Hallo uC Community, ich befasse mich gerade mit PH Sensorik das "vorerst" in mein Aquarium landen wird aber langfristig ich es auch für andere Anwendungen (Wassermax etc.) verwenden will. Nun habe ich unter Anderem diese zwei für mich sehr aussagekräftige Beiträge gelesen. Beitrag "OPV 1:10 PH Elektrode am Analog Eingang" Beitrag "pH-Messung mit Elektrometerverstärker" Trotzdem habe ich noch fragen offen bzw. habe ich nicht alles verstanden: Aktuell habe ich vorliegend eine PH Sensorzelle der Firma Sentek: http://www.sentek.co.uk/spec_sheets/p11_CER_DJ_LICL.jpg Frage1: Die PH Sensorzelle hat eine BNC Buchse an der die Pole der Messelektrode und Vergleichselektrode anliegen (Also 2 Pins vermute ich jetzt mal). Nun wird der Schirm ja als ein Pol benutzt. Schließe ich beide Pole an meinen INA129 an, so messe ich alle Störungen (50Hz brummen sowie näher kommende Personen). In den oberen Beiträgen habe ich nun gelesen, dass es OPs gibt mit pA Bias Ströme, die ich mir auch zulegen möchte. Dieser OP z.B. : http://www.ti.com/lit/ds/snosaw6b/snosaw6b.pdf Der Bias Strom ist doch der Ruhestrom eines OPs? Wie kann ich denn berechnen welchen Ruhestrom ich bei welcher PH-Elektrode benötige? Es gibt ja OPs mit Bias Current in pA und fA Bereich. Ich würde gerne wissen wie ich den Besten heraussuchen kann. (Einen nehmen weils im Datenblatt steht gilt bei mir nicht!) 2 Frage: Im Datenblatt der OPs für PH-Elektroden gibt es immer eine Guard Anschlussleitung. Muss ich solche OPs nehmen mit Guard Leitungen oder kann ich auch einen normalen Inst Verstärker nehmen der als Datenblattangabe eine Bias Current im pA Bereich aufweist? Und wenn ja wie regel ich das mit der Guard leitung? 3Frage: Muss ich das Signal denn nirgends analog Filtern? Das habe ich nämlich in keinem Beitrag gefunden. Falls ich das machen wöllte, welche der Überlegungen ist denn die richtige: PH_Pol- -> Filter -> Inst- und Verstärkungsfaktor PH_Pol+ -> Filter -> Inst+ oder: PH_Pol- -> Inst- und Verstärkungsfaktor -> Filter PH_Pol+ -> Inst+ oder: PH_Pol- -> Inst- ohne Verstärkungsfaktor -> Filter -> Verstärker PH_Pol+ -> Inst+ Das PH Signal soll eingelesen werden und auf den Bereich von 0..3.3V aufbereitet werden, damit ich es mit meinen AD-Wandler meines mBed Systems einlesen und verarbeiten kann. Temperatur einlesen ist schon vorhanden, um die Abhängigkeit nachher mit dem eingelesenen PH-Wert zu verarbeiten. Das ist zwar ein langer Text, aber es sind eben noch einige Fragen offen die ich mir nicht beantworten konnte.. MFG Hubert
> Nun wird der Schirm ja als ein Pol benutzt. Der wird aber direkt mit Masse der Schaltung verbunden, notfalls einer virteullen Masse. Niederohmig, Sternpunkt, direkte Leitung von Differenzverstärker. > Im Datenblatt der OPs für PH-Elektroden gibt es immer eine > Guard Anschlussleitung. Falls die Leitung über die Platine geht. > Muss ich solche OPs nehmen mit Guard Leitungen Nein, du kannst den BNC Mittenkontakt direkt an einen hochgebogenen IC Eingang anlöten, dann gibt es keine Leckströme. > Muss ich das Signal denn nirgends analog Filtern Ein kleiner Kondenator (10nF) zwischen den Anschlüssen dämpft zwar Störungen, muß aber von bester Qualität sein (Teflon, Glimmer) um das Messergebnis nicht zu beeinflussen. Daher clipsen viele einfach einen Ferruit wie ehemals bei PC-Leitungen verwendet um das Kabel um wenigstens UKW abzuhalten.
