnis zwischen Rs/Ro abgelesen werden. Dabei ist Ro 
normiert. Aber wie soll ich Ro ohne eine Gaskammer normieren??

Autor: Null (Gast)
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Gar nicht. Du nimmst den Widerstand bei reiner Luft, was auch immer das 
ist. Und von da nimmt der Widerstand ab wenn auch immer eins der 
gelisteten Gase kommt. Der R0 muesst uebrigens im Datenblatt stehen.

Autor: Martin (Gast)
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Ich habe schon einige neuere Sensoren von Figaro getestet.
In den Datenblättern der neueren Sensoren ist immer der Widerstand in 
reiner Luft angegeben, während beim 813 eine Normierung auf eine 
bestimmte Gaskonzentration erfolgt.
Warum fertigst du nicht selbst eine Messkurve an?
Beispielsweise kannst du den Sensor in einen Eimer mit Deckel stecken, 
und dann schrittweise Feuerzeuggas (Butan) rein lassen. Anhand der 
Gewichtsdifferenz des Feuerzeugs kannst du die Molekülzahl ermitteln und 
somit die ppm-Zahl.

Autor: Jens P. (jmoney)
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Also ich lese aus dem Datenblatt, dass R bei Luft, 20°C und 65° rel. 
Luftfeuchte ziemlich genau das 5fache von R0 beträgt. Das sollte sich 
recht leicht messen lassen denk ich.

Autor: Manuel (Gast)
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Erstmal danke für die vielen Ratschläge!

@Null
Wenn ich R0 mit Hilfe reiner Luft bestimme, dann stimmen nicht mehr die 
Kennlinien im Datenblatt,denn es wird immer das Verhältnis Rs/R0 
angegeben. Man könnte keine genaue Messung vornehmen oder? Man könnte 
aber vielleicht durch ein kleines Feuerchen ;-) den Widerstand des 
Sensors messen. Somit hat man den Widerstand bei reiner und belasteter 
Luft.
Durch Interpolation der beiden Werte könnte man alles dazwischen 
liegenden mehr oder weniger messen bzw. erkennen wie hoch die 
Schadstoffkonzentration ist.

@Martin
Das wäre glaub ich der Hardcore Weg oder? Wenn nichts mehr geht werden 
ich wohl diesen nehmen müssen

@Jens
sorry, kannst du es vielleicht kurz erläutern? Bei 20°C/65% ist das 
Verhältnis Rs/R0=1 also ist Rs=R0. Daraus kann ich jedoch nicht den 
eigentliche Wert von R0 erkennen.


Mir beschleicht immer mehr das Gefühl, dass man mit einen Gassensor 
nicht wirklich genau die Gas-Konzentration in der Luft messen kann. Man 
schätz halt, so lala halt. Denn das Verhältnis Rs/R0 ändert sich je nach 
Temperatur und Luftfeuchtigkeit. Liege ich damit richtig?

Autor: Manuel (Gast)
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Hat jemand vielleicht eine Idee zur letzten Beitrag?

Autor: Null (Gast)
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Miss doch mal irgendwas. Der Sensor hat Kurven, zu denen der Zugang 
nicht gerade ist. Die Resultate sind sicher brauchbar. Besser als 
Kaffeesatz oder so. R0 ist eine Konstante. Das sollte genuegen.

Autor: Manuel (Gast)
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Sorry ich bin -ja wie soll ich sagen- mittlerer Einsteiger, ich will 
auch nicht nerven.
Was heißt den "Der Sensor hat Kurven, zu denen der Zugang nicht gerade 
ist."

R0 ist konstant, aber es steht ja nicht im Datenblatt.

Autor: Null (Gast)
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R0 ist der Widerstand fuer 1000ppm Methan bei 20 Grad und 65% feuchte. 
Wuerd ich sagen ist konstant. Aus einem uns nicht naeher bekannten Grund 
ist das kein definierter Wert, wie 1k Ohm. Moeglicherweise 
fertigungsbedingt bei jedem Sensor etwas anders. Dh. bei 100 Sensoren 
wird der Wert fuer R0 eine Verteilung haben.
Falls R0 nicht konstant waere, wuerde es in der Tat etwas schwierig 
werden, und regelmaessige Kalibrierungen bedingen.

Autor: Manuel (Gast)
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@Martin

Hi, es sieht wohl ganz danach aus als müsste ich die 1000ppm zu Fuß 
berechnen. Wenn ich nun eine 100ml Gasflasche Methan habe, diese in 
einen Eimer sprühe. Kann ich durch den Gewichtsverlust der Flasche den 
ppm Wert errechnen. Ich bin kein Chemiker ;-) Ich habe einen Umrechner 
im Internet gefunden (http://www.cactus2000.de/de/unit/massmmr.shtml)
Dort steht zu ppm: ppm = g t^-1 = mg kg^-1.  Wenn ich mich nicht irre 
bedeutet dies 1ppm = 1µg?

