Ph метрами своими руками

Ph метрами своими руками

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:

LMC 6001 – достаточно дефицитная и дорогая микросхема (порядка 10$) с входным током около 25 фА, используется на входе лабораторных рН-метров и иономеров. Входные параметры этой микросхемы позволяют работать со всеми типами электродов, включая ион-селективные и высокоомные рН-электроды.

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.

Источник

Digitrode

цифровая электроника вычислительная техника встраиваемые системы

pH-метр на основе Arduino своими руками

Шкала рН используется для измерения кислотности. Она может давать показания в диапазоне от 1 до 14, где 1 показывает наиболее кислую жидкость, а 14 – самую щелочную жидкость. 7 pH – уровень для нейтральных веществ, которые не являются ни кислотными, ни щелочными. Сейчас pH играет очень важную роль в нашей жизни и используется в различных областях. Например, его можно использовать в бассейне для проверки качества воды. Аналогично, измерение pH используется в самых разных областях, таких как сельское хозяйство, очистка сточных вод, промышленность, мониторинг окружающей среды и т. д.

В этом проекте мы собираемся создать pH-метр на основе Arduino и научиться измерять уровень pH жидкого раствора с помощью датчика pH и Arduino. ЖК-дисплей 16×2 используется для отображения значения pH на экране. Мы также узнаем, как откалибровать датчик pH для повышения точности датчика.

Итак, единица измерения кислотности вещества называется pH. Термин «Н» определяется как отрицательный логарифм концентрации ионов водорода. Диапазон рН может иметь значения от 0 до 14. Значение рН 7 является нейтральным, поскольку чистая вода имеет значение рН ровно 7. Значения ниже 7 являются кислотными, а значения больше 7 являются щелочными.

Аналоговый датчик pH предназначен для измерения значения pH раствора и определения кислотности или щелочности вещества. Он широко используется в различных приложениях, таких как сельское хозяйство, очистка сточных вод, промышленность, мониторинг окружающей среды и т. д. Модуль имеет встроенную микросхему регулятора напряжения, которая поддерживает широкий диапазон напряжения 3,3-5,5 В постоянного тока, который совместим с уровнями 5 В и 3,3 В любой платы управления, например, Arduino. Выглядит электрод датчика следующим образом.

Плата преобразования сигнала для него выглядит так:

Эта плата имеет следующие выводы: V+: вход 5 В постоянного тока, G: контакт заземления, Po: аналоговый выход pH, Do: 3,3 В постоянного тока, To: температура на выходе.

Конструкция электрода датчика уровня pH:

Датчик pH выглядит как стержень, обычно сделанный из стеклянного материала с наконечником под названием «стеклянная мембрана». Эта мембрана заполнена буферным раствором с известным значением pH (обычно pH = 7). Такая конструкция электрода обеспечивает среду с постоянным связыванием ионов H+ на внутренней стороне стеклянной мембраны. Когда зонд погружается в тестируемый раствор, ионы водорода в тестируемом растворе начинают обмениваться с другими положительно заряженными ионами на стеклянной мембране, что создает электрохимический потенциал через мембрану, которая подается на модуль электронного усилителя, который измеряет потенциал между обоими электродами и преобразует его в единицах рН. Разница между этими потенциалами определяет значение pH на основе уравнения Нернста.

Уравнение Нернста дает связь между потенциалом электрохимической ячейки, температурой, коэффициентом реакции и стандартным потенциалом ячейки. В нестандартных условиях уравнение Нернста используется для расчета потенциалов в электрохимической ячейке. Уравнение Нернста можно также использовать для расчета полной электродвижущей силы (ЭДС) для полной электрохимической ячейки. Это уравнение также используется для расчета значения pH. Отклик стеклянного электрода определяется уравнением Нернста и может быть задан как E = E0 — 2.3 (RT/nF) ln Q (Q = коэффициент реакции, E = мВ на выходе электрода, E0 = нулевое смещение для электрода, R = идеальная газовая постоянная = 8,314 Дж/моль-К, T = температура в ºK, F = постоянная Фарадея = 95 484,56 C/моль, N = ионный заряд).

