Hallo, ich muss ein paar pH-Elektroden per I2C-Bus (5V) auswertbar machen. Es ist keine extreme Genauigkeit gefordert (0.1 reicht; Bereich etwa pH 5-10), da auch nur relativ preiswerte Standardelektroden angeschlossen werden. Idee: Instrumentenverstärker -> ADC mit I2C-Schnittstelle Die Elektrode "vorspannen", damit man keine negativen Spannungen auswerten muss. Jetzt habe ich folgende Seite gefunden: https://github.com/SparkysWidgets/MinipHHW/blob/master/MinipHV4_0.pdf Dort wird das genau so gemacht. Gehe ich recht in der Annahme, dass man die 3V-Referenz verwendet (und nicht die 5V VCC), um eine höhere Auflösung zu erhalten? Gewiss könnte man ja auch eine noch kleinere Referenz verwenden? Und sollte man nicht einen Kerko parallel zur Buchse schalten, damit der hochohmige Eingang nicht so schnell durch ESD gegrillt werden kann? Weiters, (und darum geht es mir eigentlich) sind die Komponenten nicht alle gut erhältlich (ich schaue gerade bei TME) bzw. eventuell gibt es ja besser geeignete modernere Alternativen? Einer von euch hat da sicher einen besseren Überblick, was ich als OPA und ADC verwenden sollte.
Laura T. schrieb: > da auch nur relativ preiswerte Standardelektroden angeschlossen > werden Und ein Temperatursensor, um den pH-Wert zu berichtigen.
> Und sollte man nicht einen Kerko parallel zur Buchse schalten, damit der > hochohmige Eingang nicht so schnell durch ESD gegrillt werden kann? Auf die Idee koennte man kommen, aber dann sollte es auch ein Kondensator mit allerkleinstem Leckstrom sein und gewiss kein Billigmodell. Layout von soetwas ist auch nicht etwas fuer Anfaenger im ersten Versuch. Informier dich mal was ein Guard ring ist. Olaf
Die Schaltung aus dem Link hat ein Problem: Dadurch, dass der MCP3221 seine Betriebsspannung als Referenz nimmt und hier 3V aus einer externen angeklemmt werden, kann man keine 5V-Signale aus dem I2C-Bus mehr anklemmen. Das Datenblatt sagt max. VCC+1V. Hier ist es anders gelöst: https://github.com/ddavidebor/pH-Meter/blob/master/Ph%20Meter%20Thesis.pdf Der ADS1015 hat eine eingebaute Referenz. Aber ich finde weder den LMP7702, den LMC6061 noch den ADS1015 bei TME. Daher nochmal zur ursprünglichen Frage: Hat jemand Empfehlungen für leicht erhältliche, preiswerte Komponenten für den Zweck?
Passende OPs gibt es genügend, etwa LMC6482, LMC662,... Der etwas schwierige Teil könnte die Temperaturkompensation werden. In 1. Näherung bräuchte man eine Ref. Spannung etwa proportional zur absoluten Temperatur. Alternativ sonst ein ADC für 2 Kanäle und ein Temperatursensor. Das umrechnen muss dann der µC am anderen Ende des I2C busses machen. Für nur 0.1 PH Auflösung würde auch schon der µC interne ADC in vielen µCs ausreichen. D.h. man könnte einen kleinen µC (z.B. PIC16, AVR, 8051) statt dem ADC nutzen, man braucht da keinen 16 Bit ADC auch 8-10 Bit können ausreichen. Eine gute 50 / 100 Hz Unterdrückung über eine Mittelung über 20 ms oder vielfache wäre aber schon gut.
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Ich dachte es mir so. Das ist stellvertretend im Schaltplan erstmal ein anderer Standard-OPAmp. Die Pin-Nummerierung an ihm hat dort also erstmal nichts zu heißen. OUT_REF wird anhand von R4 und R5 auf etwa 0,5 Volt eingestellt. Dann liegt OUT_PH im Bereich von etwa 0,1 bis 0,9 Volt. Beide Signale würden an Analogeingänge eines ATtiny oder ATmega gehen, mit dort 1,1 Volt Referenz. Meinungen?
Die Differenz beider Signale ist dann der reale Spannungswert der Elektrode. Was die Temperatur angeht: Diese wird bereits separat ermittelt bzw. schwankt sie nur um 2-3 Grad, von daher hatte ich sie nicht erwähnt.
Die Offsetspannung per Teiler von Vcc ist nicht ideal. Vermutlich wäre ein Teiler von der Ref. Spannung besser. Bei gut stabiler Versorgung kann auch ggf. auch VCC und einen Teiler von VCC als Referenz dienen. Der Eingang des OPs sollte in der Regel noch etwas Schutz bekommen. Etwa ein Kondensator und Serien-widerstand. Je nach OP ggf. auch noch extra Dioden.
