Ремонт ph метра своими руками
Добавил пользователь Morpheus Обновлено: 19.09.2024
РН-МЕТРИЯ ДЛЯ НАЧИНАЮЩИХ.
Часть 1. Что можно сделать самому.
В этой серии статей речь пойдет о рН-метрии. Большинство аквариумистов традиционно пользуются капельными тестами для измерения рН, основным недостатком которых является сложность в восприятии оттенков и недостаточная точность определения. Кроме этого, отсутствует возможность автоматического управления кислотностью аквариумной воды. Другой способ – электронные рН-метры. В настоящее время на рынке широко представлены как портативные приборы для измерения рН, так и специализированные аквариумные рН-контроллеры, но их цена пугает. А такой ли уж дорогой этот прибор.
Зная принципы рН-метрии и особенности используемых электродов можно подобрать более дешевый аналог, в ряде случаев восстановить нерабочий электрод и даже собрать простенький прибор для измерения потенциалов рН-, редокс- и ион-селективных электродов. А позже доберемся и до самодельного рН-контроллера.
Об особенностях электродов для измерения рН речь пойдет позже, а сейчас надо сказать, что потенциал стеклянного рН-электрода изменяется на 55-59 мВ на единицу рН. Зависимость линейная, это упрощает схему приборов и расчеты.
ЧАСТЬ 1. ЧТО МОЖНО СДЕЛАТЬ САМОМУ.
Вот он, по случаю позаимствованный в лаборатории, стеклянный лабораторный рН-электрод ЭС-11.7. Он использовался в паре с хлорсеребряным электродом сравнения ЭСР-01.
Без измерительного прибора – это совершенно бесполезные игрушки, но не все потеряно…
Как было сказано выше, потенциал рН-электрода изменяется на 55-59 мВ на единицу рН. Но обычный, даже достаточно дорогой милливольтметр для измерений не подойдет. Измерительный прибор должен иметь входное сопротивление порядка 10 9 – 10 12 Ом, а сопротивление большинства цифровых мультиметров 10 6 – 10 7 Ом.
Для того чтобы увеличить входное сопротивление прибора, на вход можно поставить операционный усилитель (повторитель) с высоким входным сопротивлением.
Схема включения стандартная, напряжение питания 5-15 В (в зависимости от выбранной микросхемы).
В качестве усилителя подойдут следующие микросхемы:
СА3140 – операционный усилитель с входным сопротивлением 1*10 12 Ом и током 2 п A . Чуть хуже, но значительно дешевле.
LF 444 – четырехканальный усилитель с входным сопротивлением 10 12 Ом, ток 5 пА.
OPA 344 – усилитель с входным сопротивлением 10 13 Ом и типовым входным током 0,2 пА. Бывает в двухканальном ( OPA 2344) и четырехканальном ( OPA 4344) исполнении. Аналог – OPA 345.
И ряд других микросхем с аналогичными параметрами.
При изготовлении такого повторителя для уменьшения высокочастотных помех провод электрода должен быть экранирован и заземлен. Электроды изначально имеют такой провод, остается его только заземлить. Защита выполняется следующим образом:
Возможно заземление на общий провод, как в схеме с микросхемой LF 444 (см ниже).
Если это устройство подключить к цифровому вольтметру, то можно с высокой точностью измерять потенциал рН-электрода, который будет в пределах +/-400мВ относительно хлорсеребряного электрода сравнения. Это потенциал рН-электрода в мВ, но не рН. Перевести это значение в единицы рН можно по графику, который легко нарисовать при калибровке по двум точкам. График будет иметь такой вид (изменение наклона кривой – температурная зависимость потенциала):
Надо сказать, что такой повторитель с коэффициентом усиления, равным 1, позволяет напрямую измерять потенциал редокс-электродов.
Но рисовать график и каждый раз пересчитывать милливольты в единицы рН не всегда удобно. Чтобы измерительный прибор сразу показывал рН, необходимо сделать некоторые коррекции, т.е. подобрать коэффициент усиления, чтобы на выходе усилителя зависимость была 100мВ/рН или 1В/рН и сместить сигнал относительно нуля.