Принципиальная схема pH-метра на основе Arduino приведена далее.

В ней выход платы преобразования Po мы подключаем к аналоговому входу A0 платы Arduino.

После успешного подключения аппаратных средств пришло время программировать Arduino. Полный код работы pH-метра на основе Arduino приведен далее.

Калибровка электрода датчика pH очень важна в этом проекте. Для этого нам нужно известное значение pH какого-либо раствора. Оно может быть принято как эталонное значение для калибровки датчика. Предположим, у нас есть раствор, значение pH которого равно 7 (дистиллированная вода). Теперь, когда электрод погружен в эталонный раствор и значение pH, отображаемое на ЖК-дисплее, составит примерно 6,5. Затем для калибровки просто добавьте 7-6.5 = 0.5 в калибровочную переменную «calib_value» в коде, то есть нужно сделать значение 21,34 + 0,5 = 21,84. После внесения этих изменений снова загрузите код в Arduino и перепроверьте pH, окуная электрод в контрольный раствор. Теперь на ЖК-дисплее должно отображаться правильное значение pH, то есть 7. Аналогичным образом отрегулируйте эту переменную для калибровки датчика. Затем проверьте все другие решения, чтобы получить точный результат.

Мы попробовали этот pH-метр на основе Arduino, окунув электрод в чистую воду и лимонную воду, результат вы можете увидеть на следующих изображениях (первое – чистая вода, второе – лимонная кислота).

Источник

ТЕМА: РН метр для грунта.

РН метр для грунта. 19 сен 2017 15:16 #1

Решил я вот плотно заняться огородом и садом, как оказалось наука та еще, чтоб что-то выростить мало втыкнуть в землю и просто поливать. Нужно быть еще немного химиком, уметь бодяжить растворы химикатов для подкормки и опрыскивания. И вот этим летом попробовал на базаре голубику, и понял именно этого растения не хватает в моем саду Но выращивать ее сложно, нужно постоянно контролировать кислотность грунта. Купил лакмусовых бумажек, но по ним сложновато определить кислотность, точность, можно сказать +-1. Правильный кислотомер очень дорогой из-за правильных избирательных стеклянных электродов, которые сложны в эксплуатации и нуждаются в постоянном обслуживании и калибровке. Есть еще вариант с китайскими «приборами» 3 в 1 с электродами из двух разных металлов, которые образуют гальваническую пару и стрелочным микроамперметром что-то показывают. Вот его схемка.

Показывать такой прибор может только погоду в Китае. Есть похожие, но у же с электронной начинкой — подстроечный резистор, типа калибровать можно. Тоже вызывает сомнения так как проводимость грунта далеко не константа и будет вносить погрешность в измерения. Есть по этому же принципу цифровые, их очень хвалят огородники, но толком никто поверку не проводил.

Вобщем не дает мне покоя эта тема, думаю что-то сделать свое по китайпринципу. Взять контроллер к нему термодатчик (показания РН зависят от температуры) и операционник с полевым входом и двухполярным питанием. Электроды сделать из двух разных металов. Калибровать буду на буферных жидкостях, продаются по 15-20 грн. Понимаю, что измерения таким прибором будут не очень точными, но для садовода вполне подойдет точность лакмусовой бумажки, те более я буду его калибровать в точке, что мне нужно поддержать на грядке РН4. Кто что думает по данному поводу?

ЗЫ ну если использовать контроллер можно сделать люксомер, мерять количество света за день и влагомер.

Источник

Самодельный электронный pH-метр

Начиная заниматься гидропоникой, для измерения уровня pH питательного раствора я сначала купил тест-полоски, которые надо было опускать в раствор и они должны были менять свой цвет, взависимости от уровня кислотности. Но то-ли эти полоски были у меня просроченые, то-ли просто не работали — они вообще никак не реагировали ни на кислоту, ни на щелочь.

