In der Wasserchemie werden Sensoren verwendet, die einen zum messenden
Parameter proportionalen Strom abgeben. Der Innewiderstand dieser
Stromquelle liegt im Bereich von ca. 1GOhm und der zu messende Strom bei
0-100nA, quasi DC (fmax unter 1Hz). Damit das Signal mit nachfolgendem
AD Wandler digitalisiert werden kann soll es mittels eines Transimpedanz
OPA in eine Spannung gewandelt werden. Die Elektronik dazu wird in
unmittelbaren Nähe zum Sensor montiert. Verschiedene Hersteller bieten
sog. 'Zero Drift' also chopper stabiliserte OPA's an. Soweit so gut.
Beim Thema Rauschen komme ich aber an meine Grenzen und bin mir nicht so
richtig im Klaren welche Werte für meinen Einsatzfall zu optimieren
sind. Rauschspannung oder Rauschstrom? Kann mir jemand ein wenig Licht
in dieses Thema bringen? Besten Dank für Eure Hilfe
100 nA sind schon mächtig viel Strom, das kann man recht komfortabel mit
einem OP mit FET-Eingängen messen. Ob es unbedingt ein Chopper sein
muss? Ob Rauschstrom oder -spannung von Belang sind, hängt von der
genauen Eingangsschaltung (Schutzbeschaltung!) fest.
Ein invertierender Verstärker a la Ladungsverstärker bietet sich an.
Hallo,
> In der Wasserchemie werden Sensoren verwendet, die einen zum messenden> Parameter proportionalen Strom abgeben. Der Innewiderstand dieser> Stromquelle liegt im Bereich von ca. 1GOhm und der zu messende Strom bei> 0-100nA, quasi DC (fmax unter 1Hz).
Dann ist das erste Problem, den Strom zum Verstärker zu bringen, da die
Isolatoren oft nicht ausreichend isolieren. Mach Dir zunächst die
Größenordnungen bei Deinem Problem klar: Wenn Dein Signal eine Spannung
von 1 V aufweist und Du durch irgendeinen Schmutzfilm (oder weil Du ein
Kabel ins Wasser hältst) einen Widerstand von 100MOhm zwischen Deiner
Signalleitung und Masse hast, fließen 10nA. Das ist -- verglichen mit
den Nutzströmen - recht viel. Insofern lohnt es sich, wenn Du Dich mit
Konzepten wie "Guard Traces" bekanntmachst. Wieviel Aufwand Du dann
damit treibst, musst Du am Ende selbst entscheiden.
Wenn Du zu noch kleineren Strömen misst (pA-Bereich, sub-pA-Bereich),
wirst Du schnell merken, dass sogar ein Wackeln am Kabel Ströme
hervorruft, da sich beispielsweise die Kapazitäten zwischen den beiden
Leitungen ändern und somit Ausgleichsströme fließen. (Bei 100nA sind
diese Probleme aber noch recht weit weg.)
> Damit das Signal mit nachfolgendem> AD Wandler digitalisiert werden kann soll es mittels eines Transimpedanz> OPA in eine Spannung gewandelt werden. Die Elektronik dazu wird in> unmittelbaren Nähe zum Sensor montiert. Verschiedene Hersteller bieten> sog. 'Zero Drift' also chopper stabiliserte OPA's an.
Das "Zero Drift" bezieht sich aber auf Spannungen. Was Du vor allem
brauchst, sind OPVs, deren Eingänge dicht sind und Leiterbahnen/Kabel,
die keine Leckströme aufweisen.
> Soweit so gut.> Beim Thema Rauschen komme ich aber an meine Grenzen und bin mir nicht so> richtig im Klaren welche Werte für meinen Einsatzfall zu optimieren> sind. Rauschspannung oder Rauschstrom? Kann mir jemand ein wenig Licht> in dieses Thema bringen? Besten Dank für Eure Hilfe
Das ist vorauss. nicht Deine wichtigste Baustelle, da Du eine sehr
geringe Bandbreite hast.
Schau Dich am besten mal in dem Buch "Low Level Measurements Handbook"
um:
https://www.keithley.de/knowledgecenter
Wenn Du konkrete Hilfe willst, musst Du Dein Projekt konkret
beschreiben.
Viele Grüße
Michael
Michael Lenz schrieb:> Dann ist das erste Problem, den Strom zum Verstärker zu bringen, da die> Isolatoren oft nicht ausreichend isolieren. Mach Dir zunächst die> Größenordnungen bei Deinem Problem klar: Wenn Dein Signal eine Spannung> von 1 V aufweist und Du durch irgendeinen Schmutzfilm (oder weil Du ein> Kabel ins Wasser hältst) einen Widerstand von 100MOhm zwischen Deiner> Signalleitung und Masse hast, fließen 10nA.
