Get Adobe Flash player

Измерение pH

         Заказчик поставил задачу разработать промышленный измеритель-регулятор pH. Устройство должно быть выполнено в виде модуля на DIN-рейку и иметь возможность работать автономно или в общей системе.

         Данный проект является первым этапом решения задачи и носит исследовательский характер. Задача проработать базовую теорию измерения pH, отработать схемотехнические решения, проверить надежность и точность измерения, разработать концепцию будущего устройства.

Базовая теория измерения pH.

pH или водородный показатель – мера активности ионов водорода в растворе, количественно выражающая его кислотность.

Измерение pH производится методом прямой потенциометрии, т.е. измерения разности потенциала между измерительным рН-электродом и  электродом сравнения.

Широко практикуется применение комбинированного электрода, в котором измерительный электрод и электрод сравнения помещены в один корпус.

pH сильно зависит от температуры раствора, поэтому для точного измерения pH ее необходимо учитывать. Температуру исследуемого раствора можно задавать вручную, путем прямого ввода значений или учитывать автоматически при помощи датчика температуры.

Обычно для измерения температуры используется резистивные датчики типа PT100 или PT1000. Большинство современных комбинированных электродов содержит встроенный датчик температуры, что максимально упрощает процесс измерения.

Для обеспечения правильной термокомпенсации необходимо знать координаты изопотенциальной точки электрода.

Изопотенциальной точкой электрода называют такую концентрацию ионов водорода, при которой ЭДС электрода не зависит от температуры.

Концентрация ионов водорода и ЭДС в этой точке называют координатами изопотенциальной точки (рНи и Еи).

Координаты изопотенциальной точки обычно указываются в паспорте на электрод или могут быть определены в лабораторных условиях!

рН анализируемой среды вычисляется по формуле:

рН = – (Е – Еи) / (at  (273 + t°)) + pHи,

                                                    где     рН - измеренное значение рН анализируемой среды;

                                                     Е - значение ЭДС на выходе электродной системы, мВ;

                                                     t° - температура, °С;

                                                     Еи - координата изопотенциальной точки электрода, мВ;

                                                     рНи - координата изопотенциальной точки электрода;

                                                    at - температурный коэффициент крутизны характеристики электродной системы, мВ/(рН.°К), который связан с крутизной характеристики по формуле:

αt = – S / (273 + tº),

                                            где S – крутизна характеристики электродной системы, мВ/рН, при температуре tº, ºС.

Крутизна характеристики электродной системы S указывается в паспорте или определяется вручную в процессе калибровки электрода по нескольким буферным растворам.

Крутизна характеристики S напрямую зависит от материалов, из которых сделан электрод, от температуры раствора и срока службы электрода (возраста электрода). Можно с уверенностью сказать, что S – это прямой показатель "здоровья" электрода. Идеальный хлорсеребряный электрод имеет наклон характеристики -54,1мВ при 0ºС.

Для определения реальной крутизны характеристики S требуется калибровка минимум по двум буферным растворам.

Для обеспечения высокой точности измерения pH необходима периодическая калибровка по буферным растворам.

Для промышленных измерителей pH обычно применяется калибровка по одному-двум растворам, непосредственно в точке измерения.

Для лабораторных измерителей от 3 до 7 точек, в зависимости от методики и требуемой линейности.

Обычно в промышленности калибровка электрода производится в лабораторных условиях, определяется реальная крутизна характеристики и уточняются координаты изопотенциальной точки.

Полученные данные вводятся в измерительный прибор, на реакторной установке или в проточной системе. Далее по мере необходимости электрод калибруется уже на месте по одному раствору, непосредственно в точке измерения.

Такой подход позволяет максимально упростить процесс калибровки электрода и получить приемлемую точность.

Аппаратная реализация.

В качестве базовой была выбрана схема, приведенная в Circuit Note CN-0326, от Analog Device.Измеритель pH схема базавая

Основой схемы является АЦП AD7793, AD8603 в качестве буферного операционного усилителя, который обладает ультранизкими входными токами. Мы имеем большой опыт работы с АЦП AD7793 особенно в задачах измерения ЭДС термопар и сопротивление резистивных датчиков температуры. Поэтому анализ схемы выявил ряд недостатков, которые были устранены. После в программе P-CAD была разработана схема и макетная печатная плата.

Операционный усилитель AD8603, АЦП AD7793, микроконтроллер STM32F003. Так как на момент разработки платы конечная концепция была не ясна, то на плате предусмотрена установка двух операционных усилителей в разных корпусах на выбор. Схема не содержит дисплея, считывания данных производится при помощи отладчика ST-LINK.

 Измеритель pH схема принципиальная

Разводка печатной платы:

Измеритель pH печатная плата 

И собственно собранная плата:

Измеритель pH собранная плата

Тестирование.

Как уже указывалась выше, мы имеем опыт работы с AD7793, поэтому ограничимся тестированием операционного усилителя, а именно входного сопротивления.

В качестве источника напряжения будем использовать компаратор напряжения Р3003 в режиме калибратора. Схема измерения приведена ниже. Собираем схему а), подаем с компаратора напряжения на вход измерителя pH напряжение 1В, что является 90% от шкалы АЦП, результат запоминаем в U1. Затем собираем схему б), результат измерения запоминаем U2, затем по формуле в) вычисляем входное сопротивление измерителя pH.

Измеритель pH схема измерения

 

Результат измерения:

U1 = 1000.000 мВ

U2 = 998.945 мВ

Ux = 998.436 мВ

Rx = ~20ГОм.

После проведения порядка 10 циклов измерения и усреднения результата, входное сопротивление Rx составило порядка 20ГОм, что является более чем достаточным для работы с любым электродом. Температурный дрейф был проверен путем нагрева операционного усилителя при помощи тепловоздушного фена от температуры 23ºС до температуры 100ºС и составил порядка 83 мкВ, что для данной задачи является допустимым значением.

Проверка характеристик операционного усилителя показали полную пригодность для использования в качестве входного буферного усилителя измерителя pH

 

Вы можете заказать разработку электроники,  подробнее смотрите здесь: Разработка электроникиМонтаж шкафовПроектные работы.

Наши Контакты, обращайтесь на почту или по телефону, предложим решение или бесплатно проконсультируем.

Google+

Copyright @ ФЛП Потапов 2016.