Automatische Dosierung für den Pool (Teil 3: ph und Redox mit Arduino messen)

Zu einer automatischen Pool-Dosierung fehlten mir noch die Mess-Elektroden und vor allem das, womit ich sie auslesen und die Werte zu FHEM übertragen kann. In FHEM kann dann die ganze Dosierlogik stattfinden und die Dosierpumpen entsprechend geschaltet werden. Das Auslesen von feinen elektrischen Spannungen auf den ph-/Redox-Elektroden ist nicht trivial. Es gibt auf dem Markt kaum fertige Geräte mit Netzanbindung, um ph/ORP-Werte auszulesen. Ich habe mich daher für einen Eigenbau mit Arduino entschieden und in den Wintermonaten wochenlang dran geschraubt.

Arduino-Uno-Clones und passende Erweiterungsmodule dazu bekommt man bei Aliexpress für sehr kleines Geld. Es gibt im Angebot auch ein ph-Verstärker-Modul mit einer BNC-Buchse für ca. 16 USD inkl. Versand, was ich letztendlich auch genommen habe. In diesem Modul werden die paar Millivolt, die eine Sonde produziert, in eine am Arduino-Analogeingang messbare Spannung von 0 bis 5 Volt umgewandelt (Anschlusspin Po). In dem Modul ist vermutlich auch etwas für eine Temperatur-Bereinigung des ph-Wertes verbaut (Pins To und Do). Wie das genau funktioniert, konnte ich jedoch nicht rausfinden. Es gibt auch andere  ph-Module für Arduino, die etwas mehr kosten, z.B. von Atlas Scientific, von Phidgets oder von Dfrobot.  Alle haben ohne weitere Zusätze wahrscheinlich ein Problem: Die fehlende galvanische Trennung. Spätestens sobald man zwei Elektroden an einem Arduino anschließt und im gleichen Wasser hält, liefern sie beide Schrottwerte, da die Ströme zwischen den Elektroden fließen. (Wobei ein Blogger aus Frankreich mit Phidgets-Modulen das irgendwie geschafft hat, ph- und ORP-Elektrode an einem Arduino zu betreiben.)

Ein fertiges Verstärker-Modul mit galvanischer Trennung habe ich nicht gefunden. Es gibt ein-zwei Projekte im Internet, aber nichts lieferbares. Einen Messverstärker selbst zusammenzulöten, erschien mir zu aufwändig, zumal ich nur rudimentäre Kenntnisse der Elektronik habe. Deswegen habe ich die galvanische Trennung so hergestellt, dass ich pro Elektrode einen eigenen Arduino Uno nehme und diesen über einen eigenen linearen Stromwandler auf AMS1117-5.0 Basis und einen isolierenden DC-DC-Wandler mit Strom versorge (ich habe die Murata-Module NME0505SC mit 1 Watt genommen). Somit wird jeder Arduino Uno als Ganzes schon in der Stromversorgung galvanisch entkoppelt. Die Versorgungsspannung muss übrigens auch sehr stabil sein, da sonst die analogen Readings des Arduino, die die Versorgungsspannung als Referenz nehmen, driften. Deswegen ist jeweils ein eigener linearer Regler vorgeschaltet.

Die beiden Arduinos mit Verstärker-Modulen machen bei mir wenig anderes als die analogen Eingänge zu lesen, die Werte zu glätten und mit den eigenen sehr günstigen 433MHz-Radio-Modulen rauszufunken. So bleibt die galvanische Trennung intakt. Eine Temperatur-Kompensation habe ich gar nicht implementiert, denn diese ist im ph-Bereich um 7.0 eh kleiner als jede Messtoleranz. In den Mess-Arduinos habe ich auch die Kalibrierungslogik für die Elektroden einprogrammiert. Für den eigentlichen Kalibrierungsvorgang haben diese Module zwei Taster (für Kalibrierpunkte ph 7.0 und ph 4.0 – man kann natürlich beliebige andere Werte einprogrammieren) bzw. einen Taster (Kalibrierpunkt ORP 465 mV) bekommen. Somit ist die Kalibrierung super einfach: Die Elektrode in die Pufferlösung reinhalten, bis sich der Wert stabilisiert, und einmal drücken. Einen Redox-Verstärker habe ich übrigens mit einer kleinen Modifikation aus einem ph-Verstärker gemacht. Die ph-/ORP-Sonden liefern ja beide Millivolts, nur in etwas unterschiedlichen Ranges.

