Apparatebau (Haber-Bosch u. a.)

[mgritsch]

Ich sehe das an der Playstation meiner Tochter. Früher hat man das Ding eingesteckt und konnte spielen. Heute braucht man erst mal einen Account und ohne Internet geht gar nichts mehr.

da bin ich völlig bei dir, das ist ein absoluter Graus, bis zu dem Punkt dass das was du gekauft hast nicht mal mehr dir gehört weil jemand es jederzeit abdrehen kann oder die Nutzungsbedingungen nach Laune ändert. Da wird dir https://www.youtube.com/@rossmanngroup/videos eventuell gefallen, der tritt da sehr vehement und frech und aktiv dagegen auf!

Aber lassen wir die Kirche im Dorf: eine Ansteuer- und Auswerte-Software ist ja wirklich was anderes.
Egal ob ich endlich mein Photometer voll nutzen kann und nicht nur Fotos vom mickrigen LCD, meine pH-Meter-Box mit einer Software zur Konfiguration, Auswahl des T-Sensors, Kalibration und vor allem auch für Titrationen; der Raummonitor (T, RH, VOC, CO2, Luftdruck, Lux) mit allen Anzeigen und Logging-Möglichkeiten - eine anständige Software macht einfach überall mehr draus! zB ein pH-Meter das nur pH am Display anzeigen kann ist viel verschwendetes Potenzial.

Btw., im Moment designe ich u. a. ein Gerät zur automatischen Titration

na siehste, und ich hab die passende Messoftware dafür Die müsste man verheiraten, denn mangels Auto-Titrator kann ich dzt nur manuell Volumen-Werte eingeben (zu denen der pH dann automatisch übernommen wird...)

[MarbsLab]

Die müsste man verheiraten, denn mangels Auto-Titrator kann ich dzt nur manuell Volumen-Werte eingeben (zu denen der pH dann automatisch übernommen wird...)

Bei messenden Systemen macht das tatsächlich Sinn. Ich hab' vor längerer Zeit mal Matlab auf einem Raspberry Pi laufen lassen. Wir haben ja schon gesehen, dass die mathematische Auswertung von Titrationskurven alles andere als trivial sein kann .

[mgritsch]

Bei messenden Systemen macht das tatsächlich Sinn.

nicht nur bei messenden... wie machst du das wenn du deinem Autosampler sagen willst: "Nimm 1 ml Samples aus den Vials 5-15 mit jeweils 10 sec Pause dazwischen, wie gibst du das mit dem Display/Joystick ein? Oder noch komplexere Muster, wenn du ihn zB zum Reagenzien-zugeben benutzen willst? (erst 1 ml aus Vial 1, dann 2 x in Vial 20 mit 3 ml Wasser spülen und nach vial 19 "ausspucken", dann 2 ml aus Vial 3, dann warten,...)?

Mit einem Programm das zB eine Sequenz aus einem csv einliest und abarbeitet lässt sich das einfach realisieren, oder auch ein GUI um Sequenzen zu erstellen, Rückmeldungen über Abarbeitungsstatus, Unterbrechungen anzeigen... Python ist da dein Freund und Helfer in allen Lebenslagen.

Btw, wenn ich das richtig sehe steuerst du derzeit an dem Gerät nur die 3 Schrittmotoren an, aber nicht die Pumpe zum Sampeln, oder?

Ich hab' vor längerer Zeit mal Matlab auf einem Raspberry Pi laufen lassen.

Ja, gutes Stichwort: mit großer Freude habe ich festgestellt dass bei einem Raspi in der Linux-Distribution ein Gratis Mathematica dabei ist! Während es für PC keinerlei Gratisversionen gibt...

[MarbsLab]

Python ist da dein Freund und Helfer in allen Lebenslagen.

Da sind viele anderer Meinung :https://josvisser.substack.com/p/why-python-is-terrible

Btw, wenn ich das richtig sehe steuerst du derzeit an dem Gerät nur die 3 Schrittmotoren an, aber nicht die Pumpe zum Sampeln, oder?

