pH und Temperaturmessung leicht gemacht

Von Vidushi Kshatri und Franz Kraus

Auch in unserem aktuellen digitalen Zeitalter ist die Natur analog. Oftmals ist es notwendig, physikalische GrĂ¶ĂŸen zu messen. Dieser wichtige Markt, wir nennen ihn CAEN – Chemical Analysis & Environmental Monitoring, hat die Aufgabe, nicht elektrische analoge GrĂ¶ĂŸen in eine digitale GrĂ¶ĂŸe umzuwandeln und ĂŒber eine grĂ¶ĂŸere Distanz zu ĂŒbertragen. Dieser Artikel beschreibt wie einfach es ist, den pH-Wert und die Temperatur zu messen und Messwerte mittels 4-20mA zu ĂŒbertragen. Mit Bauteilen von Analog Devices und Microchip lĂ€sst sich das einfach umsetzen. Das “CAEN pH/Temp-Kit” von Semitron ermöglicht es, die besprochenen Bauteile auf einfache Art und Weise kennenzulernen.

Der pH-Wert ist ein Maß des SĂ€uregrades oder BasizitĂ€t einer wĂ€ssrigen Lösung. Lösungen mit einem pH von weniger als 7 sind sauer und Lösungen mit einem pH grĂ¶ĂŸer als 7 sind basischer Natur. Zitronensaft hat einen pH-Wert von 2,2 - sein SĂ€uregrad wird durch die ZitronensĂ€ure hervorgerufen Seifenwasser hingegen hat einen pH-Wert von 12 (alkalisch / basisch).

Der pH-Wert beschreibt die molare Konzentration von Wasserstoff- und Hydroxidionen in einer wĂ€ĂŸrigen Lösung. Wasser bei 25°C enthĂ€lt 1x 10-7 mol/l von Wasserstoffionen und die gleiche Konzentration an Hydroxidionen. Daher bezeichnet man Wasser als neutral (pH-Wert 7) in der Natur. Der pH-Wert ist dimensionslos und ist der negative dekadische Logarithmus der WasserstoffaktivitĂ€t.

Eine Änderung der AktivitĂ€t um 10 entspricht der pH-Wert Änderung um 1 (log(10) = 1). Die gĂ€ngigsten Methoden zur Messung des pH-Wertes verwenden eine pH-sensitiven Glaselektrode, eine Referenzelektrode und ein pH-Meter. Alternative Verfahren verwenden Indikatoren oder Colorimeter.


Anwendungsbeispiele:

  • Fast jeder Prozess der Wasser verwendet, muss in regelmĂ€ĂŸigen AbstĂ€nden eine pH-Messung des Wassers durchfĂŒhren.
  • Der pH-Wert des Blutes signalisiert den Gesundheitszustand des Menschen.
  • Rohstoffe wie Weizen und Mais wachsen am besten, wenn die Erde einen optimalen pH-Wert aufweist. Saurer Regen kann sehr nachteilig fĂŒr die ErnteertrĂ€ge sein.
  • In der Galvanik wird die pH-Regelung genutzt, um den Chromglanz zum Beispiel auf Schrauben, Muttern, Toastern und Automobilstoßstangen zu gewĂ€hrleisten.
  • Der pH-Wert des Abwassers von Fertigungsanlagen und Abwasseraufbereitungsanlagen sowie Trinkwasser aus kommunalen Trinkwasseranlagen darf gewisse Grenzwerte nicht ĂŒber- und unterschreiten.
  • Andere Anwendungen umfassen die pH Neutralisation von Abwasser in der Produktion von Stahl, Zellstoff und Papier sowie in chemischen und pharmazeutischen Fabriken, bei Umkehrosmose, in der Arzneimittelherstellung, in der Chemie und Petrochemie-Fertigung, der KĂŒhlturmsteuerung und vielem mehr.


Warum ist die Temperaturkompensation zur exakten pH-Messung notwendig?

pH-Glaselektroden, die sehr hĂ€ufig zur Messung verwendet werden, sind empfindlich gegenĂŒber der WasserstoffionenaktivitĂ€t in einer Lösung. Folglich ist die Konzentration an Wasserstoffionen nicht der einzige Faktor, der den pH-Wert einer Lösung beeinflusst. Die Konzentration von anderen Chemikalien in der Lösung oder der IonenstĂ€rke der Lösung, hat Einfluss auf die Messung des pH-Wertes. Die AktivitĂ€t der Wasserstoffionen in AbhĂ€ngigkeit von der Konzentration anderer Ionen in der Substanz steigt mit Erhöhung der Umgebungstemperatur.

