Ač elektronický seriál tak jsme se minule hluboce zahloubali do chemie kolem měření pH až jsem se začal stydět. Takže dnes je na čase probrat elektroniku pH metrů - což nejjednodušeji učiníme tak, že do BINGu zadáme heslo "Arduino pH probe" a tím pádem nám zbbývá už jenom rada paní Kubáčové novomanželkám .....
Pro případné trpělivější čtenáře, kteří by přece jenom chtěli přečíst nějaké mé výplody kolem - tak pokračujeme podrobněji.
Tedy Z hlediska vnitřního odporu vypadá pH metr jako schémátko na obrázku. Tedy měřící elektroda má vnitřní odpor ve stovkách megaohmů a s tím jsou trošku problémy, pokud ale máte gigaohmový multimetr - úplně stačí ten přímo připojit na pH a referenční elektrodu a můžete měřít.
Pokud nemáte Gigaohmový multimetr - zásadní pro vás bude "Buffer amplifier" alias JFET/CMOS operační zesilovač, který vám gigaohmy vnitřního odporu pH elektrody převede na impedanci, se kterou se dá pracovat. Z jistých důvodů doporučuju spíše JFEtové operační zesilovače - a to z těch důvodů, že JFET přece jenom lépe odolává statické elektřině zatímco u CMOS obvodů byste se mohli zaplést do komplikací kolem designování "ochranných obvodů" na vstupu - nicnéně to, co vidíte na obrázku je plně funkční pH metrický předzesilovač, na který připojíte už jenonm multimetr a ze "surových dat" si na kalkulačce spočtete pH.
Drobný problémeček je v tom, že ač jsme minule tvrdili, že Nernstova rovnice, která nám popisuje závislost signálu na pH vypadá, jako vzoreček nahoře.
Realita je trochu složitější - skutečná rovnice jak ji vymyslel pan Nernst je zde - a jak vidíte tak v ní figuruje i teplota. Tedy vysněných 59mV na jednotku pH má sklěněná elektroda jenom při 25 stupních celsia, při ostatních teplotách musíme teplotu měřit a podle aktuální hodnoty změřené pH korigovat.
Což většinou vede ke konstrukci jako na obrázku nahoře - kromě předzesilovačů, které dodávají surová data a nějakého toho "Arduína" které počítá Nernstovu rovnici není v pH metru už nic.
Skutečně musím připustit, že komerčně dostupné pH metry se řadí do tří kategorií
- Single point calibration - namočíte pH metr do kalibračního pufru a trimrem točíte dokud na displeji není správné pH - jaký parametr trimrem nastavujete nikdo neví a tudíž je doporučeno aby rozdíly v teplotě i pH mezi kalibračním pufrem a měřeným roztokem byly co nejmenší,
- Dual point calibration - má dva trimry - jedním se dle Nernstovy rovnice nastavuje E0 - neboli "napěťový offset" pH elektrody a druhým se kompenzuje Nernstovo napětí (těch 59mV) dle teploty. Práce s ním probíhhá tak, že namočíte do jednoho pufru nastavíte E0 pak namočíte do druhého pufru a točíte druhým trimrem, tím se vám zase poněkud "rozšteluje" E0 tak dáte zpět do privního pufru atd - několik kol až v obou roztocích pH metru ukazuje, co má i bez "štelování".
- Temperature compensated - kalibruje se dvoubodově + pH elektrody pro tyto pH metry mají teplotní čidlo rovnou někde v elektrodě - v "dřevních dobách" to byl přímo termistor, který se zapojil do zpětných vazeb operačních zesilovačů kde sám kompenzoval napětí dle teploty roztoku.
Varianta 3 je dnes problematická, protože máme milion teplotních čidel a taky milion "teplotně kompenzovaných" pH elektrod, ale postavit funkční předzesilovač s "dvoubodovou kalibrací" - není díky konstatntí laboratorní teplotě "nic proti ničemu" ani dnes. Jako obvykle - se můžete pohybovat na křivce složitosti takového zapojení od "primitivismus" až k "monstrum". Jaké funkční bloky tedy potřebujeme
- impedanční měnič s terraohmovou vstupní impedancí
- zesilovač "nernstova" napětí
- odečtení "offsetu elektrod"
Další bloky, které se hodí
- frekvenční filtr proti vysokým frekvencím (asi tak nad 3 Hz - pH elektroda je pomalá )
- generování záporného napětí / virtuální země pro operační zesilovače
- Druhý kanál pro referenční elektrodu při "třídrátovém měření"
Počkat - jaké třídrátové měření ? - Běžné pH elektrody mají měřící i referenční elektrodu v jednom pouzdře s BNC konektorem, kde na středovém pinu je pH elektroda a na stínění BNC je připojena referenční "kalomelová" elektroda. U ciítlivějších přístrojů to tak není a tam je referenční a "uzemňovací" elektroda rozdělená asi jako vidíte na následujícím obrázku.
ještě se zastavím u zesliovače "nernstova napětí" - je totiž otázka jaký výstpu chceme - klasikou bylo že 0-14 pH odpovídalo 0-1V nebo 0-14V nebo 0-10V, ale od dob 3,5 místných multimetrů které zobrazí 0000 - 1999 mi jako nejlepší připadá pouštět z pH meru napětí 0 - 1400 mV
Takže vítězem se stává zapojení na obrázku, které mi připadá jako "přiměřeně vidlácké", protože obsahuje i frekvenční filtr R1, C1, ale zároveň to není "houšť" operačních zesilovačů s nepochopitelně složitými zpětnými vazbami. Pro kalibraci pH metrů se dnes používají nejčastěji pufy o pH 4; 7 a 10. Pufr s pH 7 je "povinnost" mít, protože při tomto pH mají pH elektrody napětí blízké 0, proto ponoříme elektrodu do pufru 7 a trimrem R5 nastavíme na displeji pH 7. Další pufr máme podle toho jestli častěji měříme v kyselé nebo zásadité oblasti takže nastavujeme trimem R3 buď na 4 nebo na 10. Tímto postupem ušetříme několik kol "štelování" a máčení elektrody do roztoků. Je však třeba pamatovat na to, že pufr i měřený roztok by měly mít stejnou teplotu a že mezi ponořením elektrody z roztoku do roztoku je třeba ji opláchnout destilovanou vodou.
Čistě jenom pro hnidopichy mezi čtenáří - po prvním namočení se pH elektroda uchovává vhlká - jsou na to spec. roztoky, ale pufr 7 taky vyhoví (neskladujte v destilce skleněná "membrána" se v ní pomaličku rozpouští).
Tím jsme pH (i mně) vyčerpali a Zbývá už jenom rada paní Kubáčové novomanželkám : JFEtové operační zesilovače jsou přece jenom poněkud citlivé na statickou elektřinu - je proto lepší když vaše erotické outfity jiskří v ložnici - nikoliv v robotické pracovně vašeho manžela.
Slavko | 16. září 2014 v 20:13
Někdy je pro manželku-vědátorku největší "rajc" vidět manžela-vědátora, jak měří na kuchyňské lince pH elektrodou. U tak citlivých přístrojů jako pH metrů s JFET zesilovači by patřila i stručná stať o elektromagnetickém rušení erotických pomůcek. ..