Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik pH-Messschaltung


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von Jack S. (jack1505)


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Hallo Forum,
ich bin dabei eine Messschaltung für pH-Messungen nachzuvollziehen. Die 
pH-Messung soll über das potentiometrische Messverfahren erfolgen. Nun 
bin ich auf ein Problem gestoßen, welches ich nicht verstehe. In der 
Schaltung gibt es nur eine positive Spannung. Diese wird für die 
Versorgung des Operationsverstärker und des Instrumentenverstärkers 
genutzt. Da dieses Messverfahren eine positive und eine negative 
Spannung erzeugt, muss der Nullpunkt des Instrumentenverstärkers 
verschoben werden. Das wird durch den Operationsverstärker 
(Spannungsfolger) gemacht. Jetzt versteh ich aber nicht warum ich den 
Anschluss 24a(Referenzelektrode) mit dem Vref-Eingang des INA verbinden 
muss. (24B=Messelektrode)
VG
Quelle(Patent: US2016/0028414 A1)

von Christoph db1uq K. (christoph_kessler)


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Der konfuse Patenttext zum nachlesen, mit wenig aussagekräftigen 
Zeichnungen:
https://patentimages.storage.googleapis.com/fa/3d/35/5f2e484b63a774/US20160028414A1.pdf

von H. H. (hhinz)


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Christoph db1uq K. schrieb:
> konfuse Patenttext

Das muss so sein.

von Christoph db1uq K. (christoph_kessler)


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Ich habe im Schaltplan nach dem "Sensor" gesucht, der heißt da aber 
PROBE.

Aus der Beschreibung die Google-Übersetzung:

0003 Hochwertige Sensoren zur Messung einer Wasserstoffkonzentration 
oder eines pH-Werts einer Flüssigkeit, in die der Sensor eingetaucht 
ist, gibt es schon seit einiger Zeit. Eine effektive digitale Messung 
mit solchen Geräten kann jedoch eine Herausforderung sein.
Beispielsweise erzeugen typische Sonden, die in einer pH-Schaltung 
verwendet werden, Spannungen in der Größenordnung von einigen Millivolt 
bis zu mehreren Hundert Millivolt.
Solche Sonden können auch negative Spannungen erzeugen, was 
problematisch ist, da die meisten Analog-Digital-Wandler (ADCs), die für 
die meisten digitalen Messungen verwendet werden, nicht für die Messung 
negativer Spannungen ausgelegt sind. Für eine effektive digitale Messung 
sollte daher das analoge Frontend (AFE) eines Systems so ausgelegt sein, 
dass es dem ADC keine negative Spannung präsentiert. Durch 
Signalaufbereitung ist es für das System auch wünschenswert, den größten 
Teil, wenn nicht den gesamten Dynamikbereich des ADCs zu nutzen und das 
Rauschen, das dem ADC präsentiert wird, zu filtern und/oder zu 
unterdrücken.

0004 Um sicherzustellen, dass der Dynamikbereich des ADCs am 
effektivsten genutzt wird, führen typische Schaltkreise eine Verstärkung 
in den AFE-Abschnitt des Schaltkreises ein. Dies führt normalerweise zu 
mehreren Problemen, wie z.B.
a) die Verstärkung führt zu Rauschen,
b) die Verstärkung führt zu anderen Fehlern (z. B. 
Eingangsoffsetstromverstärkung und andere Verstärkungsnichtlinearitäten) 
und
c) die Verstärkung muss variabel sein, um eine Vielzahl von Signalen 
effektiv aufzubereiten.

0005. Es ist daher wünschenswert, eine Sensorschaltung für einen 
elektrochemischen Sensor bereitzustellen, die die Nutzung des größten 
Teils des Dynamikbereichs des ADC ermöglicht, die Empfindlichkeit und 
Genauigkeit erhöht und Daten in digitaler Form bereitstellt, die 
übertragen und von weiteren Systemen genutzt werden können.

von Michael B. (laberkopp)


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Jack S. schrieb:
> Jetzt versteh ich aber nicht warum ich den Anschluss
> 24a(Referenzelektrode) mit dem Vref-Eingang des INA verbinden muss.

Er ist mit dem Ausgang des Buffer-OpAmp verbunden, der eine Spannung 
liefert, die vom DAC stammt und als virtueller Nullpunkt dient.

