Críticas a mi diseño de sonda de pH diferencial

Algunos comentarios,

Mi primera preocupación es sobre el filtro RC en las entradas opamp (LMC662), uso resistencias clásicas de 4.7Mohm, útiles o inútiles ya que la sonda ahora es diferencial, ¿debería usar otro tipo de resistencias? Los condensadores de 2,2 nF son de cerámica.

Siendo su circuito principalmente CC para su laboratorio, no hay ninguna razón específica para preocuparse por el material de los componentes pasivos involucrados.

¿Su proceso podrá reaccionar correctamente si mide 6,0002 frente a 6,0004 (16 bits)? ¿O es suficiente distinguir entre 6.1 y 6.2 (7 bit)?. ¿Cuánto dinero y tiempo tienes disponible para esto?

Con base en estas preguntas, debería poder dimensionar cuánta precisión es asequible alcanzar.

Tenga en cuenta que los transmisores de pH comerciales no tan baratos y los transmisores aislados de pH baratos eventualmente pondrían una estimación de costos en su proyecto.

Lo que sea, hay más preocupaciones reales allí. ¿Qué cable están usando? ¿Cuáles son las especificaciones eléctricas de la sonda? ¿Cuál es la deriva de temperatura de la sonda?

¿Tener el GND del circuito conectado directamente al líquido puede causar problemas? como bucle de tierra si pongo otro sensor?

Aquí, hay un concepto engañoso.

Hacer que el circuito sea diferencial porque GND es parte del circuito es una preocupación engañosa. En realidad, la mayoría (¿si no todos?) de los estándares existentes en este mundo solicitarían que su equipo esté conectado a tierra eléctricamente . Si tu reactor fuera metálico, deberías estar pensando en eso ahora mismo. Conectar todo a Mains GND no debería preocuparte, en cambio no tener tu equipo conectado a GND debería empezar a preocuparte.

Tener un reactor de plástico, entonces debería preocuparle tener electrostática almacenada allí. Otra razón para pensar en un enlace GND para su fluido. Usted no quiere que su transmisor de pH se arruine por ESD ...

En realidad, lo que necesita es aislar los electrodos del resto de su circuito. Tener un Signal Ground (o Analog Ground) tiene todo el sentido. Bajo este ejercicio y sentido, claramente has tenido éxito...

El convertidor analógico-digital realiza la medición diferencial entre las dos salidas opamp. ¿Quizás el filtro RC podría mejorarse para las salidas opamp? Mantuve el valor que usé para la medición no diferencial.

...Pero de lo que aún no te has dado cuenta es: el propósito del circuito es amplificar . Necesita amplificar la diferencia de voltaje producida por la ionización dentro de la sonda. En realidad, no te importa medirlo con GND. Desea invertir su esfuerzo en tener un circuito amplificador como interfaz de alta impedancia y calcular la diferencia de voltaje exacta en la etapa ADC. Y no dejar ese problema sin resolver. Pero no entraría en esta etapa sin aclarar sus especificaciones. No estoy insinuando que debas preocuparte por esto.

Tenga en cuenta que no estoy defendiendo su idea de aislamiento. La mayoría de los circuitos del mundo conectan un electrodo al circuito GND, porque no lo necesitas. Además, sabemos que su sonda de pH ya está aislada del proceso...

Comentarios adicionales

1. Si por electrodo de tierra se refiere a una varilla de cobre de tierra de red , no la dibuje aquí. El símbolo GND asume que está conectado a un sistema debidamente conectado a tierra.

2. Tenga en cuenta que la interferencia [electromagnética] (EMI) no se aplica a los sistemas de CC.

Editar:

La verdad es que el modo diferencial es un poco más ruidoso que el no diferencial.

Esperado... Dos fuentes de ruido... Y esto confirma que su ruido es, por supuesto, eléctrico, no físico.

