Hallo, ich möchte die Trübung der Luft durch Staub in einem Rohr messen. Dazu habe ich mir das Lichtschrankenpaar TEMIC K153p besorgt und wie in der oberen Abbildung zunächst eine einfache Lichtschranke aufgebaut. Für die IR-Diode gilt laut Datenblatt: I_f = 50mA U_f = 1,25V Und für den Fototransistor: U_sat = 0,3V I = 1mA Damit ergeben sich folgende Widerstände: R_1 = (3,3V - 1,25V) / 50mA = 41Ohm R_2 = (3,3V - 0,3V) / 1mA = 3kOhm Mit einem Arduino Mega habe ich nun die Spannung am Fototransistor wie in der Abbildung über den ADC gemessen. Ist die Lichtschranke gesperrt, messe ich 5V. Befinden sich IR-Diode und Fototransistor circa in 2cm Abstand zueinander, dann messe ich 4V. Erst wenn ich beide direkt aufeinander halte, komme ich knapp unter 1V. Halte ich eine transparente Folie in die Lichtschranke ist auch zu erkennen, dass die Spannung leicht ansteigt, aber sicherlich noch bei weitem nicht genau genug, um über einen großen Bereich die Lufttrübung durch Staub zu ermitteln. Das Gleiche habe ich noch mit der IR-Diode LD271 und dem Fototransistor BPW96C probiert. Das Ergebnis ist ähnlich, auch hier sinkt die Spannung bei wenigen Zentimetern Abstand nur auf 4V. 1. Ich würde erwarten, dass bei einem so geringen Abstand von 2cm, die Spannung am Fototransistor viel niedriger liegt? Mache ich irgendwas grundsätzlich falsch, oder ist dieses Verhalten bei den von mir gewählten Bauteilen nicht besser möglich? 2. Könnt ihr mir andere IR-Dioden, Fototransistoren, Gabellichtschranken, etc. empfehlen, die für mein Vorhaben besser geeignet wären? 3. Ich bin nun am Nachdenken, wie ich den Messbereich vielleicht doch noch so verändern kann, dass es mir möglich ist, eine Trübung messen zu können. Dazu kamen mir folgende Ideen: a) Angenommen ich würde die IR-Diode und den Fototransistor so verbinden, dass bei voller Leuchtstärke circa immer 4V gemessen werden. Jetzt könnte ich einen OPV als Subtrahierer hinter den Fototransistor schalten, der genau 4V von der Fototransistorspannung abzieht und anschließend um den Faktor 5 verstärkt. Dann hätte ich für meinen ADC den vollen Bereich von 0 bis 5V. Ich bin mir hier aber nicht sicher, ob ich mir dann neue Störungen wie Rauschen durch den OPV reinhole. b) Hinter dem Fototransistor einen weiteren Transistor als einfache Verstärkerschaltung. Dann könnte ich diesen Transistor vielleicht so dimensionieren, dass ich einen größeren Spannungsbereich von 0 bis 5V - U_sat erhalte. Dieser Bereich müsste doch dann proportional zum Bereich des davor befindlichen Fototransistors sein? 4. Irgendwie erscheinen mir meine eigenen Ideen ein wenig weit hergeholt. Gibt es denn keine andere Möglichkeit, den Fototransistor schon auf "nartürliche" Weise in die Sättigung zu treiben, so dass ich den gesamten Spannungsbereich ausnutzen kann? Vielleicht ist mein Vorhaben mit dieser primitiven Lichtschranke auch gar nicht möglich. Für Meinungen und Ratschläge wäre ich dennoch sehr dankbar. Gruß Johannes Edit: Mir fiel gerade noch ein, dass ich vieleicht einen größeren Strom für den Fototransistor wählen sollte? Dann würde doch mehr Spannung am Widerstand und damit weniger am Fototransistor abfallen?
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Johannes B. schrieb: > ich möchte die Trübung der Luft durch Staub in einem Rohr messen Diese Messung wird in Rauchmeldern auch durchgeführt. So ein Ding kaufen und die "Rauchkammer" verwenden.
Johannes B. schrieb: > ich möchte die Trübung der Luft durch Staub in einem Rohr messen. Dazu > habe ich mir das Lichtschrankenpaar TEMIC K153p besorgt und wie in der > oberen Abbildung zunächst eine einfache Lichtschranke aufgebaut. Bei Verwendung einer Lichtschranke musst du die Intensität für staubfreie Luft sehr genau kennen, weil die Information in der kleinen Differenz zur vollen Intensität steckt. Dein Aufbau muss also sehr stabil sein - optisch und thermisch. Mit einer Steulichtmessung wird das wahrscheinlich einfacher, weil du bei sauberer Luft kein Streulicht bekommst und die Information direkt in der Lichtintensität steckt.
