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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik pH-Wert mit uC erfassen. Sensor gesucht.


Autor: Frank Simon (Gast)
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Hallo,
ich suche einen günstigen, uC-geeigneten pH-Sensor und finde keinen.
Ich bitte um Hinweise von Euch.
Mit freundlichen Grüßen
Frank Simon

PSS: Hier noch eine Anleitung, wie es nicht geht:
pH-Messgerät (beim großen C) kaufen, öffnen, nach einer geeigneten
Spannung suchen, mit ADC einlesen, eichen, usw.
Und nun (wen es interessiert), der Grund, woran es scheitert: da sitzt
tatsächlich nur ein vielbeiniger Baustein drin, davor lediglich ein
Spannungsfolger. Der Chip erfasst anscheinend die kleine Spannung von
den Elektroden direkt. Er misst gleichzeitig (und unabhängig) die
Temperatur über einen PTC. Auch die beiden Abgleichpunkte (Trimmer)
werden anscheinend direkt ausgelesen. Er kompensiert die Temperatur
anscheinend rechnerisch und steuert die Digitalanzeige direkt an, aus
der Traum von einer schönen Spannung, die die pH-Informationen in Form
einer eindeutigen Zuordnung enthält.

Autor: Frank Simon (Gast)
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Kein pH-Beauftragter hier im Forum?

Autor: Sssssss (Gast)
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Was ist wenn du die Information zwischen "vielbeiner" und display
abgreifst ?
Dann hast du sie sogar digital.
Wenn da ein LCD Display drin ist müsstest du doch an die einzelnen
"Zahlenelemente" drankommen und rekonstruieren können ;)

Autor: dunkelmann (Gast)
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schau mal da:

http://pdf.sartoserver.de/Prospekt/deutsch/Elektro...

und da

http://www.sartorius.de/index.php/Elektrochemie_pH...

vielleicht ist da was dabei!

mfg
DKM
www.loetstelle.net

Autor: Hartmut Gröger (Gast)
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Hi

In der klassischen pH-Messtechnik werden sog. Glaselektroden verwendet.
Das sind Glasröhren mit einer (Glas-) Kugel unten dran ,  eine
Platinelektrode innen, und mit gesättigter KCl-Lösung gefüllt sind.
Diese Elektroden geben allerdings nur Spannungen im mV-Bereich ab,und
sind ausserdem noch temperaturabhängig. Allerdigs dürfte die
Genauigkeit 1-2 Grössenordnungen besser sein als die von den
C..-Teilen.
In Datenblättern zu OVs oder Instrumentenverstärkern (bitte nicht
fragen wo) habe ich schon Schaltungen zum Messen mit diesen Elektroden
gesehen.

MfG HG

Autor: ??? (Gast)
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ph lässt sich mit den angesprochenen Glaselektroden gut und sicher
messen. Das Conrad-teil misst über den umweg der leitfähigkeit (wie die
dinger fürs Aquarium..) Das ist nicht genau und hat den Nachteil, dass
sich die Elektroden zersetzen. Die Kupferionen gelangen bei
Langzeitmessungen ins Messmedium (wovon soll eigentlich der ph bestimmt
werden?) und das ist ev. giftig...
Problematisch ist immer die Langzeitmessung. Dafür gibts aber auch
Elektroden. Die haben üblicherweise auch gleich einen Temperatursensor
drin.    ...aber sowas kostet...
für die Elektroden ist dann die Steilheit (mV/ph) angegeben. Überbrüfen
 mit fertigen Testlösungen (gibs auch im Aquarienbedarf) oder selber
ansetzen (Chemiebuch...)

Autor: Tom (Gast)
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Hi

Ich möchte den pH-Wert von Giesswasser messen, wobei der Messbereich
zwischen 5 und 9 pH ausreichen sollte. Was meint ihr, kann man in
diesem Bereich über den Leitwert gehen, um eine Genauigkeit von etwa
0.1 pH zu erreichen? Oder brauche ich dafür schon eine professionelle
Elektrode?

