РН-МЕТРИЯ ДЛЯ НАЧИНАЮЩИХ.

Часть 1. Что можно сделать самому.

Часть 2. Рекомендации по выбору электродов.

Часть 3. Совершенно бесполезная. РН-электрод из лампочки.

Часть 4. РН-контроллеры.

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 10⁹ – 10¹² Ом, а сопротивление большинства цифровых мультиметров 10⁶ – 10⁷ 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:

LMC6001 – 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*10¹² Ом и током 2 пA. Чуть хуже, но значительно дешевле.

LF444 – четырехканальный усилитель с входным сопротивлением 10¹² Ом, ток 5 пА.

OPA344 – усилитель с входным сопротивлением 10¹³ Ом и типовым входным током 0,2 пА. Бывает в двухканальном (OPA2344) и четырехканальном (OPA4344) исполнении. Аналог – OPA345.

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 LF444 (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 LF444:

Более простая схема в описании микросхемы LMC6001. 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 R1 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 R8 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 R3 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 R2 и R7.

P.S. Более подробную информацию о параметрах микросхем см. в технической документации.

Продолжение. Часть 2. Рекомендации по выбору электродов.

2007 год, jusupoff