Es ist völlig überflüssig dazu einen DAC einzusetzen, es täte ein 
simpler Spannungsteiler aus VCC, denn gemessen wird sie über den zweiten 
Analogeingang sowieso

Ref vom Ina ist AUCH mit dieser virtuellen Nullpunktspannung verbunden.

Du kannst in dieser Schaltung alle Widerstände und Kondensatoren 
weglassen und sie funktioniert genau so.

Die Kondensatoren sind mit ihrem Leckstrom sogar verschlechternd. Aber 
wer weiss, welchen INA sie verwenden, normalerweise sucht man 
Elektrometerverstärker mit Leckströmen im Femtoamperebereich bei 
Zimmertemperatur um die Spannung aus den extrem hochohmigen pH-Sonden 
nicht zu verschlechtern, wie AD515AL OPA128 LMC6041. So hochohmige 
fertige Instrumentenverstärker kenne ich nicht. Ein 
Instrumentenverstärker ist an der Stelle aber auch überflüssig.

von Jack S. (jack1505)


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Genau, das habe ich auch durchgelesen. Ich konnte jedoch nicht die 
Antwort finden weshalb die Referenzelektrode an Vref angeschlossen 
werden muss.

von Harald W. (wilhelms)


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H. H. schrieb:

>> konfuse Patenttext
>
> Das muss so sein.

Genau, schliesslich wollen Patentanwälte auch von irgendetwas leben.
Ich vermute mal, Tastaturen für Patentanwälte haben eine zusätzliche
Taste, die "gekennzeichnet durch" in den Text einfügt.

von H. H. (hhinz)


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Michael B. schrieb:
> Du kannst in dieser Schaltung alle Widerstände und Kondensatoren
> weglassen und sie funktioniert genau so.

Die sorgen für ein Überleben der Schaltung in Laienhänden, elektronisch 
gesehen.

Und in der Patentschrift dienen sie natürlich der Rechtssicherheit.

von Jack S. (jack1505)


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Michael B. schrieb:
> Er ist mit dem Ausgang des Buffer-OpAmp verbunden, der eine Spannung
> liefert, die vom DAC stammt und als virtueller Nullpunkt dient.

Ja genau. Müssen Vref und die Referenzelektrode das gleiche Potential 
haben wenn ja warum? Hat das was mit der Messung an sich oder mir der 
Nullpunktverschiebung zu tun.

von Michael B. (laberkopp)


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Jack S. schrieb:
> Müssen Vref und die Referenzelektrode das gleiche Potential haben wenn
> ja warum

Da hier ein Instrumentenverstärker genutzt wurde müssen sie nicht gleich 
sein, aber beide müssen zwischen min (GND) und max (VCC) liegen damit 
positive wie negative Abweichungen gemessen und verstärkt werden können, 
warum also nicht für beide dasselbe Potential nutzen. Damit würde es 
auch ein einfacher OpAmp statt des teuren Instrumentenverstärker tun.
Wie hoch die Spannung exakt ist spiel auch keine Rolle da sie vom A/D 
mitgemessen wird.
1
 +-------------------- Aref
2
 |
3
10k
4
 |
5
 +-------------------- Nullpunkt
6
 |
7
 +---o pH o--|+\
8
 |           |  >--+-- pH
9
 +--100k--+--|-/   |
10
 |        |        |
11
10k       +--1Meg--+
12
 |
13
GND
ist einfacher. Wichtiger ist der OpAmp und der Aufbau, manche biegen den 
+ Eingang hoch und löten das Kabel direkt an damit keine Kriechströme 
über die Leiterplatte fliessen.

von Jobst M. (jobstens-de)


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Jack S. schrieb:
> Patent: US2016/0028414 A1

Ich verstehe nur nicht, was daran patentwürdig sein soll. Ehr 
umständlich. Vermutlich geht es nur darum, ein weiteres Patent sein 
eigen zu nennen um den Wert der Firma zu erhöhen.


Christoph db1uq K. schrieb:
> Ich habe im Schaltplan nach dem "Sensor" gesucht, der heißt da aber
> PROBE.

Ist ja auch kein Sensor, sondern eine Elektrode, eine "Batterie".


Michael B. schrieb:
> manche biegen den
> + Eingang hoch und löten das Kabel direkt an damit keine Kriechströme
> über die Leiterplatte fliessen.

Alternativ legt man einen Guard-Ring von -in um +in und den Anschluss 
der Probe herum.
https://en.wikipedia.org/wiki/Driven_guard

Die von Dir gewählte Verstärkung ist allerdings zu hoch.


Gruß
Jobst

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