Jupp, die Pumpe wird extern realisiert. Im Übrigen kann mein Autosampler über Serial oder I²C angesteuert werden

[mgritsch]

Da sind viele anderer Meinung :https://josvisser.substack.com/p/why-python-is-terrible

I base my fairly harsh judgment on many years of experience running large applications written in Python. Using Python for a large application is like building a nuclear reactor using Lego bricks

Da stimme ich ihm zu. Da wir aber im Allgemeinen keine nucelar reactors sondern eher Legohäuser bauen ist es durchaus das Tool der Wahl und glänzt durch seine extreme Vielseitigkeit und relative Einfachheit. Klar sind Interpreter-Sprachen immer in der Performance hinterher, aber solange man keine ms-genauen real Time Applikationen braucht - so what.

[MarbsLab]

Mein Auto-Tritator wird auf einem Linearschlitten mit 150 mm effektivem Hub und einer 100-ml-Einwegspritze basieren. Die Spritze sollte über einen Luer-Lock-Anschluss verfügen, damit sich der daran angeschlossene Schlauch nicht lösen kann. Den Schrittmotor, der das Ganze antreiben wird, habe ich relativ groß gewählt (NEMA23), damit ich auch im Mikrostep-Bereich noch ausreichend Drehmoment zur Verfügung habe. Die Spindel hat eine Steigung von 4 mm, und der Innendurchmesser der Spritze beträgt 31 mm. Damit ergibt sich ein Volumen von 3,02 ml pro Umdrehung. Legt man 200 Schritte für eine Umdrehung zugrunde, ergibt sich ein Volumen von 0,0151 ml pro Schritt. Ein Tropfen wässriger Flüssigkeit hat im Vergleich ein Volumen von etwa 0,05 ml.

Die Konstruktion wird vertikal ausgerichtet sein, um eingeschlossene Luft loszuwerden.

[mgritsch]

Mein Auto-Tritator wird auf einem Linearschlitten mit 150 mm effektivem Hub und einer 100-ml-Einwegspritze basieren.

ich vermute die Wahl für 100 ml basiert auf dem Plan mit einer Füllung viele Titrationen zu erledigen, oder? Denn sonst ist das schon ein recht großes Volumen...

Die Spindel hat eine Steigung von 4 mm, und der Innendurchmesser der Spritze beträgt 31 mm. Damit ergibt sich ein Volumen von 3,02 ml pro Umdrehung. Legt man 200 Schritte für eine Umdrehung zugrunde, ergibt sich ein Volumen von 0,0151 ml pro Schritt. Ein Tropfen wässriger Flüssigkeit hat im Vergleich ein Volumen von etwa 0,05 ml.

Bauchgefühl: diese rechnerische Präzision wird nicht in der Praxis ankommen. Mit der Haftreibung des Kolbens im Zylinder, der Elastizität der Kunststoffkomponenten usw würde es mich zumindest sehr wundern. Voraussetzung einen Tropfen von 0,05 ml oder kleiner überhaupt abgeben zu können (Oberflächenspannung > Abriss des Tropfens) wäre jedenfalls auch eine entsprechend dünne Kanüle am Ende, ein Schlauch allein wird das nicht können.

Wäre es nicht alternativ ein Konzept eine kleine Spritze zu nutzen deren Volumen zum tatsächlichen Bedarf je Titration passt (5 oder 10 ml?) und beim Schlauch ein T-Stück mit 3-Wege-Ventil vorzusehen mit einem Schlauch fix zu einem großen Vorratsgefäß. Vor jeder Titration dreht das Ventil auf "nachfüllen" und der Stepper fährt ganz zurück und saugt die Spritze voll, dann auf "titrieren" und stößt aus. Nachteil sind die Nachfüllschritte die Zeit kosten und die zusätzliche Komponente, Vorteil ist eine höhere Dosierpräzision, dass die Spritze nie herausgenommen werden muss (außer wenn man die Maßlösung ändert) und geradezu beliebig viel Vorratsmenge möglich.

Wie misst du die zugegebene Menge? Nur nominell über den Stepper? Oder ginge eine Wiegezelle für die Spritze? Planst du Endpunkt-Titrationen (Indikator/Umschlag) oder Kurven aufnehmen?

Wenn das System längere Zeit betriebsbereit steht/in Betrieb ist, sollte man evtl überlegen die Maßlösungen vorher zu entgasen (Ultraschall) denn sonst kommt es fast unvermeidlich irgendwann zum Ausgasen gelöster Luft und es sammeln sich Bläschen an.

