Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Bauteilauswahl pH-I2C-Umsetzer


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von Laura T. (Gast)


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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.

von Nautilus (Gast)


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Laura T. schrieb:
> da auch nur relativ preiswerte Standardelektroden angeschlossen
> werden

Und ein Temperatursensor, um den pH-Wert zu berichtigen.

von Olaf (Gast)


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> 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

von Laura T. (Gast)


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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?

von Lurchi (Gast)


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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.

von Laura T. (Gast)


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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?

von Laura T. (Gast)


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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.

von Lurchi (Gast)


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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.

von Laura T. (Gast)


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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)?

von nachtmix (Gast)


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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?

von nachtmix (Gast)


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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.

von nachtmix (Gast)


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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.

von Dshing S. (dshing)


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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.

von Laura T. (Gast)


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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.

von Lurchi (Gast)


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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.

von Dshing S. (dshing)


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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.

von Lurchi (Gast)


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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.

von Laura T. (Gast)


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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.

von Dshing S. (dshing)


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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.

von Laura T. (Gast)


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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.

von Lurchi (Gast)


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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.

von Laura T. (Gast)


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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.

von Lurchi (Gast)


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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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