Ist diese Messung nicht ungenau, da ja im Eimer selber noch Gase sind 
wie CO2, O2 usw.?


Hast du vielleicht einen Tipp wo man Methangas kaufen kann??

Autor: Manuel (Gast)
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Oder anders ausgedrückt:
1 ppm = 1 Millionstel = 0,0001% = 1 mg/kg gewichtsbezogen.
d.h. pro ein kg, ein mg Methan. Aber wie kann ich den einen kg 
bestimmen? Der kg ist ja im Eimer?! und der Eimer ist ja nicht ein kg 
schwerer durch die Luft geworden?

ich wäre dich sehr dankbar wenn du mir einen Tip geben könntest

Autor: bleifrei (Gast)
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Sind die ppm nun Gewichtsprozente, oder Volumenprozente ? Ich denke 
Volumenporzente sind einfacher.  Dh, auf 1dm^3 (1 liter) ist 1mm^3 
gleich 1 ppm. Ueber das Gewicht ist es komplizierter. 1 mol Gas sind 
22.4liter. Und 1 mol gas wiegt bei Stickstoff 28g, Sauerstoff 32g, 
Methan 16g, CO2 44g.

Autor: Manuel (Gast)
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Danke!
ich denke das Volumenverhältnis ist angebrachter.

Wenn ich nun einen 5 Liter Eimer habe und in dem Eimer eine 3000ppm 
Methangas Konzentration haben müsste, müsste ich doch aus einer 
Methanflasche 15ml in dem Eimer sprayen, oder?

Denn:

 1ppm= 1ml/m^3

 m^3= 1000Liter

 1ppm= 1ml/1000Liter

 ->3000ppm ist erforderlich.

 3000ppm = 3000ml/1000Liter

 ->in einem 5Liter Eimer

 3000ppm = 3000ml/1000Liter  |:200
 3000ppm = 15ml/5Liter


Liege ich damit richtig?



Autor: Martin (Gast)
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Mal sehen, ob ich die Berechnung noch hinkriege:
(ppm beziehe ich auf Teilchenzahl, also weder Volumen noch Masse)
(Rechenweg sehr stark vereinfacht)

1 Kubikmeter Luft wiegt ungefähr 1200g (bei 20°C)
Die Molmasse von Luft beträgt ungefähr 29, d.h.
1200g enthalten etwa 41 mol. (Gewicht von Stickstoff und
Sauerstoff etwa gleich, daher die Vereinfachung)
In einem 10-Liter-Eimer befinden sich also 0,41 mol Luft.
Methan hat eine Masse von 16. 30 ml Methan (im 10 Liter Eimer)
wären beim idealen Gas (22,4 Liter/mol) 0,03/22,4 = 0,00134 mol
Teilchenzahl: 0,00134/0,41 = 0,003268 = 3268 ppm

Alternativ dazu kannst du die Messung noch mit Feuerzeuggas,
also Butan machen:
Molmasse Butan: 58
Bei 1 g Butangas sind das etwa 0,017 mol.
Daraus folgt im 10-Liter-Eimer: 0,017/0,41 = 0,041 = 41000 ppm

Du mußt natürlich noch Faktoren wie Luftfeuchtigkeit, Temperatur
bei den Messungen berücksichtigen, weil die Sensoren darauf sehr
empfindlich reagieren.
Hinzu kommt noch die große Querempfindlichkeit gegenüber anderen
Gasen.

Autor: Martin (Gast)
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Ich habe vergessen zu erwähnen, dass das Methan durch die leichte
Molmasse nach oben steigt, während Butan sich am Boden ansammelt.
Vielleicht wäre eine Luftzirkulation duch einen Ventilator nicht
schlecht. (auf jeden Fall unter Explosionsgrenze von brennbaren Gasen
bleiben!)

Autor: Manuel (Gast)
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Vielleicht Dank, dass du dir so viel Zeit nimmts.

Ich sitze etwas schon seit ca 90min davor. Habe versucht im internet 
durch recherche deinen Rechenweg nachzuvollziehen. Mir ist folgendes 
nicht ganz klar geworden:

Luft hat eine Molmasse von 29.
1m³ Luft ist 1200g schwer. Wie kommst du auf 41? sind die restlichen 
11mol Stickstoff usw.? wenn ja gehören die nicht zu Luft dazu?

22,4Liter/mol, wie kommst du auf diesen Wert bzw. auf die Formel
(22,4 Liter/mol) 0,03/22,4 = 0,00134 mol

Ich habe gesucht und gesucht, habe aber die Formel nicht gefunden.

