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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Messung Leitfähigkeit Frontend


Autor: Nico Fuchs (schraubern)
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Guten Abend!

Ich benötige eine Einschätzung meines Schaltungsentwurfes.

Zum Projekt:
Es geht um die Analyse von Schwimmbadwasser. Die im Anhang befindliche 
Grafik stellt das analoge Frontend für die Messung der Leitfähigkeit von 
Wasser dar (in diesem Projekt 100-3000µS/cm).

Beschreibung der Schaltung:
Zunächst wird mit U1A eine Rechteckspannung mit der Frequenz von 100Hz 
erzeugt.
U2A übernimmt die Anpassung an die Impedanz von Rsensor und linearisiert 
den Zusammenhang zwischen Leitfähigkeit und Ladespannung für C11 
(Funktion -> 1/x).
J1 sperrt solange Upulse positiv ist -> der Kondensator wird geladen. 
Die negative Halbwelle von Upulse wird mit J1 kurzgeschlossen.
Die letzte Stufe U3A erledigt die Anpassung an den Sigma-Delta-Modulator 
AD7400A (nicht dargestellt). Usigma wird vor dem AD7400A noch durch 10 
geteielt.

Anbei habe ich auch noch eine Grafik der Simulation der Schaltung 
beigefügt. Gezeigt werden die Spannung des Kondensators C11 (Ugleich), 
Usigma und die Spannung von U2A.

Simulation ist das eine - die Praxis das andere: Wie sehen die "alten" 
Hasen meinen Enwurf bezüglich:

# Stabilität im Betrieb
# Funktionsverhalten bei Bauteiltoleranzen
# Funktionsverhalten bei wechselnden Temperaturen

Mir geht es eigentlich darum, Hinweise zu bekommen, ob mein 
Schaltungsentwurf auch den Regeln der Praxis und der sinnvollen 
Konstruktion von Schaltungen dieses Typs entspricht. - Immerhin bin ich 
noch ein ausgesprochener Anfänger im Gebiet der Elektronik.

Für eure Mühe und konstruktiven Anmerkungen bedanke ich mich schon im 
Voraus.

Nico Fuchs

Autor: MaWin (Gast)
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Ich versteh deine Schaltung nicht.
Normalerweise legt man den Sensor an Wechselapannung ohne 
Gleichspannungsanteil damit er chemisch unbeeinflusst bleibt.
Das kann man durch Kondensatortrennung oder ein exaktes 50% 
Rechtecksignal mit sauberen Pegeln (uC-Ausgang) erreichen.
Wenn R5 dein Sensor wäre, wäre das denkbar, aber der andere ?
Ich find das in deiner Schaltung nicht.

Da man die Wechselspannung selbst erzeugt, kann man die Verstärkung in 
gleichem Takt auf +10/-10 umschalten, und erhält direkt ein 
gleichgerichtetes Ausgangssignal.

Dann noch die unsäglichen TL071 OpAmps. Ungenau, leiden unter pase 
rversal, brauchen hohe Spannung kein Rail-To-Rail.

Autor: Nico Fuchs (schraubern)
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Hallo!

MaWin schrieb:
> Normalerweise legt man den Sensor an Wechselapannung ohne
> Gleichspannungsanteil damit er chemisch unbeeinflusst bleibt.

Vielen Dank für diesen Hinweis. Müsste die Größe des Kondensators 
experientell ermittelt werden?
Oder ist es nicht Notwendig den Einfluss auf die Rechteckform wie hier: 
http://www.electronics-tutorials.ws/rc/rc_3.html beschrieben zu achten?

MaWin schrieb:
> Dann noch die unsäglichen TL071 OpAmps. Ungenau, leiden unter pase
> rversal, brauchen hohe Spannung kein Rail-To-Rail.

Welche Genauigkeit ist für diese Anwendung nötig? Welche OPV's sollte 
statt TL074 verwendung finden? Bisher ging ich davon aus, dass die 
Anforderungen an die OPV's nicht hoch wären:

~ niedrige Frequenz
~ der AD7400 ist bis ±250mV am Eingang spezifiziert( es stehen also 
100mV für Offsets zur Verfügung, die dann per Software kompensiert 
werden können)
~ Als Messgenauigkeit wünsche ich mir ±10µS/cm

MFG
Nico Fuchs

Autor: MaWin (Gast)
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> Müsste die Größe des Kondensators experientell ermittelt werden?

Im Prinzip nein, weil man ihn so gross macht, daß der 
Ladevorgang/Entladevorgang möglichst gar keine Rolle spielt im Laufe 
eines Impulses, und nur über viele hundert Inpulse der Kondenstaor 
langsam umgeladen wird - auf dann im Mittel 0V zwischen den 
Elektrodenanschlüssen.

Wenn man brutal ist, und einen Microcontroller hat und den AD7400 
verwenden will, kann man in Software gleichrichten

                              Elektrode      +----+
uC-Ausgang 50% an 50% aus --1uF--o o------+--|+   |
                                          R  |    |-- uC
                                VCC/2-----+--|-   |
                                             +----+

Keine weitere Elektronik, vor allem kein OpAmp weil der AD7400 
empfindlich genug ist.

uC-Ausgang einschalten, messen, uC-Ausgang ausschalten, messen und 
Vorzeichen wechseln, zum vorherigen Messwert addieren.

R bestimmt den Messbereich, passend zur Elektrode.

Autor: Nico Fuchs (schraubern)
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Hallo!

Die "brutale" Methode ist auf jedenfall interessant. Allerdings muss 
mein µC noch weitere Aufgaben erledigen, sodass ich für die Ermittlung 
des Messwertes nur einen Counter implementieren möchte.

Das hat den Vorteil, dass alle Sensoren (PH,Redox,Temperatur,Wasserstand 
und Leitfähigkeit) die selbe Schnittstelle haben.

Wie mache ich das mit der Auswertung des Wertes im µC. Lege ich dort 
eine Lookup-Table ab?

Meine bisherige Vorstellung:

Der Messwert wird vom AD7400 durch die Zählung der steigenden Flanken 
innerhalb einer Torzeit ermittelt. Dann müsste ich in die Lookup-Tabelle 
schauen und vor der Ausgabe des Messwertes noch einen Kalibrierfaktor 
hinzufügen.

Ist dieses Vorgehen sinnvoll, oder wird das irgendwie anders 
implementiert?

Vielen Dank im Voraus.

Nico Fuchs

Autor: Ralle (Gast)
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und vor der Ausgabe des Messwertes noch einen Kalibrierfaktor
hinzufügen.


und die Temperaturkorrektur nicht vergessen

ca. 2,1%/K

Autor: MaWin (Gast)
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> Lege ich dort eine Lookup-Table ab?

Muß nicht sein, da die Messwerte recht linear sein werden.
Also Offset und Steigung korrigieren, und fertig ist der Messwert, den 
man wie Ralle richtig bemerkt lieber um Temperatuireinflüsse korrigieren 
sollte, als sich über leichte Unlinearitäten Gedanken zu machen.

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