[MarbsLab]

Wie misst du die zugegebene Menge? Nur nominell über den Stepper? Oder ginge eine Wiegezelle für die Spritze? Planst du Endpunkt-Titrationen (Indikator/Umschlag) oder Kurven aufnehmen?

Die Messung erfolgt über den Schrittmotor und optional mittels Encoders (AS5600, 12‑Bit‑Auflösung) als Gegencheck. Ich habe vor, Kurven aufzunehmen und auszuwerten . Das Ganze ruht jetzt aber erst mal bzw. ich arbeite lediglich am CAD-Modell, da ich mein Budget für diesen Monat bereits weit überschritten habe .
Die 100-ml-Spritze ist sehr stabil. Man spürt auch nicht die Kolbenbewegung, wie man es bei 5- oder 10-ml-Spritzen tut. Ein Kolbenprober wäre natürlich noch besser, was Stabilität und Präzision angeht.

[MarbsLab]

So, mal alle 10 Teile für die Spritzenpumpe im CAD modelliert...

[MarbsLab]

Heute ist die Platine zur pH-Messung angekommen, und natürlich habe ich sie gleich bestückt und getestet.

Hier habe ich zunächst eine sogenannte Zweipunkte-Kalibrierung vorgenommen. Bei dieser Methode werden über zwei Pufferlösungen (meist pH 4 und 7) die resultierenden Spannungen gemessen. Die Messpunkte werden dann in die Zweipunkteform der linearen Funktion \((1)\) eingetragen.

\(\displaystyle{y=\frac{y_2-y_1}{x_2-x_1}\cdot\left(x-x_1\right)+y_1} \quad (1)\)

So erhält man eine Funktion, die den pH-Wert in Abhängigkeit von der gemessenen Spannung wiedergibt.

Es empfiehlt sich jedoch, mehr als zwei Messpunkte zur Kalibrierung zu verwenden und dann die sogenannte lineare Regression anzuwenden. Excel bietet diese Möglichkeit über Trendline, sodass man nicht herumrechnen muss.
Das Gain-Potentiometer dient zur Voreinstellung der Verstärkung (linear) und das Offset-Potentiometer zur Neukalibrierung (ebenfalls linear), sodass man das Programm zur Auswertung nicht mehr ändern muss. Die Grundschaltung habe ich von hier übernommen, allerdings generiere ich die negative Spannung über den DC/DC-Wandler ICL7660.

Nach der Messung muss die pH-Elektrode in einer KCl-Lösung aufbewahrt werden. Sie in destilliertem Wasser aufzubewahren, würde die Elektrode über kurz oder lang zerstören.

[mgritsch]

Heute ist die Platine zur pH-Messung angekommen, und natürlich habe ich sie gleich bestückt und getestet.

Ah, das kommt mir doch recht bekannt vor

Es empfiehlt sich jedoch, mehr als zwei Messpunkte zur Kalibrierung zu verwenden und dann die sogenannte lineare Regression anzuwenden.

in dem Fall würde ich das eher sein lassen, bringt weniger als es schadet.
Pufferlösungen kann man mit sauberem Arbeiten sehr präzise einstellen, die Elektrodenchemie ist im Bereich pH 3 - 10 sehr linear, das muss stimmen, eine Regression bringt da wenig. Außerhalb ist sie nicht mehr linear und Linearisierung wird irreführend.

Das Gain-Potentiometer dient zur Voreinstellung der Verstärkung (linear) und das Offset-Potentiometer zur Neukalibrierung (ebenfalls linear), sodass man das Programm zur Auswertung nicht mehr ändern muss.

die Schaltung hat so leider zwei eindeutige Nachteile:
- dadurch dass du einen Gain ungleich 1 am OpAmp hast, bekommst du beliebige Spannungswerte (0-4V lt Schaltplan). Damit hast du aber die physikalische Realität, das "echte" Potenzial weggeworfen. Mit unity gain hingegen siehst du echte E-Chemie und könntest du auch andere Potentiometrie damit betreiben (Beliebige Kombi von Elektroden) und gegen Literatur vergleichen.
- dadurch dass du zwei Stell- und Regelschrauben benutzt (Gain/Offset + externe lineare Regressionsparameter) können die beiden gegeneinander arbeiten. Was wenn der wert sich zB durch Alterung ändert, woran kurbelst du? an der Hardware oder an der Software? Was wenn du beim Angreifen mit dem Finger versehentlich an die Potis kommst und sie etwas verdrehst? zumindest würde ich sie auf kleine, gut versteckte "Werksjustage-Schrauben" reduzieren.

Spannungen misst du einfach direkt mit dem Voltmeter? Dann kann man zumindest Gain so einstellen dass 1V = 1 pH, das hätte einen gewissen Charme, dann kommt man ohne Umrechnung und excel aus Dazu müsste die Schaltung aber mehr als 4V Hub leisten können.

[MarbsLab]

in dem Fall würde ich das eher sein lassen, bringt weniger als es schadet.

In einer perfekten Welt ja. Ich werde weitere Messungen durchführen und dann sehen, welche Streuung ich habe und ob es Sinn macht. Grundsätzlich ausschließen würde ich es aber erst mal nicht. Und warum soll es schaden?

- dadurch dass du einen Gain ungleich 1 am OpAmp hast, bekommst du beliebige Spannungswerte (0-4V lt Schaltplan).

Wie kommst du darauf? Die Verstärkung \(v\) bzw. die Ausgangsspannung \(U_{a}\) lässt sich doch einfach berechnen:

\(\displaystyle {U_{a}=v\cdot U_{e}=\left(1+{\frac {R_{2}}{R_{1}}}\right)\cdot U_{e}}\)

Wenn \(R_1/R_2\) konstant sind, kann man ganz einfach nach \(U_{e}\) umstellen. Eigentlich ist es ganz einfach: Gain verschiebt die Gerade auf der x-Achse, Offset verschiebt sie auf der y-Achse. Die Steigung der Geraden bleibt dieselbe.

[schlemmiloom]

Nach der Messung muss die pH-Elektrode in einer KCl-Lösung aufbewahrt werden. Sie in destilliertem Wasser aufzubewahren, würde die Elektrode über kurz oder lang zerstören.

Ein sehr vernünftiges Aufbewahrungs-Tool hast du angefertigt. Oder ist die Elektrodendurchführung in die Schott-Flasche gekauft?
Ich nehme an du hast das Teil 3D-gedruckt oder aus Silikon gegossen bzw. es passend aus einem Stück ausgestanzt.
Wobei gedruckt aus den gängigen Thermoplasten wahrscheinlich nicht so dicht wäre wie mit einem geeigneten Elastomer.
Falls die Flasche mal umkippen sollte, läuft so nichts daneben, und das Verdampfen von Wasser aus der Aufbewahrungsflasche ist so minimiert.

[MarbsLab]

bzw. es passend aus einem Stück ausgestanzt.

Ja, aus einer 3 mm dicken Silikonmatte ausgestanzt. Ich habe solche Matten (auch aus PTFE) in verschiedenen Dicken immer vorrätig sowie ein Stanzwerkzeugset. Ideal, um selbst spezielle Dichtungen zu fertigen .

[mgritsch]

Wenn \(R_1/R_2\) konstant sind, kann man ganz einfach nach \(U_{e}\) umstellen.

ja, rechnerisch ist das möglich. WENN du \(R_1/R_2\) kennst misst du dein Poti in seiner Einstellung oder ist das geeicht? Und natürlich ist es ein vermeidbarer Rechenaufwand (und möglicher Fehler...) btw, wie Temperaturstabil sind so Potis, von wegen Temperaturdrift?

Aber ich verstehe deine Motivation - du wolltest den internen ADC des Arduino nutzen und da der nur 10-12 bit hat willst du die Spannung eben hoch ziehen für genug Auflösung. Da der gesamte pH-Bereich nur 59,1 mV x 14 = 0,827 V umfasst kann man das schon ein bisschen skalieren und die 5V hub besser ausnutzen. Bei 5V / 4096 ist die Auflösung des ADC im besten Fall 1,2 mV, das sind 0,02 pH-Einheiten, real wird es wohl etwas weniger. In einen etwas besseren ADC investieren (und Gain nutzen) lohnt hier, ist kaum Mehraufwand.