Kritik an meinem differenziellen pH-Sondendesign

Einige Kommentare,

Meine erste Sorge gilt dem RC-Filter an den Opamp-Eingängen (LMC662). Ich verwende klassische Widerstände von 4,7 MOhm, nützlich oder nutzlos, da die Sonde jetzt differentiell ist. Sollte ich andere Arten von Widerständen verwenden? 2,2-nF-Kondensatoren sind Keramik.

Da Ihre Schaltung hauptsächlich Gleichstrom für Ihr Labor ist, gibt es keinen besonderen Grund, sich um das Material der beteiligten passiven Komponenten zu kümmern.

Wird Ihr Prozess richtig reagieren können, wenn Sie 6,0002 vs. 6,0004 (16 Bit) messen? Oder reicht es, zwischen 6.1 und 6.2 (7 Bit) zu unterscheiden?. Wie viel Geld und Zeit steht Ihnen dafür zur Verfügung?

Anhand dieser Fragen sollten Sie in der Lage sein, abzuschätzen, wie viel Präzision erschwinglich zu erreichen ist.

Beachten Sie, dass kommerzielle, nicht so billige pH-Messumformer und billige pH-isolierte Messumformer letztendlich einen Kostenvoranschlag in Ihr Projekt einfließen lassen würden.

Wie auch immer, es gibt mehr echte Bedenken. Welches Kabel verwendest du? Welche elektrischen Daten hat die Sonde? Wie groß ist die Temperaturdrift der Sonde?

Wenn der GND der Schaltung direkt mit der Flüssigkeit verbunden ist, kann es zu Problemen kommen? Wie Erdschleife, wenn ich einen anderen Sensor einbaue?

Hier drin gibt es ein irreführendes Konzept.

Die Schaltung differentiell zu machen, weil GND Teil der Schaltung ist, ist eine irreführende Sorge. Tatsächlich würden die meisten (wenn nicht alle?) der bestehenden Standards auf dieser Welt verlangen, dass Ihre Geräte elektrisch geerdet sind . Wenn Ihr Reaktor metallisch wäre, sollten Sie jetzt darüber nachdenken. Wenn Sie alles mit Mains GND verbinden, sollten Sie sich keine Sorgen machen, stattdessen sollte es Sie beunruhigen, wenn Ihre Geräte nicht mit GND verbunden sind.

Wenn Sie einen Kunststoffreaktor haben, sollten Sie sich in der Tat Sorgen machen, dass sich dort elektrostatische Ladungen befinden. Ein weiterer Grund, an eine GND-Verbindung für Ihre Flüssigkeit zu denken. Sie möchten nicht, dass Ihr pH-Messumformer durch ESD ruiniert wird ...

Eigentlich müssen Sie die Elektroden vom Rest Ihres Stromkreises isolieren. Eine Signalmasse (oder analoge Masse) zu haben, ist absolut sinnvoll. Unter dieser Übung und diesem Sinn ist es Ihnen eindeutig gelungen ...

Der Analog-Digital-Wandler führt die Differenzmessung zwischen den beiden Opamp-Ausgängen durch. Vielleicht könnte der RC-Filter für die Opamp-Ausgänge verbessert werden? Ich habe den Wert beibehalten, den ich für die nicht differenzielle Messung verwendet habe.

...Aber was Sie noch nicht erkannt haben, ist: Der Zweck der Schaltung ist es, zu verstärken . Sie müssen die durch die Ionisation in der Sonde erzeugte Spannungsdifferenz verstärken. Es ist Ihnen eigentlich egal, ob Sie es mit GND messen. Sie möchten Ihre Mühe investieren, um eine Verstärkerschaltung als hochohmiges Frontend zu haben und die genaue Spannungsdifferenz in die ADC-Stufe zu berechnen. Und dieses Problem nicht ungelöst zu lassen. Aber ich würde diese Phase nicht betreten, ohne Ihre Spezifikationen zu klären. Ich behaupte auch nicht, dass Sie sich darüber Sorgen machen sollten.

Beachten Sie, dass ich Ihre Idee der Isolation nicht verteidige. Die meisten Schaltungen auf der Welt verbinden eine Elektrode mit Schaltungs-GND, weil Sie es nicht brauchen. Außerdem wissen wir, dass Ihre pH-Sonde bereits vom Prozess isoliert ist ...

Zusätzliche Kommentare

1. Wenn Sie mit Erdungselektrode einen Kupferstab zur Erdung des Netzes meinen , zeichnen Sie ihn hier nicht ein. Das GND-Symbol setzt voraus, dass Sie an ein ordnungsgemäß geerdetes System angeschlossen sind.

2. Beachten Sie, dass [elektromagnetische] Störungen (EMI) nicht für DC-Systeme gelten.

Bearbeiten:

Die Wahrheit ist, dass der Differentialmodus etwas lauter ist als der Nicht-Differentialmodus

Erwartet ... Zwei Geräuschquellen ... UND dies bestätigt, dass Ihr Geräusch natürlich elektrisch und nicht physikalisch ist.

