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Selbstbau- pH-Meter

Hier finden Sie die Bauanleitung für eine Wasserwechsel-Automatik

Anleitung für ein pH-Messgerät

© 1999, 2000 Aquarix® Software - Privatnutzung erlaubt. Kommerzielle Nutzung nur nach Absprache

Dieses Dokument ist wie folgt gegliedert:
Grundlagen / Theorie
Schaltung
Schaltungsbeschreibung
Layouts
Abgleich
Links und Infos / Bezugsquellen

Haftungsausschluß

Der Nachbau erfolgt auf eigene Gefahr. Arbeiten an Netzspannungsführenden Leitungen dürfen nur von dafür ausgebildeten Fachleuten vorgenommen werden ! Das innere des Gerätes hat Netzspannungsführende Leitungen. Spannungen ab 42 V können tödlich sein.
Aquarix Software haftet nicht für Schäden die durch den Nachbau oder den Betrieb dieses Gerätes entstehen. Sie haben keinen Anspruch auf Hilfe im Falle des Nichtfunktionierens oder Schadenersatz.

Grundlagen / Theorie

Wenn man einmal weiß, wie einfach diese Geräte funktionieren, kann man sich leicht selbst eins bauen:

Der pH-Sensor:
Der Sensor ist vom elektrischen Prinzip her nichts weiter als eine Batterie, die je nach Säuregehalt die Spannung ändert. Im Idealfall liefert sie 0 V bei pH7 und dann ca. 59 mV pro 1 pH, wobei die bei höheren pH-Werten die Spannung verringert, und bei niedrigeren pH (<7) die Spannung erhöht.
Die Sensoren bestehen in den meisten Fällen aus einem Glasröhrchen mit einem sehr dünnen ende (Die Membran). Dieses Ende ist durchlässig für Flüssigkeiten und erlaubt den im Röhrchen liegenden Teilen die Messung des Säuregehaltes. Im Röhrchen befinden sich verschiedene Elektroden sowie eine Flüssigkeit, in manchen auch ein Gel.

Diese Bilder zeigen 2 Elektroden, Bildquelle: Schott

Die Spannungen in der Übersicht:

pH	Spannung
9	2 x -59 mV= -118 mV
8	- 59 mV
7	0 V
6	59 mV
5	2 x 59 mV=118mV

Wenn man nun eine Schaltung haben möchte, die diese Spannung in ein verwertbares Signal überführt muß man folgendes machen:

1. Man muß das Signal verstärken, je nach dem was man später haben möchte. Will man z.B. 1 V / pH haben, müßte man die Verstärkung auf 1/0.059=ca. 17. Hier muß man sich also entscheiden.
Bei der untenstehenden Schaltung habe ich 100 mV/pH gewählt, das ergibt dann 0.1/0.059=1,7

2. Man muß das Signal invertieren, damit es richtig herum angezeigt wird, man will ja bei einem steigenden pH auch einen steigenden Messwert erhalten. Ohne Invertierung erhielte man bei steigendem pH einen fallenden Messwert !

3. Mann muß eine Offsetspannung zum Signal addieren, damit man einen liearen Bereich bekommt.

Beispiel:
pH5 ergibt am Sensor 2*0.059V=0.118 V. Verstärkt man das mit 17 ergibt das +2V.
Invertieren macht daraus -2V.
Addiert man eine Offsetspannung von +7V dazu ergibt sich +5V (pH 5)
Bei pH0 wäre das Signal am Sensor 7*0.059=413 mV. Verstärkt mit 17 gibt das ca. +7V.
Nach der Invertierung erscheint -7 V am Ausgang.
Mann addiert zu diesem Signal nun eine Offsetspannung von +7V, damit bei pH0 das Signal auch 0V und nicht -7 V ist. Auf diese Weise kann man ein billiges Voltmeter anschließen und direkt den pH-Wert ablesen.
Ohne die Invertierung bekäme man ein genau falsches Ergebnis: pH0 wären dann 14V, pH 14 wären 0V.