Ein dritter Arduino Uno empfängt bei mir dann auf 433MHz die ph- bzw. Redox-Werte von den beiden Mess-Arduinos. An der Nummer Drei werden drahtgebunden auch andere Sensoren angeschlossen: für Druck, Temperatur und Durchfluss. Mit einem Ethernet-Shield für Arduino wird hier auch ein minimalistischer Webserver aufgemacht und FHEM kann alle Werte ablesen. Für eine stabile Internet-Verbindung musste ich dem W5100-Chip auf dem Ethernet-Shield die Beine Nr. 64 und 65 durchschneiden. So läuft er fest auf 10 Mbit/Fullduplex und nicht im Auto-Modus, was zumindest mit meiner Fritzbox 7390 oft zu Aussetzern geführt hatte. An diesem dritten Arduino habe ich auch ein I2C 20×4-LCD-Display angeschlossen, wo die Werte permanent visialisiert werden.

Ein großes praktisches Problem schon beim Messen im Glas Wasser war das Rauschen. Vor allem die Schaltnetzteile induzieren Störungen auf die sensiblen Elektroden und hauptsächlich auf ihre Kabel. Die abgelesenen Werte zeigen im Ergebnis eine große Streuung von bis zu einigen Prozent. Ich habe dann per Zufall rausgefunden, dass die Streuung wesentlich geringer ausfällt, wenn man den Minuspol des Gleichstromausgangs vom Netzteil einfach erdet. Zum Befestigen der Komponenten im Gehäuse hat sich eine transparente 2mm-PVC-Platte als sehr praktisch erwiesen. Ein Gehäuse mit transparentem Deckel erspart Ausschnitte für LCD. Bei Fragen zu Details und Verbesserungsvorschlägen immer gern.

Die ersten Experimente mit Arduino und ph-Modul
Die ersten Experimente mit Arduino und ph-Modul
Zwischenstufe: Zwei Arduinos, zwei Elektroden und ihre galvanische Trennung mit DC-DC-Wandlern
Zwei Arduinos, zwei Sonden und galv. Trennung
Vorläufige Endausbaustufe für meinen Auslesecomputer
Vorläufige Endausbaustufe für meinen Auslesecomputer
Messverstärker für ph-Elektrode
Messverstärker für die ph-Elektrode
ph-Arduino mit eigenem Stromregler, Kalibrierbuttons und Funkmodul auf einem Proto-Shield
ph-Arduino mit Zusätzen auf einem Proto-Shield
Arduino mit galvanischer Trennung und PH-Messmodul
Arduino mit Anschluss und  PH-Messmodul

51 Gedanken zu „Automatische Dosierung für den Pool (Teil 3: ph und Redox mit Arduino messen)“

  1. Hallo Alexey,

    erstmal vielen Dank für die vielen ausführlichen Beschreibungen, die direkt zum Nachbauen animieren! Ich würde nun auch gern 3 Arduinos einsetzen, 2 für die pH/ORP Sonden und einen für die Dosierung. Was mir noch nicht ganz klar ist, wie genau du die Isolation der Versorgungsspannungen realisiert hast. Könntest du evtl. einen kurzen Skizze mit Verkabelungen posten?
    Muss ja nicht vom gesamten Aufbau mit allen Tastern usw. sein – aber wenigstens etwas, was diesen Absatz genauer erklärt:

    „Deswegen habe ich die galvanische Trennung so hergestellt, dass ich pro Elektrode einen eigenen Arduino Uno nehme und diesen über einen eigenen linearen Stromwandler auf AMS1117-5.0 Basis und einen isolierenden DC-DC-Wandler mit Strom versorge (ich habe die Murata-Module NME0505SC mit 1 Watt genommen). Somit wird jeder Arduino Uno als Ganzes schon in der Stromversorgung galvanisch entkoppelt. Die Versorgungsspannung muss übrigens auch sehr stabil sein, da sonst die analogen Readings des Arduino, die die Versorgungsspannung als Referenz nehmen, driften. Deswegen ist jeweils ein eigener linearer Regler vorgeschaltet.“

