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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik OPV 1:10 PH Elektrode am Analog Eingang


Autor: R.W. (Gast)
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Hallo

Ich möchte an einem Analogen 10 Bit Eingang vom Velleman Board K8061 
http://www.velleman.be/ot/de/product/view/?id=364910
eine PH Elektrode meines AQ anschliessen. Die PH Elektrode liefert eine 
Spannung von 0,03V pro PH Wert. Da ich zwischen PH 5 und 9 messen möchte 
hätte ich eine Eingangs Spannung von 0,15V und 0,27V. Diese denke ich 
müßte ich verstärken um den Faktor 10. Den Eingang am Board kann ich 
über Jumper auf 5V oder 10V einstellen.
Wie müßte die OPV aussehen ?
Da ich leider erst vor ein paar Tagen angefangen habe mich überhaupt mit 
Elektronik zu beschäftigen wollte ich mal höfflichst Anfragen ob mir 
jemand einen Plan dazu machen könnte ? oder mir unter die Arme greifen 
könnte.

Gruß

r.w.

Autor: Aha (Gast)
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Geht leider nicht. die eingangsimpedanz ist 20kOhm, was viel zu wenig 
fuer eine pH elektrode ist. Ohne Fet OpAmp ist da leider gar nichts. 
Auch 10MOhm reicht nicht, der Messfehler ist immer noch zu gross und die 
Lebensdauer der Elektrode zu begrenzt.

Autor: R.W. (Gast)
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Hallo

Danke für die schnelle Antwort. Nach langem Suchen habe ich was dazu 
gefunden.

http://www.aquarix.de/de/diy/img/phmeter.gif

Ist diese Schaltung noch Aktuell oder gibt es neuere CMOS Operational 
Amplifier ?

http://www.aquarix.de/de/diy/phmeter.asp
Beitrag "pH-Wert mit uC erfassen. Sensor gesucht."

Autor: Michael Lenz (hochbett)
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Hallo,

die Schaltung sieht prinzipiell ok aus.

Die Sache mit der Spannungsversorgung solltest Du am Schluß angehen; das 
sind Standardschaltungen, die davon abhängen, was Dir an Geräten zur 
Verfügung steht.

Der TL084 ein Standard-OPV mit JFET-Eingang. Nun willst Du einen 
besonders hochohmigen Eingang haben, daher würde ich eher in Richtung 
MOSFET-Eingang (CMOS-Eingang) suchen.

Ich würde an OPV wie diesen denken, wobei ich das Datenblatt noch nicht 
zu 100% durchgelesen habe.

http://www.analog.com/en/amplifiers-and-comparator...

Auswahlkriterium war der Eingangsstrom.

Hinsichtlich der Leckströme mußt Du sicherlich auch etwas unternehmen 
(Stichwort: Guard-Ring).


Gruß,
  Michael

Autor: Wolfgang-G (Gast)
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@R.W. (Gast
bitte als " unter die Arme greifen" betrachten

Wenn Deine Angabe stimmt, dann sage ich voraus, dass Du mit der Deiner 
vorhandenen Elektrode niemals den pH-Wert misst, sondern irgendetwas.

Eine pH- Elektrode liefert theoretisch  ca. 59mV/pH, praktisch 
vielleicht 1-2mV weniger.
Verrat doch mal, was im Datenblatt steht (insbesondere  Elektrodentyp, 
Innenwiderstand)
und was es werden soll.
MfG
Wolfgang

Autor: Aha (Gast)
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Ein Standardtyp ist der INA116

Autor: R.W. (Gast)
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Hallo an alle

vielen Dank für eure Vorschläge und Infos.

@Wolfgang-G
Die Angabe habe ich im Netz gefunden. Es soll eine Regelung des PH 
Wertes über die CO² Zufuhr im Aquarium geben. Es kommt später noch mehr 
dazu wie Leitwert und Temp messen und Lampen schalten usw.

@Michael Lenz
Die Spannungsversorgung von 12V ist auf dem K8061 schon vorhanden.
Da es den TL084 nicht mehr gibt habe ich gedacht ich nehme den TL084 
DIP.
Meinst du der passt ?


