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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik pH Wert Verstärkerschaltung


Autor: Ludwig W. (freakyfish)
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Hallo,

ich bin derzeit dabei die Schaltung für einen Aquariencomputer zu 
planen. Da ich auch den pH-Wert messen will, ich aber noch nie mit solch 
Hochohmigen Messgeräten zu tun hatte, wollte ich absichern, dass die 
Verstärkerschaltung im Anhang korrekt ist.

Als OP-Amp habe ich den LMC6484 gewählt, da dieser zum einen bei 
Reichelt erhältlich ist und zum anderen eine extrem geringe Input 
Current (typ. 20 fA!) aufweist. Die erste Verstärker ist als 
Impedanzwandler gedacht, der zweite soll die Spannung um ein 10-faches 
vervielfachen. Somit erhoffe ich mir am µC-Pin eine Spannungsänderung 
von 590mV pro pH-Wert (Die Sonde liefert +59mV pro pH über 7,0 und -59mV 
pro pH unter 7,0) abweichend von 7. Bei pH=7 sollten die 2,5V 
Referenzspannung des LM336 anliegen.

Die Spannung wird dann anschließend im µC per 10Bit A/D Wandler gemessen 
und der daraus Resultierende pH-Wert noch mittels Eichlösungen 
Softwareseitig geeicht und berechnet.

Autor: Zwölf Mal Acht (hacky)
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Ja. kann man so machen. Solange sich der GND und die Fluessigkeit, die 
auf der Refernzspannung liegt nie sehen. Allenfalls zwischen der pH 
Sonde und der Referenz noch einen 10k zur Sicherheit. In die aktive 
Sondenleitung auch gleich einen 10k. Und dann beide Sondenleitungen mit 
10nF an GND. gegen Einstrahlungen

Autor: MaWin (Gast)
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a) Der LMC6484 ist ok

b) Ein OpAmp, der mit GND und 5V versorgt wird, braucht keine Diode um 
negative Spannungen zu begrenzen.

c) Du solltest auch die Referenzspannung der LM336 mitmessen, denn die 
schwankt ganz schön. Ein 1:2 Spannungsteile von ARef wäre einfacher.

d) Es braucht keine 2 OpAmp, man kann auch mit einem verstärken und 
trotzdem einen hochohmigen eingang haben.

e) Du solltest Funkstörungen abfangen, eine spule im Eingang gegen UKW 
oder ein Kondensator (mit gutem Dielektrikum: Polypropylen, Teflon) 
zwischen den pH-Meter-Anschlüssen hält Störungen fern.

f) Du musst auch die Temperatur mitmessen, denn der pH-Wert ist 
temperaturabhängig.

Autor: Ludwig W. (freakyfish)
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Die Flüssigkeit und GND sollten sich zwar normalerweise in keinem Fall 
sehen, aber ich habe die beiden Widerstände trotzdem mal eingebaut - 
schadet ja nicht.

MaWin:

a) super!

b) Stimmt, das war die Macht der Gewohnheit :D

c) Ein Blick ins Datenblatt hat mich schockiert, du hast Recht. AREF 
hängt momentan ganz normal an VCC, da es in der Schaltung keine 
nennenswerten Lastunterschiede gibt. Sollte ich VREF trotzdem extra 
erzeugen? Wenn ja, was ist der beste Weg dafür? So lange das ganze auch 
ohne extra VREF ca. bei einer Genauigkeit von +- 0,1 pH bleibt, ist das 
ausreichend)

d) Stimmt, da war was. Richtig wie angehängt?

e) Kondensatoren eingebaut, ich werde Teflons verwenden

f) Temperaturmessung ist sowieso vorgesehen

Autor: Ludwig W. (freakyfish)
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Denkfehler im Angang korrigier

Autor: MaWin (Gast)
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> Sollte ich VREF trotzdem extra erzeugen?

Nimm dieselbe Spannung, die auch der uC als AREF nimmt,
also 5V oder was auch immer du eingestellt hast
(interne 2.5V sind stabiler).
man nennt das ratiometrische Messung bei der die
absolute Höhe egal ist.

> Denkfehler im Angang korrigier

Du kannst viel höhere Widerstandswerte nehmen,
der LMC ist sehr hochohmig und verfälscht mit
seinen Eingangsströmem den Verstärkungsfaktor
kaum.

Die 1k/1k Spannungsteiler und den 1k
Verstärkungsspannungsteilerwiderstand
kann man zu 2k/2k kombinieren, und vor allem
verhundertfachen.

Die 10n kommen hinter die 10k, und ich hätte
im Gegensatz zu Mini Nilpnur einen genommen,
Teflon-Cs sind teuer genug.