    Vielen Dank im Voraus,
    Sven

    1. Ach und was ich vergaß, bitte ebenso für den kurzen Satz:

      „Einen Redox-Verstärker habe ich übrigens mit einer kleinen Modifikation aus einem ph-Verstärker gemacht. Die ph-/ORP-Sonden liefern ja beide Millivolts, nur in etwas unterschiedlichen Ranges.“

      🙂

      1. Das ist relativ einfach zu erklären 🙂 Auf dem Bild Nr. 4 sieht man den PH-Verstärker in Großaufnahme. Den blauen Potentiometer unten rechts (näher am BNC-Stecker) musst du einfach auslöten, damit das Modul für die ORP-Messung genutzt werden kann. Dieser Potentiometer steuert den Offset, also die Anhebung der Ausgangsspannung im Nullpunkt (PH=7.0). Bei der ORP-Messung braucht man diese Verschiebung nicht. Auf dem gleichen Bild am oberen Rand sieht man am anderen Modul zufällig auch, wie es aussieht, wenn dieser Potentiometer raus ist.

    2. Ich habe im Beitrag bei den Bildern ein Skizze eingefügt, wo man grob sieht, wie Arduino mit Strom versorgt wird. Mit AMS 1117-5.0 gibt’s ein fertiges Modul mit Kondensatoren, das habe ich auch genommen (siehe Link im Beitrag). Danach den Murata DC-DC-Wandler zwischenschalten. Der Ausgang von Murata ist geregelt und gefiltert und kommt beim Arduino direkt auf die +5V Klemme, nicht auf Vin! Ich habe mit großen Elkos (auf der Skizze eingezeichnet) rund um den DC-DC-Wandler experimentiert. Habe dann aber letztendlich auf sie verzichtet, da sie keine wesentliche Besserung bei der Streuungsproblematik gebracht haben. Auf der Skizze sind auch die relevanten Teile des PH-Verstärkermoduls gezeichnet, so dass man sieht, wie es drin genau abläuft. So habe ich auch rausgefunden, wie man daraus ein ORP-Modul machen kann.

  2. Habe den Link zum ‚PH Value Sensor Module Monitoring Control‘ gesehen und frage mich, ob dieses Modul in Verbindung mit einer günstigen (< 10 Euro) PH Elektrode dauerhaft und automatisiert, d.h. ständig in Betrieb und die PH Elektrode unter Wasser getaucht, laufen kann. Ist das mittlerweile bei dir auf diese Weise im Einsatz und wie läufts?

  3. Ah, habe gerade Teil 4 gelesen und sehe, du musst alle paar Wochen kalibrieren. Na, wenn es sonst läuft ist das ja schon besser, als jeden Tag manuell messen. Welche Elektrode benutzt du? Ist die wasserdicht?

  4. Ich habe eine billige grüne PH-Elektrode S01 von OSC.tec (gibt’s bei Amazon und bei Ebay) im Dauereinsatz. Sie sieht wie Billigschrott aus China aus, aber sie hat alle vorherigen Experimente und diesen Sommer in der Messzelle ziemlich gut überlebt. Ich habe sie ab und zu kalibriert, zum Ende immer seltener, da keine großen Verschiebungen.

  5. Cool, dann werde ich mir das Pärchen mal kaufen! Kannst du mir noch sagen, wo den den Arduino Code für das PH Modul bekommen hast? Oder Code mal veröffentlichen?

  6. Hallo,

    ich bin auch gerade dabei ein Dosiersystem für einen Pool aufzubauen.
    Hast du irgendwo beschrieben, was du an dem PH-Verstärker geändert hast, damit du eine Redox-Sonde damit betreiben kannst?

    Danke

  7. Hi,
    hast D u mittlerweile einen Ersatz für die digitale Druckmessung am Filter gefunden? Wenn ja was und wie hast Du die eingebunden?

  8. Hi,
    Ich habe Dein Superprojekt am WE bei mir mal nachgebaut. Da ich andere Steckdosen und andere Sensoren habe müusste ich ein wenig umschreiben, aber war durchaus machbar. Danke nochmal für die Super Vorlage.
    Hast Du irgendwo einen Schaltplan wie genau Du das Einschaltwischer-Relais angeschlossen hast. Das müsste ja irgendwie zw der Fritz Dect und der Dosier Pumpe kommen. oder? Nur Wie misst die Fritz.Dect dann den Stromverbrauch wenn da noch das Relais dazwischen hängt.
    Wie gesagt über ein schaltbild würde ich mich sehr freuen.