Готовые конструкции есть в описании некоторых микросхем. Пример использования микросхемы LF 444:
Более простая схема в описании микросхемы LMC 6001. Она реализована на двух операционных усилителях, первый усиливает сигнал и имеет настройку коэффициента усиления, на втором сигнал инвертируется и напряжение смещается на заданную величину.
По этой схеме с небольшими изменениями я собрал пробный вариант рН-метра на двух микросхемах СА3140. С дешевеньким цифровым мультиметром эта приставка выдает стабильное значение рН до второго знака после запятой, а при качественной калибровке погрешность прибора при измерении рН не хуже 0,02. Если измерения и калибровка проводятся при одинаковой температуре, то использовать термозависимый резистор R 1 необязательно.
Пример готовой конструкции:
Размеры печатной платы 4,5*2,5 см. Ее можно разместить в батарейном отсеке мультиметра, а питание схемы и измерительного прибора производить от внешнего источника питания. Чтобы исключить утечку тока через место пайки, неинвертирующий вход микросхемы не следует паять на плату.
Настройку и калибровку следует проводить следующим образом: Опустить рН-электрод в калибровочный раствор с рН=7,0 (желательно использовать раствор, рН которого близок к изопотенциальной точке электрода) и переменным резистором R 8 установить на выходе 700 мВ (рН=7,00). Затем промыть электрод в дистиллированной воде и опустить в калибровочный раствор с рН=4,0 или 10,0, переменным резистором R 3 установить на выходе 400 или 1000 мВ соответственно (рН=4,00 или рН=10,00). На этом калибровка завершена. Если переменными резисторами не удается откалибровать прибор, то следует подобрать сопротивление резисторов R 2 и R 7.
P . S . Более подробную информацию о параметрах микросхем см. в технической документации.
В садоводстве в последние несколько лет особую популярность получила гидропоника. В такой системе выращивания овощных, ягодных и плодовых культур уровень рН в почве, воде или питательном растворе стал играть важную роль, поскольку их эффективный рост и плодоношение зависят от синтеза питательных веществ и благоприятных природных условий. Корректно подобранный уровень рН может дать растениям дополнительные силы для лучшего процветания.
Как определить
РН (потенциал водорода) показывает степень кислотности и щелочности в воде или почве, т. е. соотношение количества ионов Н+ и ОН-. Для удобства определения разработана шкала от 0 до 14, показывающая, что чем выше показатель, тем более щелочная среда, чем ниже – кислотная. Нейтральным считается уровень в пределах 7.
Визуально определить такой показатель в воде невозможно, почву относительно выдает её цвет. Например, оттенки желтого или оранжевого свидетельствуют о кислотности почвы, зеленый – о щелочном уровне.
Однако такие показатели приблизительные, не определяющие точную степень рН. Это затрудняет расчет того, какое количество синтетических и минеральных питательных веществ для растений необходимо. Неправильное определение значения приведет к гибели или болезням растительных культур.
Чтобы избежать таких неприятных ситуаций, можно использовать электронный рН-метр. Такой прибор избавляет от необходимости приобретать лакмусовые бумажки для экспресс-теста и определять степень насыщенности розового цвета. Достаточно опустить его в воду, и на дисплее отобразиться уровень рН. Для жидкости и грунта используют разные приборы измерения: датчики по-разному определяют данный показатель.
Сегодня на рынке представлено довольно большое количество фирм-производителей такого точного научного оборудования (портативный, карманный, стационарный).
Если не стремитесь получать точные результаты, то китайские милливольтметры неплохо справляются со своей задачей, да и цена доступная.
Как правило, широко используется предмет для определения уровня рН именно в воде. Принцип работы прибора устроен просто: 2 электрода (индикаторный измерительный и электрод сравнения) опускаются в раствор, между которыми создается небольшой ток, измеряющий величину напряжения между ионами водорода. Показатель отображается на дисплее. Для такой нехитрой манипуляции достаточно нескольких секунд.
Зачем нужна калибровка
РН-метр относится к лабораторным приборам, требующим пристального внимания как в работе, так и в обслуживании. Калибровка – это своего рода настройка инструмента, который должен выдавать точные цифры. Электроды функционируют на основе уравнения Нернста (на наклоне и смещении), со временем они начинают менять или терять свои свойства, что приводит к искажению данных. Поэтому и требуется калибровка рН-метра.