Der pH-Wert sprang auf 8 anstatt auf 5 und schwankte zwischen 7,5 und 8,5

Zuerst würde ich die gesamte Flüssigkeit erden. Da es sich bei der Schaltung um Gleichstrom handelt, würde ich mir keine Sorgen machen, dass ESD einen signifikanten Effekt hat. Schließlich können Sie immer in Betracht ziehen, die Ordnung des Filters zu erhöhen, anstatt in diesem Stadium einfach einen Kondensator zu verwenden.

Das SS-Ventil wäre eigentlich eine gute Idee. Inzwischen wäre ein einfaches Kabel, das an GND geschraubt wird, von einer beliebigen Schalttafel oder sogar von einem Netzstecker in Ordnung. Haben Sie keine Angst vor der Erdung. Nur als Test: Messen Sie die Spannung zwischen dem Netzneutralleiter und dem GND. Vielleicht hat der Motor ein Problem.

Ziehen Sie auch ein abgeschirmtes Twisted-Pair-Kabel mit 22 AWG (extrem niedrige Kapazität, falls verfügbar) für den Sondenleiter in Betracht, um Rauschen auszuschließen. Wenn Sie das Sondenkabel nicht wechseln können, suchen Sie einen EMT-Elektrokanal und führen Sie das ph-Sondenkabel dort hindurch. Sie können sogar einige Boxen für eine endgültige und EMI-geschützte Leitung kaufen.

Ist ein RC-Filter sinnvoll, wenn ich eine Differenz zwischen den beiden Potentialen lese (und nicht in Bezug auf GND)?

Dafür denke ich an einige Schaltpläne wie den hier gezeigten . Daher besteht die erste Stufe darin, die Spannungsdifferenz zu verstärken, wobei die Sonden isoliert sind. Wie bereits erwähnt, eignet sich der Verstärker für kapazitive Sensoren, wie z. B. Ihre pH-Sonde.

Ist ein RC-Filter sinnvoll, wenn ich eine Differenz zwischen den beiden Potentialen lese (und nicht in Bezug auf GND)? Ich nehme an, sie haben das gleiche Geräusch? löscht sich die Rauschkomponente beim Subtrahieren? Ich sehe hier die Gefahr, mit RCs zusätzliches Rauschen zu erzeugen, anstatt es auszulöschen.

Beachten Sie beim RC-Filter Folgendes: Der Sensor ist kapazitiv. Wenn Sie Kondensatoren parallel schalten, reduzieren Sie das Ionisationsrauschen der Sonde gegenüber GND. für jede Elektrode. Im Extremfall würde eine deutlich größere Kapazität in Ihrer RC-Stufe den physikalischen Effekt eliminieren. Als Filter würde ich nichts Größeres als den erforderlichen Anti-Aliasing-Filter einsetzen. Für ein stationäres Signal in Ihrem Display würde ich ein digitales Standard-FIR verwenden.

Außerdem verursachen die RCs keine Geräusche. Außerdem sollte hochfrequentes Rauschen von den beiden Kabeln NUR aufgehoben werden, wenn sie gleichzeitig in Ihrem ADC abgetastet werden.

Am Ende gibt es keinen wirklichen Grund zu der Annahme, dass der pH-Wert Schwankungen mit Frequenzen von mehr als einigen Hert aufweist. Denken Sie noch einmal daran, dass die Sonde mehrere Zentimeter lang ist und keine punktuellen pH-Variationen erfassen kann, und aufgrund ihres Designs kann sie keine hochfrequenten pH-Variationen Ihrer Flüssigkeit erfassen . Sie haben also in der Tat einen nahezu DC-Messwert. Der Frequenzgang Ihrer Sonde sollte nichts Größeres messen können. Der Rest ist nur elektrisches Rauschen von der Sonde.

Daher: Verwenden Sie ein digitales Filter, das dem erwarteten Frequenzgang des Filters entspricht (FIR-Tiefpass 10Hz), und wenn Sie möchten, ein Anti-Aliasing-Filter vor dem ADC (RC-Tiefpass bei 1/2 Abtastrate).

Die Eingangswiderstände spielen keine große Rolle (vielleicht spielt die Toleranz eine Rolle - nehmen wir an, es handelt sich um 1% niedrige Tempco-Typen), aber die Kondensatoren geben Anlass zur Sorge. Denken Sie daran, dass eine Fehlanpassung der RC-Zeitkonstante der Eingänge einer Verschlechterung des CMRR (Common Mode Rejection Ratio – das Maß dafür, wie genau Ihre Schaltung tatsächlich differentiell ist) über einen bestimmten Frequenzbereich entspricht. Vermutlich erwarten Sie, dass eine gewisse DC- und AC-Gleichtaktspannung vorhanden ist, oder Sie hätten sie nicht differentiell gemacht. Keramikkondensatoren haben nicht nur eine schlechte Toleranz und Tempco, sondern auch einen signifikanten Spannungskoeffizienten. Sie haben keine Zielspezifikation für CMRR angegeben, aber Sie sollten sich etwas einfallen lassen.

Manchmal ist es besser, den Großteil der Kapazität zwischen den Eingängen statt auf Masse zu legen. Obwohl teurer, können Filmkondensatoren unter Umständen deutlich besser sein.