Ich dachte, weil ich die Offsetspannung ja beliebig gut puffern und glätten kann, wäre das kein Problem. Messen muss ich sie eh mit einem zweiten ADC-Eingang. Wie hochohmig kann man eigentlich den Spannungsteiler machen? Muss man wahrscheinlich ausprobieren. Aber umso glatter wäre ja die Spannung. Zum OP-Schutz (der ja noch fehlt): Ich weiß, dass da möglichst wenig bis nichts an den positiven Eingang dran sollte. Sogar von mit Teflon aufgebockten Pins ist die Rede. Guard-Ringen. Könnte man nicht einen Kondensator zwischen den positiven und den negativen Eingang klemmen, sodass der OP durch die Kapazität geschützt wäre und andererseits das Ergebnis nicht verfälscht würde (der OP regelt ja immer so, dass dort 0 Volt anliegen)?
Laura T. schrieb: > Zum OP-Schutz (der ja noch fehlt): Ich weiß, dass da möglichst wenig bis > nichts an den positiven Eingang dran sollte. Sogar von mit Teflon > aufgebockten Pins ist die Rede. Guard-Ringen. Besser gesagt: Die Messkette sollte nicht belastet werden. Besonders wichtig ist das bei kleinen Glaselektroden, aber es gibt auch andere Systeme, die wesentlich niederohmiger sind. Theoretische 54mV/pH, bzw. in der Praxis etwas weniger, haben sie alle. Was den Schutz des Verstärkereingangs angeht, so kannst du bei einem richtigen Elektrometerverstärker, den Fehler, der durch einen 1MOhm Vorwiderstand verursacht wird, vernachlässigen, und weil damit selbst bei 1000V nur 1mA fliesst, reichen die internen Schutzschaltungen des Opamp aus. Gibt der Hersteller deiner Meßkette einen Wert für deren Innenwiderstand an?
P.S.: Laura T. schrieb: > Sogar von mit Teflon > aufgebockten Pins ist die Rede. Das ist durchaus angebracht. Insofern ist die SMD-Konstruktion in dem verlinkten Artikel nicht das Gelbe vom Ei, denn da kann man das IC-Beinchen nicht einfach hochbiegen und eine Freiluftverdrahtung machen. Entsprechend PTFE-Lötstützpunkte kann man kaufen.
Laura T. schrieb: > ich finde weder den LMP7702, den LMC6061 noch den ADS1015 Den LMC6062 z.B. in der DIL-Version gibts sogar bei Reichelt.
Also erst mal gebe ich zu bedenken, wie lange das System eingesetzt werden soll. Einstabmessketten sind extrem empfindlich und sollten tunlichst stromlos eingesetzt werden. Auch ist das Rauschen stets zu beachten, auch wenn das bei der geforderten Genauigkeit nicht problematisch ist, so sind auftretende Rauschausgleichsströme eben auch Ströme. Der Ts912 ist ein recht guter und günstiger und eigentlich überall zu erhaltender OPV für diesen Bereich, mit der Einschränkung am Ende der Rail etwas zu verzerren wie eig. alle in der Preisklasse. Je nachdem wo der Einsatzort geplant ist, sollte man auch überlegen, ob der Ansatz mit dem Bias an der Ph-Masse sinnvoll ist. Ab einer gewissen Große der Spannungsteiler - Widerstände wird das Eigenrauschen größer als das der Spannungsversorgung, ist aber für die Genauigkeit hier recht unkritisch. 10k sollten gehen. Ich würde den Euro investieren und eine symmetrische Versorgungsspannung nutzen und so das Messmedium potentialfrei lassen, erspart eine Menge Ärger, wenn man das nicht immer mit umladen muss. Die Temperaturkompensation kann man sich hier auch sparen, bei den gegeben Randbedingungen macht das zwar Spaß, aber keinen Sinn. Eins will ich noch einwerfen: Auch ein Becherglas mit Wasser gefüllt ist eine gute Antenne und ein 230 V AC Kabel in der Wand auch.
Aber selbst ohne Offset, d.h. Offset = 0, also mit der Elektrode auf
Erde, wäre das Potential ("GND") ja immernoch ein Potential und es
könnten Wechselwirkungen auftreten. Oder habe ich dich falsch
verstanden?
Langzeitstabilität und Langlebigkeit wären in der Tat deutlich wichtiger
als absolute Genauigkeit.
