Mein Leitwertmessgerät
Leitwertmessungen im Aquaristikbereich sind einfach zu realisieren. Da für die Schaltung eine Wechselspannung von 2V mit 50Hz ausreichend ist, folgt ein eher einfacher Aufbau. Dieser wird weiter unten vorgestellt. Zuerst möchte ich mich der Erstellung der Elektroden witmen.
Die Elektrode ist ein Dipol, die das Wasser als Dielektrikum nutzt und mißt abhängig von der Salzkonzentration den widerstand des Wassers zwischen den Polen. Als Pole kann Kohle, Edelstahl oder Platin verwendet werden. Dabei richtet sich die Wahl der Elektroden nach dem Einsatz und den Kosten. Kohle- und Platinelektroden können sowohl für Salzwasser als auch für Süßwasser verwendet werden. Edelstahl sollte nur in Süßwasseraquarien verwendet werden! Die Kosten stehen von Kohle über Edelstahl bis Platin steigen von sehr billig über mittelmäßig bis teuer an. Platin...woher nehmen wenn nicht stehlen und wer bezahlt dies? Edelstahl bekommt man besten in Form von Schweißdrähten in jedem Baumarkt und Kohleelektroden? Sie zu kaufen war mir im Rhein-Neckar-Kreis nicht möglich. Da ich jedoch Salz und Süßwassermessungen durchführen möchte und mein Budget sehr schmal ist kommt für mich nur Kohle in Frage.
Ich beginne also mit der Gewinnung der Kohle aus Batterien. Bitte sicherstellen das die Batterie entladen ist!! Nur mit Schutzkleidung und Brille arbeiten. für Schäden jeglicher Art übernehme ich keine Haftung!
Arbeitsmaterial zur Elektrodenerstellung
2 leere alte Zink-Kohle Batterien
1 Handbohr und Schleifmaschine oder eine Säge
2 Spannzangen 4mm
1 Lötkolben und Lötzinn
1 Sicherung
1 Plastikrohr mit mindestens 1.5 cm Innendurchmesser
1 mind. 10 cm langes Kabel
etwas Giesharz
Kohleelektroden freilegen
Hierzu habe ich die Batterie aufgeschnitten und die Kohleelektroden freigelegt. Der entstehnde Abfall ist Sondermüll und darf nicht einfach in die Mülltonne geworfen werden!
Anschluß der Kohleelektroden
Den Elektrischen Kontakt zwischen den Elektronden und dem Kabel zu erstellen problematisch, da sich Kohle bekanntlich nicht Löten lässt! Ich habe mich für Spannzangen entschieden. Diese gibt es in unterschiedlichen Größen auch für den Durchmesser von 4mm. Diese größe entspricht dem Durchmesser der freigelegten Elektroden aus den Batterien!.
Der lichte Abstand zwiscshen den Elektroden sollte ca 0.5cm betragen. Hierfür kann eine herkömmliche Sicherung verwendet werden. Der resultierende Abstand wird dann minimal größer, dafür sind die Elektroden wirklich paralell zueinander angeordnet. Mit Tesafilm befestigen.
Mit etwas Kolofonium sollte es möglich sein einen Leiter anzulöten. Damit besteht eine Elektrische Verbindung zwischen dem losen Kabelende und der Elektrodenspitze. Dieser läßt sich mit einem herkömmlichen Multimeter einfach nachweisen. Entweder eine Widerstandsmessung oder eine Durchgangsmessung durchführen.
Schließlich wird diese Appertur mit Giesharz in dem PVC Rohr fixiert.
Die fertige Elektroden ist jetzt Spritzwassergeschützt. Kalibriern der Elektroden findet mittels abschleifen der Elektroden statt.
Alternativ zu den Spannzangen ist es auch möglich die Isolierung von Kabelschuhen zu nutzen. Kabelschuhe zum crimben kann im Buaumakrt um die Ecke Kaufen und sind extrem günstig. Hier ein Foto der Elektrode Version 2
Auswerte Elektronik
Die Leitwertmessung gibt aufschluß über die Qualität des Aquariumwassers. Dies betrifft Salz und Süßwasserbecken.
Festlegungen
Für die Leitwertelektroden wurde festgelegt, dass ihre Oberfläche jeweils 1 cm2 beträgt und der Lichte Abstand auch 1cm ist. Zu dem werden die Messungen auf eine Temperatur von 25°C bezgogen. Alle Abweichungen der Bauform oder der Temperatur können rechnerich angepasst werden. somit ist ein Vergleich der Messwerte sichergestellt.
Allgemein gilt: der Widerstand nimmt mit steigender Größe der Elektroden bzw kleiner werdendem Abstand ab.
Prinzipiell ist es möglich den Leitwert, bzw den Widerstand des Wassers mit einer Konstantspannungsquelle zu bestimmen. Hierbei werden aber die Elektroden verbraucht, entweder durch polarisation und Ablagerungen. Wechselspannungsquellen können prinzipiell mit jeder Frequenz betrieben werden um den Leitwert zu bestimmen. Jedoch empfielt sich eine Frequenz zwischen 100 Hz und 1kHz. Die Spannung die einzustellen ist sollte sehr gering sein um den Tieren und den Pflanze keinen Schaden zuzufügen.