Völlig falsch.
Er hat offenbar einen STROMquelle, keine Spannngsquelle (wie es ein
pH-Meter wäre).
Bei einer STROMquelle (an einem Transimpedanzverstärkeer) erzielt man am
Eingang immer eine Spannungsdifferenz von 0V, und wo 0V Differenz sind,
kann kein Strom (ab)fliessen.
(Ähnlich wie bei einer Elektrometer-Spannungsmessung der Guard-Ring).
maxwaldo schrieb:> Beim Thema Rauschen komme ich aber an meine Grenzen und bin mir nicht so> richtig im Klaren welche Werte für meinen Einsatzfall zu optimieren> sind. Rauschspannung oder Rauschstrom?
Also aus dem Bauch raus würd ich sagen: Da Deine Stromquelle sehr
hochohmig ist (und auch durch die sehr niedrige Frequenz auch parasitäre
Kapazitäten hier nicht in die Suppe spucken werden) würde ich sagen daß
ein TIA hier immer eine sehr niedrige *Spannungs*verstärkung haben wird
und somit Spannungsrauschen am Verstärkereingang keine Rolle spielen
wird.
Den Feedback-Widerstand des TIA solltest Du wie üblich so groß wie
möglich machen (weil die Verstärkung des Stromes direkt proportional zu
diesem R ist, jedoch das durch ihn verursachte Johnson-Rauschen nur
proportional zu Wurzel R, also je größer desto besser, so groß wie es
der angestrebte Meßbereich erlaubt.
Ein Kondensator parallel zu Rf begrenzt die Bandbreite des Verstärkers
bei höheren Frequenzen, sowohl die Spannungs- als auch die
Transimpedanzverstärkung und somit im selben Maße auch jegliches
Rauschen dort.
Jegliches Stromrauschen wird mit der gewählten Verstärkung des TIA
verstärkt werden, genauso wie auch das Nutzsignal.
Hallo,
ich entwickle optoelektronische Messgeräte, die oft auch bei der Messung
von Fotoströmen hart an die Grenze des physiklisch machbaren gehen.
Auflösungen bis in den pA...fA.bereich sind da normal. Dagegen scheint
mir dein Zeugs noch recht gutmütig.
> maxwaldo schrieb:> der zu messende Strom bei 0-100nA,
Wie schon geschrieben, sind 100nA noch recht großzügig.
Nehme ich aber mal eine Auflösung von ca. 0,1nA an, dann muß der OPV
einen max. Biasstrom haben, der möglichst noch deutlich kleiner als
0,1nA ist.
Da ist die Auswahl nicht mehr so groß. Alles was im Bereich unter 10pA
verspricht, wäre nutzbar. Nomale bipolare OPV kann man da meist
vergessen.
CMOS- und BiFET-OPV, noch beser Di-FET-PV bieten sich da an.
> quasi DC (fmax unter 1Hz). Damit das Signal mit nachfolgendem> AD Wandler digitalisiert werden kann soll es mittels eines Transimpedanz> OPA in eine Spannung gewandelt werden.
Ja, ist so weit plausibel
> Die Elektronik dazu wird in> unmittelbaren Nähe zum Sensor montiert. Verschiedene Hersteller bieten> sog. 'Zero Drift' also chopper stabiliserte OPA's an.
Die Offsetspannung und Ofssetdrift sind ein anderes Thema, das du hier
aber überschätzt.
Nehmen wir an, dass der Verstärker mit einer Rückkopplung von 10MOhm
arbeitet (kann auch höher sein). Dann wird 0,1nA zu einer Spannung von
1mV.
Schön wäre es hier also, wenn zumindest der Fehler durch Offsetdrift
unter 1mV bleiben würde. Der Grund-Offset selbst kann normal leicht
"weggerechnet" werden.
Je nach Einsatztemp.-Bereich (z.B. +/-20K) sollte aber Offsetdrift unter
ca. 50uV/K sein. Das ist um 1...2 Größenordnungen von den typischen
Einsatzbereichen klassischer Chopper-OPV entfernt.
Wenn deine Messungen eher unter kontrollieren Laborbedingungen
stattfinden und der Offset durch Kontrollen erfassbar ist, wird es noch
einfacher.
Dann könntset du auch OPV mit Offesetdrift bis ca. 100uV/K noch nutzen.