Hallo MaWin, danke für die schnelle Antwort. > Der wird aber direkt mit Masse der Schaltung verbunden, > notfalls einer virteullen Masse. Niederohmig, Sternpunkt, > direkte Leitung von Differenzverstärker. Wenn ich den direkt an Masse verbinde, dann ist doch der Inst- meines Instrumentenverstärkers auch an Masse verbunden oder versteh ich da etwas nicht? Die Seele kommt doch an Inst+ und der Schirm an Inst-? >> Im Datenblatt der OPs für PH-Elektroden gibt es immer eine >> Guard Anschlussleitung. > > Falls die Leitung über die Platine geht. Ich kann die Antwort leider nicht ganz interpretieren. Ich erstell ja selbst die Platine. Ich hab hier also einen BNC-Stecker vor mir liegen den ich in die Platine designen muss. Wie lass ich denn nun die Guardleitung über die Platine laufen? Gibt es einen Unterschied zwischen Guard und Schirm? >> Muss ich solche OPs nehmen mit Guard Leitungen > > Nein, du kannst den BNC Mittenkontakt direkt an einen hochgebogenen IC > Eingang anlöten, dann gibt es keine Leckströme. Das hast du auch in den oben erwähnten Beiträgen geschrieben. Heißt das ich soll die Pins mechanisch hochbiegen??? Falls ja, wieso macht man das? Ich kann doch die Leitungen so routen, das diese mit keiner anderen verbunden ist. >> Muss ich das Signal denn nirgends analog Filtern > > Ein kleiner Kondenator (10nF) zwischen den Anschlüssen dämpft zwar > Störungen, muß aber von bester Qualität sein (Teflon, Glimmer) um das > Messergebnis nicht zu beeinflussen. > > Daher clipsen viele einfach einen Ferruit wie ehemals bei PC-Leitungen > verwendet um das Kabel um wenigstens UKW abzuhalten. Ich hab die schaltung nicht geroutet, daber so wie ich das immer lese, bau ich einen Ferrit kern ein und alles ist gerizt? Gibt es auch die Möglichkeit anstatt Ferrit auch einen TP-Filter einzubauen? Ich les hier ständig das man es so machen muss aber verstehen tu ich es trotz fortgeschrittenem E-Technik studium nicht :(
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So sieht aktuell meine Schaltung aus. Ich denke, das ich nicht einfach die PH-Elektrode da ranhängen kann und saubere Messwerte erhalte.
> Wenn ich den direkt an Masse verbinde, dann ist doch der Inst- meines > Instrumentenverstärkers auch an Masse verbunden oder versteh ich da > etwas nicht? Die Seele kommt doch an Inst+ und der Schirm an Inst-? Ja, und wo ist das Problem? >>> Im Datenblatt der OPs für PH-Elektroden gibt es immer eine >>> Guard Anschlussleitung. >> Falls die Leitung über die Platine geht. > Ich kann die Antwort leider nicht ganz interpretieren. Der Widerstand einer Epoxyd Platine liegt im Bereich von 1GOhm bis 10TOhm. Stell dir vor deine 5V Betriebsspannung liegt in der Nähe der Eingänge und deine Platine hat nur 1GOhm und ist möglicherweise noch verschmutzt usw. Das heißt dann, dass dort Ströme von mehreren nA fließen. Diese werden dir die Messung versauen. Ist der Guardring auf dem gleichen Potential, wie dein zu messendes Signal, fließt hier kein Strom und man kann dadurch Fehler reduzieren. > Heißt das ich soll die Pins mechanisch hochbiegen??? Falls ja, wieso macht man >das? Auf die Weise brauchst du dir über den Widerstand der Platine keine sorgen machen, da du nicht mit ihr verbunden bist. > Wozu wird der Erdungsanschluss benötigt und wo kommt der hin? Ich würde ihn auf den negativen Eingang legen. Einerseits bringst du damit das Eingangssignal in den Bereich, den die Eingänge verarbeiten können, andererseits kannst du dann eine Schirmung für das Ganze System realisieren. So oder so musst