Meerdere opamps met 1 voeding toch galvanisch scheiden.

Deze vraag komt eigenlijk voort uit een topic wat ik hier eerder ben begonnen. De insteek is nu een stuk anders als voorheen, daarom leek het me beter om een nieuw topic aan te maken. Zie voor het vorige topic de volgende link.
http://www.circuitsonline.net/forum/view/97753

Ik ben bij tijd en wijle bezig met het uitwerken van een meerkanaals meter voor mV signalen (pH, redox, etc). Het probleem is dat deze metingen elkaar onderling beïnvloeden, als ik de pH elektrode in dezelfde vloeistof plaats als de redox dan verandert mijn redox ook, dat is niet de bedoeling. Ik zal de signalen dus van elkaar moeten scheiden. Het schema bestaat nu uit 2 meetkanalen die door een uC worden ingelezen en verwerkt (calibratie, weergeven op display, etc).
De meetkanalen en de uC worden gevoed door 1 voeding.

In het verleden heb ik dit opgelost door elk kanaal een eigen dc-dc converter te geven. Dit is echter een redelijke dure oplossing en dit neemt ook redelijk wat ruimte in beslag. In het vorige topic wordt geopperd om analoge opto-couplers te gebruiken. Ik vrees alleen dat dit de nauwkeurigheid niet ten goede komt. IS er een mogelijkheid om bijvoorbeeld de voeding van beide kanalen van elkaar te scheiden?

Zoekt en gij zult vinden, vindt gij niet dan is het zoek

Waarom niet gewoon differentiële (instrumentatie) meetversterkers?

Mijn echte naam: Joris | Mijn elektronica website: Fuzzcraft.com

Omdat ik me er niet bewust van was/ben dat bij instrumentatie versterkers deze scheiding standaard aanwezig is.
Bedankt voor de tip, ik ga me inlezen in het fenomeen instrumentatie versterker.

Zoekt en gij zult vinden, vindt gij niet dan is het zoek

Eén van de belangrijkste eigenschappen van een instrumentatieversterker is de hoge common mode rejection. Bijkomende voordelen zijn de extreem hoge ingangsimpedantie en de lage offset.

Mijn echte naam: Joris | Mijn elektronica website: Fuzzcraft.com

Dat is wat wikipedia inderdaad ook vermeld. Vooral de hoge common mode rejection is voor mij van belang als ik het goed heb. Deze onderdrukt immers de gemeenschappelijk verandering op beide ingangen.

Mijn huidige ontwerp bestaat uit een spanningsvolger gevoed met +- 12V gevolgd door een sommator. Ik meet tussen de + en - 1000mV, de uC kan alleen overweg met positieve signalen dus ik tel er via de sommator ruwweg 2500mV bij op. De uC krijgt uiteindelijk dan een signaal van 1,5 tot 3,5 volt.

Zoals ik het begrijp moet ik de instrumentatie versterker direct aan mijn electrode verbinden (op de plek van de spanningsvolger). De instrumentatie versterkers die ik zo bij farnell kon vinden zijn allemaal enkelzijdig gevoed met maximaal 5,5V.
Ik kan dan geen negatieve signalen meten in deze setup of zie ik dit fout?

Zoekt en gij zult vinden, vindt gij niet dan is het zoek
Tidak Ada

Golden Member

Al eens gedacht aan isolatieveresterkers?
Die hebben een volledige scheiding tussen in en uitgang en worden o,a, in ECG en EEG veersterkers gebruikt. Ze kunnen optisch gekoppels zijn of middels een chopper werken. Verder is de PS van het ingangsdeel intern aanwezig en ook volledig galvanisch gescheiden van het uitgangsdeel.

Of die dingen goedkoop zijn, weet ik niet. Isolatiespanning loopt in de kilovolts.
Analog Devices Teledyne en Bourns waren indertijd de producenten.