Das ist heute 0815-Standard. OPV mit Offsetdrift unter 10uV/K finden
sich viele. Da braucht es also nix so besonderes.
Ich würdd dir auch nicht unbedingt raten, als Laie solche
Chopperstabilisierten OPV zu nutzen.
Wenn du hier Biasstrom und Offetdrift entsprechdn einstellst, bekommst
du immer noch eine große Auswahl an OPV.
http://www.ti.com/lsds/ti/amplifiers-linear/precision-amplifier-products.page#p10max=0.02;5&p743typ=0.003;10
Mit weiteren Parametern kannst du die Auswahl reduzieren.
-> Anzahl Kanäle, Spannungbereich, Stromaufnahme, Bauform
Dann nimmt man einen günstigen aus der Auswahl.
> Beim Thema Rauschen komme ich aber an meine Grenzen und bin mir nicht so> richtig im Klaren welche Werte für meinen Einsatzfall zu optimieren> sind.
Die erste Verstärkerstufe sollte so hoch wie möglich verstärken, weil
dann die Rauschspannung nur mit der Wurzel eingeht. Danach folgende
Stufen verstärken alles linear mit.
Bei der niedrigen Grenzfrquenz kannst du den Vestärker gut als Tiefpass
einstellen. Macht die Sache auch einfacher.
>Rauschspannung oder Rauschstrom? Kann mir jemand ein wenig Licht> in dieses Thema bringen?
Ist am Ende für dich egal. Wir wissen ja auch nicht, welches Rauschen
dein Sensor erzeugt.
Wenn du eine gute Abtastfrequenz hast und nachfolgend rechnerisch gut
glätten kannst (rechentiefpass,Mittelwertbildung), dann bekommst du das
Rauschen bis unter die Auflösung des ADC reduziert.
Viel wichtiger sind da wohl Einflüsse durch den Messaufbau und Störungen
aus der Umgebung.
Möglichst kurze Leitunge, eine sehr gute Abschirmung und ein
vernünftiger Aufbau der Schaltungen ist Bedingung für gute Stabilät und
hohe Auflösung.
Gruß Öletronika
http://uwiatwerweisswas.schmusekaters.net/Uwi/ELEKTRONIK/Opto_Laser/Fotoverst%e4rker.PDF
Erstmal vielen Dank für eure Kommentare. Damit wurde für mich die
Beurteilung der zu erwartenden Probleme erheblich erleichtert.
Für den den's interessiert. Es handelt ich um einen Sensor zur
Gelöst-Sauerstoffmessung im Fischzuchtbecken. Auch als 'Clark Zelle'
bekannt.
Der Sauerstoffgehalt ist direkt proportional zum Strom in dem angebenen
Bereich. Letzlich ist es der Kurzschlussstrom dieses Sensors der mit dem
TIA in eine proportionale Spannung gewandelt wird. Daneben befindet sich
in dieser Messstation auch noch eine pH Elektrode (Spannungsquelle, ca
50mV/pH) und ein PT1000 Temperatur Messfühler. Diese drei Parameter
werden aufbereitet und mittels eines mehrkanaligen AD-Wandlers von
Analog (AD7794)digitalisiert.
Laborbedingung sind es nicht, installiert wird in den Tropen unter
freiem Himmel. Temperatur: maximaler swing ca 15°-40°. Betrieb rund um
die Uhr und ein rauer Umgang mit der Mess-Station muss angenommen
werden. Angesichts der Betriebsbedingungen wird das mechanisch Design
noch eine Herausforderung. Man stelle sich vor Wasser, in noch so
geringen Mengen, gelangt an die Sensorkontakte...
Eine Frage an Öletronika hätt' ich doch noch: Was spricht gegen den
Einsatz eines Chopper stabilisierten OPA's?
allen ein angenehmes Wochenende
Hallo,
> maxwaldo schrieb:> Was spricht gegen den> Einsatz eines Chopper stabilisierten OPA's?
im Prinzip spricht nichts dagegen. Es ist aber nicht nötig.
Ich will dir da auch keine Angst machen, aber als Techniker wählt man
normal das Konzept, welches am simpelsten ist.
Da solche OPV einen Oszilator on Chip haben, besteht die Möglichkeit,
dass dieser bei nicht ganz sauberen Aufbau auch Störungen verursacht.
Mit einem normalen OPV ist das nicht zu erwarten.
Man sollte dann z.B. wissen, dass Schwebungsfrequenzen durch
Überlagerung der Abtastfrequenz des ADC und des Choppers auftreten
können.
Gruß Öletronika