Die allgemeine mathematische Beschreibung des Verhaltens der Elektrode wird durch die Nernst-Gleichung beschrieben:

E = E0 - (2,3 RT/nF)log(a)

Wobei:

E = Elektrodenpotential (mV)

E0 = Standardelektrodenpotential

R = Universelle oder molare Gaskonstante (8,31447 Joules/mol x Kelvin)

T = absolute Temperatur (Kelvin)

n = Anzahl der ĂŒbertragenen Elektronen (bei Wasserstoff (H+): n = 1)

F = Faraday-Konstante (96485,34 Coulombs/mol)

a = AktivitÀt des betreffenden Redox-Partners 2,3 ist ungefÀhr ln(10)

Der Faktor 2,3 RT/nF wird Nernst-Faktor oder Elektrodensteilheit genannt. Eine Änderung der AktivitĂ€t a um 10 stellt eine Änderung des pH-Wertes um 1 dar.

Setzt man die Konstanten in die Nernst-Gleichung ein und betrachtet die WasserstoffelektronenaktivitÀt (n = 1) und ersetzt log(a) durch pH (a = 10), dann sieht die Gleichung wie folgt aus:

E = E0 + (1,98 x 10-4) T pH

Der Nernst-Faktor ist linear von der Temperatur abhÀngig und kann somit einfach kompensiert werden. Bei einer Temperatur von 20°C (293,15 K) ergibt sich beispielsweise eine SpannungsÀnderung von 58,15mV.

 

ADI PMODs


CN0326 - isolierter pH-Sensoreingang mit Temperaturkompensation


CN0326 ist ein isolierter pH-Sensoreingang zur Signalaufbereitung und Digitalisierung. Die Schaltung ist stromsparend konzipiert, weist eine automatische Temperaturkompensation und eine Genauigkeit von 0,5% auf. Der Messbereich betrĂ€gt 0 bis 14pH mit einer rauschfreien Auflöung von grĂ¶ĂŸer 14 Bit. Diese Schaltung unterstĂŒtzt eine Vielzahl von pH-Sensoren, die einen Innenwiderstand, von 1 MOhm bis zu mehreren GOhm aufweisen können.

Dieses Design stellt eine Komplettlösung fĂŒr einen temperaturkompensierten pH-Sensor dar. Die Schaltung besteht aus drei Funktionsblöcken: Einem EingangsverstĂ€rker fĂŒr die hochohmige pH-Sonde, dem A/D-Wandler sowie der galvanischer Trennung der Spannungsversorung und der digitalen Signale. Dies wird mit den Analog Devices Bauteilen AD8603, AD7793 und ADuM5401 realisiert.

Details zum Pmod CN0326 finden Sie in der Schaltungsbeschreibung: www.analog.com/en/circuits-from-the-lab/CN0326/vc.html

CN0179: 4 -20mA/14-Bit-Process-Control-Current-Loop-Transmitter

CN0179 ist ein 4-bis-20mA-Sender, der eine Kommunikation zwischen der Prozesssteuerung und einem Stellglied erlaubt. Abgesehen davon, dass es sich um eine kostengĂŒnstige Lösung handelt, ist diese Schaltung stromsparend. 4-bis-20mA-Stromschleifen werden hĂ€ufig in speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS) und Prozessleitsystemen (DCS) mit digitalen oder analogen Ein- und AusgĂ€ngen eingesetzt.

4-bis-20mA-Schnittstellen werden bevorzugt, weil es sich dabei um eine kostengĂŒnstigste und sehr störunempfindliche Lösung zur DatenĂŒbertragung ĂŒber lĂ€ngere Distanzen handelt. Durch den Einsatz von stromsparenden Bausteinen (AD8657 (2fach OP), AD5641 (DAC) und ADR02 (Referenz) wird das Strombudget so gering wie möglich belastet, so dass fĂŒr die anderen Komponenten wie Controller und digitale Isolatoren genĂŒgend Strom ĂŒbrig bleibt. Die Schaltung gibt einen Strom zwischen 0 und 20mA aus und benötigt eine Spannungsversorgung (single supply) von 8 bis 18V.