Hier een overzicht bij Farnell:
http://nl.farnell.com/amplifiers-comparators_isolation-amplifiers

[Bericht gewijzigd door Tidak Ada op zaterdag 15 juni 2013 14:38:49 (11%)

Rommelige werkplek? In de natuur is wanorde de meest stabiele toestand; de entropie is dan maximaal. Het handhaven van "orde" kost daarom altijd energie. ----> TUBE COLLECTORS ASSOCIATION - †

Qua prijzen begint het bij ruwweg €2,20 in een QSOP maar dat is lastig te solderen. Een SOIC8 start bij iets meer als €5. Dat zou op zich nog wel kunnen, en als het een beetje meezit kan dit in het bestaande ontwerp worden ingepast.

Ik kan alleen niet inschatten of dit mijn probleem oplost. Het verhaal van Fuzzbass over de CMRR klinkt wel aannemelijk en dat zou met een instrumentatie versterker verholpen moeten zijn.

In ieder geval bedankt voor de tip, ik moet de datasheet eerst eens goed gaan doornemen. Als het 1 op 1 uitwisselbaar is met de huidige opamps dan is het een testje waard.

Edit:
Het inpassen in het bestaand ontwerp betekent een herontwerp. Maar ook het toepassen van een tweede voeding. En isolatie opamp heeft 2 voedingen nodig (ook wel begrijpelijk). Dan is een instrumentatie versterker toch een mooiere/makkelijkere oplossing denk ik.

Zoekt en gij zult vinden, vindt gij niet dan is het zoek
rbeckers

Overleden

Kijk wel naar de lekstromen of biasstromen van beide types.

Is het geen optie om in tijd te multiplexen, dus één meting tegelijk te doen ?

Rbeckers, kun je me uitleggen wat je hier mee bedoeld?

@Aart,
Multiplexen zou op zich geen probleem zijn. Als ik elke 10 seconden een kanaal kan updaten dan is dat snel genoeg. Ik zie alleen niet in hoe dit mijn probleem oplost.
Ik zou dan de ingang van het meetcircuit van de ene naar de andere elektrode moeten omschakelen?

Zoekt en gij zult vinden, vindt gij niet dan is het zoek

Nee, gewoon één circuit tegelijk actief maken ?
De rest power down of wat maar safe is voor de dure electrode.

Allicht begrijp ik het probleem niet goed, heb je een schetsje van de stroomkringen ?

[Bericht gewijzigd door Aart op zaterdag 15 juni 2013 18:45:02 (28%)

rbeckers

Overleden

http://www.analog.com/static/imported-files/tutorials/MT-038.pdf

Zie bijvoorbeeld de datasheet van de LT1167: Input Bias Current 350pA. Of http://www.analog.com/en/precision-op-amps/low-input-bias-current-ampl…

Voor o.a. pH metingen is de input bias currrent erg belangrijk.

[Bericht gewijzigd door rbeckers op zaterdag 15 juni 2013 20:26:07 (20%)

Rbeckers, aha ik begrijp wat je bedoeld. Een pH (of redox) elektrode wil een belasting zijn van minimaal 1.1012 Ω
De schakeling die ik nu heb voldoet prima, ik heb het weliswaar niet doorgerekend maar in de calibratie vloeistoffen kloppen de metingen. Ook meet hij dezelfde waarden als een Hanna pH meter. Maar wel interessant om daar eens naar te kijken.

@Aart,
Redox en pH elektrodes hebben een bepaalde tijd nodig om te stabiliseren nadat deze aan een meetcircuit worden gekoppeld. Als ik het meetcircuit spanningsloos maak dan duurt het enkele minuten na inschakelen voordat het een betrouwbare meting geeft.
Ik zal kijken of ik het schema van het meetcircuit online krijg.

Edit:
Onderstaande link zou het moeten zijn:
http://www.uploadarchief.net/files/download/meetcircuit.pdf

De meter maakt gebruik van 2 van deze meetcircuits. De uitgang van deze circuits gaat naar een uC. Alles wordt vanuit dezelfde voeding gevoed.