    1. Relais-Anschluss eigentlich so wie in der Relais-Doku vorgesehen (liegt der Packung bei, wenn ich mich richtig erinnere). Ich habe keine zusätzlichen Thumbs verwendet. Verbrauchsmessung m.E. auch kein Problem. Natürlich wenn Relais ausgeschaltet, ist quasi kein Verbrauch.

      1. Danke,
        noch eine Frage. Wie zuverlässig sind die Fritz DECT Steckdosen bei dir? Würdest du bei einem Neubau diese nochmal verwenden oder eher auf WLAN Produkte wie den Shelly 2,5 Umsteigen?

  9. Ich beschäftige mich nun seit 3 Jahren mit dem Pool und
    soviel brauchbares und bestätigendes wie auf Deinen Seiten habe
    ich im ganzen Netz nicht gefunden!!! Vielen Dank!

  10. Hi,
    wie hattest Du denn den Drucksensor angeschlossen buw ausgewertet?
    Hast Du dazu irgendwo ein Anleitung?
    Wollte mir das digitale Manomenter (ist leider nicht ganz preiswert der Sensor) ei pooldigital kaufen und irgendwie an meine Lösung anschliessen.

  11. Hi, cooles Projekt, mir geht es mehr nur um die elektrische Ph und Chlor Messung, dosieren möchte ich erstmal selbst.

    Sehe ich das Richtig: Du hast eine „Messstrecke“ gebaut, d.h. es werden die Messbehälter zyklisch gefüllt-> gemessen -> entwässert, oder stehen die Elektroden dauerhaft im Wasser und können jederzeit gemessen werden?

    Viele Grüße

  12. Hallo, toller Bericht!
    ich habe mir eine Pool Steuerung auf Basis eines Raspberry PI gebaut:
    https://www.poolpowershop-forum.de/forum/poolforum-schwimmbadforum/poolbau-schwimmbadbau/1125380-vorstellung?p=1125714#post1125714

    Diese möchte ich um eine Regelung des PH Wertes erweitern, dein Bericht hilft mir dabei sehr :)!

    Was hältst du von diesem Sensor/Verstärker Kit? https://www.dfrobot.com/product-1782.html, macht auf mich einen guten Eindruck und scheint gut dokumentiert zu sein.
    Grüße horchi

  13. Hallo Alexey,

    sehr guter Bericht und eine detaillierte Beschreibung. Vielen Dank!
    Ich werde mir die Bauteile bestellen und versuchen die ph-Wert ORP Messung mit deinem Arduino Konzept umzusetzen. Ich schätze sehr deine Erfahrungswerte, die du im Blog angeführt hast.
    Wenn ich es richtig verstehe ist die Kommunikation mit FHEM über den Webserver des 3. Arduinos.
    Gibt es einen bestimmten Grund weshalb du dich für die DECT Kommunikation für die Steckdosen und die Weiterleitung der Daten an FHEM nur über den 3. Arduino entschieden hast ?
    Ich würde die beiden Mess-Arduinos per MQTT Protokoll direkt mit dem IOT Server (ioBroker)verbinden. Der 3. Arduino würde dann die restlichen Sesorwerte ebenso per MQTT liefern. Die Pumpen würde ich mit Tasmota/Blitzwolf Steckdosen direkt aus dem ioBroker ansteuern. Hast du andere Kommunikationswege getestet?

    Frank

    1. Dect-Steckdosen von Fritz funktionieren sehr stabil und verschlüsselt dazu. 3. Arduino ist für die galvanische Entkopplung der Sensoren gedacht.

  14. Hallo Alexey…..
    Inspiriert von Deinem Projekt hab ich mir selbst über den Winter eine PH-Dosierung gebaut. Basis ist bei mir ein ESP32 mit einen kleinen OLED-Display.
    Nun hab ich mir einen Testaufbau mit einer Meßstrecke im Hauptstrom der Filterpumpe (so wie es die Anlagen von diversen Herstellern auch machen) gebaut. Dabei bemerke ich dass ich, sobald die Pumpe läuft, in dem Volumenstrom stark schwankende Werte für blankes Wasser) von Ph1 bis Ph13 . Steht die Pumpe stabilieren sich diese Werte). Hast Du eine Idee zur Ursache (oder ein anderer Mitleser) ??

