Guten Tag, als Erstes ein großen Dankeschön an dieses Forum, welches mich als stillen Mitleser des Öfteren weitergeholfen hat. So auch bei meinem aktuellen Projekt, den Bau eines Aquariumsteuergerät u.a. mit CO2 Regulierung mittels Ph-Wert. Da der analoge Teil, welcher die Spannung der Ph-Sonde verstärkt, für mich als Anfänger, eher komplex ist, habe ich mir zusätzlich Hilfe von diesem Forum geholt und zahlreiche Threads, die es schon zu diesem Thema gibt, durchgelesen. Letztlich kam ich dann zu dem angehängten Schaltplan. Meine Anforderung an meiner Schaltung ist eine Genauigkeit von min. 0,1 Ph. Der µC hat eine ADC mit 12bit und eine Versorgungspannung von 3,3V. Hier habe ich schon gleich die erste Fragen: Wenn ich diese auch als Referenzspannung herannehme, kommt es doch wieder zu starken Ungenauigkeiten, oder sind die vernachlässigbar? Um Störungen weiter entgegen zu wirken, wurde mehrmals empfohlen die Ph-Sonde direkt mit einem Kabel (also ohne Platine) mit dem Operationsverstärker zu verbinden. Jetzt wurde aber in einem anderen Thread empfohlen einen Tiefpass vor dem Eingang zu verwenden. Dann funktioniert das doch nicht mehr mit dem direkten Verbinden. Einen Ferritring habe ich auf jeden Fall vor zu verwenden. Ist dann der Tiefpass evtl. nicht mehr notwendig? Die Temperaturkompensation möchte ich über die Software regeln. Vielen Dank im Voraus Chris
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Kannst du mit der Schaltung negative Spannung messen ? Wenn der pH > 7 wird , dann wird die Spannung an der Sonde negativ. Ich hab so was mal mit ner Control 2 gemacht hatte aber deren ADC genutzt. Wenn du willst kann ich dir den pH Verstärker hier einstellen. Ich hatte die Schaltung h aus dem Netz und hab sie so umgeändert das die Kalibrierung der Sonde per Software gemacht wurde. Es gab nur einen Fehler bei der Offsetspannung. Gruß JackFrost
Genauigkeit von 0,1Ph? Boah eh, das müssen aber verwöhnte Fische sein! Hast Du eine Messkette (PH- Sonde) die das kann bzw. soviele Kohle, daß Du Dir sowas leisten kannst? Immer dieser Laienehrgeiz...0,1 pH
Danke für deine Antwort. Negative Spannungen kann messen, weil ich mit IC1A einen virtuelle Masse bereitstelle. Zwischen dieser virtuellen Masse und GND, der Versorgungsspannung, habe ich so eine negative Spannung. Gerne kannst du deine Schalung in den Thread laden. Welche Genauigkeit konntest du so erreichen? Mit freundlich Grüßen Chris
Ich habe mir eine Schott Elektrode günstig ergattern können, mit der ich diese Genauigkeit erreichen kann. 0,1 Ph hört sich zwar nicht viel an, aber grob überschlagen ist bei einem Anstieg von 0,1 ca. 25% mehr Co2 im Wasser gelöst.
chris schrieb: > Meine Anforderung an meiner Schaltung ist eine Genauigkeit von min. 0,1 > Ph. Bringt denn die Sonde das, ist die überhaupt so langzeitstabil ? Normalerweise muss man für 0.1pH nicht nur zusätzlich die Temperatur messen (kann bei temperiertem Aquarium entfallen), sondern auch die Sonde regelmässig mit Kalibrierlösungen neu kalibrieren. Und wenn man das automatisiert (Pumpen), kann man die Sonde auch lange in 3MolK aufbewahren. Nur eine im (schmierigen) Wasser hängende Sonde ist schon nach 1 Woche nicht mehr auf 0.1 genau. > Wenn ich diese auch als Referenzspannung herannehme, kommt es > doch wieder zu starken Ungenauigkeiten Ja, eine pH-Sonde liefert eine absolute Spannung. Jede Abweichung der 3.3V wird eine also prozentual identische Messabweichung. Eine wichtige Entscheidung ist die Frage, ob von derselben Schaltung auch andere Werte (Leitfähigkeit, Sauerstoffgehalt) gemessen werden sollen, denn galvanisch nicht getrennte Sonden müssen dann auf gleichem Potential sein. Ist VCC/2 als Potential ok, dann reichen die 4k7, die Sonde und die OpAmp-Eingänge sind so hochohmig, dass man keinen Buffer LM358 braucht. Deinen Subtrahierer braucht man auch nicht, wenn man die VCC/2 richtig einstellt (cih würde sie auf VCC/2 lassen, aber wenn man nur pH 7-9 messen will, käme der Nullpunkt halt woandershin). C1 wird ein Problem, denn der ist nicht so hochohmig wie der OpAmp Eingang.
