Opisany miniaturowy moduł pH-metru jest w rzeczy samej bardzo niewielki: jedynie 11 cm² laminatu, ze zintegrowanymi obwodami zasilania! Autor zbudował takie urządzenie dla College Saint Pierre kilka lat temu – projekt oparł o układ opracowany na jednym z belgijskich uniwersytetów. W czasie tworzenia swojej wersji pH-metru autor zmodyfikował układ tak, aby można było go zasilać niższym napięciem (± 5V) i podłączyć bezpośrednio do wyświetlacza. Także sporo czasu zajęło przygotowanie odpowiednio małej płytki drukowanej – małe rozmiary podyktowane były zarówno kwestiami ekonomicznymi, jak i czystą ciekawością. Do momentu napisania artykułu autor zbudował już 30 takich pH-metrów, które niezawodnie pracują od dłuższego czasu.
Mimo niewielkich rozmiarów urządzenie może równać się z tradycyjnymi pH-metrami. Jego główne cechy to m.in. niewielki rozmiar i masa, konstrukcja w postaci łatwego do podłączenia modułu, do pracy wymaga jedynie zewnętrznego wyświetlacza i transformatora, możliwość regulacji charakterystyki nachylenia elektrody i kalibracji „zera”, powtarzalność pomiarów rzędu 0,01 pH, dokładność pomiarów rzędu 0,02 pH, niski pobór prądu.
Schemat całości pokazano poniżej, jest to wzmacniacz z regulacją punktu zerowego i nachylenia charakterystyki o wysokiej impedancji wejścia (kilka gigaomów).
Elektroda przyłączana jest do wyprowadzenia 15 złącza K1. Sygnał z elektrody podawany jest na wzmacniacz IC1 przez filtr RC przepuszczający tylko „wolne” sygnały (usuwa to niepożądane sygnały o wysokiej częstotliwości). Wzmacniacz IC1 wykonany jest w technologii CMOS i przez to cechuje się wysoką impedancją wejściową. Wzmocnienie IC1 regulowane jest za pomocą potencjometru P1. Kondensator C2 zapewnia stabilną pracę wzmacniacza. Elementy R5/R11 pozwalają wyregulować punkt zerowy wzmacniacza, co jest niezbędne w precyzyjnych – jak opisywany pH-metr – urządzeniach.
Wzmocniony sygnał z elektrody trafia do obwodu ze wzmacniaczem operacyjny IC2 typu TL081. Przesunięcie wzmacnianego sygnału regulowane jest za pomocą potencjometrów R12 i P2. Pierwszy z nich zamontowany jest na płytce drukowanej, drugi – przeznaczony jest do montażu na panelu urządzenia. Pozwala to na dokładniejszą regulację przesunięcia napięcia. Potencjometr R12 może zostać pominięty (potencjometry SMD bywają często drogie). Średnie przesunięcie napięcia dla opisanego układu wynosi 2V.
Następnie sygnał podawany jest na dzielnik napięcia i wyświetlacz. Dzielnik służy konwersji sygnału na wartości akceptowalne przez popularne woltomierze tablicowe, wyposażone także we wbudowany potencjometr do regulacji wzmocnienia. Jeśli posiadany egzemplarz nie ma takowego, należy doposażyć budowane urządzenie w taki regulator. Napięcia występujące w poszczególnych punktach układu mają wartości:
- na wejściu elektrody: ±0,414 V (dokładna wartość może zależeć od rodzaju użytej elektrody i jej wieku, stąd obwody do dokładnej regulacji pH-metru),
- na wyjściu układu IC1: ±2 V,
- na wyjściu układu IC2: 0-4 V,
- na wyjściu dzielnika napięcia/wejściu modułu wyświetlającego: 0-140 mV (około).
Jak można łatwo zauważyć, napięcie podawane z elektrody pH-metrycznej ulega liniowej transformacji na napięcia wprost odpowiadające jednostkom pH (0 – 14,0).
Całość można zmontować na pokazanej poniżej płytce drukowanej (elementy montowane powierzchniowo, poniższa płytka stanowi nowszy projekt, układ pokazany na zdjęciach zbudowano na starszej i większej płytce).