Ist für die geforderte Genauigkeit das zersetzen der Elektrode wirklich
ein Problem, wenn nur ca. ein mal pro Stunde gemessen wird? Die
Elektrode kann auch alle 3 Monate gereinigt werden - oder gleich
ersetzt, wenn sie billig ist.

Ich habe auf einer Aquarien-Bastelseite die Anleitung zum Bau eines
Photometers gefunden, mit welchem sich der pH-Wert ziemlich genau
feststellen lassen soll. Das werde ich sicher auch noch ausprobieren,
jedoch möchte ich die Messung wenn möglich automatisieren.

Gruss

Tom

Autor: Leenders (Gast)
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@Tom  und @???

Wie bitte Leitwert Ph

ein Spass oder

Es gibt mittlerweile außen den Glaselektroden solche mit
Kunststoffmenbran
die messen genau so gut.

Temperatur spielt  eine Rolle die kann aber wenn man nur mit wenigen °
zu tun hat vernachlässigen
Wichtig ist ein Eingangsverstärker der mehrere  100Mohm
eingangswiderstand hat.  Impedazwandler

Danach ein Verstärker um krumme Spannungen in  geradzahlige Phwerte
umzumodeln. V etwa 5...8fch
um mV / Ph/10

Paul

Autor: Dieter Brüggemann (Gast)
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hallo
Hier mal 2 links zum Thema

http://www.aquarix.de/de/diy/phmeter.asp

http://www.ibdoerre.com/aqua/

Elektroden findet man schonmal bei ebay.
Schott ist ein großer Hersteller

MFG
Dieter

Autor: Frank Simon (Gast)
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An Dieter:
Vielen Dank, dein erster Link hat mir aus der Patsche geholfen,
wirklich sehr schön! Es fehlt zwar die Temperaturkompensation (das
interessiert Aquarianer logischerweise nicht), aber die kann ich später
nachrüsten (dafür gibt es ja diese eine Formel mit dem komischen Namen,
der mir grad nicht einfällt).
Mit freundlichen Grüßen,
Frank Simon

Autor: Wolfgang (Gast)
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@Frank
Wenn es nicht auf  den Spaß des Aufbaus einer elektronischen  Messung
ankommt, dann sollte man für die Bestimmung des pH-Wertes des
Gießwassers sogen. pH –Papier nehmen.  Messungen mit einer Genauigkeit
von 0,1 pH Einheiten mit Amateurmitteln kannst Du vergessen. Das
beginnt schon bei der Beschaffung von Standardpufferlösungen und endet
bei fehlenden Erfahrungen zur  Kalibrierungen der Messkette.
Auch eine Temperaturkompensation wäre in diesem Fall nicht notwendig,
wie die nachfolgende Gleichung zeigt:
          pH = ( E - Eo)*F/(2,303*RT)

              E - Eo = Potentialdifferenz zwischen pH –Elektrode und
                       Bezugselektrode
       T = Temperatur in Kelvin
       R = Gaskonstante
       F =  Faraday- Konstante
Für den Eigenbau sollte man m. E. auch etwas die Theorie einer pH
–Messung kennen, insbesondere dann, wenn man mit der geforderten
Genauigkeit arbeiten will.
Ein µC kann viel, aber hier ist zunächst Analogtechnik gefragt.
Ich will zwar den Spaß nicht verderben, aber man soll sich nicht
wundern, wenn der Pflanzenwuchs nicht den gewünschten Erfolg bringt.
MfG
Wolfgang