du den Bereich der Eingänge gründlich mit Isopropanol und destillierten Wasser - besser noch Deionat - reinigen, wenn du niedrige Fehlerströme an den Eingängen willst. Denn die Salze und Fette nach jedem Berühren und Flussmittelreste erzeugen wieder Ströme im pA bis nA Bereich. Es gehört schon einiges an Erfahrung dazu Ströme im fA Bereich zu kontrollieren. Deshalb wirst du die 3fA des LMP7721 nicht einmal ansatzweise erreichen. Die Frage ob ein OP fA oder pA input bias Ströme können muss ist somit eh obsolete. Einer mit pA wird dir also reichen. Ich würde die Geschichte deshalb in erster Linie vom Preis des ICs abhängig machen. Wenn du die Schaltung örtlich getrennt vom Sensor betreiben willst würde ich dir Koaxeitungen mit Teflonisolation empfehlen. Auch sollte die Leitung so kurz wie möglich sein. LG Christian
> dann ist doch der Inst- meines Instrumentenverstärkers > auch an Masse verbunden Sicher. > Ich denke, das ich nicht einfach die PH-Elektrode da ranhängen > kann und saubere Messwerte erhalte. Natürlich nicht, die beiden Eingänge schweben ja frei. Du musst schon für absolute Pegel sorgen, und dazu muß ein Anschluss an ein definiertes Potential kommen (der andere hat dann ja definiertes Potential + pH-Spannung). Schirm an Masse wenn dein Instrumentenverstärker diese Spannung als Eingangsspannung erlaubt, sonst eben an eine Spannung zwischen - und +, die virtuelle Masse. > Heißt das ich soll die Pins mechanisch hochbiegen??? Ja. > Falls ja, wieso macht man das? Pinzette ? > Gibt es auch die Möglichkeit anstatt Ferrit auch einen > TP-Filter einzubauen? Sicher, wenn dir einer in ausreichend hoher Qualität über den Weg läuft. Da die pH-Elektrode hochohmig ist, bildet schon eine kleine Kapazität mit ihm einen Tiefpass, nur stört eben schon ein Widerstand von 10 GOhm den Messwert, daher baut man ungern Bauteile ein, die nach Masse (oder einer anderen Spannung) gehen, nicht mal Platine die wenn sie feucht ist auch leicht mal besser leitet.
Vergiß bitte all die tollen Instrumentationsverstärker. Die haben meistens einen viel zu geringen Eingangswiderstand resp. zu hohen Biasstrom. Nimm einen geeigneten OpV mit Fet-Eingang und betreibe ihn als nichtinvertierenden Verstärker (manchmal auch Elektrometerschaltung genannt). Soweit ich weiß, gibt es nur einen einzigen gut für diese Aufgabe geeigneten Operationsverstärker und zwar von National Semiconductors. Alt und teuer, aber gut. Der OpV darf nämlich die ph-Elektrode nicht belasten (sonst altert sie dir ruck zuck weg), weswegen er nen Eingangswiderstand in der Gigaohm-Gegend haben sollte. Wenn ich mich recht erinnere, dann darf die Elektrode mit nicht mehr als 100 pA oder so belastet werden. Ach such doch mal selber im Netz. Viele Hersteller nehmen genau deshalb den OpV im alten DIL-Gehäuse und biegen den E+ eingang vor dem Einlöten hoch, so daß er in die Luft zeigt. Von dort aus wird ein bedrahteter 22 MOhm Widerstand zum Mittelanschluß der Buchse durch die Luft geführt. Nur so bekommt man den Eingang wirklich hochohmig hin. Und der Tiefpaß aus 22 Mega und ein paar pF Eingangskapazität des E+ Eingangs vom OpV sollte gegen Netzbrumm ausreichen. Das "Guard"-Signal ist nix anderes als der Leitungszug, der an den E- kommt. Dieser wird (wenn man den E+ partout auf der Leiterplatte wegführen will) allseitig um die E+ Leitung herumgeführt, so daß die E+ Leitung nach allen Seiten hin als nächste Leitung das E- Potential sieht. Etwaige Kriechströme auf der LP werden damit abgefangen ohne an den E+ zu gelangen. W.S.