Чем чаще производится калибровка, тем точнее итоговый результат. Для успешного измерения процедуру проводите с определенной периодичностью:
- несколько раз в неделю при регулярном применении;
- при некорректных показаниях;
- после тестирования очень кислотных или щелочных жидкостей;
- после тестирования жидкостей в широком диапазоне;
- в случае замены электрода.
Как правильно настроить
Когда проводится калибровки pH-метра, допускается много ошибок. Перечислять их можно долго – рассмотрим 3 главных. Одна из распространенных – это использование дистиллированной воды. Многие считают её чистой, с нейтральным уровнем рН 7. В реальности это не так. На воздухе такая вода интенсивно начинает поглощать углекислый газ, и состав жидкости меняется, соответственно, меняется и показатель кислотности.
Ещё одна совершаемая ключевая ошибка – хранение буферных растворов на воздухе. Такие действия приводят к быстрой порче реагента. Неверным шагом является сохранять уже использованный раствор для следующей калибровки. Так зачастую заносится грязь, искажая последующие результаты.
Как же правильно настроить и проверить прибор? Новые рН-метры, приобретаемые в специализированных магазинах, уже с заводской калибровкой. Перед первым применением и после работы его нужно обязательно откалибровать. Прибор настолько чувствительный, что даже тряска во время транспортировки способна сбить настройки.
Прежде чем приступить к работе, измеритель должен быть настроен на тот диапазон, который будет исследоваться. Опытные специалисты отмечают 3 оптимальные отметки для измерения уровня рН: 4,0, 7,0 и 10,0. Эти точки максимально покрывают диапазон от 0 до 14, определяющий кислотность и щелочность среды.
Используемые буферные растворы всегда должны быть свежими. Лучше всего покупать их в виде порошка, разводить в дистиллированной воде, когда это необходимо. Для получения более полных и достоверных данных при последующих измерениях калибруйте прибор в 2–3 точках.
Буферные (калибровочные) растворы – это специальные водные составы со стандартным значением активности ионов водорода на основе солей многоосновных кислот. Жидкости выбираются в соответствии с требуемыми показателями. Если это щелочной, используйте буфер с рН 9,18, кислая – с рН 4,01, нейтральная – с рН 6,86.
Сам процесс калибровки не требует каких-либо специальных навыков. Процедура эта проста (даже в домашних условиях). Инструменту с аналоговой настройкой нужна отвертка, при помощи которой регулируются значения до совпадений показателей калибровочного раствора. На цифровых необходимо слегка надавить на стрелку до получения требуемого результата.
Частые калибровки – правильная привычка, которую необходимо получить специалисту, проводящему замеры PH. Это связано с тем, что правильная калибровка позволит отображать все замеры точно и правильно. Функционирование электродов происходит в результате смещений и наклонений, что имеет специальную формулы. В науке данная формула имеет наименование уравнение Нернста. Необходимо понимать, что электроды с течением времени начинают терять свои изначальные свойства и характеристики. Подобная деструктивная тенденция приведет к тому, что применение уравнение Нернста становится невозможным. Получение точной информации при PH замерах, обуславливается необходимость проведения калибровки.
Процедура при правильном проведении, компенсирует старение электродов, определяет их смещение (наклонение) на момент диагностирования. Это позволяет не только обновить электроды, которые начали терять свои функции, но и вовремя произвести их замены.
Применение PH раствора вовремя предупредит пользователя, что электроды неисправны или же были повреждены. Эта важная информация становиться доступной благодаря возможности точного определения смещения (наклонения) электродов.
Смещение электрода – это показания в милливольтах (мВ) при нейтральном значении единицы PH, если принимать за это значение показатель кратный – 7. Наклонение электрода – это изменение мВ по отношению к единице PH.
Конечно же, если при проведении калибровки один из вышеуказанных показателей отклоняется от нормы, но датчик не показывает никаких отклонений, то напрашивается единственный логический вывод. Прибор, отвечающий за измерение показателей, вышел из строя.
Современный рынок насыщен разнообразными предложениями относительно калибровочных бустеров. Разберемся в существующих веществах для проведения операций, касающихся PH калибровки.