[Bericht gewijzigd door diode op zondag 16 juni 2013 13:00:05 (11%)

Zoekt en gij zult vinden, vindt gij niet dan is het zoek

In dit schema heb je een gewone asymmetrische input, geen differentiële dus!
Voor hele lage spanningen is zo'n circuit dus niet geschikt zoals Fuzzbass al zegt.

Wat ook een probleem is bij een asymmetrische input is dat de minste sromen door je GND en de plaats waar je sensor precies aangesloten is al uitmaakt wat voor extra stoor signalen die opgepikt worden.

[Bericht gewijzigd door henri62 op zondag 16 juni 2013 13:11:47 (39%)

1-st law of Henri: De wet van behoud van ellende. 2-nd law of Henri: Ellende komt nooit alleen.

Henri,

Daar heb je gelijk in, vandaar dat ik eerder ook al aangeef dat de opmerking van Fuzzbass aannemelijk klinkt.
Ben ik met een differentiële versterker van mijn probleem af?

Ik moet toch wat wijzigingen aan de print doorvoeren. Dit zou wel een redelijk grote wijziging zijn maar als het dan werkt ben ik een blij man.

Zoekt en gij zult vinden, vindt gij niet dan is het zoek

Op 16 juni 2013 13:10:31 schreef diode:Ben ik met een differentiële versterker van mijn probleem af?

Ja!
Mits natuurlijk het circuit zorgvuldig gebouwd is en de juiste opamps gekozen zijn. Een zgn guard ring in je print ontwerp doet ook wonderen.

Daarbij moet je heel goed letten op input bias current en de input offset voltage. Goede opamps zijn al vanaf een paar euro te koop.
Extreem goede zijn aanzienlijk duurder maar ik denk niet dat je die nodig hebt.

-edit- Als je naar je eigen schema kijkt en het eerste opamp circuit nog eens bouwt voor de massa aansluiting van je probe en deze aan pin 5 van je tweede TL082 hangt heb je een symmetrische versterker (eigenlijk twee buffers en dan pas je differentiele versterker).
Of je offsets/input bias goed zijn weet ik niet, moet je narekenen.
(Waarschijnlijk niet want een TL082 is maar een simple low cost ding)

Het is natuurlijk het beste om voor je twee probes twee verschillende opamp huisjes te gebruiken zodat je geen crosstalk tussen je kanalen krijgt.

Dus echt alle analoge delen gescheiden bouwen.

1-st law of Henri: De wet van behoud van ellende. 2-nd law of Henri: Ellende komt nooit alleen.

Henri, aangezien ik de boel nu toch moet hertekenen dan kan ik beter gelijk maar voor een echte differentiële opamp gaan.
De probes worden nu al aangesloten op 2 fysiek gescheiden opamps, dat wil ik ook zo houden.

De eerste trap vervang ik door een differentiële opamp. Kan ik het deel van de sommator die de referentie spanning bij het meetsignaal optelt dan zo laten?

Zoekt en gij zult vinden, vindt gij niet dan is het zoek

Op 16 juni 2013 13:39:33 schreef diode:
Henri, aangezien ik de boel nu toch moet hertekenen dan kan ik beter gelijk maar voor een echte differentiële opamp gaan.

Alle opams zijn differentieel, ik neem aan dat je hiermee een beter type opamp bedoelt, een met een hele lage offset en bias.

De probes worden nu al aangesloten op 2 fysiek gescheiden opamps, dat wil ik ook zo houden.

Mooi zo, dat is precies wat ik bedoel.

De eerste trap vervang ik door een differentiële opamp. Kan ik het deel van de sommator die de referentie spanning bij het meetsignaal optelt dan zo laten?

Waarschijnlijk wel, hou er wel rekening mee dat die Vref ook wat drift kan hebben en je meting dus kan beinvloeden. Als de Vref dezelfde is als van de ADC dan elimineren die twee elkaar gedeeltelijk.