Hallo, vor einiger Zeit stand ich auch vor dem Problem den PH-Wert im Aquarium über CO2-Anlage anzupassen. Habe seit dem den LF777 im Einsatz. Im Datenblatt Seite 9 gibts gleich noch die passende Schaltung dazu. Bin bis jetzt sehr zufrieden damit. Gruß - Matthias
Ich würde bei der Version noch einen hochohmigen Widerstand zwischen nichtinvertierenden Eingang und pH-Elektrode schalten--> Tiefpass und Schutz
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Hallo Leute, danke für die informativen Antworten jetzt ist mir einiges klar. Ich bin zum Entschluss gekommen das ich zwei Schaltungen aufbauen werde. Einmal die Highend (preislich natürlich auch) und einmal die alternative Schaltung. Highend hab ich im Anhang nachgebaut und ist von hier abgepinselt: http://www.ti.com/lit/an/snoa529/snoa529.pdf LowEnd bin ich noch dabei zu entwickeln. Die PH Elektrode schwankt in einem Bereich zwischen -414mV und 414mV. Mit steigener Temp. schwankt der Bereich um +-518.29mV (aus demm Dokument entnommen). Die Schaltung hebt nun die symmetrische Spannung der PH-Elektrode um 512mV an, sodass der Wertebereich >=0 wird. Somit spar ich mir die symmetrische Spannungsversorgung des Instrumentenverstärkers, den ich stattdessen eingesetzt hätte. Der Schirm (PH-) hängt nun in meiner Schaltung nicht direkt an AGND, sondern wird über den Impedanzwandler um 512mV angeboben. PH+ werde ich wie oben beschrieben an das hochgebogene Beinchen direkt anlöten. Brauche ich dazu auch noch den erwähnten 22MOhm widerstand der in reihe zum PH+ Pol geschaltet wird? Wie kommt man auf den Wert 22MOhm? Welchen Ferritkern würdet Ihr mir zusätzlich empfehlen (evtl. Farnell Bezeichnung) damit ich das Kabel zusätzlich entstören kann. Ich hab an meinem PH Sensor nachgeschaut und dieser hat keine Guardleitung, da es eine einfache BNC Buchse ist. Zusätzlich habe ich einen "Angstfilter" eingebaut den man evtl dazu beschalten könnte. Viele Grüße Hubert
Hallo Community, ich bin grad dabei die Bauteile für die Schaltung auszusuchen. Jetzt hat meine pH Elektrode eine BNC Buchse. Also brauch ich für meine Schaltung einen BNC Stecker. Nun lese ich dass allein der BNC Stecker eine Impedanz von 50Ohm hat. Wird dadurch nicht schon die pH Elektrode nur durch den Stecker belastet? Aber irgendwie machen es die Hersteller doch auch mit BNC Steckern? MFG Hubert
Bernd Hubert schrieb: > Nun lese ich dass allein der BNC Stecker eine > Impedanz von 50Ohm hat. Wird dadurch nicht schon die pH Elektrode nur > durch den Stecker belastet? Nein. Diese 50 Ohm sind der Wellenwiderstand des Steckers. Das ist kein real existierender Widerstand im eigentlichen Sinn. Dieser Wert ist für Hochfrequenzanwendungen interessant. Für deine Anwendung ist lediglich der Isolationswiderstand interessant. LG Christian
Hallo Christian, BNC Isolationswiderstand = 5000MOhm Top. Vielen Dank für die Erklärung! MFG Hubert
Bernd Hubert schrieb: > Ich bin zum Entschluss gekommen das ich zwei Schaltungen aufbauen werde. > Einmal die Highend (preislich natürlich auch) und einmal die alternative > Schaltung. Dazu möchte ich beitragen das Temperaturkompensation, Kalibrierung (mit guten bis sehr guten Standards und Zwischenreinigung mit destilliertem Wasser um Verschleppung zu vermeiden) und eine gut gepflegte pH Sonde (z.B. saubereres Diaphragma, gute KCL Lösung bei nicht Gel Elektroden etc.) viel mehr bringen als irgendwelche "High-End" Schaltungen. Aus Sicht der Elektronik mit ihren Möglichkeiten ist die pH Messung nur eine Krücke. Du misst die Spannung einer extrem hochohmigen Nasszelle die durch das Einsickern irgendwelcher Ionen von denen keiner weiß wo Sie herkommen ihre Spannung ändert. Das alles ist reine Relativmessung und wird gemacht weil es keine anderen einfachen Verfahren gibt. Bei den Aquarienfreunden gibt es irgendwo eine einfache Messschaltung, die reicht im nicht Laborbetrieb dicke.