Gruß
Ralf

Autor: Michael Lenz (hochbett)
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Hallo Ralf,

der INA116, den "Aha" genannt hat, ist ein Spezialbaustein, der genau 
für Deine Anwendung gedacht ist. Schau mal im Datenblatt auf Seite 9, da 
steht beschrieben, wie Du ihn verschalten kannst.

Dieser IC hat extrem niedrige Leckströme und eine fertige Lösung für 
Guard-Ringe. Die brauchst Du, um ordentliche Messungen zu machen.

Zur Erläuterung: Ein Guard-Ring ist nichts anderes als ein Stück Metall, 
das um Deine Leitung herum angeordnet ist und das dasselbe elektrische 
Potential hat wie Deine Leitung.

##########################
##########################
------------------------ Leitung
##########################
########################## Guard-Ring (Fläche mit gleichem Potential
                                       wie die Leitung)

Guard-Ringe sind notwendig, um Kriechströme zu verhindern, die 
beispielsweise über Verunreinigungen auf der Leiterplatte oder im Kabel 
zustandekommen (z. B. Chemikalien, fettige Finger u. ä.).
Da der Guard-Ring dasselbe elektrische Potential hat wie die Leitung, 
wirkt keine Kraft auf die Ladungsträger, so daß sie nicht wegfließen.
(Bei den meisten Anwendungen braucht man keine Guard-Ringe. Aber bei 
Anwendungen mit so geringen Strömen wie bei einem PH-Meter, sind sie 
schon notwendig.)

Das besondere an der Spannung des Guard-Rings ist, daß sie aktiv 
getrieben wird. Das heißt: Der Guard-Ring kann ohne Probleme Ströme an 
die Umgebung liefern, wenn irgendwo rundherum eine Potentialdifferenz 
ist, die Kriechströme erzeugt. Bloß kommen die Kriechströme dann aus der 
Spannungsquelle des Guard-Rings und nicht aus Deiner Leitung!

> @Michael Lenz
> Die Spannungsversorgung von 12V ist auf dem K8061 schon vorhanden.
> Da es den TL084 nicht mehr gibt habe ich gedacht ich nehme den TL084
> DIP.
DIP ist nur der Gehäusetyp (Gehäuse mit Beinchen), das ist also schon 
der IC, den Du meinst.

Tu Dir aber selbst den Gefallen und vergiß den TL084, wenn Du 
ordentliche Ergebnisse haben willst! Die Internetseite, die Du gefunden 
hast, meint zwar, der TL084 reicht aus. Das glaube ich aber nicht; das 
ist ein Feld-Wald-Wiesen OPV mit einem nur mittelprächtig hohen 
Eingangswiderstand (JFET).

Nimm lieber den INA116. Der INA116 arbeitet mit +/-15V. Wahrscheinlich 
geht +/-12 auch ohne Probleme. Die maximale Ausgangsspannung ist dann 
eben etwas kleiner.

Am einfachsten ist es wahrscheinlich, wenn Du Dir ein kleines 
Wechselspannungs-Steckernetzteil kaufst (Kostenpunkt etwa 10 € bei 
Conrad) und auf der Platine daraus sowohl die positive, als auch die 
negative Gleichspannung erzeugst (Linearregler 7815 für positive Spg. 
und 7915 für die negative Spannung). Dann brauchst Du nur einen einzigen 
Stromanschluß.

Wenn Du willst, kann ich Dir beim Layout mit Eagle behilflich sein (z. 
B. Bauteile für Spannungsregler u. ä. raussuchen, damit Du nicht die 
falschen wählst; das ist am Anfang schwierig zu erkennen.)


Gruß,
  Michael

Autor: pH-Bastler (Gast)
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Der INA116 ist ja ganz nett, aber wo bekommt man den als Privatperson in 
kleinen Stückzahlen zu einem vernünftigen Preis? Die einzige Quelle, die 
ich gefunden habe, war RS-Components, das Stück zu 13,56 Euro exklusive 
Mwst!

Fix und fertige pH-Meter inklusive Elektrode gibts ja schon um 30-40 
Euro.

Autor: Michael Lenz (hochbett)
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> Der INA116 ist ja ganz nett, aber wo bekommt man den als Privatperson in
> kleinen Stückzahlen zu einem vernünftigen Preis? Die einzige Quelle, die
> ich gefunden habe, war RS-Components, das Stück zu 13,56 Euro exklusive
> Mwst!
Als Sample bei TI.