El pH saltó a 8 en lugar de 5 y osciló entre 7,5 y 8,5

Primero, pondría a tierra todo el fluido. Debido a que el circuito es CC, no me preocuparía que ESD tenga un efecto significativo. Después de todo, siempre puede considerar aumentar el orden del filtro, en lugar de simplemente un condensador en esa etapa.

La válvula SS sería una gran idea en realidad. A estas alturas, un simple cable atornillado a GND, desde cualquier cuadro eléctrico o incluso desde un enchufe de corriente estaría bien. No tengas miedo a la puesta a tierra. Solo como prueba: mida el voltaje entre el Neutro de Red y el GND. Tal vez el motor tiene un problema.

Y también considere un cable blindado, de par trenzado, 22 AWG (capacitancia ultra baja si está disponible) para el conductor de la sonda, para estar seguro sobre el ruido. SI no puede cambiar el cable de la sonda, busque un conducto eléctrico EMT y pase el cable de la sonda de ph por allí. Incluso puede comprar algunas cajas para una línea definitiva y protegida contra EMI.

¿Tiene sentido un filtro RC si estoy leyendo una diferencia entre los dos potenciales (y no con respecto a GND)?

Para esto, estoy pensando en algunos esquemas como el que se muestra aquí . Por lo tanto, la primera etapa es amplificar la diferencia de voltaje, teniendo las sondas aisladas. Como se indicó, el amplificador es adecuado para sensores capacitivos, como su sonda de pH.

¿Tiene sentido un filtro RC si estoy leyendo una diferencia entre los dos potenciales (y no con respecto a GND)? Supongo que tienen el mismo ruido. ¿El componente de ruido se cancela a sí mismo mientras se resta? Veo aquí un riesgo de producir ruido adicional con RC en lugar de cancelarlo.

Respecto al filtro RC, recuerda esto: el sensor es capacitivo. Si coloca condensadores en paralelo, reducirá el ruido de ionización de la sonda con GND. para cada electrodo. En el extremo, una capacitancia significativamente mayor en su etapa RC eliminaría el efecto físico. Como filtro, no pondría nada más grande que el filtro anti-aliasing requerido. Para una señal estacionaria en su pantalla, usaría un FIR digital estándar.

Además, los RC no están causando ruido. Además, el ruido de alta frecuencia de los dos cables debería cancelarse SOLAMENTE si se muestrean simultáneamente en su ADC.

Al final, no hay ninguna razón real para considerar que el pH está teniendo variaciones con frecuencias superiores a unos pocos Herts. Recuerde nuevamente que la sonda tiene varios centímetros de longitud y no puede capturar variaciones puntuales de pH, y su propio diseño hace que no pueda capturar variaciones de pH de alta frecuencia en su fluido. Entonces, de hecho, tiene una lectura cercana a DC. La respuesta de frecuencia de su sonda no debería poder medir nada más grande que esto. El resto, es solo ruido eléctrico de la sonda.

Por lo tanto: use un filtro digital igual a la respuesta de frecuencia esperada del filtro (FIR Lowpass 10Hz), y si lo desea, un filtro Anti Aliasing antes del ADC (RC Lowpass a 1/2 de frecuencia de muestreo).

Las resistencias de entrada no importan mucho (tal vez la tolerancia sí, supongamos que son del tipo 1% de baja tempco), pero los condensadores son motivo de preocupación. Tenga en cuenta que una falta de coincidencia en la constante de tiempo RC de las entradas corresponderá a una degradación de CMRR (relación de rechazo de modo común, la medida de la precisión diferencial de su circuito) en algún rango de frecuencia. Presumiblemente, espera que haya algún voltaje de modo común de CC y CA o no lo habría hecho diferencial. Los capacitores cerámicos no solo tienen mala tolerancia y tempco, sino que también tienen un coeficiente de voltaje significativo. No ha proporcionado ninguna especificación objetivo para CMRR, pero debería pensar en algo.

A veces es mejor poner la mayor parte de la capacitancia entre las entradas en lugar de poner a tierra. Aunque más caros, los capacitores de película pueden ser significativamente mejores en algunas circunstancias.