Nautilus schrieb: > Diese Messung wird in Rauchmeldern auch durchgeführt. Rauchmelder machen eine Streulichtmessung, die messen nicht die Attenuation.
Das Thema gab es kürzlich: Beitrag "Zigarettenrauchsensor" Lichtschranke geht eben nur bei starker Trübung.
Johannes B. schrieb: >Erst wenn ich beide direkt >aufeinander halte, komme ich knapp unter 1V. R2 größer machen.
Nautilus schrieb: > Diese Messung wird in Rauchmeldern auch durchgeführt. > So ein Ding kaufen und die "Rauchkammer" verwenden. Stefan S. schrieb: > Beitrag "Zigarettenrauchsensor" > > Lichtschranke geht eben nur bei starker Trübung. Dann bin ich mit meiner Lichtschranke wohl auf dem falschen Weg. Also wäre es sicherlich besser, eine IR-Diode in eine kleine Box einzubauen und dann das Streulicht mit einem Fototransistor zu erfassen. Dann ergibt sich aber bestimmt wieder ein sehr kleiner Spannungsbereich für die Trübung, der in irgendeinder Form verstärkt werden sollte? Ich werde damit mal weiter herum experimentieren. Günter Lenz schrieb: > R2 größer machen. Dann würde weniger Spannung am Fototransistor abfallen, nehme ich an.
Johannes B. schrieb: > Dann ergibt sich aber bestimmt wieder ein sehr kleiner Spannungsbereich für > die Trübung, der in irgendeinder Form verstärkt werden sollte? Nimm moduliertes Licht. Dann ist das Verstärken einfach.
Der Wellenlängenbereich ist falsch gewählt. Infrarotlicht von 900 nm wird nur von Teilchen, die GRÖSSER als 0,9 µm sind, geschwächt. Für kleinere Teilchen ist diese Lichtschranke blind! Lichtschranken arbeiten im IR, um Störungen durch Staub/Rauch zu reduzieren. Also eine blaue Led verwenden, die sieht auch Kleineres. Du brauchst noch einen zweiten Empfänger, um die schwankende Intensität der Quelle entweder konstant zu halten oder nachträglich zu verrechen. Streulichtmessung ist zielführender. Gruß - Werner
Werner H. schrieb: > Infrarotlicht von 900 nm wird nur von Teilchen, die GRÖSSER als 0,9 µm > sind, geschwächt. Zum Glück wurde die Rayleigh-Streuung schon erfunden.
Johannes B. schrieb: > Dann bin ich mit meiner Lichtschranke wohl auf dem falschen Weg. Allein schon, weil du damit rechnen musst, dass auch LED und Lichtempfänger verstauben. Aber auch bei der Streulichtmessung musst du darauf achten, dass das optische Labyrinth nicht durch abgesetzten Staub reflektierend wird, bzw. dass solche Reflexionen ausserhalb des Erfassungsbereichs des Detektors bleiben. Evtl. ist es auch sinnvoll einen weitere LED + Detektor zur Überwachung des Lichtweges einzubauen. Bei der (nicht anzustrebenden) Transmissionsmessung ergibt sich die Überwachung des Lichtweges ja automatisch. https://de.wikipedia.org/wiki/Brandmelder#Rauchmelder P.S.: Johannes B. schrieb: > habe ich mir das Lichtschrankenpaar TEMIC K153p besorgt Dass es Temic schon lange nicht mehr gibt, ist dir hoffentlich bewusst? Eine Ersatzteilbeschaffung könnte also schwierig werden. https://de.wikipedia.org/wiki/Temic
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Hp M. schrieb: > Aber auch bei der Streulichtmessung musst du darauf achten, dass das > optische Labyrinth nicht durch abgesetzten Staub reflektierend wird, > bzw. dass solche Reflexionen ausserhalb des Erfassungsbereichs des > Detektors bleiben. Dort abgesetzter Staub muss aber schon sehr deutlich die Reflektivität erhöhen, weil das Licht erst nach zwei Reflektionen von der Sende-LED zum Photodetektor gelangen kann. "Meterdicke" Staubschichten sollten sich da natürlich nicht ablagern. U.a. dewegen werden Rauchmelder an der Decke montiert. Gelegentliches Ausblasen senkt den Streulichtuntergrundpegel.
Ich würde dir vorschlagen, keine fertige Lichtschranke zu verwenden, denn der Fototransistor hat keine lineare Kennlinie. Besser: Man leuchtet hinten mit einer LED rein, vorn hängt eine Fotodiode (wie eine SFH2430), die man mit einem Transimpedanzverstärker auswertet. Das hat den Vorteil, dass die Ausgangsspannung linear mit der Lichtstärke steigt. Das Ausgangssignal des Transimpedanzverstärkers kann der ADC des Adruino auswerden, möglicherweises sinnvoll wäre aber vielleicht ein kleiner 16Bit-Sigma-Delta-Wandler. Die Auflösung kannst du ganz gut gebrauchen. Dein Rohr sollte gegen Fremdlicht abgeschirmt sein.