> Fix und fertige pH-Meter inklusive Elektrode gibts ja schon um 30-40
> Euro.
Das gibt es häufig, und wenn das Budget auf 40€ beschränkt ist, würde 
ich mir auch ein fertiges PH-Meter kaufen. Sonst kannst Du Dir nämlich 
auch kein Gehäuse für um die Platine herum leisten.

Gruß,
  Michael

Autor: Ulrich (Gast)
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Der INA116 ist zwar gutm aber doch eher übertrieben. Es gibt reichlich 
CMOS OPs mit wenig Eingangsstrom (im unteren pA Bereich). z.B. ICL7621, 
TLC27x, AD8551,LMC6484,MCP60x,MCP600x,OPA347,max4238,...

Wichtig ist bei so kleinen Strömen aber auch die Sauberkeit der Platine 
und ggf. ein Guard Ring.

Autor: Wolfgang-G (Gast)
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>Es kommt später noch mehr dazu wie Leitwert und Temp messen und Lampen schalten 
usw.

>Da ich leider erst vor ein paar Tagen angefangen habe mich überhaupt mit 
>Elektronik

 Deshalb solltest Du mit dem Teil anfangen, der am leichtesten zu 
verstehen ist und auch einem Anfänger das schnellste Erfolgserlebnis 
bringen könnte.
Vielleicht in folgender Reihenfolge:
1)  Lampen schalten
2)  Temperatur messen
3)  Leitfähigkeitsmessung
4)  pH- Wertbestimmung (hier solltest Du dich neben der Theorie auch 
mit der Kalibrierung der Messkette beschäftigen, was für eine exakte 
Messung ein wichtige Voraussetzung ist)
MfG
Wolfgang

Autor: avion23 (Gast)
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Hallo,
ich habe noch Frage zu dem guard ring:
>Das besondere an der Spannung des Guard-Rings ist, daß sie aktiv
>getrieben wird. Das heißt: Der Guard-Ring kann ohne Probleme Ströme an
>die Umgebung liefern, wenn irgendwo rundherum eine Potentialdifferenz
>ist, die Kriechströme erzeugt. Bloß kommen die Kriechströme dann aus der
>Spannungsquelle des Guard-Rings und nicht aus Deiner Leitung!

Wie betreibe ich den guard-ring aktiv? Das Eingangssignal 1x verstärken 
mit CMOS-opamp und wieder auf den guard ring geben?

Wenn ja, dann brauche ich einen zweiten opamp um einen 
Verstärkungsfaktor > 1 zu erreichen. Damit habe ich 2x den opamp-offset 
und zwei Bauteile :(



Und: Wie mache ich das mit den Kabeln, wenn die Spannung der 
PH-Elektrode so schwach ist? Dort dürfte es schon Ableitströme geben, 
spätestens im Stecker ist dann Ende. Und was ist mit Einstrahlungen z.B. 
von EVGs?

Autor: Michael Lenz (hochbett)
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Hallo,

>>Das besondere an der Spannung des Guard-Rings ist, daß sie aktiv
>>getrieben wird. Das heißt: Der Guard-Ring kann ohne Probleme Ströme an
>>die Umgebung liefern, wenn irgendwo rundherum eine Potentialdifferenz
>>ist, die Kriechströme erzeugt. Bloß kommen die Kriechströme dann aus der
>>Spannungsquelle des Guard-Rings und nicht aus Deiner Leitung!
>
> Wie betreibe ich den guard-ring aktiv? Das Eingangssignal 1x verstärken
> mit CMOS-opamp und wieder auf den guard ring geben?
Ja, genau. Auf Seite 1 des Datenblattes des INA116 siehst Du auch ein 
vereinfachtes Blockschaltbild. Die drei Ausgänge des (+1)Verstärkers 
kannst Du Dir alle als miteinander verbunden denken.
http://focus.ti.com/lit/ds/symlink/ina116.pdf

> Wenn ja, dann brauche ich einen zweiten opamp um einen
> Verstärkungsfaktor > 1 zu erreichen. Damit habe ich 2x den opamp-offset
> und zwei Bauteile :(
Du hängst den Spannungsverstärker an den Ausgang des (+1) Verstärkers. 
Dann stört der Stromoffset nur einmal. Über den Spannungsoffset mußt Du 
dir auch keine Sorge machen, weil die Spannungen relativ groß sind.

