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
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).
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
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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