    1. Vielleicht ist die galvanische Trennung der Sonde nicht ausreichend? Oder das Netzteil deiner Platine streut Schwankungen rein, wenn die Pumpe läuft.

      1. Einstreungen vom Netzteil kann ich ausschliessen, dazu habe ich die ganze Anlage aus einem Akku heraus betrieben. Das Ergebniss war das Gleiche. Was ich mittlerweile heraus gefunden habe, ist dass ich super stabile und auch genaue Messwerte bekomme, wenn ich an der BNC aussen PE auflege…..

          1. Ich verwende den gleichen Messverstärker wie Du. Diese haben ja zwei Anschlüße für GND, wie hast Du di beschaltet, das kann ich auf Deinem Bild nicht richtig erkennen. Ich habe sie aktuell so, dass ich nur einen der beiden Pins auf GND habe(den neben dem 5VPin) der andere hängt in der Luft.

  15. Hallo Alexey….
    Ich habe gestern Abend mit einem befreundeten Physiker gesprochen und er hat mir den Effekt wie folgt erklärt: Durch das Umwälzen des Wassers ensteht in dem System durch die Reibung des Wassers eine Ladungstrennung, die dazu führt, dass sich das Bezugspotential für die PH-Elektrode verschiebt. Gute Elektroden können das abhaben da sie im Gehäuse bereits einen Kontakt mit dem Prüfmedium herstellen. Sollte das wie bei meiner Billig-China-Elektrode nicht sauber funktionieren kommt es zu dem beschrieben Effekt. Mit dieser Info bin hergegangen und habe meine Erdung wieder getrennt, habe die BNC-Buchse(Aussenseite) mit einem Draht versehen und dessen anderes, abisoliertes Ende ins Wasser geschmissen. Und siehe da, Messwerte schwanken zwischen stehendem und bewegten Wasser nicht mehr und die pH Werte passen bis auf pH 0.2 mit dem optisch gemessenen Wert zusammen…..

    1. Das hört sich interessant an. Da meine Werte auch extrem schwanken und das mit den orginalen Atlas Probes und dem Atlas PI modul. Das heisst wenn ich eine leutende Verbindung zw dem BNC des Probes (nehme ich da am besten den BNC am probe oder dem am PI (habe zwei da icv die Leitung verlängern musste.)) und dem Wasser herstelle sollte es stabieler werden? Muss ich morgen gleich mal testen. Dahu sollte ja ein wnfaches Kupferkabel reichen. Nur wie macht man das für den dauerbetrieb? Das Kupferkabel im Poolwasser wird ja leicht korrodieren durch das Chlor usw. Oder? Hab mal irgendwo einen Erdungsanschluss von Bayrol für ihre Dosieranlagen gesehen. Könnte das auch helfen?

      1. Hast du irgendwo zufällig eine Edelstahl-Tauchhülse für einen Temperaturfühler?
        Die sollte ja leitend sein, also einfach BNC-Außenseite mit der Tauchhülse verbinden…

        1. So hab ich es gemacht. Die Freude waraber leider nur von kurzer Dauer. Die Werte fingen dennoch stark zu driften an.
          Meine aktuelle Lösung mit dauerhaft stabilen Werten ist das „elektrisch“ entkoppeln der Messzelle vom Wasserkreislauf. Ich habe dazu einen kleinen Tupperbehälter (ca 125ml), in dem die pH-Sonde steckt und fülle diesen 1 mal pro Stunde mit Magnetventilen neu.
          Damit hat sich mein Problem der springenden Werte und der Drift erledigt….
          Über die Tauchhülse des Temperatursensor habe ich die Erdung dran gelassen

  16. Hallo Alexey,

    ich bin schon länger auf der Suche nach einem geeignetem DIY Messsystem.
    Ich beabsichtige den pH-Wert über einen UnoWifi an mein Openhab zu übertragen.
    Frage zum Stromanschluss an deinem Uno:
    Hast du die Stromversorgung über den 5V oder VIN Pin angeschlossen?

