Messung der Wasserqualität

[indeas]

Habe mir eine kleine Schaltung ausgedacht, um die Leitfähigkeit von Wasser zu messen.
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Im Grunde genommen ist es ein einfacher RC Oszillator, dessen Frequenz abhängig von den Widerstand des Wassers über einen µC ausgewertet werden soll.
Was haltet Ihr davon?

[ranke]

Ganz verstehe ich die Schaltung nicht, besonders die Funktion des Sensors (warum 4 Anschlüsse, für einen Widerstand genügen zwei) ist mir aus dem Plan nicht klar. Prinzipiell scheint mir aber ein Gleichstromanteil bei der Sensorbestromung nicht ausgeschlossen, was aber wahrscheinlich sinnvoll wäre.

[PICture]

Hallo!


Was haltet Ihr davon?

Sorry, aber für mich einfacher RC Generator mit nur einem MOSFET aufgebaut ist und deiner ich nur anhand des Schaltplans und Beschreibung mit "in der Luft" hängenden Signalen "TMP2" und "GATE1" gar nicht analisieren und verstehen kann. :(

Ausserdem passt der Titel "Messung der Wasserqualität" nicht dazu, weil über Wasserqualität eher vor allem Härte, pH Wert, Bakterien- und Wireninhalt entscheiden.

[Besserwessi]

Der Sensor mit 4 Anschlüssen ist schon verwirrend. Beim genaueren Hinsehen fällt aber auf das es 2 Getrennte Teile sind: einmal die beiden äußeren Anschlüsse für den RC Oszillator und dann die beiden inneren für irgendwas anderes, das mit der Schaltung nichts zu tun hat. Das hätte der TO wohl besser trennen sollen.

Die Schaltung könnte im Prinzip funktionieren. Es sollte auch kein nennenswerter DC Strom fließen - nur der sehr kleien Bias Strom des OPs. Die Stabilität hängt allerdings von der Qualität des Schmidttrigger Gatters ab. Wenn sich da die Schwellen verschieben, ändert sich ggf. auch die Frequenz. Stabiler wäre da wohl ein NE555 oder ähnliches an der Stelle. Bei der CMOS Version könnte man ggf. sogar den OP weglassen, wenn die Ansprüche nicht so hoch sind - da sind es auch nur ein paar pA. Der Gewählte OP ist auch recht langsam und könnte ggf. Fehler im Bereich kleiner Widerstände verursachen.

[Manf]

Ich verstehe den Sensor so, dass es sich bei den beiden Rechtecken um zwei Platten handelt, die durch das Wasser verbunden sind. Der Oszillator mit Tiefpass (2x 1kOhm und 680pF) und Inverter (OPAmp und Komparator) wird so mit dem Strom der über das Wasser fließt unsymmetrisch belastet in Richtung der Spannung an TMP2 und verringert damit seine Frequenz, (je nach Spannung an TMP2).

Ein "CMOS NE555" wäre sicher angebracht.

[Besserwessi]

Beim Sensor werden wohl die beiden Rechtecke je einen als Sensor wirkenden Widerstand darstellen. Die 1 K Widerstände sind vermutlich mehr als ESD Schutz oder ähnliches gedacht. Der Tiefpass aus 680 pF und 2 K ist für den OP noch deutlich zu schnell. Bestimmt wird die Frequenz über die 20 M (aus 2 mal 10 M) und den Sensor prallel zusammen mit dem 680 pF Kondensator. Der OP dient einfach nur als Puffer um den Eingang des Schnidttriggers noch hochohmiger zu machen. Sonst ist dass ein einfacher RC Oszillator mit eine Schmidt-Trigger.

[Manf]

Das mit der zu hohen Frequenz bei 680pf und 2kOhm leuchtet mir schon ein.
RC Oszillator mit Schmidt Trigger meine ich auch.
Vielleicht wäre ein Datenblatt des Sensors nicht schlecht, nur mit der Bezeichnung habe ich keines gefunden, bei Leitfähigkeitsmessung mit der Verschiebung der Symmetrie war etwas dabei.