> Und: Wie mache ich das mit den Kabeln, wenn die Spannung der
> PH-Elektrode so schwach ist?
> Dort dürfte es schon Ableitströme geben,
> spätestens im Stecker ist dann Ende. Und was ist mit Einstrahlungen z.B.
> von EVGs?
Du treibst die Schirmung auf dem gleichen Potential wie den Innenleiter. 
Daher gibt es im Kabel keine Ableitströme. Und gegen EMV-Einstrahlungen 
kannst Du das Signal tiefpaßfiltern (glätten).

Lies Dir dazu Seite 9 des INA116-Datenblattes durch. Das ist sehr 
nützlich dazu.

Zu teuer ist der INA116 übrigens auch nicht, da TI kostenlose 
Warenproben verschickt.


Gruß,
  Michael

Autor: Oha (Gast)
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Auch wenn man den INA116 bezahlt... Verglichen mit der Arbeit an der 
Leiterplatte ist das auch zu vernachlaessigen.

Autor: avion23 (Gast)
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Hallo Michael,

danke für die infos. Das Datenblatt hat es wirklich in sich :) Der 
Aufwand ist noch größer als ich dachte.

Autor: moeff (Gast)
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Benötigt man für den korrekten Einsatz des INA116 unbedingt eine 
Referenzelektrode, oder kann man diesen auch ohne betreiben?

Autor: Chemiefreak (Gast)
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>Benötigt man für den korrekten Einsatz des INA116 unbedingt eine
>Referenzelektrode

Natürlich benötigt man die. Kannst du eine Spannung an nur einem Pol 
messen?

http://de.wikipedia.org/wiki/Glaselektrode

http://de.wikipedia.org/wiki/Bezugselektrode

Autor: Andrew Taylor (marsufant)
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R.W. wrote:
> Hallo an alle
>
> vielen Dank für eure Vorschläge und Infos.
>
> @Wolfgang-G
> Die Angabe habe ich im Netz gefunden. Es soll eine Regelung des PH
> Wertes über die CO² Zufuhr im Aquarium geben. Es kommt später noch mehr
> dazu wie Leitwert und Temp messen und Lampen schalten usw.
>
> @Michael Lenz
> Die Spannungsversorgung von 12V ist auf dem K8061 schon vorhanden.
> Da es den TL084 nicht mehr gibt habe ich gedacht ich nehme den TL084
> DIP.
> Meinst du der passt ?
>

Typisch geht: TL084, TL074, LF351, 357 und CA3140. Das geht alles recht 
gut mit einfachen Aquarium-pH-Elektroden.
Man kann auch INA116 oder AD5xx Typen nehemn -- ist aber nachdem was ic 
htesten konnte für derartige Anwendung wie Du es im Aquarium vorhast 
nicht nötig.
Die extreme Genauigkeit ist hier nicht so relvnt. Und die hier 
verwendeten pH Elektroden sind "relativ" niederohmig. Wobei wir hier 
auch schon vom Megaohm Bereich sprechen.

Im Labor hatten wir kritischere Elektroden da machten Femto-Ampere 
Biasströme des ersten OPV, etc. schon Sinn un mußten beachtet werden.

Aber für Aquarium, das darfst Du mir glaubne da mehr als 6 Steuerungen 
hier so gebastelt wurden, genügt preiswerte OPv Technik wie 
TL074/TL084,LF35x

Auch die obigen Zwischenrufe über Bezugselektrode, etc.: Das hast Du 
alles in Deiner gekauften Elektrode drin. Das Stichwort heißt hier 
Einstabmeßkette.
Oder in schlichten Worten: Kümmr Dich nicht drum.. Du kannst Deine 
Elektrode nehmen, anschließen und gut ist es. Die Zuleitung bitte nicht 
ohne Not verlängern. Um mehr muß man sich hier nicht kümmern.

Mehr machen die kaufbaren CO2 Controller für's Aquarium auch nicht. 
Einstabmeßkette und fertich.


viel Erfolg beim Selbstbau wünsche ich Dir.

hth,
Andrew

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