Der 4-bis-20mA-Strombereich wird hÀufig verwendet, damit sich DAC und Mikrocontroller aus der Stromschleife versorgen können, wÀhrend der Ausgangsstrombereich von 0 bis 4mA oft verwendet wird, um z.B. eine Fehlerbedingung zu diagnostizieren. Die drei genannten Bausteine verbrauchen zusammen 747 Mikroampere (typisch).

WeiterfĂŒhrende Informationen finden Sie in der Schaltungsbeschreibung der CN0179: www.analog.com/en/circuits-from-the-lab/CN0179/vc.html

CN0336: 12 Bit/300-kS/s-Datenerfassungssystem fĂŒr 4-20mA-EingĂ€nge

CN0336 ist ein komplett isoliertes 12-Bit, 300-kS/s-Datenerfassungssystem unter Verwendung von drei aktiven Bausteinen. Der Eingangsstrombereich der Schaltung betrĂ€gt 4 bis 20 mA und benötigt eine 3,3-V-Spannungsversorgung. Durch den geringen Platzbedarf stellt das eine interessante Lösung fĂŒr 4-bis-20 mA-Datenerfassungssysteme dar, bei der die Genauigkeit, Geschwindigkeit, Kosten und GrĂ¶ĂŸe optimiert wurden.

Sowohl die Daten als auch die Spannungsversorung sind isoliert aufgebaut. Dadurch ist die Schaltung robust gegen hohe Spannungen. Durch die Trennung der Masse der empfindlichen Messschaltung von der ĂŒbrigen Masse ist die Schaltung unempfindlich gegen Störungen, die oft in rauen Industrieumgebungen auftreten.

Die Schaltung besteht aus einem Stromspannungswandler, einer Arbeitspunktanpassungseinheit , einem A/D-Wandler und einer Isolationstrecke der digitalen AusgĂ€nge des A/D-Wandlers. Der AD8606 wurde auf Grund eines geringen Offsets (65ÎŒV maximum), eines niedrigen Bias-Stroms (1pA Maximum) und des geringen Rauschens (12nV/√Hz maximum) ausgewĂ€hlt. Bedingt durch den niedrigen Stromverbrauch (349ÎŒA bei 3,3V) des 12-Bit/1MS/s SAR A/D-Wandlers AD7091R ist er fĂŒr diese Anwendung geeignet.

Zur galvanischen Trennung der digitalen Signale und der Stromversorgung wird der ADuM5401 (C-Grade) verwendet.

Details kann man der Schaltungsbeschreibung der CN0179 entnehmen: www.analog.com/en/circuits-from-the-lab/CN0336/vc.html

 

SEM32 Board

Das SEM32 Board wurde von Semitron in Zusammenarbeit mit Microchip entwickelt. HerzstĂŒck ist ein 32-Bit Controller der PIC32MX-Familie, der auf einem MIPS 4K Prozessorkern basiert. Die Peripherieeinheiten sind Ă€hnlich denen der 8- und 16-Bit-Controller von Microchip.

Die wichtigsten Eigenschaften der PIC32MX-Familie sind:

  • 80MHz; 1,56 DMIPS/MHz
  • bis 512KB Flash,
  • bis 128KB RAM,
  • USB host/Device/OTG (Full-speed),
  • 10/100 Ethernet MAC, CAN interface, UART / I2C / SPI,
  • 10-Bit-A/D-Wandler mit bis zu 16 EingĂ€ngen

Die Entwicklungsumgebung MPLAB X stellt Microchip kostenlos zur VerfĂŒgung. Es unterstĂŒtzt die gĂ€ngigsten Betriebssysteme (Windows, Linux und OS X). MPLAB X beinhaltet alle notwendigen Werkzeuge zur Softwareerstellung (Simulator, Projektmanagement, Debugging, 
). MPLAB X kann hier geladen werden: www.microchip.com/mplabx. Auch einen C / C++ Compiler stellt Microchip fĂŒr die PIC32 Familie bereit. Es gibt auch eine kostenlose Version, die die Optimierungsgrade 0 und 1 zur VerfĂŒgung stellt. Die kostenpflichtigen Varianten bieten ausgeklĂŒgelte Optimierungsmöglichkeiten an.