[indeas]

Danke für das Feedback.
Es geht darum die Leitfähigkeit von Wasser zu messen und damit auch die Wasserqualität zu bestimmen.
Der Sensor besteht aus zwei zylinderförmigen Elektroden und einem NTC, der für die Temperaturkompensation gedacht ist (die Leitfähigkeit von Wasser ist leider temperaturabhängig). Damit sich an einer Elektrode nichts anlagert sollte der Gleichanteil möglichst gering sein.
Der zu messende Widerstand liegt im Bereich von einigen MOhm.
Die Oszillator-Frequenz ist das Maß für die Leitfähigkeit wird mit einem µC über eine Periodendauermessung ermittelt

Die 20MOhm sind parallel zum Messwiderstand, so dass der Oszillator immer arbeitet. Bei einem Kurzschluss an den Elektroden begrenzen die bei den Schutzwiderstände (R2 und R5) und der OP die maximale Oszillatorfrequenz.

Vorteile dieser Schaltung: Robuste AC- Messung von großen Widerständen, großer Messbereich ohne komplizierte AD Wandler.

Dem Hinweis auf die Triggerschwellen ist gut, das hatte ich noch nicht berücksichtigt.
Gibt es den HC14ern einen Drift (Alter oder Temperatur)? Oder haben wir nur eine Examplarstreuung?
Wer kann mir da weiterhelfen?

[PICture]

Damit sich an einer Elektrode nichts anlagert sollte der Gleichanteil möglichst gering sein.

Noch besser wäre AC.

[indeas]

Das mit dem reinen AC ist hier nicht ganz so kritisch, da die Elektrode laufend umspült wird.
@PICture: Wie müsste ich die Schaltung modifizieren?

[PICture]

Ich kann über Modifizierung mir unverständlicher Schaltung leider nix sagen. :(

[ranke]

Zwecks AC-Anteil könnte man einen Folienkondensator in Serie zum Sensor legen. Entweder deutlich größer als den frequenzbestimmenden Kondensator (ist 680 pF nicht etwas wenig? Hätte eher so 10-47 nF erwartet). Oder man nimmt einen baugleichen wie den frequenzbestimmenden Kondensator (um z.B. gleichen Temperaturgang zu erzielen), muß dann aber die Verstärkung des OP auf ca. 2 hochsetzen. Ob der Aufwand wirklich lohnt ist fraglich, Besserwessi hat schon darauf aufmerksam gemacht dass die Eingangsströme des verwendeten OPs sehr gering sind.
Bezüglich Triggerschwellen kann man einen Timer 555 verwenden oder einen entsprechenden Fensterdiskriminator diskret aufbauen, dann hätte man mehr Einfluß auf die Stabilität des Spannungsteilers. Alternativ müsste auch ein OP oder Komparator mit positiver Widerstandsrückkopplung gehen. Letzteres hätte den Vorteil dass man für die gesamte Schaltung mit 2 OPs auf einem Chip im 8-poligen Gehäuse auskommt.

[Manf]

Wie ist es mit dem Vorschlag, die Schaltung 2A im Datenblatt des NE555C einzusetzen?

http://www.intersil.com/content/dam/Intersil/documents/fn28/fn2867.pdf (http://www.intersil.com/content/dam/Intersil/documents/fn28/fn2867.pdf)

[indeas]

Die Idee mit dem ICM7555 ist gut, den OP kann man sich bei den 20pA Eingangsstrom sparen und die Schaltschwellen passen sehr genau. Danke für den Hinweis!
Die Entkoppelung mit dem Kondensator in Reihe werde ich auch umsetzen. Falls irgend etwas in der Schaltung verreckt und nichts mehr oszilliert, bekommt der Sensor auf keinen Fall einen Gleichanteil.