Autor: Manuel (Gast)
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nachtrag:
bezieht sich mol immer auf 1000?

denn du hast geschrieben :
Die Molmasse von Luft beträgt ungefähr 29, d.h.
1200g enthalten etwa 41 mol

In einem 10-Liter-Eimer befinden sich also 0,41 mol Luft.

D.h. 1m³=1000Liter / 100 => 10Liter
      41mol        / 100 => 0,41 mol

Oder?

Autor: Martin (Gast)
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Mol ist die Teilchenanzahl, 1 Mol sind etwa 6*10^23 Moleküle.
Die Molzahl 29 für Luft bezieht sich auf den Durchschnitt der Masse von
den einzelnen Gase (Sauerstoff 32, Stickstoff 28, etc...) Ich habe die
Rechnung sehr stark vereinfacht.
1 Kubikmeter Luft mit einem Gewicht von 1200g muss ich durch 29 teilen, 
um auf die 41 Mol zu kommen, d.h. ich habe dann ungefähr 41*6*10^23
Moleküle (Stickstoff, Sauerstoff, Kohlendioxid......)
Für die Gase gilt die Formel: p*V = n*R*T
(p=Druck, V=Volumen, n=Teilchenanzahl, R=Gaskonstante, T=Temperatur)
Aus dieser Formel kann man ableiten, dass 1 Mol Gasmoleküle bei
Raumtemperatur ein Volumen von 22,4 Litern hat.
Diese Formel ist aber sehr stark vereinfacht, und gilt eigentlich nur 
für
ideale Gase (wie Edelgase)
Dein Rechenansatz über die Volumenzusammensetzung ist eigentlich ganz 
gut,
wenn ich die Abweichungen von der idealen Gasformel vernachlässige. Das
reicht für die Figaro-Gassensoren. Mein Problem bei den Messungen war,
dass ich nicht das genaue Gassvolumen messen konnte. Ein Feuerzeug
kann ich mit einer Laborwaage sehr genau wiegen.

Autor: Visitor (Gast)
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@Manuel,

Du solltest Deinen Ansatz vom 01.06. weiterverfolgen. Technische 
Gaskonzentrationen werden üblicherweise nicht in Teilchenzahlen sondern 
als Volumenkonzentration wie ml/m3 oder Volumenprozent gemessen. D.h. 
die Molgewichte und ideale Gasvolumina sind nicht von Bedeutung.
Die unteren und oberen Explosionsgrenzen werden z.B. in den 
Sicherheitsdatenblättern meist in Vol-% angegeben. Als Beispiel das SDB 
von Butan im Anhang.
Die Kalibrierung dürfte nicht einfach sein. Technisch werden dazu 
spezielle Prüfgase mit eingestellten Konzentrationen angeboten. Sich 
selbst eine einigermaßen zuverlässige Mischung herzustellen und in einem 
geschlossenen System zu vermessen, dürfte sehr aufwendig sein.

Autor: Manuel (Gast)
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Vielen vielen Dank, ihr habt mir sehr weitergeholfen!

Angesichts der vielen Faktoren, die zu berücksichtigen sind (Temperatur, 
Druck, Reinheit des Gases, Gassensortoleranzen usw.),  werden ich es 
wohl mit den 15ml Methangas in einem 5 Liter Eimer versuchen. Denn wenn 
ich alles bis ins kleinste Detail ausrechne, alle Faktoren berücksichte, 
wird die eigentliche Messung des Gases wieder abweichen(Gaskammer, 
usw.). Also war der ganze Aufwand umsonst.

Wenn ich es mit den 15ml Methangas auf 5Liter Luft versuche, habe ich 
wieder das selbe Problem. Wie kann ich genau 15ml abfüllen 
(Abfülltoleranzen, Reinheit des Gas). Das wird wieder ein über den 
Daumen gepeilter Wert ergeben. Damit werde aber leben müssen ;-)

Aber trotzdem, ich hab viel neues gelernt - wusst vor eingen Tagen gar 
nicht, dass es sowas wie Mol gibt ;-)

gruss

  Manuel

Autor: Manuel (Gast)
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@Martin

Sry:

Die Berechnung von mir:
1ppm= 1ml/m^3

 m^3= 1000Liter

 1ppm= 1ml/1000Liter

 ->3000ppm ist erforderlich.

 3000ppm = 3000ml/1000Liter

 ->in einem 5Liter Eimer

 3000ppm = 3000ml/1000Liter  |:200
 3000ppm = 15ml/5Liter

Gilt das dann nur für Methan? Denn laut deiner Rechung kommst du auf 
3268ppm - also es passt etwa.

Aber bei Buthan kommst du auf 41000ppm?

Autor: Martin (Gast)
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Deine Rechnung gilt natürlich auch für Butan.
Die 1g habe ich willkürlich genommen.
Woher bekommst du das Methan?

Autor: Manuel (Gast)
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Ja, das Frage ich mich auch.
Es ist schwierig was im Internet dazu zu finden.

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