> mehr bringen als irgendwelche "High-End" Schaltungen
Jein.
Wenn man die Elektrode nur mal kurz reinhängt, tun es
auch Zeigerinstrument-Mikroampermeter an der Elektrode
wenn das Wasser etwas salzig ist.
Wenn aber eine Elektrode lange drin bleiben soll, sollte
sie möglichst hochohmig angeschlossen werden.
Der übliche Aufbau, ein Elektrometerverstärker und
direkte Drahtverbindung, ist primitiv aber ausreichend.
Da Aquarien sowieso temperaturgeregelt sind, erübrigt
sich die Temperaturkompensation.
Ich will das KnowHow ja auch für weitere Projekte nutzen. Deshalb steck ich so einen hohen Aufwand an Theorie in die Basics der pH Welt. Daher will ich es von beginn an richtig machen und nicht ungefähr. Wenns Komplikationen gibt dann löse ich die, oder frag kompetente Leute wie euch um Rat.
Bernd Hubert schrieb: > Ich will das KnowHow ja auch für weitere Projekte nutzen. Schon klar, sonst macht wohl keiner den "High-End" Aufwand. Dann hast du sicher auch eine vernünftige Laborausrüstung und geeignete Standards. Als Elektrode würde ich eine mit Temperatursensor (PT100/PT1000) nehmen was die Messung einfacher macht.
Ja, ich hab mir zwar schon ein Temp Sensor getrennt aufgebaut. Die Erste Messung wird PH-Elektrode und dazu getrennt Temp-Sensor sein. Wenn das einmal läuft dann werd ich mir ein All in One PH-Elektrode kaufen. Muss man auf der Platine AGND als Polygon über die gesamte Platine ziehen wie ich es auf allen anderen Platinen mache, oder wird das bei solch einer Messung nicht gemacht?
Du musst auch auf der anderen Platine nicht GND über die ganze Platine ziehen, denn man verlegt GND mit Sinn und Verstand und nicht nach solchen "kippen wir das da mal rein" Regeln. Leider ist das mit der sinnvollen GND Führung nicht so leicht zu verstehen, daher kann so lange ein anderes Vernunftargument helfen: Wenn man die Platine selber ätzt und daher das Ätzmittel nicht regeneriert, dann lässt man möglichst viel Kupfer auf den Platinen stehen, dann reicht das Ätzmittel recht lange. Wenn die Platine von Profis stammt, die das Kupfer aus dem Ätzmittel recykeln, dann versuchen die natürlich möglichst viel abzuätzen, schliesslich würden sie das draufgelassene Kupfer dem Kunden schenken. Wenn man die Platine in Auftrag gibt, kann man natürlich versuchen, möglichst viel Kupfer für's Geld zu bekommen.
>Ich will das KnowHow ja auch für weitere Projekte nutzen Immer der gleiche Mist hier bei den pH Projekten. Da soll das Supergerät gebaut werden und hinterher wirds nix, weil von Anfang an zu kompliziert gebaut. Nimm einen hochohmigen Verstärker (Notfalls nen TLC272), die vorgeschlagenen Kombis von Megaohm-Widerstand und pF/nF Kondensator (Polystyren) an den Eingang mit hochgebogenem Pin und gut ist. Verstärke soweit wie nötig und mach alles andere (Temp., Offset) in Software. 1 Dual OP, 1 Digitaler Temperatursensor im Röhrchen und ein ATmega 48. Gut ist. Immer diese irren Projekte. Das eigentliche Know-How was Du sammeln wirst ist, dass die Messung aufgrund chemischer und physikalischer Gesetzmäßigkeiten alles andere als trivial und genau ist. Dein lächerlicher OPamp macht da zwischen ein paar pA und fA Biasstrom einfach mal gar nix aus.