Autor: Frank Simon (Gast)
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An Wolfgang:
Danke für die schöne Formel, sie hilft mir weiter, denn sie liefert
diese 59 mV/pH (für 300K, siehe Link zu Aquarix) und gibt mir die
Möglichkeit, die Temperaturkompensation mit einzubauen. Mit der
Bezugselektrode in pH 7 ergibt sich ein Spannungsbereich von -420 mV
bis +420 mV für pH 0 bis pH 14. Beim Mega8-Controller mit Uref=5 V und
10 Bit Auflösung kann ich ca. 5 mV, also ca. 0,1 pH auflösen (das ist
dann natürlich nicht die absolute Genauigkeit). Auf der analogen Seite
brauche ich nur einen Spannungsfolger mit genügend Offset, um alles ins
Positive zu heben. Den Rest kann ich ja in die Software verlagern.
MfG
Frank Simon
(PS: Hab tatsächlich keine Ahnung von Chemie. Ich komme vom uC und
brauchte eine interessante Messaufgabe für einen Praktikanten.)

Autor: Leenders (Gast)
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@Frank Simon - post(at)ioproz.de

Man kann auch den Masseanschluss der PhSonde mit der Offsetspannung
anheben um auch Phwerte >7 messen zu können.

Ein Spannungsteiler der niederohmig genug ist 100Ohm   vs 300Megohm

Also 1K an 5V 100Ohm an Masse  und den Mittelabgriff an den
Masseanschluss der PH sonde.

Paul

Autor: Wolfgang (Gast)
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Also, das Gießwasser hat eine untergeordnete oder keine besondere
Bedeutung.
Für einen Praktikanten bestimmt eine interessante Aufgabe.
Da ist auch Kalibrierung  nicht ganz so wichtig.
Obwohl ich mein Wissen der physikalischen Chemie schon vor einigen
Jahrzehnten vermittelt bekommen habe, so sollten sich die Grundlagen
einer pH- Messung nicht geändert haben.
Natürlich wurden die pH- Elektroden zwischenzeitlich
weiterentwickelt, aber das Prinzip einer pH- messung dürfte auch heute
noch gelten.
Und das bedeutet, es wird immer eine Potentialdifferenz zwischen einer
Bezugelektrode und einer Elektrode, dessen Potential pH- abhängig ist,
gemessen. Vielleicht noch etwas zu den Grundlagen:
Da einzelne Potentiale nicht messbar sind, beziehen sich alle
Potentiale auf die sogen.  Normalwasserstoffelektrode. (Genaue
Definition wäre ein gesondertes Thema)  Dieser
Normalwasserstoffelektrode ordnet man die Spannung Null zu. Alle
anderen Elektroden haben ein Potential zur Normalwasserstoffelektrode.
Da eine  Wasserstoffelektrode als Bezugelektrode schwer handhabbar ist,
verwendet man z. B. Kalomelelektroden als Bezugelektrode. Diese
Elektrode hat bei Einhaltung bestimmter Parameter ein konstantes
Potential, aber gegen eine Normalwasserstoffelektrode ein Potential von
+0,2679V(25°C) Nun kann man die pH- elektrode  (zumeist Glaselektrode)
und die Bezugelektrode entweder getrennt ausführen oder man baut sie
als Einstabelektrode. Auch diese Einstabelektroden bestehen im
Innenaufbau immer aus 2 Elektroden.
Wie schon gesagt, die Entwicklung geht weiter, und den letzten Stand
kenne ich nicht.
Noch einige Hinweise, die mir so einfallen:
Wie schon gesagt, ist eine der pH- Elektrode angepasste Analogtechnik
erforderlich. So haben die häufig verwendeten Glaselektroden einen
Innenwiderstand zwischen 1-10 MOhm. Das ist abhängig vom vorgesehen
Einsatzzeck und der deshalb verwendeten Glassorte (und dem
Entwicklungsstand). Also zuerst die Elektrode beschaffen und dann den
Verstärker konstruieren.
 >>Auf der analogen Seite brauche ich nur einen Spannungsfolger mit
genügend Offset, um alles ins Positive zu heben.<<
So einfach sehe ich das nicht.
a) Ein pH wert von 7 wird zwar als neutral bezeichnet, d.h. aber nicht,
dass die Potentialdifferenz gleich 0 ist.
b) 59mV/pH ist ein theoretischer Wert; neue Elektroden 58,...mV;
gealterte Elektroden sollten bei ca. 55mV verworfen werden.
c) durch eine 2 Punktkalibrierung mit Standardpufferlösung wird das
Messgerät der Steilheit der Messkette angepasst
d) je nach geforderter Genauigkeit sollte die Kalibrierung nach 4 bis 8
Wochen neu erfolgen
e) die Elektroden haben nicht das ewige Leben
Also, man sollte m.E. noch etwas Hirnschmalz verwenden, insbesondere
über die Eingangsschaltung und deren Ausführung ( Isolation zwischen
den Eingängen, Brummeinstreuung, Abschirmung des Messkreises usw.).
Was man heute verwendet, da bin ich überfragt. Der
Instrumentenverstärker AD623AN hat einen Eingangsdifferenzwiderstand
von 2 G Ohm, aber Eingangströme von 25nA. Ein INA118 mit FET eingang
hat einen Eingangsdifferenzwiderstand von 1 GOhm aber nur
Eingangsströme von 4pA. Wenn man sagt, dass der Eingangswiderstand etwa
10x größer als der Quellwiderstand sein soll, dann könnten
Instrumentenverstärker geeignet sein.
Wer auf dem neuesten Stand ist oder Fehler entdeckt, der kann mich
berichtigen bzw. ergänzen.
Hoffentlich habe ich mich verständlich ausgedrückt.
MfG
Wolfgang