Aber viele Wege führen nach Rom.

Autor: Ludwig W. (freakyfish)
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-Als AREF wird AVCC genutzt und intern vom µC Bereitgestellt. Die 
Beschaltung von AVCC erfolgt wie im Datenblatt angegeben. Meinst du es 
wäre besser, die intern erzeugten (stabilen) 2,56V zu nutzen, für den 
Spannungsteiler die 2,56V dann an AREF abgreifen (im Datenblatt steht, 
man soll wenn überhaupt, dann nur kapazitive Last an AREF hängen) und 
die Verstärkung halbieren?

Bevor ich da ein Risiko eingehe, benutze ich lieber gleich AVCC und lebe 
mit einem minimalen Messfehler.

Wie du das mit dem Kombinieren der Widerstände meinst, kapiere ich auf 
jeden Fall im Moment nicht, kann auch an der Uhrzeit liegen. Wäre nett, 
wenn du mir erklären/einzeichnen könntest, wie du dir das Vorstellst.

Ich habe die Werte nun erstmal so erhöht, dass es alle Werte noch als 
Präzisionswiderstand gibt. Das mit den 10n habe ich übernommen.

Ist die Schaltung dann soweit OK? Noch Verbesserungsvorschläge?

Abschließend auf jeden Fall noch ein riesen DANKE für die Hilfe!

Autor: MaWin (Gast)
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Die Schaltung passt,
du musst aber den Knotenpunkt R9/R10 mitmmessen.

Autor: Ludwig W. (freakyfish)
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Stimmt. Also R6 weg und R9/R10 jeweils 80k für eine 10-fache 
Verstärkung? Jetzt verstehe ich auch, was du mit dem Kombinieren 
meintest.

Autor: Anton Aus tirol (bingo_)
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@Ludwig W.
Läuft die Schaltung gut/zuverlässig?
Hast du noch was geändert/kannst du deine finale Version Posten?

ggf. Danke für die Rückmeldung.

Autor: Michael Blank (Gast)
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Ich muss mal den alten Thread hoch holen ...

Die Schaltung an sich gefällt mir recht gut. Wie schon mein Vorredner, 
gibt es ein finale SChaltung die sich im Betrieb bewährt hat?


@MaWin: Was meinst du mit Knotenpunkt mitmessen? Hier noch ein Anshcluss 
an einen ADC Kanal? Was mache ich mit diesem Wert dann? In welchem Bezug 
steht dieser zum eigentlcih gemessenen WErt?

Gruß,
Michael

Autor: MaWin (Gast)
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Michael Blank schrieb:
> Die Schaltung an sich gefällt mir recht gut.

Die Schaltung ist dann in Ordnung, wenn die pH-Sonde nicht mit einem Pol 
auf Masse liegen muss. Die 10nF belasten aber die pH-Sonde, müssen als 
extrem gutes Dielektrikum haben. Man dämpft besser mit UKW-Drosseln in 
Reihe. 10k als Schutzwiderstand dürfen auch ruhig grösser sein, auch 
1MOhm verschlechtert die Messung nicht.

> MaWin: Was meinst du mit Knotenpunkt mitmessen?

Die Spannung an R9/R10 verschiebt sich je nach Aussteuerung des OpAmps, 
weil sie doch recht hochohmig ist. Sie muss hochohmig sein, weil ARef 
nicht belastbar ist. Man könnte einen OpAmp als Spannungsfolger an ARef 
schalten und bekommt ein niederimpedantes Signal. Hat man eine externe 
belastbarere ARef, geht das natürlich auch ohne OpAmp.

> Hier noch ein Anshcluss an einen ADC Kanal?

Ja. Wenn der ADC weniger als 50k Eingangswiderstand sehen will, noch ein 
ca. 10nF Kondensator nach Masse für ausreichend niedrige dynamische 
Impedanz.

> Was mache ich mit diesem Wert dann?

subtrahieren.

> In welchem Bezug steht dieser zum eigentlcih gemessenen WErt?

Nullpunkt.

Autor: wolle g. (wolleg)
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MaWin schrieb:
> f) Du musst auch die Temperatur mitmessen, denn der pH-Wert ist
> temperaturabhängig.

Ist das nicht etwas übertrieben, wenn ein Aquarium bei Raumtemperatur 
betrieben wird?
Mit welcher Abweichung muss man hier rechnen?

Autor: Kai (Gast)
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Hallo,

mit welcher PH-Sonde führst du die Messung durch? Und ist diese 
dauerhaft im Becken?

MfG Kai

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