1 | +5V |
2 | | |
3 | ARef --+ +------(-C1-+ |
4 | | | | | |
5 | R1 +------(-R4-+ |
6 | | | | | |
7 | A +--R3--+-----|+\ | |
8 | | | >--+--R--+-- A/D |
9 | +--pH--Bead--|-/ | |
10 | | | LMC6001 C |
11 | R2 | | |
12 | | | | |
13 | GND ---+-------------+----------+-- AGND |
reicht eigentlich, man nutzt die 1000mal stabilere Referenzspannungsquelle des uC (kaum belastbar, aber man kann problemlos über 100k nehmen). Eine Verschiebung der Spannung an A durch den Strom durch R3/R4 wird durch die sowieso notwendige Kalibrierung ausgeglichen. Abhalten von Hochfrequenzstörungen durch eine Drosselspule Bead, Dämpfung von Schwankungen durch R/C-Glied. Mehr braucht es nicht. Der Rest, wichtiger, ist das "Pampern" der Sonde (siehe oben, ggf. mit Pumpen).
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Um das Kalibrieren kommt man eh nicht rum. Mit pH 7 und 4 geht das ganz gut. Zudem sieht man dann noch den Zustand der Elektrode. Wenn die Nernstspannung von -0,059 mV / pH zu stark abweicht ist die Elektrode schrott. Zudem ist der Nullpunkt noch wichtig. Ich meine bei einem alten pH-Meter war die Sonde beirets bei -0,056 mV nicht mehr gut. Ist aber schon lange her das ich das Gerät genutzt hatte. Ich hatte mal in Gespräch mit dem Service von Metrohm. Die haben für ihre pH Meter einen Eingangsimpedanz von ~ GOhm. Ih wollte bei meinem pH-Messverstärker das über einen JFET OpAmp machen, hatte dann aber keine Zeit mehr. Da das schon gut 15 Jahre her ist weiss nich nicht welchen Typ ich damals für den Impedanzwandler nutzen wollte. Leider habe ich nur noch die Eagledatei mit dem Impedanzwandler. Zudem hatte ich da noch nicht viel mit EAGLE gemacht, daher sieht das noch etwas wirr aus. Ich konnte 0,1 pH messen, ich weiss aber nicht ob die Stelle hinter dem Komma gesichert war. Nach ein paar Wochen war es aber kein Problem die Elektrode zu kalibrieren. Ich hatte die Verstärkung so ausgelegt das der gesamte pH-Bereich auf 0-4,096 V verstärkt wurde. Die CC2 hatte nen ADC mit 10 bit. Daher konnte ich ~0,013 pH-Einheiten unterscheiden. Ich musste nur die Verstärkte Spannung mit einem DC/DC Wandler wegen dem virtuellen GND abgreifen. Ggf. wenn ich wieder mehr Zeit habe bau ich das mal wieder mit einem XMega. Gruß JackFrost
Bastian W. schrieb: > Zudem ist der Nullpunkt noch wichtig. Ich meine bei einem alten > pH-Meter war die Sonde beirets bei -0,056 mV nicht mehr gut. Kein Wunder, wenn man einen TL084 als Dauerbelastung anschliesst. Da kann man ja gleich ein analoges Mikroamperemeter direkt dranschalten. Mussten die anderen OpAmps im Gehäuse unbedingt verbaut werden oder warum ist die Schaltung so aufwändig ?
MaWin schrieb: > Bastian W. schrieb: >> Zudem ist der Nullpunkt noch wichtig. Ich meine bei einem alten >> pH-Meter war die Sonde beirets bei -0,056 mV nicht mehr gut. > > Kein Wunder, wenn man einen TL084 als Dauerbelastung anschliesst. Das mit dem alten pH-Meter bezog sich auf ein Gerät in der Firma, das den Status der Elektrode über die Nullpunktverschiebung und die Abweichung der Nernstspannung vom theoretischen Wert bestimmt hat. Mit den -0,056 mV meinte ich die Spannung der Elektrode / pH-Einheit. Ich hatte in der ersten Version nur den TL084P. Dann ist das Signal aber umgekehrt zum pH-Wert 0V = pH 14 und 4,096 V = pH 0. Daher hatte ich den TL082P hinzugefügt damit das "logischer" ist. Diese Schaltung hab ich jedoch nie gebaut. Ich habe nur den alten Plan nicht mehr. Auch wenn der TL084P nicht geeigent ist und es sicher bessere OpAmps dafür gibt hat es bei mir Funktioniert. Ich hatte die Werte mit pH-Papier mit 0,2er Teilung gegen geprüft und die Werte haben gepasst. Und so aufwändig ist die Schaltung mit einem TL084P auch nicht . Verstärken -> Offset addieren -> Impedanzwandler und den vierten für das virtuelle GND. Und laut Datenblatt hatte der einen Eingangsimpedanz von ~10^12 Ohm. Für meine Zwecke hats gereicht. Gruß JackFrost
Bastian W. schrieb: > spannung von -0,059 mV / pH Du meinst wahrscheinlich 59mV/pH Auf 0,1pH Einheiten messen zu wollen, ist schon recht sportlich, zumindest wenn man nicht aus der Branche ist. (Stichwort: Kalibrierlösung) Etwas zum Eingangswiderstand des pH-Verstärkers: Man sollte in Erfahrung bringen, welchen Innenwiderstand die pH-Elektrode hat. Früher (vor ca. 50 Jahren lag der Innenwiderstand einer Glaselektrode bei 1 bis 10MOhm, wenn ich mich richtig erinnere) Rechnet man mit einem 10fachen Wert, so sollte der Eingangswiderstand bei ca. 100MOhm liegen.