Bernd Hubert schrieb: > Wie kommt man auf den Wert 22MOhm? Ganz einfach: weil das so ziemlich der größte Wert ist, den man bei Feld-Wald-Wiesen-Widerständen leicht bekommt. Ist absolut unkritisch. W.S.
>Du misst die Spannung einer extrem hochohmigen Nasszelle >die durch das Einsickern irgendwelcher Ionen von denen keiner weiß wo >Sie herkommen ihre Spannung ändert. Das alles ist reine Relativmessung >und wird gemacht weil es keine anderen einfachen Verfahren gibt. Unsinn. Schon im vorigen Jahrhundert hat man Messungen zur pH-Wert-Bestimmung auch ohne Elektronik beherrscht. Wenn man sich ernsthaft mit pH- Messungen beschäftigen will, dann sollte man zunächst mal u.a. ein Lehrbuch der physikalischen Chemie, Kapitel Elektroden I. und II. Art durcharbeiten. (übrigens, der Widerstand einer Glaselektrode lag vor 50 Jahren bei 1-10MOhm; neuere Angaben habe ich nicht) Etwas ausführlicher zur pH messung hatte ich mich mal im Beitrag "pH-Wert mit uC erfassen. Sensor gesucht." ausgelassen. MfG
>Du musst auch auf der anderen Platine nicht GND über die ganze Platine >ziehen, denn man verlegt GND mit Sinn und Verstand und nicht nach >solchen "kippen wir das da mal rein" Regeln. Ich lasse die Platinen fertigen, da es für mich eine bessere Qualität ergibt, und nicht sonderlich teurer ist als die Platine selbst zu fertigen. Also fällt das Vernunftkriterium denke ich weg. Gibt es irgendwelche Sachen die ich bei AGND beachten muss.. kann man das so legen dass evtl. Störungen entfallen? Auf anderen Schaltungen route ich auch nicht AGND einfach so auf dei Platine. Meistens ist jedoch der Größte Teil der Platine mit AGND/ oder GND besezt. Gibt es einen Grund diese bei der PH-Platine nicht zu machen?
Du könntest die Schaltung im Abgeschirmten Gehäuse unterbringen, welches mit Massepotenzial verbunden ist. Damit kann man sich eine Menge Ärger sparen.
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Hallo Freunde der Technik, die Zeit ist vorangeschritten und ich bin in den letzten Zügen, um meinen PH-Sensor zu beenden. Ein Anliegen habe ich noch und hoffe hier eine Lösung zu finden. Mein Problem: Im Anhang findet Ihr meine Messkurven. Einmal u_ist und einmal u_soll (u_soll ist aus der Nernstgleichung abgeleitet und zusätzlich mit einem gain und offset versehen, damit ich meine angehobene u_ist Messkurve direkt vergleichen kann). u_ist ist eine interpolierte Gerade zu den Messwerten u_mess(pH 4) und u_mess(pH10). Nun ist die Frage: laut Nernstgleichung: u_theorie = -1.9842*10^-4 * (T + 273.15) * (pH - 7); u_soll = u_theorie * gain + offset (nun sollten alle Namensgebungen einmal aufgetaucht sein). hängt der pH-Wert von der gemessenen Spannung UND von der Temperatur T ab. Ich will jetzt folgenden Trick anwenden: u_mess anhand Faktoren multiplizieren, sodass jeder Messpunkt: u_soll = korrekturfaktor * u_mess + korrekturoffset. So könnte ich mein Messwert DIREKT in die Nernst´gleichung (nach pH Umgesstellt) anstatt meinem u_theorie einsetzen und hätte eine Theoretische Berechnung der Temperatur mit praktich ermittelten Messwerten. Dieser Letzte Schritt fehlt mir. Kann mir jemand auf die Sprünge helfen, wie ich aus meinem u_ist, den Korrekturfaktor und Offsetfaktor extrahieren kann um diese dann mit u_mess zu multiplizieren? Ich hoffe ich hab mein Anliegen verständlich erläutert. Danke schonmal füßr alle Ansätze!
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