Es hängt vom verwendeten Voltmeter ab, wie man die Offsetspannung und die Verstärkung einstellt.
Man kann sie wie folgt berechnen:

Verstärkung: A=(Volt pro pH) / 0.059
Offsetspannung: O=7* (volt pro pH)

In der untenstehenden Schaltung habe ich gewählt: 100mV / pH, das ergibt also:
A=0,1/0,059=1,695
O=7*0,1V=0,7 V
Um nun den Sensor zu eichen, baut man für die Verstärkung und den Offset ein Potentiometer ein, damit man sie regeln kann.
Für die Eichung bei pH 7.00 benutzt man die Offsetspannung, für die Eichung bei pH 4.00 die Verstärkung.

Hier nun die Schaltung:

Klicken Sie auf das Bild um eine große Ausgabe davon zu laden (70 KB GIF, 2768 x 2280 pixel)

So könnte es aussehen...

Schaltungsbeschreibung

Zur Verstärkung wird ein Opamp vom Typ TL084 benutzt. Das Teil ist sehr billig aber trotzdem völlig ausreichend. Das wichtige bei der auswahl dieses Opamps ist der FET-Eingang, das ein pH-Sensor nur Ströme im fA (femto !) bereich liefert muß dieser sehr hochomig sein. Der TL084 hat in einem Gehäuse 4 unabhängige Verstärker. Man benötigt daher nur 1 IC für die ganze Schaltung.

Das Signal des Sensors wird per BNC-Stecker auf das IC U1A gegeben. Dieser wirkt als Verstärker dessen Verstärkung durch R1 und R2+R11 festgelegt wird. Mit R11 kann man später die Verstärkung einstellen.
Nach der Verstärkung erfolgt die Addierung der Offsetspannung sowie gleichzeitig die Invertierung mit U1B. Dazu wird das Signal an den invertierenden Eingang von U1B gelegt. Da dieser als Umkehraddiere geschaltet ist, wird gleichzeitig die Spannung, die an Pin 5 von U1B liegt addiert. (Die Spannung wird durch die Widerstände R10, R5, R12 und R3 gebildet. Sie ist UOFF=(R3+R12) / (R10+R5+R12+R3). Spannungsteilerregel)
Der Kondensator C1 ist sehr wichtig, er filtert die 50 Hz-Netzspannung und andere Störungen aus, damit der Wert nicht schwankt.
Verstärkt, invertiert und mit Offsetspannung versehen passiert das Signal U1C, der nur als Puffer dient. An seinem Ausgang steht das fertige Signal. In diesem Fall wird es durch den Spannungsteile R13/R14 verkleinert, damit wir im Messbereich des verwendeten Voltmeters (200 mV) bleiben. Ohne den Spannungsteiler, würde bei pH 14 eine Spannung von 1.4 V entstehen, was das Voltmetermodul nicht verkraftet. Durch die Teilung durch 10 ergibt sich ca. 140 mV, was sich nachher mit dem Regler R12 (Offsetspannung) exakt einstellen läßt.

Das wir für die Versorgung der IC komplementäre Spannungen benötigen, habe ich einen Trick angewandt, um Material zu sparen. U1D wird als virtuelle Masselieferant beschaltet. Dadurch kommen wir mit einfacher Versorgungsspannung von +12 V aus, U1D wandelt es in +6 V und - 6 V um. (Bezogen auf die virtuelle Masse an Pin 14 von U1D)

Mit dieser Schaltung kann man jedes gewöhnliche Voltmetermodul (DVM) benutzen, das einen Messbereich von 200 mV hat. Man muß nur den Dezimalpunkt an der zweiten Stelle setzen, damit nachher auch 7.00 steht und nicht etwas 70.0
Alle Teile kosten um die 30 DM zusammen.
Das DVM bekommt man z.B. bei Conrad unter der Bezeichnung DVM 210 oder DVM 310 (Mit Beleuchtung)
Man kann es mit dem Temperaturmodul TSM 320 kombinieren um auch eine Temperaturanzeige zu erhalten.
Zur Versorgung dieser beiden Module dient die Schaltung im oberen Teil des Schaltplans. Sie erzeugt auch die korekten Spannungen für die Hintergrundbeleuchtung der Module sowie die +12 V für die Messschaltung.