1-st law of Henri: De wet van behoud van ellende. 2-nd law of Henri: Ellende komt nooit alleen.

Nu raak ik in de war. Het hele punt is toch juist dat ik nu geen differentiële meting heb?
Met een instrumentatie versterker kan ik hier wel voor zorgen?

De uC trekt de referentie spanning weer van het meetsignaal af. Het merendeel van eventuele drift zou ik op deze manier kwijt moeten zijn.

Zoekt en gij zult vinden, vindt gij niet dan is het zoek

Ik ben bij Farnell aan het zoeken naar een geschikte instrumentatie versterker. De eerste vereiste is dat het een dip uitvoering is (ivm breadboard), dan wordt de keuze al heel erg beperkt.
Tweede vereiste is ene hele hoge ingangsimpedantie, en bias input current.

Een geschikte kandidaat lijkt mij de INA116PA met een CMRR van 73 dB bij een gain van 1. Ook de ingangsimpedantie is hoog genoeg 1015Ω

Nu lees ik in de datasheet op blz 8 een stukje over de input bias current. Hier moet ik zelf een stroomlus voor creëren. Nu vraag ik me sterk af hoe ik dit kan doen zonder dat de ingangsimpedantie veel daalt?

Dit is in mijn ogen wel een behoorlijk dure opamp (zeker als je de tl082 gewent bent :+ ). Weet iemand goedkopere alternatieven?
Of is het een optie om zelf een instrumentatie versterker samen te stellen met behulp van 3 opamps?

Zoekt en gij zult vinden, vindt gij niet dan is het zoek

Rbeckers, figuur 3 heb ik gezien alleen als ik met 100Mohm de boel aan aarde hang vermoed ik dat mijn elektrode signaal volledig plat wordt getrokken.

Als ik naar figuur 7 kijk dan maken ze daar gebruik van een halfcel elektrode met referentie elektrode. In mijn geval zitten deze in 1 huisje (combinatie elektrode). Dan zou ik het medium waarin ik meet dus moeten verbinden met de gnd van mijn circuit?
Ik moet zeggen dat ik dit in de praktijk nog nooit heb gezien.

Zoekt en gij zult vinden, vindt gij niet dan is het zoek
Tidak Ada

Golden Member

Nu snap ik even echt niet hoe je met een differentële-/instrumentatie versterker galvannisch scheid.
Volgens mij scheidt je alleen door middel van een scheidingstrafo of door een optocoupler. Als je twee circuits hebt met elk een transducer, die in dezelfde bak komen en je géén trafo of opto er tussen hebt zitten krijg je volgens mij altijd lekstromen tussen die circuits. Dat lijkt me niet erg leuk voor je calomelelektrode.

Wat mis ik ?

Rommelige werkplek? In de natuur is wanorde de meest stabiele toestand; de entropie is dan maximaal. Het handhaven van "orde" kost daarom altijd energie. ----> TUBE COLLECTORS ASSOCIATION - †

Tidak, ik ging er vanuit dat mijn probleem verholpen kon worden door het galvanisch scheiden van de meetcircuits.
Nu blijkt dat het toepassen van differentiële metingen mijn probleem ook kan verhelpen.

Beide elektrodes zijn combinatie elektrode (meetelektrode en referentie elektrode in 1 behuizing).
De afstand tussen de pH ref en meet elektrode is veel kleiner dan de afstand tussen de pH en redox elektrode. Stroom kiets de weg van de minste weerstand, dan zou de lekstroom toch verwaarloosbaar klein moeten zijn. Of zeg ik nu hele rare dingen?

Zoekt en gij zult vinden, vindt gij niet dan is het zoek
rbeckers

Overleden

@diode
Antwoord op je laatste vraag is ja.

De 100M ohm moet je vervangen door een veel hogere waarde.
5G of meer.