Wartości potrzebnych elementów można odczytać ze schematu – należy pamiętać o dwu dodatkowych potencjometrach, które należy zamontować na przednim panelu urządzenia i połączyć z układem. Autor, jako wyświetlacza, sugeruje użyć woltomierza tablicowego DPM 2000, wyposażonego m.in. w symbol jednostki pH. Testowana z urządzeniem elektroda to InLab 409 firmy Mettler-Toledo.
Procedura kalibracji urządzenia nie jest trudna, ale wymaga użycia precyzyjnego miernika. Regulacji wymagają jedynie potencjometry zamontowane na płytce drukowanej i potencjometr miernika tablicowego; należy je regulować w kolejności: R11, R wyświetlacza, R12. Potencjometry montowane na panelu przednim służą kalibracji w obecności roztworów buforowych. Nie należy mylić tych dwu etapów kalibracji!
Na początku należy ustawić potencjometry P1, R13 i R12 w środkowych pozycjach i zewrzeć wejście elektrody do masy. Następnie, mierząc napięcie na wyjściu IC1 wyregulować je na 0V. Następnie, nadal przy zwartym wejściu, należy wyregulować napięcie na wyjściu układu IC2 na 2V. Może być to trudniejsze, jeśli zastosuje się mniej dokładne potencjometry. Regulowanie potencjometrem R12 ma wpływ na zakres zmian napięcia wprowadzany regulacją potencjometru R13.
Kalibracja roztworami buforowymi może przebiegać następująco (dla roztworów o pH 7 i 9): najpierw należy umieścić elektrodę w roztworze o pH 7 i potencjometrem P2 doprowadzić do wskazania na wyświetlaczu wartości 7. Regulowanie potencjometrem P1 nie powinno mieć wpływu na wskazania układu. Następnie, po przepłukaniu elektrody, należy umieścić ją w roztworze o pH 9 i wyregulować wskazanie wyświetlacza do wartości pH 9. Nie należy regulować już potencjometru P2. Jeśli w pierwszym etapie (kalibracji dla pH 7) regulacja potencjometru P1 powoduje zmiany wyniku, należy powtórzyć proces kalibracji kilkukrotnie – związane jest to z faktem, że użyty roztwór buforowy może nie mieć pH wynoszącego dokładnie 7.
Dokładna zasada działania jest następująca: wzmocnienie pierwszego, nieodwracającego wzmacniacza wynosi G = (RA + RB) / RA (gdzie RA = R3 + P1A, RB = R4 + P1B), co daje minimalne i maksymalne wzmocnienie dla zastosowanych wartości elementów wynoszące odpowiednio 1,4 i 7,9. Amplituda zmian na wyjściu wzmacniacza powinna wynosić 2V. W przypadku opisywanego układu, dla napięć wejściowych ±0,4V napięcie na wyjściu zmienia się w zakresie 0,56 – 3,16 V. Jeśli chce się zastosować elektrody innego typu, np. o zakresie napięć wyjściowych ±0,8V, posiłkując się wzorami na wzmocnienie należy dobrać wartości elementów R3 i R4, obierając wcześniej znaną wartość rezystancji potencjometru P1. Autor zaleca zastosowanie w miejscu R3 i R4 rezystorów precyzyjnych, o tolerancji 1%.
Opisany projekt pozwala zbudować dokładny pH-metr, który z wyświetlaczem i osprzętem będzie kosztował mniej niż 400 zł. Dodatkowe materiały, jak projekt płytki drukowanej i opis wyliczania wzmocnienia wzmacniacza IC1, zawarto na stronie źródłowej.
Możliwymi zmianami jest zastosowanie wzmacniacza instrumentacyjnego w miejsce układu IC1, co podwyższy dokładność i odporność na zakłócenia. Oczywiście wymagane jest zastosowanie wzmacniacza o wysokiej impedancji wejścia, zasugerowano zastosowanie np. układu INA116 firmy Texas Instruments. Dobrym rozwiązaniem byłoby również zastosowanie przetwornicy umożliwiającej zasilanie bateryjne – na obecną chwilę układ można zasilać dwoma ogniwami 9V, ale zastosowanie przetwornicy umożliwiłoby pracę pod zasilaniem np. dwoma ogniwami AA.
Źródło
Fajne? Ranking DIY