Man muß dabei beachten, daß diese DVMs eine getrennte Masse benötigen, d.h. man kann nicht einfach Masse der Stromversorgung des DVM und die Masse der Messschaltung zusammenlegen ! Die Masse für das pH-Signal greift man an Pin 14 des TL084 ab, da befindet sich die virtuelle Masse. Auf keinen Fall die Stromversorgungsmasse als Signalmasse verwenden ! Das könnte das DVM zerstören.

Die Stromversorgung hat getrennte Anschlüsse für Stromversorgung DVM (DVM power, DVM ground), Hintergrundbeleuchtung (DVM LED power, DVM LED ground) sowie entsprechend für das Temperaturmodul. (Das letzte benötigt leider nur 3 V, weshalb ich mit Spannungsteiler etwas nachhelfen mußte um von 9V auf 3 V zu kommen. 9V werden für das DVM benötigt. Ich habe dafür die kleinen im TO92-gehäuse vewendet, daher sind 2 Stück in der Schaltung, damit ich 200 mA zur Verfügung habe. Die LED der Beleuchtung benötigen je 50 mA.)
Das gibt also:

12 V für die Messschaltung
9 V für das DVM, dieser werden dann nochmal auf ca. 3 V gesenkt für das Temperaturmodul.
Wenn man nur das DVM ohne Beleuchtung betreiben möchte, werden folgende Bauteile überflüssig:
R15, R17, R18, R19 und U3.

Diese Schaltung ist bei mir seid 6 Monaten ohne Störungen in Betrieb. Sie speist zusätzlich noch eine von mir entwickelte digitale Regelung, die das CO2 im Becken steuert. Das Signal ist sehr sauber, also auch zur regelung zu verwenden.

Falls jemand mal Zeit hat per Komparator eine regelung anzuschließen, bitte ich um den Plan dieser Schaltung, damit ich meinen digitalen Regler entsorgen kann.

Abgleich

Zum Abgleichen an einen gegebenen pH-Sensor geht man wie folgt vor:

Sensor in pH 7.00 tauchen und R12 solange drehen, bis 7.00 auf der Anzeige steht. Danach pH 4.00 nehmen und R11 solange drehen bis 4.00 an der anzeige steht. Das ganze wiederholt man 3-4 mal, bis alles korrekt ist. Es empfiehlt sich, das Gerät 20 Minuten vorher einzuschalten, damit die Betriebstemperatur erreicht ist.
Die Schaltung is so dimensoniert, daß mit R11 von pH 3 bis 5,25 und mit R12 von pH 5,9 bis 8,5 geregelt werden kann.

Bemerkungen zu den Bauteilen:
R11 und R12 können ganz normale Potis sein, es müssen keine Spindel- oder Trimmerpotis sein.
Alle Widerstände Metallfilmwirderstände.
Der verwendete Trafo ist ein Typ mit 2x15 V und je 200 mA.

Links und Infos / Bezugsquellen

Bezugsquellen:

Bauteile: www.conrad.de

Elektroden:
www.zajac.de
www.conrad.de

 

Layouts / Bestückungspläne

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Layout: Leiterbahnseite, spiegelverkehrt. Doppelte Größe	Layout: Leiterbahnseite, NICHT spiegelverkehrt, Doppelte Größe
Bestückungsplan

Stückliste

Bezeichnung	Bauteilbezeichnung	Anzahl
R1	Widerstand 33 k	1
R2, R19	Widerstand 5,6 k	2
R3	Widerstand 20 k	1
R4, R7, R13	Widerstand 100 k	3
R5	Widerstand 270 k	1
R6, R8	Widerstand 4,7 k	2
R9	Widerstand 2,2 k	1
R10	Widerstand 180 k	1
R11	Poti 47 k	1
R1	Poti 10 k	1
R14	Widerstand 12 k	1
R15, R16, R18	Widerstand 150 k	3
R17	Widerstand 10 k	1
C1, C2, C3, C4, C7	Keramikkondensator 100 nF	5
C8, C9	Elektrolytkondensator 2200 uF	2
B1, B2	Brückengleichrichter B80C1500	2
U1	Operationsverstärker TL084N	1
U3, U5	Spannungsregler 7809	2
U4	Spannungsregler 7812	1
TR1	Trafo 230 V/ 2*15 V, 200 mA	1
Sicherungen	200 mA Träge	2