Die Pufferlösungen bekommt man im Aquariumhandel. Damit sollte es machbar sein. Man muss es dann halt regelmässig machen damit man die Drift der Elektrode kompensiert.
Der TL084 ist schon grenzwertig für eine PH Elektrode. Vor allem als Dauermessung sollte man so etwas vermeiden. Heute ist das ja auch kein Problem mehr. Ein CMOS OP mit Bias im Bereich 1 pA sollte es schon sein - weniger muss nicht, denn das bekommt man auch auf der Platine nur schwer hin. Es reicht also auch schon ein eher gewöhnlicher MCP6001 oder ähnlich. An sich reicht 1 OP so wie oben von MaWin vorgeschlagen. Der Ferrite um das Kabel ist schon mal eine gute Idee. Auch für 0,1 PH Genauigkeit sind die Anforderungen an den ADC und die Ref. Spannung noch nicht so hoch. Das ist vielleicht 1% des Messreichs. Etwas schwieringer wird es da eher HF Störungen (z.B. Handy) usw. draußen zu halten, ohne dass der Filerkondensator am Eingang viel Leckstrom hat.
Lurchi schrieb: > Ein CMOS OP mit Bias im Bereich 1 pA sollte es schon sein - Ist der Unterschied zu typischen 20 pA des TL084 so groß ? Ausgehen von 10MOhm Widerstand der Elektrode dann dürfte die Spannung doch um 10^7 Ohm * 10^-12 * 20 A = 0,2 mV fallen , oder kann man das bei einer hochohmigen Spannungsquelle so nicht rechnen ? Bei einer Verstärkung von ~5 ist das dann ein mV das ich zu wenig messe. Bei einem ADC mit 10 bit und URef 4,096 V sollte das ja unter gehen. Bei 200 pA wird es dann schon enger. Sollte ich es nochmal aufbauen probier ich mal den MCP6001 probieren. Gruß JackFrost
Was ist denn von solche Sets aus dem asiatischen Raum zu halten? http://www.aliexpress.com/item/Free-Ship-1pc-PH-Sensor-Module-V1-1-1pc-PH-Probe-for-AVR-51-PH-shield/1806862718.html?spm=2114.01020208.3.2.WDF5RD&ws_ab_test=searchweb201556_2_71_72_73_74_75,searchweb201527_4,searchweb201560_9
Danke für die weiteren Antworten. Dann werde ich das mal mit der Schaltung von MaWin versuchen, welche mir noch zugleich unnötige Bauteile spart. Gruß Chris
Was verschleisst denn eigentlich solch eine pH-Elektrode? Wir haben in der Galvanik dauerhaft solche Elektroden im Vernickelungsbad, welches immer so bei pH 3.9...4.5 sauer sein soll. Die hängen schon zwei Jahre drin, und die Pufferlösungskalibrierung passt eigentlich immer. Abweichungen nur wegen der Temperatur, aber die sind in einem Datenblatt vorhanden. Bezieht sich der Verschleiss auf die Glasmembrane. Ich weiss dass die Sonden funktionieren, aber wie sie funktionieren, kann ich nach Lesen in der Wiki nur grob nachvollziehen. Ich will da nicht in einem Thread wildern, sondern für andere Interessenten und für mich da Infos bekommen, wie so eine Sonde überhaupt arbeitet.
Die Membran kann verscheißen und die Konzentration der Lösung im inneren kann sich ändern. Wie robust die Sonden sind hägt davon ab, wie dick die Membran ist - damit nimmt aber auch der Widerstand zu. Auch die Größe der Sonde macht einen Unterschied. Auch auf Dauer ein höherer Strom ist nicht so gut für die Sonde. Von der Chemie her sind eher alkalische Umgebungen kritisch, weil da auch Glas nicht so 100% stabil ist. Der TL84 hat noch den Nachteil, dass man eine realtiv hohe Versorungsspannung (z.B. +-5 V) braucht. Moderne Rail-Rail CMOS OPs (etwa der MCP6001) kommen auch mit den 3,3 V des µC aus.
Thomas S. schrieb: > Was verschleisst denn eigentlich solch eine pH-Elektrode? Strom. Eine angeschlossene pH-Elektrode wird durch den Strom beschädigt, der durch die Messchaltung fliesst, weil so steinalte untaugliche OpAmp wie TL084 verwendet werden statt moderner Femtoampere-Elektrometer-OpAmps. Was genau der Strom tut, Elektroden oxidieren, KCl-Lösung spalten oder Elektromigration im Glas, weiss ich nicht. Wenn eine pH-Elektrode rumliegt ist es nur die Austrocknung, die die gefährdet.
MaWin schrieb: > Wenn eine pH-Elektrode rumliegt ist es nur die Austrocknung, die die > gefährdet. Ausgetrocknete Elektroden kann man in der Regel gleich wegschmeißen.
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