Einen Großteil des Schutzes kann ein Widerstand (z.B. 1 M - genügend Spannungsfest) übernehmen. Ein zusätzlicher Kondensator (z.B. 100 pF PS oder PP) könnte auch eine mechanische Stützfunktion übernehmen. Wenn man den Offset über einen 2 Kanal misst, geht es auch über einen Teil von VCC. Ein gemeinsamer Teiler mit der Referenz würde da aber etwas einsparen und man müsste nicht so oft den Nullpunkt nachmessen. Für die eher geringen Anforderungen ist das aber wohl nicht nötig. Der Teiler für den Offset kann schon recht hochohmig werden, die wesentlich Last dürfte der ADC zum messen sein und je nach Aufbau ggf. auch Leckstrom von der Probe zum Rest der Schaltung. So kritisch sollte die Filterfunktion aber nicht sein, der Puffer darf auch ein Elko sein.
Der Vorteil wenn die Bezugselektrode = Abschirmung auf GND sitzt ist zum einen der, dass deine Masse (sofern gut geroutet) nicht rauscht, aber was viel wichtiger für deine Spezifikation ist, sie ist um ein zig Tausendfaches bis Millionenfaches niederohmiger als dein Offsetspannung (so wie sie jetzt konzipiert ist). Einstreuungen aus sonste wo, werden so sang und klanglos dem Erdboden also (Achtung schlechter Wortwitz) Ground gleich gemacht. Im Detail: Um die Langlebigkeit zu maximieren, sind die Ströme in und aus der Elektrode zu minimieren, jeder Strom egal welches vorzeichne frisst Lebenszeit, dazu gehören auch hochfrequente Ströme, die von den üblichen parasitären und gewollten Kapazitäten weggemittelt werden. In der Elektrode fallen sie dennoch erstmal an. Wichtig sind die Ströme zwischen den beiden Elektroden, die Ströme innerhalb der jeweiligen Elektroden und deiner Schaltung sind nicht so kritisch. Das heißt, wenn du eine fluktuation im Messmedium hast, z.B. du titrierst gerade o.ä. dann treten Potentialänderungen zw. deinen Elektroden auf, die du ja auch messen willst. Diese Potentialänderungen haben aber zur Folge, dass deine Kondensatoren auf das neue Potential umgeladen werden müssen. Die Elektronen kommen Eingansseitig aber aus deiner Einstabmesskette. Das heißt, wenn du einen 10 µF Kondensator parallel zu deiner Einsabmesskette hängst, dauert es einige Stunden, bis deine Messkette endlich genügend Elektronen geliefert hat, um dein Kondensator aufzuladen. Es gilt also, je höher die Eingangskapazität, des so geringer die Lebensdauer deines Sensors. Darüber hinaus ist natürlich der konstante Strom in dein OPV wichtig. Ich hab mir die Vorgeschlagenden jetzt nicht alle angeschaut, aber du solltest auf einen möglicht geringen Input Bias Current, hohen Innenwiderstand und geringe Eingangskapazität achten. Bei der Betrachtung von Störfeldern und der Lebensdauer wird es ein wenig verworrender, da die Bezugselektrode deutlich schlechter Dämpft als das BNC - Kabel und sie dadurch eigentlich nicht gleich sind, da aber ein Großteil des Störsignals an der Abschirmung/Bezugselektrode absorbiert wird, ensteht durch jede Störung eine Potentialdifferenz, die nicht der des elektrochemischen Gleichgewichts in der Messkette entspricht und daher, solange sie andauert, auch wieder einen Stromfluss zw. den Elektroden hervorruft. Wenn deine Bezugselektrode jetzt niederohmig an ein Potential angebunden ist, kann diese die durch das Störfeld eingebrachten "falschen" Ladungsträger schneller ableiten und die entstehenden Potentialdifferenz ist nicht so hoch (passiver Spannungsteiler) und folglich der Ausgleichsstrom auch nicht. Ich brauche nicht erwähnen, dass asymetrische Störfelder durch zusätzliche Kapazität in ihrer Wirkung potenziert werden. Man muss sich wirklich klar machen, was ein Innenwidertand von >100 MΩ bedeutet. Dabei treten parasitäre Größen in den Vordergrund, die üblicherweise keine Rollespielen und die man immer schnell außer Acht lässt. Auch bekommen Eingangswiderstände im Tera Ohm Bereich plötzlich eine andere Bedeutung. Du kannst je nach Qualität der Messkette schon daran denken/hoffen, dass am Ende der Lebensdauer das Giga Ömchen erreicht wird und deine ph - Messung trotzdem noch immer gut funktionieren kann. Schaltungstechnisch würde ich eher zum Instrumentenverstärker raten, das löst viele Probleme und kostet diskret aufgebaut nur die zweite Versorgungsspannung mehr.