Autor: Heinz W. Schockenbaum (Gast)
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Du hast dich sehr korrekt und ausführlich ausgedrückt.

Problem ist, dass das Grundproblem meist an einer Stelle steckt, das
viele nicht beherrschen.

Es ist NICHT die Beschaffung einer geeingeten Elektrode (die kriegt man
notfalls bei Conrad)

Es ist NICHT der erforderliche AD-Wandler (der in den meisten AVR's
vorhanden ist und dessen Parameter meist mehr als ausreichend sind)

Es ist NICHT die notwendige Temperaturkompensation (sei es von der
mathematischen Seite oder der Erfassung der Temperatur über einen
zweiten A/D Wandler)

Nein, es ist einfach die Hochohmigkeit der PH-Elektrode(n) bei nur
wenigen Millivolt. (wie du richtig beschrieben hast). Man muss sich da
schon Gedanken über Instrumentenverstärker machen, über Eingangsstrom
und Eingangswiderstand und Temperaturdrift. Und das kann im Zeitalter
der Digitalelektronik kaum noch einer. Es benötigt profunde Kenntnisse
in der Analogelektronik.

Pragmatischer Ansatz (für Leute, die nicht auf den Pfennig - sorry -
Cent achten müssen): fertiges Messgerät mit 0..10V oder 4..20mA
Ausgang. Aber für einen Bastler ist das (weder finanziell noch
intellektuell) nicht die passende Lösung.

hws

Autor: Frank Simon (Gast)
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Angehängte Dateien:
  • preview image for pH.png
    pH.png
    11,7 KB, 2069 Downloads

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Nein, ich will nicht von den simplen Sachen lassen: Der TLC081 arbeitet
mit asymmetrischer Versorgung und hat 1000 GOhm / typ. 3pA. Ich werde
nächste Woche mal die Schaltung lt. Anhang ausprobieren.

Autor: Wolfgang (Gast)
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Zunächst muss ich mich etwas korrigieren. Ich hatte Gießwasser und
Praktikantenaufgabe in einen Topf geworfen.
Frank, die Schaltung, die du angehängt hast, wird am Ausgang bestimmt
eine Spannung darstellen, aber ob der pH-Wert richtig abgebildet wird,
da habe ich so meine Zweifel.
Du kennst bestimmt die allg. Regel:       WER MISST, MISST MIST.
MfG
Wolfgang

Autor: Läubi (Gast)
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Ich dachte wer mit Mist misst, misst Mist...