Vorüberlegungen
Der Leitwert in Süswasseraquarien liegt in der Regel zwischen 33µS und 2000mS. Oder als Widerstandswert ausgedrückt zwischen ca 30K Ohm und 500 Ohm. Das heißt in der Flüssigkeit fällt die Spannug ab. Die resultierende Spannung muss jetzt erfasst und aufbereitet werden. Schließlich kann der Messwert abgelsen werden.
Teil 1 - der Oszillator
Zu Beginn benötigt man einen Oszillator. Hierfür gibt es bereits diverse Ansätze die Leicht zu GOOGELN sind. Da ich für die Auswertung der Schaltung nicht auf Operationsverstärker verzichten kann, habe ich mich für den Wien Oszillator entschieden.
Da der Operationsverstärker nicht in die Sättigung getrieben werden soll, sind schnelle schottkey Dioden notwendig. Ich habe mich für Barrier-Dioden entschieden, da hie die geringsten Ströme benötigt werden.
Die Oszillationsfrequenz kann leicht errechnet werden. Die Bauteile der beiden RC Gleider (C1, R1 und C2,R2)sollten gleiche Werte annehmen, so dann kann die Frequenz errechnet werden zu f0=1/(2 pi R C). Mit den den hier angegebenen Werten Schwingt die Schgaltung mit einer Frequenz von ca 1kHz. Dabei beträgt die Oszilloskopierte Ausgangsspannung 200mVp (200mV Spitze).
Teil 2 - der Verstärker
Die Spannungsverstärkung bereitet das Messsignal der Art auf, dass für den kleinsten Messbereich, da ist der Widerstand der Flüssigkeit am größten, eine Referenzspannung nicht überschritten wird. Oder anders ausgedrückt: Destilliertes Wasser besitzt den größten Widerstand, hat somit also den geringsten Leitwert. Die Verstärkung errechnet sich zu: - R7 / RWasser. Daraus kann die Verstärkte Spannung zu vout = R7 / RWasser * Vin errechnet werden. Diese Spannung darf nicht oberhalb der Referanzspannung liegen. Damit ist sichergestellt, dass Flüssigkeiten mit größerer Leitfähigkeit im kleinsten Messbereich nicht zu einer beschädigung der nachfolgen Elektronik führen. Ein zu klein gewählter Messbereich ist daran zu erkennen, dass das Messergebnis 0 beträgt. Durch Schrittweise Verkleinerung der Empfindlichkeit (Jumperstellung von Pin2 Richtung Pin10) kann der Messbereich optimal angepasst werden.
Die Bereichsauswahl verändert das Ergebnis jeweils um den Faktor 10. Dieser muss dem zu Folge auch auf das Messergebnis aufgeschlagen werden. Ein Beispiel verdeutlicht dies: Jumperstellung Pin2 bedeutet gemessene Spannung mal 10 entspricht dem Zahlenwert in µS, Jumperstellung Pin4 bedeutet gemessene Spannung mal 100 entspricht dem Zahlenwert in µS usw.
Folgenden Tabelle zeigt den Zusammenhang zwischen Spannung und Messwert für die einzelnen Messbereiche:
| U [V] | Leitwert min [mS] | Leitwert max [mS] | Messbereich [Ohm] | U min [V] | U max [V] |
| 0,2 | 2500 | 25000 | 0,5 * | 0,25 | 2,5 |
| 0,2 | 245 | 2450 | 5,1 | 0,25 | 2,5 |
| 0,2 | 25 | 250 | 49,9 | 0,25 | 2,5 |
| 0,2 | 2,5 | 25 | 499 | 0,25 | 2,5 |
| 0,2 | 0,25 | 2,5 | 4990 | 0,25 | 2,5 |
| 0,2 | 0,025 | 0,25 | 49900 | 0,25 | 2,5 |
| 0,2 | 0,0025 | 0,025 | 499000 | 0,25 | 2,5 |
* Dieser Widerstand kann leicht mittels Parallelschaltung von 2 1Ohm Widerständen erzielt werden.
Teil 3 - Der Vollwegegleichrichter
Für die Meisten Auswertemodule ist ein Wechselsignal nicht darstellbar. Selbst einfache Multimeter können die Messergebnisse nicht erfassen sofern die verwendete Schwingung von der von der Netzschwingung abweicht. Somit sollte das Messergebnis gleichgerichtet werden. Als Gleichrichter gibt es die Möglichkeit entweder eine Halb oder einen Vollgleichrichter zu realisieren. Der Halbgleichrichter unterbindet die negativen Halbwellen und gibt Null Volt stattdessen aus. Der Vollgleichrichter legt "klappt" die negativen Halbwellen in den positiven Bereich um. Somit erhält man fast eine Gleichspannung. Diese kann mittels Kondensator-Spulenelemente noch weiter geklättet werden.
Jetzt ist das Messsignal aufbereitet bereit an einer Anzeige ausgegeben zu werden.
Bitte beachten Sie - die hier vorgestellte Schaltung ist keine Universalschaltung. Das heißt die Messwerte können von fertig zu kaufenden Messinstrumenten abweichen. Neben Rausch und Linearisierungsfehlern findet keine Temperaturkompensation statt. Trotzdem ist sie für den Heimbereich ein guter Indikator. Da die Temperatur im Aquarium doch recht konstant ist, lässt sich nach kurzer Zeit eine Aussage über die Wasserqualität treffen.
Anfangs empfehle Änderungen der Messwerte mit herkömmlichen Test zu protokollieren bis man selbst ein Gefühl entwickelt hat.
Viel Spass und gutes Gelingen
Messergebnisse
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