Die meisten der vorgeschlagenen OPs (insbesondere die LMC6...) sind schon OK, mit angegebenen Bias-strömen unter 1 pA. Ein Instrumentenverstärker bringt hier nichts, weil keine oder nur kleine Verstärkung benötigt wird. Es wird auch kein Differenzeingang benötigt. Wenn einem der Spannungsteiler für die Referenzseite zu hochohmig ist, könnte man da einen OP als Puffer zwischen schalten. So hochohmig muss man da auch nicht werden. Es hängt halt auch davon ab, wie die restliche Schaltung von der Umgebung Isoliert ist. Störend wären hier etwa Ausgleichsströme / Common mode Störungen von einem Netzteil. Mit Netzversorgung hat man aber auch kein Problem den Teiler niederohmig zu machen oder einen Puffer zu spendieren.
Die Spannungsversorgung (Netzteil) hat genug Leistung, daher wollte ich den Spannungsteiler nicht hochohmig machen, um Energie zu sparen, sondern nur, um die Spannung zu glätten.
Ein Instrumentenverstärker braucht es nicht, das ist richtig, es kann auch anders gelöst werden. Ein Instrumentenverstärker, bzw. eher zwei OPV als diskreter Instrumentenverstärker bieten aber mehr Freiheiten, denn worüber wir auch noch nicht gesprochen haben, ist, wie denn die Verschiebung des Arbeitspunktes der Einstabmesskette kompensiert werden soll. Das kann man vielleicht noch fast rein Softwaretechnisch abdecken, aber dann wird es doch wieder interessant, was die Temperatur genau mach, bzw. welche Messkette genau bei welcher absoluten Temperatur genau eingesetzt werden soll. Ich würde sagen, dass es fast etwas eng werden könnte, wenn man das so ganz allgemein halten will. Den Fehler des ADCs darf man auch nicht vergessen, der liegt so wie jetzt geplant bei etwa 4 mV, wenn ich das richtig im Kopf habe. Das wird ohne analoge Kompensation für ein pH Wert von 5-10 +/-0.1 bei ?20°C +/-3°C bis kurz vor leer wird wirklich eng und sollte einmal berechnet werden. Ich würde auch sagen, dass der Spannugnsbereich fast ein bisschen eng werden kann. Also das Konzept so wie angedacht wird schon funktionieren, wahrscheinlich auch etwa. 1 Jahr lang, vielleicht nicht in den gewünschten Grenzen und Genauigkeiten, aber laufen wird es erst mal.
Ein µC als ADC wurde ja hier vorgeschlagen. Klar, sind die nicht so genau. Falls der Spannungsbereich ein Problem würde, könnte man auch die 2,56 V - Referenz (ATtiny) verwenden und den Spannungsteiler etwa auf die Mitte einstellen. Die Genauigkeit wird davon natürlich nicht besser..... Achso, was ich noch schreiben wollte: Klar würde ich den Spannungsteiler immer vor jeder Messung mitmessen und alle Messungen natürlich auch mit x-fachem Oversampling, etc. Ich brauche die pH-Werte nicht sekundengenau.
Wenn man eine eher kleine ref. Spannung wählt oder den OP mit etwas Verstärkung (z.B. x 2-5) nutzt sollte man bis etwa 1 mV auflösen können. Der Offset sollte nicht so kritisch sein, weil man sowieso den Offset der Sonde abgleichen muss. So ganz viel sollte die Spannung mit der Temperatur nicht variieren. Die mehrfache Abtastung wird man vor allem zur Unterdrückung von 50Hz Störungen benötigen, die sind bei einer so hochohmigen Messung nicht ganz auszuschließen.
Angehängte Dateien:
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ph.png
1,8 KB
Nochmal zum Guard-Ring bzw. ESD-Schutz per Kondensator. Der Guard-Ring sollte ja auf dem gleichen Potential liegen, wie das Eingangssignal, nur eben niederimpedant. Mit anderen Worten: Guard-Ring verbunden mit Ausgangssignal. Kann man den Kondensator zum ESD-Schutz nicht auch so anklemmen, wie im Anhang gezeigt? Das würde auch Nebeneffekte reduzieren und anders kriegt man einen geschlossenen Guard-Ring auch gar nicht hin. Eventuell habe ich aber auch gerade einen Knoten im Hirn.
Der Kondensator direkt zwischen den OP Eingängen ist ggf. problematisch. Das kann funktionieren, muss es aber nicht. Ein Kondensator vom OP-Ausgang direkt zum Eingang wäre OK. Das geht dann in Richtung Sallen-key Tiefpass.
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