Autor: Dirk W. (bastelator) Benutzerseite
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Hallo zusammen,

habe gerade diesen alten Thread gefunden -- Frank, falls Du noch 
mitliest, hat Dein Versuch mit der virtuellen Masse und dem 
anschließenden Spannungsfolger aus der Zeichnung vom 15.10.05 geklappt? 
Ich würde gerne einen PH-Sonden-Messverstärker mit minimalen Mitteln 
(d.h. kein IC für negative Versorgungsspannung usw.) aufbauen, dabei 
stehen lediglich +5V als Versorgungsspannung zur Verfügung (USB-Port). 
Bevor ich mich ans Löten mache, wäre ich für Hinweise dankbar. Die 
Aquarix-Schaltung (http://www.aquarix.de/de/diy/img/phmeter.gif) 
leuchtet mir ein; aber m.E. sollte sich das einfacher gestalten lassen, 
wenn man nicht darauf angewiesen ist, dass die Ausgangsspannung für ein 
Panelmeter "passt". Zumindest auf den Invertierer kann man dann 
verzichten.

Herzliche Grüße,
Dirk

Autor: Dirk W. (bastelator) Benutzerseite
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Hallo nochmal,

nach einigem Recherchieren (und nachdem die bestellten TL084 endlich da 
sind), ist mir zu Augen gekommen, dass die OPA128/OPA129-OPVs deutlich 
besser geeignet zu sein scheinen. Kennt jemand eine Bezugsquelle für 
Nicht-Berufselektroniker?

Außerdem ist der TL084 wohl recht wählerisch, was seine Betriebsspannung 
angeht -- werde dann wohl mit einem 9V-Block oder mit einer kleinen 
Ladungspumpe arbeiten müssen. Wenn da jemand Ideen hat -- her damit!

Herzliche Grüße,
Dirk

Autor: Stefan L. (tarabas)
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B. Astelator wrote:

> nach einigem Recherchieren (und nachdem die bestellten TL084 endlich da
> sind), ist mir zu Augen gekommen, dass die OPA128/OPA129-OPVs deutlich
> besser geeignet zu sein scheinen. Kennt jemand eine Bezugsquelle für
> Nicht-Berufselektroniker?

Auch wenn der Thread inaktiv und alt ist: der OPA128 kostet 60+ EUR und 
ist bei Segor.de zu haben. Es ist eine echte Kanone von den Parametern 
her - das hat seinen Preis.

Der LMC6001 ist auch alles ultra, aber mit 16 EUR bei Segor auch kein 
Schnäppchen.

Ich glaube, die TL0xx-Reihe ist für den Bastler eine gute Wahl, man 
könnte auch die "modernere" TLE20xx Reihe nehmen. Für 
Single-Supply-Schaltungen ist die TLC2xx-Variante auch einigermaßen 
geeignet. Zumindest sind die TLxxxxx alle recht billig zu haben 
(25ct-2EUR). Die Input-Ströme ligen so im 100pA-Bereich - hart an der 
Grenze aber vielleicht noch ok.

Mit dem OPA336/2336 kommt man auf 10pA, der ist mit 1-2 EUR auch 
günstig, Single-Supply-tauglich (einer meiner Lieblings-Standard-OPVs,.. 
:)

Hat sich denn nun der Erfolg bei Euren Schaltungen eingestellt? Wie 
sehen Eure Finalisten denn so aus?

Gruß, Stefan

Autor: 6641 (Gast)
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Der LPC661 ist etwas guenstiger...

Autor: Stefan L. (tarabas)
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6641 wrote:
> Der LPC661 ist etwas guenstiger...
Tatsächlich sehen dessen Eingangswerte noch besser aus (bis auf die 
Vio). Leider hat mein Hauptzulieferer den nicht im Programm :|
Bei Farnell für 1.80 (1) und 0.89 (100) zu haben. Danke für den Tip.

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