Der Compiler wird XC32 genannt und kann hier geladen werden:

http://www.microchip.com/xc32

An Debug- und ProgrammiergerĂ€ten bietet Microchip z.B. PICkit3, ICD 3 und REAL ICE an. Neben dem Microchip-eigenen Debuginterface (ICSP) besitzen die PIC32-Controller auch ein JTAG-Interface, so dass man z.B. auch den J-Link Debugger von Segger nutzen kann. Das SEM32 Board ist mit zwei Pmod-Interfaces ausgestattet. Damit ist es möglich, eine Vielzahl von Pmod-Modulen u.a. von Analog Devices zu nutzen. Auch Semitron hat Pmod-Module entwickelt. Auch aus diesem Grund bietet sich das SEM32 Board fĂŒr die in diesem Artikel beschriebenen Applikationen an.

Dieses Bild zeigt die Hauptbestandteile des Boards auf.

 

Die Lösung

Datenerfassung & Anzeige: SEM32 + CN0326 + PMOD OLED

Das SEM32 Board muss mit den Pmod CN0326 von Analog Devices und dem PmodOLED von Digilent verbunden werden. Die installierte Software kommuniziert mit dem CN0326, um den pH- und Temperaturwert zu messen. Das OLED-Display auf dem PmodOLED dient zur Anzeige der ermittelten Messwerte. Die Kommunikation zu beiden Pmods geschieht mittels SPI-Schnittstelle. Der angezeigte pH-Wert wird vom PIC32 Controller temperaturkompensiert.

Bevor man den pH-Sensor nutzt, ist es notwendig den Sensor zu kalibrieren. Ein gutes Ergebnis erreicht man mittels 2-Punkt Kalibrierung. Die Kalibrierung wird mittels der vorinstallierten Software auf dem PIC32 ermöglicht.
Die installierte Software kommuniziert mit dem CN0326, um den pH- und Temperaturwert zu messen. Das OLED Display auf dem PmodOLED dient zur Anzeige der ermittelten Messwerte. Die Kommunikation zu beiden Pmods geschieht mittels SPI-Schnittstelle. Der angezeigte pH-Wert wird vom PIC32 Controller temperaturkompensiert.
Dieses Bild zeigt die Messung des pH-Wertes mit Hilfe eines pH-Sensors und einem PT1000 TemperaturfĂŒhler. In diesem Fall wird die Messung der 4,01 pH KalibrierflĂŒssigkeit gezeigt.

 

Datenerfassung - Übertragung & Datenempfang - Anzeige

Dieses Beispiel benötigt zwei SEM32 Boards. Ein Board dient zur Signalerfassung (pH und Temperatur) und Übertragung des pH-Wertes mittels 4-bis-20mA-Schnittstelle. Der PIC32MX-Controller liest die mittels CN0326 digitalisierten pH- und Temperaturwerte ein. Als nĂ€chstes wird der pH-Wert mittels der gemessenen Temperatur kompensiert und ĂŒber das Pmod CN0179 per Stromschnittstelle ĂŒbertragen. Das zweite SEM32 Board empfĂ€ngt den Stromwert, indem das Pmod CN0336 genutzt wird. Ein Strom von 4 bis 20mA stellt einen pH-Wert von 0 bis 10 dar. Das PmodOLED zeigt den pH Wert an, der vom PIC32MX Controller errechnet wird.

pH/Temp kit

Ein vollstÀndiges Kit der hier beschriebenen Anwendung kann bei Semitron bestellt werden:

http://www.semitron.de/ph_temp-kit

Über die Autoren:

Vidushi Kshatri arbeitet als Applikationsingenieurin bei Analog Devices. Sie schloss ihr Studium der Elektronik und Nachrichtentechnik ab und arbeitete davor in der Forschung und Entwicklung mit Schwerpunkt FPGA/DSP-Design.

Franz Kraus arbeitet als Applikationsingenieur im Außendienst bei Semitron W. Röck GmbH. Er schloss sein Studium der Allgemeinen Elektrotechnik an der FH MĂŒnchen im Jahr 1991 ab. Nachdem er 9 Jahre als Soft- und Hardwareentwickler (Assembler, C, Analog- und Digitaltechnik) tĂ€tig war, arbeitet er nun als Applikationsingenieur in der Distribution.

 


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