Второе приобретение — это жидкий аквариумный pH тест. Он сам изменяет свой цвет, взависимости от кислотности. Он измеряет уровень pH от 4 до 8,5. Этого для начала вполне достаточно, чтобы держать уровень в пределах 5-6 pH.

Т.к. первый мой эксперимент с ультразвуковой аэропоникой был не очень успешен (постоянно гнили корни растений и, соответсвенно, всё время повышался уровень pH) и приходилось каждый вечер понижать pH, то у меня сразу встал вопрос об автоматизации этого процесса. Но для этого надо было иметь электронный pH-метр, да ещё и со связью с компьютером(чтобы вдальнейшем сделать автоматизированный контроль). Такие модели в продаже есть — имеют RS-232 интерфейс (старый последовательный порт компьютера), но у них есть и недостаток — цена.

Т.о. чтобы не покупать для экспериментов, я решил сделать его самостоятельно. Почитав о принципе работы pH электрода — я понял, что этот компонент мне точно в домашних условиях не сделать. Его придется покупать в любом случае. Купил необслуживаемый электрод ЭСК-10608/7. Из обслуживания — только калибровка.

Рис. 1
pH электрод в работе,
в питательном растворе

Для убеждения себя же в правильном выборе pH электрода я задал перед покупкий несколько вопросов :

«3.Электрод будет постоянно находится в измеряемом растворе и возможно нарастание водорослей на «шарике». Насколько это критично для самого электрода ?
4.Как долго этот электрод может находиться погруженным в раствор до погрешности 0,5 pH (естественно это не конкретные сроки, а хотя бы периоды неделя/месяц. )»

и получил следующие на них ответы :

«3. Зарастание электрода нежелательно, т.к. Вы можете получить неправильные результаты. Продукты жизнидеятельности водорослей могут локально изменить pH. Если шарик будет полностью заблокирован, он перестанет реагировать на изменение pH анализируемого раствора.

4. До погрешности 0,5 pH, я думаю, никогда не дойдет. Только когда электрод совсем умрет. Правда, если не учитывать эффектов по п.3.»

Рис. 2
Схема электрическая
принципиальная pH преобразователя

Теперь осталось только преобразовать напряжение на электроде в цифры на экране компьютера. Я нашел схему рис.1 , на выходе я получаю линейную зависимость напряжения 0-5 Вольт от уровня кислотности pH раствора 0-12. А для компьютера, чтобы использовать всё тот же порт джойстика, мне нужно изменение тока.

Как я ни «колдовал» линейности по току у меня не получалось, поэтому я решил поставить простую оптопару и после снятия показаний с порта джойстика — таблично преобразовывать из в реальные значения pH. Это, конечно, получилось как «забивать микроскопом гвозди», но для экспериментов мне этого достаточно. На рис.2 — получившиеся устройство — «трансмиттер» в корпусе сгоревшего блока питания. Вся стоимость составила: стоимость электорода плюс стоимость деталей. Итого: 1599 + 35 р. Этот электрод вдальнейшем, если интерес к гидропонике не угаснет, можно использовать и в профессианальном выращивании в комплексе с фирменным трансмиттером.

lobzik Не в сети habitue Сообщений: 193 Спасибо получено: 75

Рис. 3
Самодельный трансмиттер
pH -> U -> I -> game port

Теперь осталось разработать исполнительное устройство, которое будет впрыскивать в питательный раствор жидкость для повышения/понижения уровня pH — «pH up» или «pH down» соответственно, по сигналу с компьютера, основанном на текущих показаниях электрода.

А пока эту операцию придется делать руками, но основываясь уже на данных с экрана монитора, а не бегать с pH-тестом и «пачкать руки».

Вот, спустя несколько дней добавил в программу и график уровня pH — рис.4. На нем хорошо заметно, как к 14-ти часам дня уровень pH медленно опускался, в это время я долил в резервуар с раствором отстоянной двое суток воды с высоким уровнем pH (около 8.5) и уровень постепенно нормализовался до

Рис. 4
График уровня pH в резервуаре с питательным раствором

Источник