Калибровочные бустеры можно условно разделить на три группы:
- Стандартные;
- Технические;
- Высокоточные.
В подобном широком ассортименте растворов для калибровки легко запутается не искушенный человек. Облегчить задачу выбора PH раствора довольно просто. Необходимо разобраться в каждой отдельной группе смесей, предложенных на рынке.
Стандартное оборудование для решения калибровки PH тестеров
Калибровочные растворы, относящиеся к разряду стандартные, имеют точность +/- 0,01 PH. Важным условием проведения калибровки является температурный режим вещества. Температура раствора должна быть 25 С или 77 F.
Значение PH при этом имеет семь показателей, которые колеблются в пределах 1. 68 – 10.01. Самыми востребованными на рынке растворами – это буферы с номинальными показателями: 4,01, 7,01 или же 10,01.
Каждый отдельный раствор имеет свой специфический цвет. Это позволяет легко их различать. Подобная мера со стороны производителей упрощает процесс работы, позволяет не рассматривать каждый раз этикетку на ёмкости с раствором, прерывая производственный процесс.
Стандартные растворы изготовлены согласно стандартам ISO, отслеживаются по NIST. Упаковка калибровочного материала оснащается информацией, которая может быть полезной пользователю, по мнению производителя. Пробирки с раствором представлены: одноразовыми колбами или же крупными емкостями с активным веществом.
Стандартные смеси превосходно годятся для решения одноразовых задач, применяются в любых условиях, подходят для большинства PH метров.
При проведении измерений образца, который выходит за пределы указанного выше температурного диапазона, а именно превышает 25 С, применяются рекомендации, указанные на упаковке раствора.
Следует помнить, что все калибровочные материалы проходят сертификацию. Отдельные производители предоставляют проверочные сертификаты исключительно по просьбе покупателя.
Проблема термокомпенсации, автоматическая термокомпенсация
Проблема компенсации изменений температуры одна из самых важных и самых трудно решаемых в рН-метрии. Погрешность в измерения возникает по трем причинам: В уравнение Нернста входит температура; Равновесные концентрации ионов водорода в буфере и образцах меняются в зависимости от температуры; Характеристики рН-электрода зависят от температуры. 1. Согласно уравнению Нернста, теоретический наклон калибровочной кривой изменяется с температурой. Если прибор не учитывает этого изменения, то к погрешности измерений добавляется ошибка в среднем равная 0.003рН на каждый градус Цельсия и каждую единицу рН от изопотенциальной точки.
Например: прибор откалиброван по буферу рН=7 при температуре 25С.
Образец с рН=5 при 20С, ошибка = 0.003 х 5 х 2 = 0.03
Образец с рН=2.5 при 2С, ошибка = 0.003 х 23 х 4.5 = 0.31
Образец с рН=12 при 80С, ошибка = 0.003 х 55 х 5 = 0.82
Скала pH используется для измерения кислотности и валентности жидкостей. Диапазон pH составляет 1-14, где 1 соответствует наиболее кислотной жидкости, а 14 – основной жидкости. 7 pH соответствует нейтральным веществам (субстанциям), которые не являются ни кислотными, ни основными. Параметр pH играет достаточно важную роль в жизни людей. Например, его можно использовать для определения качества воды в бассейне. Также параметр pH имеет большое число разнообразных применений в сельском хозяйстве, очистке сточных вод, промышленности, мониторинге состояния окружающей среды и т.п.
В данной статье мы рассмотрим создание pH-метра (pH Meter) на основе платы Arduino Uno и гравитационного датчика pH. Значение pH мы будем показывать на экране ЖК диcплея 16x2. Также мы рассмотрим вопросы калибровки датчика pH чтобы повысить точность его измерений.
Необходимые компоненты
- Плата Arduino Uno (купить на AliExpress).
- ЖК дисплей 16х2 (купить на AliExpress).
- Модуль I2C для ЖК диcплея (купить на AliExpress).
- Аналоговый гравитационный датчик pH (Gravity Analog pH sensor) (купить на AliExpress).
- Соединительные провода.
- Макетная плата.
Что такое значение pH?