    Gruß
    Michael

      1. Hallo Alexey,
        hab die Schaltung schon ne Weile im Einsatz pH bring ich recht gut hin nur die Redox nervt.
        Ich habe einen adurino mega einen linearen spannungsregler und das Modul wie du im Einsatz, sowie eine billig Redox Sonde nur das murata Modul nicht. Hast du ne Idee was ich machen kann das der Wert mir nicht immer davon läuft? Oder meinst das es die Sonde sein könnte?

          1. Hallo Alexey,
            Hab jetzt eine glassonde mir ausgeliehen die zeigt den gleichen Effekt, die Werte laufen davon. Komisch. Kannst du mir sagen ob und warum du die kondensatoren in deine Schaltung eingebaut hast auf deinem Plan von oben sind die ja drin. Bin ratlos… MfG

          2. Ja, habe eine paar Kondensatoren, soweit ich mich erinnere. Nur für die zusätzliche Glättung der Eingangsspannung.

  17. Hallo,
    ich habe nun endlich die auch die Messzelle in Betrieb … waren zwischenzeitlich noch viele andere arbeiten zu erledigen.
    Bislang habe ich für die Messung ein Glas Wasser geschöpft und den Wert geprüft, das hatte prima Funktioniert.
    Nun habe ich den Effekt das der angezeigte PH Wert von 7.6 (im Glas gemessen) auf -3.5 sinkt sobald ich die Sonde in die Messzelle stecke. Unabhängig davon ob die Pumpen laufen. Ich habe es schon mit einer Erdung der BNC Buche versucht, mit Erdung des Wassers in der Messzelle und auch mit beidem gleichzeitig.

    Kennt ihr diesen Effekt?

    Ich verwende diese Sonde:
    https://www.amazon.de/gp/product/B081QK9TX2/ref=ppx_yo_dt_b_search_asin_image?ie=UTF8&psc=1

    Mein Messaufbau hinter dem mit der Sonde gelieferten Verstärker ist ein Arduino Mini mit welchem ich die Daten seriell zu einem Raspberry Pi übertrage.

    Grüße Jörg

  18. Nachtrag …
    das beste Ergebnis erziele ich wenn ich die BNC Buche Erde und gleichzeitig mit dem Wasser in der Messzelle verbinde. Das hatte ich schon versucht jedoch mit der Erdung an der zweite Kammer der Messzelle, nun habe ich eine einzelne Litze der Erdung zusammen mit der PH Sonde in die Messzelle eingeführt (damit in der selben Kammer direkt neben der Sonde). Damit habe ich nicht mehr die -3.5 sondern +3,6. Immer noch 4 daneben. Pumpen an oder aus macht keinen Unterschied, wenn ich jedoch den Hahn zu Messzelle öffne und diese mit ~20l/h durchströme fällt die Anzeige nochmal um ~0.5

  19. Versorgung läuft über das Stecker Netzteil des Raspberry Pi.
    Oh je *duck* da bringst du mich drauf, das ist ha ein Schaltnetzteil ohne galvanische Trennung.
    Es sollte genügen die Versorgung des Arduino galvanisch zu trennen oder kommt dann das Problem durch die Verbindung von GND zum Raspberry wieder?

  20. Hab nun den Arduino über ein galvanisch getrenntest Netzteil angeschlossen, das bringt lieder nichts. Könnte an der Masseverbindung zum Rasbperry Pi über die Serielle Schnittstelle liegen.
    Da bleibt vermutlich nicht als es entweder auf ein ESP01 Modul mit wlan oder wie bei dir auf die Funk Lösung umzustellen. Oder sieht du noch eine einfachere Möglichkeit welche ich testen könnte.
    PS. ich habe nur die PH Sonde und noch keine Redox Sonde in Betrieb.

  21. Hi,
    hast DU eigent,ich miittlerweile einen geeigneten Drucksensor gefunden? Und wenn ja welchen und kann dieser direkt als Manometerersatz am Mehrwegeventil angeschlossen werden? Den den man bei Pooldigital kaufen kann kann ich leider nicht nehmen da der nur direkt am Kessel und nicht am Mehrwegeventil (da wo jetzt mein analgoes Manometer sitzt) montert werden darf.

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