Warum verwendest du keinen fertigen Sensor dafür? Insbesondere für diesen Anwendungszweck gibts u.a. von Sharp Sensoren, einfach mal nach "Sharp dust sensor" suchen. Die sind mehr oder weniger genau kalibriert (100 ... 500 µg/m^3) und es gibt sogar ein paar Papers wo sie gegeneinander verglichen werden um daraus günstige Feinstaub-Überwachungs-Netze zu basteln... (Ab 15€ ...)
Werner H. schrieb: > Der Wellenlängenbereich ist falsch gewählt. > Infrarotlicht von 900 nm wird nur von Teilchen, die GRÖSSER als 0,9 µm > sind, geschwächt. Für kleinere Teilchen ist diese Lichtschranke blind! > Lichtschranken arbeiten im IR, um Störungen durch Staub/Rauch zu > reduzieren. Danke für den Hinweis, um die Wellenlänge habe ich mir noch gar keine genaueren Gedanken gemacht. Wolfgang schrieb: > Nimm moduliertes Licht. Dann ist das Verstärken einfach. Wieso ist es einfacher, moduliertes Licht zu verstärken, das ich in einer Fotodiode/Fototransistor empfange? Hmm schrieb: > Man leuchtet hinten mit einer LED rein, vorn hängt eine Fotodiode (wie > eine SFH2430), die man mit einem Transimpedanzverstärker auswertet. Danke, Transimpedanzverstärker könnte eine gute Möglichkeit für mich sein. Dumme Frage schrieb: > Warum verwendest du keinen fertigen Sensor dafür? Dumme Frage schrieb: > einfach mal nach "Sharp dust sensor" suchen Mir sind die Staubsensoren von Sharp bekannt. Ich möchte es aber selbst machen.
Ein Problem beim Staubmessen ist die Verstaubung des optischen Weges. Siff auf Linsen, Fenstern und Detektoren wirkt kumulativ. Es wird also immer schlechter.
Wolfgang schrieb: > "Meterdicke" Staubschichten sollten sich da natürlich nicht ablagern. > U.a. dewegen werden Rauchmelder an der Decke montiert Nö, darum werden die nach 5-8 Jahren pauschal getauscht. Oben hängen die weil sich da der Rauch zuerst sammelt.
Johannes B. schrieb: > Wieso ist es einfacher, moduliertes Licht zu verstärken, das ich in > einer Fotodiode/Fototransistor empfange? Weil man das Umgebungslicht nicht mitmisst, wenn man den Unterschied zwischen LED an und LED aus erfasst - allerdings nur, solange das Umgebungslicht nicht allzu hell ist und den Empfänger übersteuert. Unmoduliert ist eigentlich nur sinnvoll, wenn es garkein Umgebungslicht gibt und der Dunkelstrom des Sensors ausreichen klein ist. Zur Streulichtmessung: das Streulicht ist viel geringer als die direkte Durchleuchtung, kann sein um 2 Grössenordnungen, je nachdem was man messen will. Es ist schon richtig, dass man dabei nur ein echtes vom Staub verursachtes Signal erfasst, aber die Auswerteschaltung muss halt viel empfindlicher sein. Georg
Die Direkte Transmission ist schwierig, wenn man keine wirklich starke Trübung hat. Ein Problem dabei ist z.B. das die LEDs altern und je nach Temperatur weniger Licht abgeben. Um wenigstens das Auszugleichen müsste man bei der Transmission eher mit 2 Detektoren messen: einer mit kurzen Weg, der kaum vom Staub / Trübung beeinflusst wird, und der 2. mit einem langen Weg. Die Photodioden sind in der Regel weniger Temperaturempfindlich als LEDs und in 1. Näherung würde sich der Effekt der 2 Sensoren noch kompensieren. Die Messung in Streuung ist einfacher, auch wenn das Signal viel schwächer ist. Die Messung kleiner Licht-intensitäten ist nicht so das Problem, vor allem nicht mit moduliertem Licht. Der Sensor der Wahl für kleine Intensitäten ist eine Photodiode mit etwas Vorspannung und einem Transimpedanzverstärker zur Auswertung.
Johannes B. schrieb: > Wieso ist es einfacher, moduliertes Licht zu verstärken, das ich in > einer Fotodiode/Fototransistor empfange? Neben den von Georg angeführten Gründen hast du bei der Verstärkung von Signalen ohne Gleichspannungsanteil keine Probleme mit Offset-Spannungen des Verstärkers und kannst den Anteil vom Untergrundlicht am Signal schon frühzeitig in deiner Verstärkungskette abtrennen - musst nur drauf achten, dass nicht irgendwelche "flimmerfrei" PWM gedimmten LED Leuchtmittel aus der Umgebung in deinem Verstärkungsband liegen.
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