Параметр, который мы используем для измерения кислотности веществ, называется pH. Термин “H” здесь обозначает концентрацию ионов водорода. Диапазон pH содержит значения от 0 до 14. Значение pH равное 7 обозначает нейтральную, чистую жидкость. Чистая вода имеет pH точно 7. Значения меньшие 7 обозначают кислотность, а большие 7 – основной или щелочной характер жидкости.
Как работает аналоговый гравитационный датчик pH
Аналоговый датчик pH предназначен для измерения значения pH и показывает кислотность или щелочность (щелочные свойства) вещества. Датчик содержит в своем составе встроенный чип регулятора напряжения, который поддерживает широкий диапазон питающих напряжений - 3.3-5.5V DC (постоянного тока), что позволяет его подключать к контактам 5V и 3.3V любых плат Arduino. Выходной сигнал фильтруется аппаратным фильтром.
Технические характеристики модуля преобразования:
- питающее напряжение: 3.3~5.5V;
- BNC-соединитель (стандартный байонетный соединитель);
- высокая точность: ±0.1@25°C;
- диапазон измерений pH: 0~14.
Технические характеристики pH электрода датчика:
- диапазон рабочих температур: 5~60°C;
- точка нуля (нейтральная точка): 7±0.5;
- простая калибровка;
- внутреннее сопротивление: Назначение контактов (распиновка) платы датчика pH:
V+ : вход напряжения 5V постоянного тока (DC);
G : контакт земли (Ground pin, общий контакт);
Po : аналоговый выход pH;
Do : выход напряжения 3.3V постоянного тока (DC);
To : выход температуры.
Внешний вид конструкции электрода показан на следующем рисунке.
Электрод pH выглядит обычно как трубка, сделанная из стекла, с наконечником в виде стеклянной мембраны. Эта мембрана наполняется буферным раствором с известным pH (обычно pH = 7). Электрод спроектирован таким образом, что на стеклянной мембране всегда поддерживается постоянная концентрация ионов H+. Когда электрод погружается в тестируемое вещество, ионы водорода этого вещества начинают обмен с другими позитивно заряженными ионами стеклянной мембраны, в результате чего создается электрохимический потенциал на концах мембраны, который подается на модуль электронного усиления - он измеряет разность потенциалов между двумя электродами и преобразует ее в значения pH. Преобразование разности потенциалов в значение pH осуществляется на основе уравнения Нернста.
Уравнение Нернста
Уравнение Нернста — уравнение, связывающее окислительно-восстановительный потенциал системы с активностями веществ, входящих в электрохимическое уравнение, и стандартными электродными потенциалами окислительно-восстановительных пар (википедия).
Также уравнение Нернста может быть использовано для расчета общей электродвижущей силы (ЭДС) электрохимической ячейки. В нашем случае мы его используем для расчета значения pH тестируемого вещества. На основе данного уравнения разность потенциалов на концах стеклянного электрода может быть рассчитана следующим образом:
E = E0 - 2.3 (RT/nF) ln Q
где
Q= коэффициент реакции
E = выход в mV на концах электрода
E0 = напряжение "нуля" для электрода
R = идеальная газовая постоянная= 8.314 J/mol-K
T = температура в ºK (Кельвинах)
F = константа Фарадея = 95,484.56 C/mol
N = ионный заряд
Схема проекта
Схема pH метра на основе платы Arduino Uno представлена на следующем рисунке.
Соединения между платой Arduino и платой преобразования сигнала pH показаны в следующей таблице.
| Плата Arduino | Плата преобразования сигнала pH |
| 5V | V+ |
| GND | G |
| A0 | Po |
Внешний вид конструкции проекта показан на следующем рисунке.
Объяснение программы для Arduino
Полный код программы для нашего pH метра на основе Arduino приведен в конце статьи, здесь же мы кратко рассмотрим его основные фрагменты.
Первым делом в программе мы должны подключить все используемые библиотеки. В нашем случае мы подключили библиотеку “ LiquidCrystal_I2C.h ” для использования интерфейса I2C с целью обмена данными с ЖК дисплеем и библиотеку “ Wire.h ” для использования функционала интерфейса I2C в плате Arduino.
Читайте также: